CN101770016B - 基于北斗卫星的gps授时信号发生装置 - Google Patents

基于北斗卫星的gps授时信号发生装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于北斗卫星的GPS授时信号发生装置，它包括：卫星接收模块，通过卫星天线接收卫星信号，并产生秒脉冲信号、10MHz信号和本地时间/位置信息；GPS中频信号发生模块与卫星接收模块相连接，利用卫星接收模块中的10MHZ信号生成采样时钟；GPS信号数据仿真模块分别与卫星接收模块和GPS中频信号发生模块相连接；GPS射频信号发生模块与GPS中频信号发生模块相连接，对GPS中频信号发生模块输出的GPS中频数字信号转换为射频信号并输出。本发明可使现有的GPS授时设备的用户，在不改变现有的技术方案前提下，使用北斗卫星进行授时。避免了转换卫星导航系统带来的额外的开发成本和周期。

Description

基于北斗卫星的GPS授时信号发生装置
技术领域
本发明属于一种通信装置，具体地说是涉及一种卫星导航转换系统。
背景技术
卫星授时在通信、电力、金融等领域和国防领域有着广泛和重要的应用。目前美国的GPS系统授时应用已经深入我国各行各业，出于授时的安全性、可靠性考虑，使用“北斗一号”卫星授时是必然趋势。
对于已经使用GPS授时设备的用户，势必要选择北斗授时设备进行替代，同时需要研究如何改造现有设备，以适应北斗授时设备，额外增加了研发成本和周期。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、开发成本低，使用北斗卫星进行授时的GPS授时信号发生装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明包括：
卫星接收模块，通过卫星天线接收卫星信号，并产生秒脉冲信号、10MHZ信号和本地时间/位置信息；
GPS中频信号发生模块，与卫星接收模块相连接，利用卫星接收模块中的10MHZ信号生成采样时钟；利用所述的采样时钟生成与卫星接收模块中秒脉冲信号相同步的信号，并把该同步信号输出至GPS信号数据仿真模块；所述的GPS中频信号发生模块设有至少六个中频调制码发生通道，并利用GPS信号数据仿真模块中生成的模拟GPS卫星观测量信息、导航电文和星座信息产生中频调制码，并将该中频调制码合成GPS中频数字信号；
GPS信号数据仿真模块，分别与卫星接收模块和GPS中频信号发生模块相连接，利用GPS中频信号发生模块中的同步信号和卫星接收模块中的本地时间/位置信息产生下一历元的模拟GPS卫星观测量信息，并转换为中频调制控制字，同时产生模拟GPS卫星的导航电文和星座信息，最后输出至GPS中频信号发生模块；
GPS射频信号发生模块，与GPS中频信号发生模块相连接，对GPS中频信号发生模块输出的GPS中频数字信号转换为射频信号并输出。
上述的卫星接收模块为北斗接收模块。
在GPS信号数据仿真模块中生成的中频调制控制字包括载波控制字、C/A码时钟控制字、C/A码相位字、D码时钟控制字、D码发生器控制字。
上述的GPS信号数据仿真模块包括星座/误差仿真模块、导航电文生成模块和观测量生成模块；其中，所述的星座/误差仿真模块分别与导航电文生成模块和观测量生成模块相连接。
上述的GPS中频信号发生模块包括与GPS信号数据仿真模块相通信的接口模块，所述的接口模块与至少六个调制码发生器相连接，调制码发生器与信号合成模块相连接。
上述的调制码发生器包括：
载波数控振荡器，利用GPS中频信号发生模块生成的采样时钟，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的载波控制字进行调频调相，产生中频载波信号和数字载波；
C/A码时钟发生器，与载波数控振荡器相连接，对在载波数控振荡器中生成的中频载波信号进行分频，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的C/A码时钟控制字调整分频器初相，产生与中频载波信号同步的C/A码时钟；
