CN102176029B - 一种gps直达与多径信号模拟器及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种GPS直达与多径信号模拟器及模拟方法，其硬件平台主要由DSP信息处理模块、FPGA信号处理模块、D/A转换模块、上变频模块、以及发射天线或输出电缆构成；其中FPGA信号处理模块内设有时间延迟单元和信号合成单元。其中时间延迟单元复制所产生的GPS直达信号，并对其进行相应的延迟后得到多径信号分量；GPS直达信号和多径信号分量在信号合成单元中进行迭加数字合成输出给后端的D/A数模转换模块。本发明使得多径信号相对直达信号的时间时间量与系统工作时钟联系起来，更易于数字实现，而模拟输出的卫星信号为全数字实现，直达信号和多径信号参数可调可控，十分精确，仪器使用方便，可广泛应用于GPS领域。

Description

一种GPS直达与多径信号模拟器及模拟方法

技术领域

本发明涉及GPS卫星导航领域，具体涉及一种GPS直达与多径信号模拟器及模拟方法。

背景技术

在GPS接收机生产、调试、研究过程中，需要测定接收机对卫星信号接收及定位性能，以及接收机在弹载等复杂环境下的定位可用性，要获得这样的统计特性，不可能进行大数量的实际飞行验证。为方便地在实验环静态环境下实现这类测试，根据相对运动原理，不必把接收机放在导弹、星船等空间设备上，只需要模拟器模拟出接收机在这些轨迹下所接收到的导航卫星信号，在室内对静止接收机测试，接收机的定位结果就是模拟器所预先设定的轨迹，可以方便测试接收机在高空、高速运动条件下定位效果，这样节约了接收机的测试成本。根据这样的应用需求，GPS信号模拟器便应运而生。GPS卫星信号模拟器就是模拟产生GPS卫星导航信号，为GPS接收机的研制开发、测试提供仿真环境，它是卫星导航系统和接收机(尤其是高动态接收机)研制的关键仪器。GPS信号模拟器所模拟的仿真环境环境越逼真，对于GPS接收机的性能测定则越为准确。

在实际环境下，接收天线所接收到的信号，不仅包含有直达波信号、而且包含有经周围物体的反射后所产生的镜面反射信号和漫散射信号等反射波信号。反射波信号将对直接来自卫星的信号（直达波）产生干扰，从而使观测值偏离真值，产生所谓“多径误差”。可见，研究多径效应，对于分析卫星导航系统和接收机的测量精度而言具有重要的意义。而要研究多径效应，就要求卫星信号模拟器不仅能模拟高精度的卫星直达波信号，更为主要的是模拟出特定时间、特定地点的接收机所接收到的所有卫星星座发射或漫射的信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种GPS直达与多径信号模拟器及模拟方法，本发明以DSP+FPGA数字信号处理平台为核心，根据预先设定的卫星星历以及接收机轨迹等参数，计算并产生高精密数字信号，高保真模拟用户所设定场景的卫星直达信号和多径信号，并连接高速数模转换及上变频模块，完成GPS射频信号输出。

为解决上述问题，本发明是通过下述方案实现的：

一种GPS直达与多径信号模拟器，包括DSP信息处理模块、FPGA信号处理模块、D/A转换模块、上变频模块、以及发射天线或输出电缆；DSP信息处理模块与FPGA信号处理模块相连；FPGA信号处理模块输出接D/A转换模块；D/A转换模块经上变频模块与发射天线或输出电缆连接；其中FPGA信号处理模块内设有时间延迟单元和信号合成单元；

DSP信息处理模块：根据用户需求，设定所模拟的GPS接收机运动轨迹；完成星历参数的提取并编码为导航电文；根据卫星星座和用户设定仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见；对于可见星，计算相应仿真时刻的延迟相位和信号频率，并把所有可见星的电文、相位信息和频率信息发给FPGA信号处理模块；

