CN111474564B - 一种罗兰-c导航信号模拟器及方法 - Google Patents

一种罗兰-c导航信号模拟器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种罗兰‑C导航信号模拟器及方法，参数配置模块接收用户输入的配置参数，输出复位信息给导航时刻产生模块，输出导航参数至导航参数计算模块；基准信号产生模块分别向导航时刻产生模块、使能信号产生模块和导航信号产生模块提供基准时钟，向导航时刻产生模块、使能信号产生模块提供基准1PPS信号；导航时刻产生模块输出导航时刻分别传送至导航参数计算模块和使能信号产生模块；导航参数计算模块得到的信号延迟量和使能信号产生模块输出的使能信号传输至导航信号产生模块，导航信号产生模块输出罗兰‑C导航信号。本发明可在任何地方实时的模拟产生罗兰‑C导航信号，模拟精度高，实用性强，具有较高的可维护性和可扩展性。

Description

一种罗兰-C导航信号模拟器及方法
技术领域
本发明涉及信号与信息处理技术领域，特别涉及一种信号模拟器及方法。
背景技术
罗兰(Long range navigation,Loran)-C导航系统是一种精密的远程无线电导航系统。1957年，美国海岸警卫队建立了世界上第一个罗兰-C导航台链。1979年，我国正式建立名为“长河二号”的多台链罗兰-C导航系统。接收机接收并测量罗兰-C导航台链发播的一个主台(即主台M)信号和两个副台(即副台X和副台Y)信号的达到时间差，并通过双曲线定位原理实现导航定位功能。
国内外研究普遍认为，罗兰-C导航系统与卫星导航系统相结合，可有效降低定位、导航与授时服务风险。因此，罗兰-C导航系统已被视作为卫星导航系统完善性增强的主要备份手段之一。
随着罗兰-C导航系统的广泛应用，在罗兰-C导航系统应用终端的研发、开发、生产和性能测试等各个环节中，对性能可靠、功能完善、操作简单的罗兰-C导航信号模拟模拟器的需求越来越迫切。此外，在罗兰-C导航系统的台链建设过程中，可借助于罗兰-C导航信号模拟器模拟产生的罗兰-C导航信号对台链建设的合理性进行分析与评估。因此，研制罗兰-C导航信号模拟器对我国罗兰-C导航系统的发展及高性能应用终端的研发有着非常重要的意义。
目前，与罗兰-C导航信号模拟器相关的论文或专利有：论文1(王秀森,张治军,王孝通.罗兰-C信号模拟器的设计与实现[J].海军工程大学学报,2001(04):71-74)；论文2(唐金元,王翠珍,尚新强.罗兰-C导航系统地面台站信号模拟器设计[J].航空电子技术，2007(03):5-8)；论文3(乔永严,周爱军.基于单片机的罗兰-C导航系统信号发生器设计[J].舰船电子工程,2014,34(08):175-177+184)。论文1主要提出了标准罗兰-C信号的产生方法以及利用程控方式实现罗兰-C导航信号的产生，但没有涉及实时动态情况下的罗兰-C导航信号的产生方法；论文2提出通过程控方式输入罗兰-C主台与两个副台间的时差信息进而产生罗兰-C主、副台工作信号，但该方法无法实现实时动态情况下的罗兰-C导航信号的产生；论文3只是在论文1的基础上，给出了基于单片机的罗兰-C信号设计方法，同样无法实现实时动态情况下的罗兰-C导航信号的产生。此外，论文1、论文2和论文3均没有涉及导航接收机初始位置与导航信号产生之间的关联，因此无法实现在任意地点模拟产生罗兰-C导航信号。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种罗兰-C导航信号模拟器，基于基准1PPS信号，根据导航参数可实时计算任何罗兰-C导航台链发播的主、副台信号的传播时延，进而实现在任何地方模拟产生罗兰-C导航信号。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种罗兰-C导航信号模拟器，包括参数配置模块、基准信号产生模块、导航时刻产生模块、导航参数计算模块、使能信号产生模块和导航信号产生模块。
所述的参数配置模块的输入端接收用户输入的配置参数；参数配置模块输出复位信息给导航时刻产生模块，输出导航参数至导航参数计算模块；基准信号产生模块分别向导航时刻产生模块、使能信号产生模块和导航信号产生模块提供基准时钟，向导航时刻产生模块、使能信号产生模块提供基准1PPS信号；导航时刻产生模块输出导航时刻分别传送至导航参数计算模块和使能信号产生模块；导航参数计算模块得到的信号延迟量和使能信号产生模块输出的使能信号传输至导航信号产生模块，导航信号产生模块输出罗兰-C导航信号。