C/A码发生器，与C/A码时钟发生器相连接，以C/A码时钟发生器生成的C/A码时钟为参考钟产生码序列，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的C/A码相位字调整码初相，产生与本地时钟同步的C/A码；
D码时钟发生器，与C/A码时钟发生器相连接，以C/A码时钟发生器生成的C/A码时钟为参考钟进行分频，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的D码时钟控制字调整分频器初相，产生D码时钟；
D码发生器，与D码时钟发生器相连接，以D码时钟发生器中生成的D码时钟为参考钟，控制导航电文逐位输出D码，并将所述的D码和C/A码时钟发生器生成的C/A码进行模二和运算产生扩频码；所述的扩频码与载波数控振荡器生成的数字载波进行BPSK调制，产生中频数字信号。
上述的GPS射频信号发生模块包括数模转换模块，数模转换模块与二次变频模块相连接，所述的二次变频模块与增益控制电路相连接。
采用上述技术方案的本发明，具有以下优点：
1、兼容性：本发明可使现有的GPS授时设备的用户，在不改变现有的技术方案前提下，使用北斗卫星进行授时。避免了转换卫星导航系统带来的额外的开发成本和周期。
2、扩展性：本发明不仅可以使用北斗卫星授时，同样可以使用GPS、Galileo，Glonass等卫星导航系统进行授时，只需将授时模块替换为对应的卫星授时接收模块即可。
附图说明
图1为本发明的整体结构框图；
图2为本发明中GPS信号数据仿真模块的结构框图；
图3为本发明中GPS信号数据仿真模块的流程图；
图4为本发明中GPS中频信号发生模块的结构框图；
图5为本发明GPS中频信号发生模块中调制码发生器的结构框图；
图6为本发明中GPS射频信号发生装置。
具体实施方式
实施例1
本实施例基于北斗一代导航卫星进行授时，采用GPS系统观测数据实时仿真技术，将北斗接收模块的授时信息，通过对GPS卫星星座、空间环境影响、地面用户等方面进行仿真建模，仿真计算得到观测数据和导航电文，以GPS信号的C/A码格式、L1频率射频方式发播出去。使外部GPS授时接收机可实时接收解调数据，并可正常定位与授时解算。为了满足外部GPS授时接收机的定时解算，模拟卫星数不少于6颗。
如图1所示，本实施例中的GPS授时信号发生装置包括北斗授时接收模块、GPS中频信号发生模块、GPS信号数据仿真模块和GPS射频信号发生模块，其中，
(1)北斗授时接收模块，通过北斗天线接收北斗一号卫星射频信号，并对该信号进行处理，生成准确的秒脉冲1PPS信号、10MHZ信号和本地时间/位置信息，上述的北斗天线为本领域普通技术人员所熟知的技术；
(2)GPS中频信号发生模块，如图4所示，它与卫星接收模块相连接，利用卫星接收模块中的10MHZ信号生成采样时钟fs；利用采样时钟fs生成与卫星接收模块中秒脉冲1PPS信号相同步的50HZ信号，并把该同步信号输出至GPS信号数据仿真模块；GPS中频信号发生模块设有六个中频调制码发生通道，并利用GPS信号数据仿真模块中生成的模拟GPS卫星观测量信息、导航电文和星座信息产生中频调制码，并将该中频调制码合成GPS中频数字信号；因此，GPS中频信号发生模块包括与GPS信号数据仿真模块相通信的接口模块，接口模块与六个并行的调制码发生器相连接，调制码发生器均与信号合成模块相连接。在这六个调制码发生通道中，各自根据增益控制字独立调整其增益，最终合成GPS中频数字信号。其中，调制码发生器包括：载波数控振荡器、C/A码时钟发生器、C/A码发生器、D码时钟发生器和D码发生器，如图5所示。
①在调制码发生器中，载波数控振荡器NCO利用GPS中频信号发生模块生成的采样时钟fs，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的载波控制字进行调频调相，产生中频载波信号fIF和数字载波；
②C/A码时钟发生器与载波数控振荡器相连接，对在载波数控振荡器中生成的中频载波信号fIF为参考钟进行分频，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的C/A码时钟控制字调整分频器初相，产生与中频载波信号同步的C/A码时钟fCA；
