CN101033974A - 基于软件的导航卫星信号生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够只需较少的硬件，从而成本降低、但灵活性增加的基于软件的导航卫星信号生成系统，包括通过计算机数据接口连接的软件部分和硬件部分，其特征在于：所述软件部分运行于计算机中，并在计算机中由该软件生成导航卫星的数字中频信号数据。所述数字中频信号数据通过计算机数据接口传送到硬件部分，得到数字中频信号；该数字中频信号经过数模变换和滤波得到模拟中频信号；该模拟中频信号经上变频得到导航卫星的射频信号。所述计算机数据接口为USB接口或PCI接口。所述硬件部分主要包括数模变换装置、滤波装置、上变频装置和增益控制装置，而不再包括直扩序列扩频装置、载波生成装置和载波调制装置。

Description

基于软件的导航卫星信号生成系统

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，特别是一种基于软件的导航卫星信号生成系统，该导航卫星信号生成系统是一种研发、测试卫星导航接收机的有效工具，可以应用于任何导航卫星信号的生成，包括美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统，欧洲的伽利略系统，中国的北斗系统，以及以后可能出现的任何新的卫星导航体制。

背景技术

卫星导航系统是一种通过接收机接收多颗导航卫星信号，接收机根据接收到的导航卫星信号进行运算得到接收机位置的系统。一般卫星导航系统由分布于不同轨道平面的多颗导航卫星组成，以保证在任何时间，应用范围内的任何地点都可以接收到多颗导航卫星的信号，比如对于现在运行的美国GPS(Global Positioning System全球定位系统)系统的应用范围是全球，就要保证在任何时间、全球的任何地点可以接收到至少四颗导航卫星的信号。卫星导航接收机就是接收导航卫星信号，并根据接收到的卫星信号经过运算，得到位置、时间、速度的装置。

图1是卫星导航系统和卫星导航接收机的原理框图。卫星导航接收机可以同时收到n颗导航卫星发射的信号，这n颗导航卫星信号之和我们称之为导航卫星射频信号S_RF：

$S_{\mathrm{RF}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{RFi}}...\left(1\right)$

             S_RFi＝A_iC_i(t-τ_i)D_i(t)sin(ω_i(t-τ_i)+φ_i)+n_i(t)       (2)

其中，S_RFi为第i颗卫星的射频信号，A_i为第i颗卫星的信号幅度，C_i(t)为第i颗卫星伪随机码，包括各种导航卫星体制中的所有码，如美国GPS系统中的C/A码、P码，欧洲伽利略系统中的各种码等，D_i(t)为第i颗卫星发射的导航电文，包括各种导航卫星体制中的各种电文，ω_i为第i颗卫星的载波角频率，包括各种导航卫星体制中的所有频率，φ_i为第i颗卫星的载波相位，τ_i为第i颗卫星的传输延时，n_i(t)为噪声功率。A_i、ω_i、φ_i、τ_i、n_i(t)与导航卫星的运行轨道、导航卫星的时钟误差等误差参数、导航卫星信号传输误差参数(如电离层误差、对流层误差)、信道衰减、接收机位置和运动状态有关，即当接收机处于不同位置和不同运动状态时，会引起上述变量产生相应变化。

卫星导航接收机通常由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括天线、射频部分、基带处理。天线将空间中的导航卫星电磁波转变为电信号，得到射频信号，信号的频率为卫星信号波段，如GPS系统的L1波段的频率标称值为1575.42MHz。射频部分将导航卫星信号放大、下变频、滤波、数模变换，最后输出数字中频信号。下变频是指将卫星波段的信号(频率一般为1GHz到2GHz)降到几MHz到几十MHz的模拟中频信号，即相当于射频信号的频率减去一个固定的本振频率。模拟中频信号S_IFA为：

$S_{\mathrm{IFA}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{IFAi}}...\left(3\right)$

              S_IFAi＝A_iC_i(t-τ_i)D_i(t-τ_i)sin((ω_i-ω₀)(t-τ_i)+φ_i)+n_i(t)    (4)

其中，ω₀为本振角频率。数模变换是将经过下变频后的模拟中频信号S_IFA进行采样量化，变为数字中频信号，数字中频信号S_IFD可以被进一步进行数字处理。基带处理一般是数字电路，处理数字中频信号，主要功能是去掉直扩序列和中频载波。软件部分运行在处理器上，根据基带处理部分的结果进行运算，同时写入控制参数到基带处理部分。软件部分由信号处理和解算两部分组成。信号处理软件主要包括卫星信号捕获、跟踪、比特同步、比特信息提取等部分。解算部分主要功能是通过计算得到接收机位置。