所述的导航参数包括导航持续时间T；组重复周期GRI；主台M的大地坐标QM、副台X的大地坐标QX、基线时延BLdX和编码时延CdX；副台Y的大地坐标QY、基线时延BLdY和编码时延CdY；导航初始时刻的接收机大地坐标P0、接收机运动方向A0、接收机运动速度v0和接收机加速度a。
所述的基准信号产生模块包括GPS/BDS双模接收芯片、铷钟、锁相环和比较器，所述的GPS/BDS双模接收芯片接收GPS/BDS信号，产生1PPS信号输出值铷钟，驯服铷钟后输出的1PPS信号作为基准1PPS信号，通过锁相环上变频后通过比较器转换成基准时钟。
所述的使能信号产生模块产生三种使能信号，包括主台M使能信号、副台X使能信号和副台Y使能信号；所述的使能信号为脉冲信号，三种使能信号的上升沿对齐；所述主台M使能信号的脉宽大于副台X使能信号和副台Y使能信号的脉宽。
所述的使能信号在导航初始时刻的上升沿与基准1PPS信号的上升沿对齐。
本发明还提供一种基于上述罗兰-C导航信号模拟器的信号模拟方法，包括以下步骤：
步骤1，接收用户输入的配置参数，产生复位信息和导航参数；
步骤2，产生基准1PPS信号和基准时钟；
步骤3，用n表示导航时刻，用基准时钟作为工作时钟，对n进行累加计数；当n累加到T/Ts或者收到复位信息时，将n置为0后重新计数；所述的Ts为基准时钟的周期；
步骤4，计算导航初始时刻的信号延迟量，包括主台M、副台X和副台Y导航信号传播到接收机的信号延迟量
Figure GDA0003550489980000031
和
Figure GDA0003550489980000032
Figure GDA0003550489980000033
式中，f-1(·,·)表示贝塞尔大地主题反解算法，c表示光速，P0表示导航初始时刻的接收机大地坐标，QM表示主台M的大地坐标，QX表示副台X的大地坐标，QY表示副台Y的大地坐标，BLdX、BLdY和CdX、CdY分别表示副台X和副台Y的基线时延和编码时延；
计算当前导航时刻下，接收机相对于导航初始时刻所运行的大圆距离
Figure GDA0003550489980000034
式中，tn＝n·Ts；
计算当前导航时刻下，接收机的大地坐标Pn＝f(Sn,P0,A0)；
最终得到当前导航时刻的信号延迟量，包括主台M、副台X和副台Y导航信号传播到接收机的信号延迟量
Figure GDA0003550489980000035
和
Figure GDA0003550489980000036
Figure GDA0003550489980000037
步骤5，在使能信号的触发下，以基准时钟作为工作时钟，读取储存的波形数据，分别产生未延迟主台M信号、未延迟副台X信号和未延迟副台Y信号；将所述未延迟主台M信号作延迟处理，延迟量为所述
Figure GDA0003550489980000041
产生主台M信号；将所述未延迟副台X信号作延迟处理，延迟量为所述
Figure GDA0003550489980000042
产生副台X信号；将所述未延迟副台Y信号作延迟处理，延迟量为所述
Figure GDA0003550489980000043
产生副台Y信号；将所述主台M信号、副台X信号和副台Y信号进行相加混合，形成并输出罗兰-C导航信号。
本发明的有益效果是：
(1)根据导航台链大地坐标、基线时延、编码时延、接收机初始大地坐标以及组重复周期等参数可实现在任何地方模拟产生罗兰-C导航信号；
(2)根据接收机运动速度、运动方向和加速度等参数，可以实时计算当前导航时刻的信号传播时延，进而能够实时的模拟产生罗兰-C导航信号；
(3)所述基准信号产生模块可产生高性能的基准1PPS信号和基准时钟，罗兰-C导航信号的模拟精度高，实用性更强；
(4)本发明所提的模拟器采用模块化设计，通过与现有技术相结合并增加模块数即可实现罗兰-C导航/授时一体化信号模拟器，具有较高的可维护性和可扩展性。
附图说明
图1为本发明实施例的一种罗兰-C导航信号模拟器的结构示意图；
图2为本发明实施例的基准信号产生模块示意图；
图3为本发明实施例的使能信号产生模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
如图1所示，本发明提供一种罗兰-C导航信号模拟器，包括：参数配置模块、基准信号产生模块、导航时刻产生模块、导航参数计算模块、使能信号产生模块、导航信号产生模块。
参数配置模块的输入端用于接收用户输入的配置参数；参数配置模块的输出端分别与导航时刻产生模块和导航参数计算模块的输入端相连接；基准信号产生模块的输出端分别与导航时刻产生模块、使能信号产生模块和导航信号产生模块的输入端相连接；导航时刻产生模块的输出端分别与导航参数计算模块和使能信号产生模块的输入端相连接；导航信号产生模块的输入端分别与导航参数计算模块和使能信号产生模块的输出端相连接。