③C/A码发生器，与C/A码时钟发生器相连接，以C/A码时钟发生器生成的C/A码时钟fCA为参考钟产生码序列，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的C/A码相位字调整码初相，产生与本地时钟同步的C/A码；
④D码时钟发生器，与C/A码时钟发生器相连接，以C/A码时钟发生器生成的C/A码时钟fCA为参考钟进行分频，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的D码时钟控制字调整分频器初相，产生D码时钟fD；
⑤D码发生器，与D码时钟发生器相连接，以D码时钟发生器中生成的D码时钟fD为参考钟，控制导航电文逐位输出D码，并将上述的D码和C/A码时钟发生器生成的C/A码进行模二和运算产生扩频码；扩频码与载波数控振荡器生成的数字载波进行BPSK调制，产生中频数字信号。上述的二进制相移键控BPSK调制为本领域普通技术人员所熟知的技术。
(3)GPS信号数据仿真模块，分别与卫星接收模块和GPS中频信号发生模块相连接。如图2所示，它包括星座/误差仿真模块、导航电文生成模块和观测量生成模块；其中，所述的星座/误差仿真模块分别与导航电文生成模块和观测量生成模块相连接。GPS信号数据仿真模块利用GPS中频信号发生模块中的同步信号和卫星接收模块中的本地时间/位置信息产生下一历元的模拟GPS卫星观测量信息，并转换为中频调制控制字，同时产生模拟GPS卫星的导航电文和星座信息，最后输出至GPS中频信号发生模块。其中，在GPS信号数据仿真模块中生成的中频调制控制字包括载波控制字、C/A码时钟控制字、C/A码相位字、D码时钟控制字、D码发生器控制字。
如图3所示，GPS信号数据仿真模块的工作流程为：
GPS数据仿真模块接收GPS中频信号发生模块产生的50HZ，并把该信号作为触发信号。这样，GPS数据仿真模块每20ms，即50Hz调用一次自身内部的观测量生成模块，根据本地时间/位置信息，产生下一历元的模拟GPS卫星观测量信息，并转换为中频调制控制字，包括载波控制字、C/A码时钟控制字、C/A码相位字、D码时钟控制字、D码发生器控制字。在控制系统中，对30秒作取余运算，即每30秒调用一次导航电文生成模块，产生模拟GPS卫星下一主帧的C/A码L1频点导航电文；若不到30秒，则直接发送控制字信息。然后对1小时作取余运算，即每小时调用一次星座和误差仿真模块，产生下一小时可视卫星的轨道、钟差信息，电离层时延、对流层时延等对信号传播的影响的误差。这样，GPS数据仿真模块就能实时地将观测量和电文发送至GPS中频信号发生模块。
(4)GPS射频信号发生模块，与GPS中频信号发生模块相连接，对GPS中频信号发生模块输出的GPS中频数字信号转换为射频信号并输出。
如图6所示，GPS射频信号发生模块包括数模转换模块，数模转换模块与二次变频模块相连接，上述的二次变频模块与增益控制电路相连接。其中，从GPS中频信号发生模块输出的GPS中频数字信号和采样时钟fs先送入数模转换模块中，转换为模拟信号后，依次经过两次变频。在一次变频中，先对模拟信号进行滤波，然后与10MHZ信号通过锁相环和压控振荡器VCO出来的信号相乘，所得的信号再次进行滤波后完成一次变频。在二次变频中，先对一次变频出来的信号进行放大，然后与10MHZ信号通过锁相环和压控振荡器VCO出来的信号相乘，所得的信号再次进行滤波后完成二次变频。信号经过二次变频后，通过增益控制电路输出GPS射频信号。上述的二次变频技术为本领域普通技术人员所熟知的技术。
实施例2
本实施例与实施例1不相同的是，在本实施例中，在GPS中频信号发生模块中，设有八个调制码发生通道，因此，需要八个调制码发生器，八个调制码发生器所形成的八个通道根据在GPS信号数据仿真模块中生成的增益控制字独立调整其增益，最终在信号合成模块中合成GPS中频数字信号。
其他技术特征与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1不相同的是，在本实施例中，采用伽利略Galileo卫星导航系统进行授时，Galileo卫星导航系统接收该卫星信号，并提供1PPS信号、10MHZ信号和本地时间/位置信息。故卫星源模块为Galileo卫星授时接收模块，为本领域普通技术人员所熟知的技术。