目前，开发、研制卫星导航接收机是比较费时、费力的事情，为了全面研究卫星导航接收机的算法和测试其性能，需要接收机可以处于任意位置和任意的运动状态，以及需要任意时间、任意信号强度、任意传输误差等各种条件。然而，在实际开发和测试过程中，使接收机真实处于这些条件下(特别是一些极端环境)是不可能的。因此，需要导航卫星信号生成系统(或叫导航卫星信号模拟器)人为产生导航卫星射频信号S_RF，使公式(1)和(2)中的各种参数对应于各种条件，如时间、信道衰减、接收机位置和运动状态、信道传输延时等，这样就可以在实验室的静态条件下模拟各种环境条件，从而达到验证、测试导航卫星接收机的目的。如图2为现有的导航卫星信号生成系统的原理框图，用户可以任意设置接收机的位置和运动轨迹、时间、误差参数、信道衰减等各种参数，该信号生成系统计算出各导航卫星报文，以及接收机应收到的各导航卫星的载波频率、载波频率变化率、载波相位、延时等观测量，产生控制命令，控制硬件部分进行直扩序列产生、直扩序列扩频、载波生成、载波调制、调整增益，最终生成导航卫星射频信号S_RF。系统的软件部分一般是在专用的计算机系统中运行。上述结构虽然被目前所有市场上的导航卫星信号生成系统所采用，但其存在如下不足之处：1、主要功能(如直扩序列产生、直扩序列扩频、载波生成、载波调整等)是通过硬件实现，设备复杂、成本高；2、设备的硬件一旦做好，难以改变，灵活性差，难以升级、改造，如一旦出现新的导航卫星体制或新的卫星信号，就需要新的设备；3、输出单一，只有射频信号，无法得到模拟中频信号、数字中频信号；4、无法得到数字中频信号数据，该数据可以被计算机软件处理，进行数据分析和软件仿真；5、采用专用计算机系统成本高，灵活性差；6、由于硬件实现过于复杂，不便于设计多种卫星导航体制、多种码、多种频点的混合导航卫星信号生成系统；7、难以扩展功能，用户无法在输出信号中加入自定义信号，如单频干扰信号等。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种能够只需较少的硬件，从而成本降低、但灵活性增加的基于软件的导航卫星信号生成系统。

本发明的技术构思为，在计算机中通过软件生成导航卫星的数字中频信号数据，从而在硬件构成中能够减少直扩序列扩频、载波生成和载波调制等单元，实现成本低、灵活性高的基于软件的导航卫星信号生成系统。

本发明技术方案如下：

基于软件的导航卫星信号生成系统，包括通过计算机数据接口连接的软件部分和硬件部分，其特征在于：所述软件部分运行于计算机中，并在计算机中由该软件生成导航卫星的数字中频信号数据。

所述数字中频信号数据通过计算机数据接口传送到硬件部分，得到数字中频信号；该数字中频信号经过数模变换和滤波得到模拟中频信号；该模拟中频信号经上变频得到导航卫星的射频信号。

所述计算机数据接口为标准计算机数据接口，包括USB接口或PCI接口等。

所述硬件部分主要包括数模变换装置、滤波装置、上变频装置和增益控制装置，而不再包括直扩序列扩频装置、载波生成装置和载波调制装置。

所述数模变换、滤波、上变频为多个并行通道，以便分别得到各种导航卫星体制、各种码、各种频率的导航卫星信号，最后将所有通道的射频信号合并，就可以得到最终的射频信号。

所述数字中频信号可以被直接输入到卫星导航接收机的基带部分，用于调试和测试，数字中频信号的时钟频率可以被任意设置，即该时钟频率可以与实际的采样率不一至；所述模拟中频信号可以被输入至卫星导航接收机的模数变换部分之前，用于调试和测试；所述射频信号的功率可以被增益控制装置调节，所述射频信号可以被输入到完整的卫星导航接收机，用于调试和测试。