进一步的，参数配置模块输出复位信息和导航参数；所述导航参数包括：导航持续时间T；组重复周期GRI；主台M的大地坐标QM、副台X的大地坐标QX、基线时延BLdX和编码时延CdX；副台Y的大地坐标QY、基线时延BLdY和编码时延CdY；导航初始时刻的接收机大地坐标P0、接收机运动方向A0、接收机运动速度v0；接收机加速度a；
进一步的，基准信号产生模块输出基准1PPS信号和基准时钟；所述基准时钟的周期记为Ts。
所述T、Ts的单位为s；所述GRI的单位为ms；所述BLdX、CdX、BLdY、CdY的单位为μs；所述QM、QX、QY、P0、A0的单位为弧度；所述v0的单位为m/s；所述a的单位为m/s2。
本发明还提供一种罗兰-C导航信号模拟方法，基于本发明所述的模拟器，包括以下步骤：
步骤1，参数配置模块产生所述复位信息和所述导航参数；
步骤2，参照图2，基准信号产生模块产生所述基准1PPS信号和所述基准时钟；
步骤2.1，GPS/BDS双模接收芯片接收GPS/BDS信号，产生1PPS信号；
步骤2.2，用所述1PPS信号驯服高性能铷钟；
步骤2.3，所述驯服高性能铷钟输出的1PPS信号即为所述基准1PPS信号；将所述高性能铷钟输出的10MHz频率进行上变频产生100MHz频率信号；通过比较器将所述100MHz频率信号转换成周期为10×10-9S的所述基准时钟；
步骤3，导航时刻产生模块产生导航时刻，包括如下步骤：
步骤3.1，用n表示导航时刻；特别地，当n＝0时表述为导航初始时刻，当n>0时表述为当前导航时刻；
步骤3.2，用所述基准时钟作为工作时钟，对n进行累加计数；
步骤3.3，当n累加到T/Ts或者当参数配置模块输出所述复位信息时，将n置为0，并跳转到步骤3.2。
步骤4，导航参数计算模块计算当前导航时刻的信号延迟量，包括如下步骤：
所述当前导航时刻的信号延迟量是指当前导航时刻下，导航信号传播到接收机端所需的时间(即导航信号传播时延)，包括信号延迟量
Figure GDA0003550489980000061
(单位为μs)；信号延迟量
Figure GDA0003550489980000062
(单位为μs)和信号延迟量
Figure GDA0003550489980000063
(单位为μs)。
步骤4.1，按下式计算导航初始时刻的信号延迟量，包括信号延迟量
Figure GDA0003550489980000064
(单位为μs)，信号延迟量
Figure GDA0003550489980000065
(单位为μs)和信号延迟量
Figure GDA0003550489980000066
(单位为μs)：
Figure GDA0003550489980000067
式中：f-1(·,·)表示贝塞尔(Bessel)大地主题反解算法，其解算结果的数值单位为m；c表示光速，单位为m/s。
步骤4.2，用下式计算当前导航时刻下，接收机相对于导航初始时刻所运行的大圆距离Sn(单位为m)：
Figure GDA0003550489980000068
式中，tn＝n·Ts；
步骤4.3，用下式计算当前导航时刻下，接收机的大地坐标Pn(单位为弧度)：
Pn＝f(Sn,P0,A0) (3)
式中，f(·,·,·)表示贝塞尔(Bessel)大地主题正解算法；
步骤4.4，利用下式计算当前导航时刻的信号延迟量：
Figure GDA0003550489980000069
步骤5，参照图3，使能信号产生模块产生三种使能信号；所述三种使能信号包括主台M使能信号、副台X使能信号和副台Y使能信号；所述三种使能信号为脉冲信号；所述三种使能信号的周期为GRI；所述三种使能信号的上升沿对齐；所述主台M使能信号的脉宽为10ms；所述副台X使能信号和副台Y使能信号的脉宽均为8ms；在导航初始时刻，所述三种使能信号的上升沿与基准1PPS信号的上升沿对齐；
步骤6，导航信号产生模块产生并输出罗兰-C导航信号，包括如下步骤：
步骤6.1，在所述主台M使能信号的触发下，用所述基准时钟作为工作时钟，读取储存器中的波形数据，产生未延迟主台M信号；在所述副台X使能信号的触发下，用所述基准时钟作为工作时钟，读取储存器中的波形数据，产生未延迟副台X信号；在所述副台Y使能信号的触发下，用所述基准时钟作为工作时钟，读取储存器中的波形数据，产生未延迟副台Y信号；
步骤6.2，将所述未延迟主台M信号作延迟处理(延迟量为所述
Figure GDA0003550489980000071
)，产生主台M信号；将所述未延迟副台X信号作延迟处理，(延迟量为所述
Figure GDA0003550489980000072