需要指出的是，GPS中频信号发生模块中设置的调制码发生通道，可以根据实际需要进行自行设定，可以为十个、十五个、二十个或甚至更多。
另外，本发明中还可以采用Glonass等卫星导航系统进行授时，这样，卫星授时接收模块还可以为Glonass卫星授时接收模块。

Claims (6)

1.一种基于北斗卫星的GPS授时信号发生装置，其特征在于，它包括：
卫星接收模块，通过卫星天线接收卫星信号，并产生秒脉冲信号、10MHZ信号和本地时间/位置信息；所述的卫星接收模块为北斗接收模块；
GPS中频信号发生模块，与卫星接收模块相连接，利用卫星接收模块中的10MHZ信号生成采样时钟；利用所述的采样时钟生成与卫星接收模块中秒脉冲信号相同步的信号，并把该同步信号输出至GPS信号数据仿真模块；所述的GPS中频信号发生模块设有至少六个中频调制码发生通道，并利用GPS信号数据仿真模块中生成的模拟GPS卫星观测量信息、导航电文和星座信息产生中频调制码，并将该中频调制码合成GPS中频数字信号；
GPS信号数据仿真模块，分别与卫星接收模块和GPS中频信号发生模块相连接，利用GPS中频信号发生模块中的同步信号和卫星接收模块中的本地时间/位置信息产生下一历元的模拟GPS卫星观测量信息，并转换为中频调制控制字，同时产生模拟GPS卫星的导航电文和星座信息，最后输出至GPS中频信号发生模块；
GPS射频信号发生模块，与GPS中频信号发生模块相连接，对GPS中频信号发生模块输出的GPS中频数字信号转换为射频信号并输出。
2.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的GPS授时信号发生装置，其特征在于：在所述GPS信号数据仿真模块中生成的中频调制控制字包括载波控制字、C/A码时钟控制字、C/A码相位字、D码时钟控制字、D码发生器控制字。
3.根据权利要求2所述的基于北斗卫星的GPS授时信号发生装置，其特征在于：所述的GPS信号数据仿真模块包括星座/误差仿真模块、导航电文生成模块和观测量生成模块；其中，所述的星座/误差仿真模块分别与导航电文生成模块和观测量生成模块相连接。
4.根据权利要求3所述的基于北斗卫星的GPS授时信号发生装置，其特征在于：所述的GPS中频信号发生模块包括与GPS信号数据仿真模块相通信的接口模块，所述的接口模块与至少六个调制码发生器相连接，调制码发生器与信号合成模块相连接。
5.根据权利要求4所述的基于北斗卫星的GPS授时信号发生装置，其特征在于，所述的调制码发生器包括：
载波数控振荡器，利用GPS中频信号发生模块生成的采样时钟，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的载波控制字进行调频调相，产生中频载波信号和数字载波；
C/A码时钟发生器，与载波数控振荡器相连接，对在载波数控振荡器中生成的中频载波信号进行分频，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的C/A码时钟控制字调整分频器初相，产生与中频载波信号同步的C/A码时钟；
C/A码发生器，与C/A码时钟发生器相连接，以C/A码时钟发生器生成的C/A码时钟为参考钟产生码序列，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的C/A码相位字调整码初相，产生与本地时钟同步的C/A码；
D码时钟发生器，与C/A码时钟发生器相连接，以C/A码时钟发生器生成的C/A码时钟为参考钟进行分频，并根据在GPS信号数据仿真模块中生成的D码时钟控制字调整分频器初相，产生D码时钟；
D码发生器，与D码时钟发生器相连接，以D码时钟发生器中生成的D码时钟为参考钟，控制导航电文逐位输出D码，并将所述的D码和C/A码时钟发生器生成的C/A码进行模二和运算产生扩频码；所述的扩频码与载波数控振荡器生成的数字载波进行BPSK调制，产生中频数字信号。
6.根据权利要求1所述的基于北斗卫星的GPS授时信号发生装置，其特征在于：所述的GPS射频信号发生模块包括数模转换模块，数模转换模块与二次变频模块相连接，所述的二次变频模块与增益控制电路相连接。
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