所述软件生成的数字中频信号数据中的中频频率，采样率，以及样点比特数可以通过软件设置。

所述软件部分还包括自定义信号模块，能够被用户扩展应用，即用户可加入自定义的信号。

本发明技术效果如下：

本发明提出一种新的基于软件的导航卫星信号生成系统，只具有最少、最基本的硬件，成本低、灵活性高。本系统主要通过普通的计算机生成数字中频信号数据，再通过标准计算机数据接口，如USB接口(速率可达480Mb/s)、PCI接口等，传送到硬件部分，得到数字中频信号，再经过数模变换得到模拟中频信号，最后经上变频得到射频信号。本系统可以得到数字中频信号数据、数字中频信号、模拟中频信号、射频信号等多种输出形式。

导航卫星信号生成系统是一种研发卫星导航接收机的有效工具。与目前基于硬件的导航卫星信号生成系统不同，本发明是基于软件的导航卫星信号生成系统，在计算机中通过软件生成导航卫星的数字中频信号数据，硬件部分只保留最少的部分，即主要只有模数变换、带通滤波和上变频部分。数字中频信号数据通过标准的计算机数据接口，从计算机传送到硬件设备上，从而可以得到导航卫星的数字中频信号，经过数模转换，可以得到模拟中频信号，再经过上变频，就可以得到导航卫星的射频信号，这与实际情况下导航卫星信号完全一样。本系统结构灵活、扩展性强、成本低，可以产生导航卫星的射频信号、模拟中频信号、数字中频信号、数字中频信号数据，开发者可以利用这些信号研究、验证、测试卫星导航接收机的算法、程序和性能。

附图说明

图1是卫星导航系统和卫星导航接收机的原理框图。

图2是现有的导航卫星信号生成系统的原理框图。

图3是本发明的基于软件的导航卫星信号生成系统的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图3为本发明的基于软件的导航卫星信号生成系统的原理框图，主要分为软件部分和硬件部分。

导航卫星信号生成系统的软件部分运行在普通的计算机上，用户通过人机界面可以任意设置接收机的位置和运动轨迹，以及时间、误差参数、信道衰减等各种参数，经计算可得到参数和误差，包括导航卫星轨道参数、导航卫星时钟误差参数、电离层参数、对流层参数等。通过这些参数，可以得到导航电文。利用这些参数和接收机运动轨迹，可以得到接收机应收到的各导航卫星的观测量，包括中频载波频率、载波频率变化率、载波相位、码时钟频率、码相位、信号幅度噪声功率等参数，即前述背景技术式(4)中的各参数。利用式(4)，通过软件最终得到数字中频信号S_IFD数据，通过软件设置，该数据可以包括任何导航卫星体制、任何码、任何频率的卫星信号，也可以生成广域增强卫星信号，如WAAS、EGNOS信号等。其中，中频频率、采样时钟频率、每个采样点的比特数都可以通过软件设置。另外，可以具有扩展功能，用户可以在数字中频信号中加入自定义信号，如单频干扰信号等等，以便于干扰、抗干扰研究。此前所有功能都是通过软件实现的。数字中频信号数据也可以被用户使用，做数据分析和软件仿真。

计算机读取数字中频信号数据，通过标准的计算机数据接口传送到导航卫星信号生成系统的硬件部分中，此标准计算机数据接口的传输比特速率应大于数字中频信号的采样率×每个采样点的比特数，该数据接口包括USB、PCI接口等。在硬件部分中，经过计算机数据接口的解码，得到数字中频信号。该数字中频信号可以被直接输入到卫星导航接收机的基带部分，用于调试和测试，数字中频信号的时钟频率可以被任意设置，即该时钟频率可以与实际的采样率不一至。例如，为了做实验验证，卫星导航接收机要进行FPGA实验，该接收机的运行速度低于实际情况，这就可以通过输入低频率的数字中频信号来进行实验。数字中频信号经数模变换、滤波后得到模拟中频信号，模拟中频信号也可以被输入至卫星导航接收机的模数变换部分之前，用于调试和测试。模拟中频信号再经上变频就可以得到导航卫星的射频信号，射频信号的功率可以被增益控制部分调节。其中，数模变换、滤波、上变频也可以是多个并行通道，以便分别得到各种导航卫星体制、各种码、各种频率的导航卫星信号，最后将所有通道的射频信号合并，就可以得到最终的射频信号。该射频信号可以被输入到完整的卫星导航接收机，用于调试和测试。