)，产生副台X信号；将所述未延迟副台Y信号作延迟处理(延迟量为所述
Figure GDA0003550489980000073
)，产生副台Y信号；
步骤6.3，将所述主台M信号、副台X信号和副台Y信号进行相加混合，形成并输出罗兰-C导航信号。

Claims (5)

1.一种罗兰-C导航信号模拟器，包括参数配置模块、基准信号产生模块、导航时刻产生模块、导航参数计算模块、使能信号产生模块和导航信号产生模块，其特征在于：所述的参数配置模块的输入端接收用户输入的配置参数；参数配置模块输出复位信息给导航时刻产生模块，输出导航参数至导航参数计算模块；基准信号产生模块分别向导航时刻产生模块、使能信号产生模块和导航信号产生模块提供基准时钟，向导航时刻产生模块、使能信号产生模块提供基准1PPS信号；导航时刻产生模块输出导航时刻分别传送至导航参数计算模块和使能信号产生模块；导航参数计算模块得到的信号延迟量和使能信号产生模块输出的使能信号传输至导航信号产生模块，导航信号产生模块输出罗兰-C导航信号；
所述罗兰-C导航信号模拟器的信号模拟方法，包括下述步骤：
步骤1，接收用户输入的配置参数，产生复位信息和导航参数；
步骤2，产生基准1PPS信号和基准时钟；
步骤3，用n表示导航时刻，用基准时钟作为工作时钟，对n进行累加计数；当n累加到T/Ts或者收到复位信息时，将n置为0后重新计数；所述的Ts为基准时钟的周期；
步骤4，计算导航初始时刻的信号延迟量，包括主台M、副台X和副台Y导航信号传播到接收机的信号延迟量
Figure FDA0003550489970000011
和
Figure FDA0003550489970000012
Figure FDA0003550489970000013
式中，f-1(·,·)表示贝塞尔大地主题反解算法，c表示光速，P0表示导航初始时刻的接收机大地坐标，QM表示主台M的大地坐标，QX表示副台X的大地坐标，QY表示副台Y的大地坐标，BLdX、BLdY和CdX、CdY分别表示副台X和副台Y的基线时延和编码时延；
计算当前导航时刻下，接收机相对于导航初始时刻所运行的大圆距离
Figure FDA0003550489970000014
式中，tn＝n·Ts；
计算当前导航时刻下，接收机的大地坐标Pn＝f(Sn,P0,A0)；
最终得到当前导航时刻的信号延迟量，包括主台M、副台X和副台Y导航信号传播到接收机的信号延迟量
Figure FDA0003550489970000021
和
Figure FDA0003550489970000022
Figure FDA0003550489970000023
步骤5，在使能信号的触发下，以基准时钟作为工作时钟，读取储存的波形数据，分别产生未延迟主台M信号、未延迟副台X信号和未延迟副台Y信号；将所述未延迟主台M信号作延迟处理，延迟量为所述
Figure FDA0003550489970000024
产生主台M信号；将所述未延迟副台X信号作延迟处理，延迟量为所述
Figure FDA0003550489970000025
产生副台X信号；将所述未延迟副台Y信号作延迟处理，延迟量为所述
Figure FDA0003550489970000026
产生副台Y信号；将所述主台M信号、副台X信号和副台Y信号进行相加混合，形成并输出罗兰-C导航信号。
2.根据权利要求1所述的罗兰-C导航信号模拟器，其特征在于：所述的导航参数包括导航持续时间T；组重复周期GRI；主台M的大地坐标QM、副台X的大地坐标QX、基线时延BLdX和编码时延CdX；副台Y的大地坐标QY、基线时延BLdY和编码时延CdY；导航初始时刻的接收机大地坐标P0、接收机运动方向A0、接收机运动速度v0和接收机加速度a。
3.根据权利要求1所述的罗兰-C导航信号模拟器，其特征在于：所述的基准信号产生模块包括GPS/BDS双模接收芯片、铷钟、锁相环和比较器，所述的GPS/BDS双模接收芯片接收GPS/BDS信号，产生1PPS信号输出值铷钟，驯服铷钟后输出的1PPS信号作为基准1PPS信号，通过锁相环上变频后通过比较器转换成基准时钟。
4.根据权利要求1所述的罗兰-C导航信号模拟器，其特征在于：所述的使能信号产生模块产生三种使能信号，包括主台M使能信号、副台X使能信号和副台Y使能信号；所述的使能信号为脉冲信号，三种使能信号的上升沿对齐；所述主台M使能信号的脉宽大于副台X使能信号和副台Y使能信号的脉宽。
5.根据权利要求1所述的罗兰-C导航信号模拟器，其特征在于：所述的使能信号在导航初始时刻的上升沿与基准1PPS信号的上升沿对齐。
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