FPGA信号处理模块：根据DSP信息处理模块传输的卫星状态，把可见星分配到相应的信号生成通道；根据DSP信息处理模块传递的参数，设定每个卫星的初始载波相位、码相位、导航电文选择相位，再根据频率信息生成相应的电文、码、载波信号，并完成三者的扩频、调制，得到GPS直达信号；时间延迟单元复制所产生的GPS直达信号，并对其进行相应的延迟后得到多径信号分量；GPS直达信号和多径信号分量在信号合成单元中进行迭加数字合成输出给后端的D/A数模转换模块；

D/A转换模块：将FPGA信号处理模块传来的中频数字信号转换为模拟信号后，送至上变频模块；

上变频模块：对D/A转换模块输入的中频模拟信号进行混频、滤波，并上变频到GPS的标称射频频率后经由发射天线或输出电缆输出。

上述方案中，时间延迟单元延迟的时间量是模拟器工作时钟周期的整数倍。

上述方案中，DSP信息处理模块还设有各类误差源的误差模型，DSP信息处理模块根据各类误差源，由误差模型生成相应的误差仿真信号。

上述方案所述GPS的标称射频频率为1575.42MHz。

上述方案所述发射天线为L波段右旋圆极化全向天线。

一种GPS直达与多径信号模拟方法，包括如下步骤：

①DSP信息处理模块，根据用户需求，设定所模拟的GPS接收机运动轨迹；完成星历参数的提取并编码为导航电文；根据卫星星座和用户设定仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见；对于可见星，计算相应仿真时刻的延迟相位和信号频率，并把所有可见星的电文、相位信息和频率信息发给FPGA信号处理模块；

②FPGA信号处理模块，根据DSP传输的卫星状态，把可见星分配到相应的信号生成通道；根据DSP信息处理模块传递的参数，设定每个卫星的初始载波相位、码相位、导航电文选择相位，再根据频率信息生成相应的电文、码、载波信号，并完成三者的扩频、调制，得到GPS直达信号；FPGA信号处理模块的时间延迟单元复制所产生的GPS直达信号，并对其进行相应的延迟后得到多径信号分量；GPS直达信号和多径信号分量在信号合成单元中进行迭加数字合成输出给后端的D/A数模转换模块；

③D/A转换模块，将FPGA信号处理模块传来的中频数字信号转换为模拟信号后，送至上变频模块；

④上变频模块，对D/A转换模块输入的中频模拟信号进行混频、滤波，并上变频到GPS的标称射频频率后经由发射天线或输出电缆输出。

上述步骤②中，时间延迟单元延迟的时间量是模拟器工作时钟周期的整数倍。

上述步骤①的还包括有根据DSP信息处理模块内部建立的各类误差源的误差模型生成相应的误差仿真信号的步骤。

上述步骤④所述的GPS的标称射频频率为1575.42MHz。

上述步骤④所述的发射天线为L波段右旋圆极化全向天线。

与现有技术相比，本发明设计了一种简便的多径信号模拟方法，在FPGA信号处理模块中，复制所生产的直达信号，并对其进行相应的延迟，就得到了一个多径信号分量。因为FPGA是按照工作时钟的时序进行工作的，可以按照工作时钟频率对复制的直达信号延迟一个时钟的时间在输出，这样就实现了一个多径信号，依次类推，多径分量也可以延迟2个至任意个时钟周期，可以供接收机端测试多径抑制算法效果。本发明使得多径信号相对直达信号的时间时间量与系统工作时钟联系起来，更易于数字实现，而模拟输出的卫星信号为全数字实现，直达信号和多径信号参数可调可控，十分精确，仪器使用方便，可广泛应用于GPS领域。

附图说明

图1为本发明一种GPS直达与多径信号模拟器的原理示意图。

具体实施方式

本发明一种GPS直达与多径信号模拟器的原理示意图如图1所示，其硬件平台主要由DSP信息处理模块、FPGA信号处理模块、D/A转换模块、上变频模块、以及发射天线或输出电缆构成。DSP信息处理模块与FPGA信号处理模块相连；FPGA信号处理模块输出接D/A转换模块；D/A转换模块经上变频模块与发射天线或输出电缆连接；其中FPGA信号处理模块内设有时间延迟单元和信号合成单元。DSP信息处理模块完成参数设定和信号频率、相位等数值计算，相应的控制字送给FPGA信号处理模块，完成相应频率的GPS载波信号、伪随机码信号和导航电文的模拟、调制，多颗卫星信号进行数字叠加，输出给D/A转换模块，实现数字量到模拟量的转换，最后送到上变频模块，把中频信号变为GPS的射频频率信号，并输出给发射天线或输出电缆，以供接收机测试。根据测试环境，模拟器提供精确的多径信号，根据已经计算好的直达信号，FPGA信号处理模块内的时间延迟单元延迟相应的工作时钟，就可以得到多径信号，而不必重新计算信号，节省了计算时间和电路功耗，延迟时间最短为一个时钟周期。