本发明适用于各种导航卫星体制的信号生成，包括美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统等，以及未来可能出现的新的卫星导航体制和新的卫星信号，只需要一台普通计算机和少量的硬件。设备硬件简单(主要只包括计算机数据接口电路、模数变换、滤波器、上变频和增益控制)、成本低、灵活性高、升级容易，可以单独或混合输出各种导航卫星体制、各种码、各种频率的导航卫星信号。输出形式多样化，可以得到数字中频信号数据、数字中频信号、模拟中频信号、射频信号等，是研究、验证、开发、测试卫星导航接收机和卫星导航软件接收机的有效工具。

本发明的基于软件的导航卫星信号生成系统具有以下特点：

1.本发明中的导航卫星信号生成系统可以应用于任何导航卫星信号的生成，包括美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统，欧洲的伽利略系统，中国的北斗系统，以及以后可能出现的任何新的卫星导航体制。

2.如图3所示，是导航卫星信号生成系统的主要组成框图。主要特点是：主要功能由软件实现，硬件部分只保留最少部分；数字中频信号数据在普通计算机中由软件生成；采用标准计算机数据接口，可以连续、实时的传送信号，标准计算机数据接口包括USB等一切标准的计算机数据接口，只要数据接口的传输比特速率大于数字中频信号的采样率×每个采样点的比特数即可；硬件部分主要只有数模变换、滤波、上变频、增益控制。

3.输出形式多样，可以得到数字中频信号数据、数字中频信号、模拟中频信号、射频信号，也可以只包括数字中频信号数据、数字中频信号、模拟中频信号、射频信号中的一种或几种。

4.硬件部分中，可以包括2中列的全部或部分，也可以根据功能需求进行增减组合。

5.硬件部分中，数模变换、滤波、上变频也可以是多个并行通道，以便得到各种导航卫星体制、各种码、各种频率的导航卫星信号，最后将所有通道的射频信号合并，就可以得到最终的射频信号。

6.软件生成的数字中频信号数据中的中频频率，采样率，样点比特数可以通过软件设置。

7.在硬件部分中，计算机传送过来的数字中频信号数据变为数字中频信号时，数字中频信号的时钟频率可以被任意设置。

8.本系统可以产生多个频率的导航卫星信号。

9.本系统可以产生各种卫星导航体制、多种码的单独或混合导航卫星信号。

10.可以被用户扩展应用，用户可加入自定义的信号。

11.本系统也可以生成广域增强卫星信号，如WAAS、EGNOS信号等

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和技术实质的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.基于软件的导航卫星信号生成系统，包括通过计算机数据接口连接的软件部分和硬件部分，其特征在于：所述软件部分运行于计算机中，并在计算机中由该软件生成导航卫星的数字中频信号数据。

2.根据权利要求1所述的基于软件的导航卫星信号生成系统，其特征在于：所述数字中频信号数据通过计算机数据接口传送到硬件部分，得到数字中频信号；该数字中频信号经过数模变换和滤波得到模拟中频信号；该模拟中频信号经上变频得到导航卫星的射频信号。

3.根据权利要求1所述的基于软件的导航卫星信号生成系统，其特征在于：所述计算机数据接口为标准计算机接口，包括USB接口或PCI接口。

4.根据权利要求1所述的基于软件的导航卫星信号生成系统，其特征在于：所述硬件部分主要包括数模变换装置、滤波装置、上变频装置和增益控制装置，而不再包括直扩序列扩频装置、载波生成装置和载波调制装置。

5.根据权利要求4所述的基于软件的导航卫星信号生成系统，其特征在于：所述数模变换、滤波、上变频为多个并行通道，以便分别得到各种导航卫星体制、各种码、各种频率的导航卫星信号，最后将所有通道的射频信号合并，就可以得到最终的射频信号。

6.根据权利要求2所述的基于软件的导航卫星信号生成系统，其特征在于：所述数字中频信号可以被直接输入到卫星导航接收机的基带部分，用于调试和测试，数字中频信号的时钟频率可以被任意设置，即该时钟频率可以与实际的采样率不一至；所述模拟中频信号可以被输入至卫星导航接收机的模数变换部分之前，用于调试和测试；所述射频信号的功率可以被增益控制装置调节，所述射频信号可以被输入到完整的卫星导航接收机，用于调试和测试。

7.根据权利要求1所述的基于软件的导航卫星信号生成系统，其特征在于：所述软件生成的数字中频信号数据中的中频频率，采样率，以及样点比特数可以通过软件设置。

8.根据权利要求1所述的基于软件的导航卫星信号生成系统，其特征在于：所述软件部分还包括自定义信号模块，能够被用户扩展应用，即用户可加入自定义的信号。

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