1、DSP信息处理模块

DSP信息处理模块在模拟器中完成参数初始化及控制、计算等大部分工作，包括：①根据用户需求，设定所模拟的GPS接收机运动轨迹（时间、位置、速度、加速度等）；②完成星历参数的提取并编码为导航电文；③根据卫星星座和用户设定仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见；④对于可见星，计算相应仿真时刻的延迟相位和信号频率，并把所有可见星的电文、相位信息和频率信息发给FPGA信号处理模块。⑤在此过程中DSP信息处理模块还建立各类误差源的误差模型，根据各类误差源，由误差模型生成相应的误差仿真信号。

2、FPGA信号处理模块

FPGA信号处理模块根据DSP信息处理模块传输的卫星状态，把可见星分配到相应的信号生成通道；根据DSP信息处理模块传递的参数，设定每个卫星的初始载波相位、码相位、导航电文选择相位，再根据频率信息生成相应的电文、码、载波信号，并完成三者的扩频、调制，得到GPS直达信号；时间延迟单元复制所产生的GPS直达信号，并对其进行相应的延迟后得到多径信号分量；GPS直达信号和多径信号分量在信号合成单元中进行迭加数字合成输出给后端的D/A数模转换模块。本发明所述的一定频率的信号生成，均采用高精度数字频率合成（NCO）技术进行信号频率精确模拟，输出高精度数字中频GPS模拟信号。

GPS接收机接收到的是卫星直射信号和接收机周围物体的反射多径信号的合成信号，因此往往需要在模拟器中产生多径信号。

GPS信号是典型的直接序列扩频信号，接收机天线接收到的直达信号可以表示为：

x(t)=Ad(t)c(t)cos(ω₀t)                     （1）

多径信号都是滞后于直达信号到达接收机的，而且幅度一般是衰减的，因此相对此直达信号的多径信号可以表示为：

m(t)=α_iAd(t-τ_i)c(t-τ_i)cos[ω₀(t-τ_i)]    （2）

相位延迟一般仍表示成相位，因此多径信号的表达式可以表示为：

m(t)=α_iAd(t-τ_i)c(t-τ_i)cos[ω₀t+φ_i(t)]   （3）

多个多径信号和直达信号一起可以表示为：

$s\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\mathrm{Ad}(t-{\mathrm{\τ}}_i)c(t-{\mathrm{\τ}}_i)\cos [{\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_i\left(t\right)]---\left(4\right)$

其中，i＝0表示该信号为卫星直达信号，其它为M-1个多路径信号；A表示载波幅度；α_i表示信号幅度衰落系数，α₀对应直达信号；d(t)表示导航数据信息；c(t-τ_i)表示不同时延的GPS伪随机码（因民用码为C/A码，因此用c(t)来表示）；w₀表示卫星信号的中频频率（这里假设了直达信号和多路径信号具有相同的频率）；φ_i(t)表示第i个信号的相位。

在模拟器中，当产生了直达信号以后，往往需要产生多径信号，以便接收机进行抗多径环境测试。

本发明根据以上公式，发明了一种简便的多径信号生成方法。因为在模拟器中的每一个信号都是根据模拟器的主工作时钟产生的，在产生了直达信号基础上，若通过一个时钟延迟单元，再输出该信号，就可以很方便地产生时间上延迟了一个时钟的多径信号，并对此信号幅度按要求进行衰减，即可产生所需要的任意多径信号。最后通过加法器可以把多径信号和直达信号相加再进行输出，就完成了直达信号和任意延迟的多径信号输出。

时钟延迟单元可以延迟一个时钟，也可以延迟多个时钟，延迟的时间是时钟周期的整数倍，非常精确，这样可以方便对比接收机的抗多径测试结果。因为FPGA信号处理模块是按照工作时钟的时序进行工作的，可以按照工作时钟频率对复制的直达信号延迟一个时钟的时间在输出，即经过一个时间延迟单元，这样就实现了一个多径信号，依次类推，多径分量也可以延迟2个至任意个时钟周期，可以供接收机端测试多径抑制算法效果。假定模拟器的工作时钟为68MHz，多径信号的延迟时间最小分辨率就为1/68000000秒，非常精确。

3、D/A转换模块

D/A转换模块实行数字中频信号转换为模拟信号。所述发明使用DAC5687芯片，该芯片是美国TI公司推出的一款高速、高性能、双通道16位的D／A转换芯片，其最高采样速率可达500MSPS。DAC5687主要有6个信号处理模块：固定插值滤波器FIR1、FIR2、FIR3和带有32位数控振荡器的精混频器、正交调制校正模块和粗混频器。DAC5687可以通过微控制器进行灵活的配置，方便实现数字信号到模拟信号转换，并具有变频功能。

4、上变频模块

在上变频模块，对输入的标称中频模拟信号进行混频、滤波，上变频到GPS的标称射频频率1575.42MHz，与实际环境的GPS卫星发射的信号一致。最后的射频信号接到发射天线发射出去，供接收机测试。

5、发射天线或输出电缆

在本发明优选实施例中，选用L波段右旋圆极化全向天线来作为模拟器的输出。

利用上述GPS直达与多径信号模拟器所实现的一种GPS直达与多径信号模拟方法，包括如下步骤：

①DSP信息处理模块，根据用户需求，设定所模拟的GPS接收机运动轨迹；完成星历参数的提取并编码为导航电文；根据卫星星座和用户设定仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见；对于可见星，计算相应仿真时刻的延迟相位和信号频率，并把所有可见星的电文、相位信息和频率信息发给FPGA信号处理模块；

在此过程中DSP信息处理模块还建立有各类误差源的误差模型，根据各类误差源，由误差模型生成相应的误差仿真信号。

②FPGA信号处理模块，根据DSP信息处理模块传输的卫星状态，把可见星分配到相应的信号生成通道；根据DSP信息处理模块传递的参数，设定每个卫星的初始载波相位、码相位、导航电文选择相位，再根据频率信息生成相应的电文、码、载波信号，并完成三者的扩频、调制，得到GPS直达信号；FPGA信号处理模块的时间延迟单元复制所产生的GPS直达信号，并对其进行相应的延迟后得到多径信号分量；GPS直达信号和多径信号分量在信号合成单元中进行迭加数字合成输出给后端的D/A数模转换模块；

GPS接收机接收到的是卫星直射信号和接收机周围物体的反射多径信号的合成信号，因此往往需要在模拟器中产生多径信号。

GPS信号是典型的直接序列扩频信号，接收机天线接收到的直达信号可以表示为：

x(t)=Ad(t)c(t)cos(ω₀t)                      （1）

多径信号都是滞后于直达信号到达接收机的，而且幅度一般是衰减的，因此相对此直达信号的多径信号可以表示为：

m(t)=α_iAd(t-τ_i)c(t-τ_i)cos[ω₀(t-τ_i)]     （2）

相位延迟一般仍表示成相位，因此多径信号的表达式可以表示为：

m(t)=α_iAd(t-τ_i)c(t-τ_i)cos[ω₀t+φ_i(t)]    （3）

多个多径信号和直达信号一起可以表示为：

$s\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i\mathrm{Ad}(t-{\mathrm{\τ}}_i)c(t-{\mathrm{\τ}}_i)\cos [{\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_i\left(t\right)]---\left(4\right)$

其中，i＝0表示该信号为卫星直达信号，其它为M-1个多路径信号；A表示载波幅度；α_i表示信号幅度衰落系数，α₀对应直达信号；d(t)表示导航数据信息；c(t-τ_i )表示不同时延的GPS伪随机码（因民用码为C/A码，因此用c(t)来表示）；w₀表示卫星信号的中频频率（这里假设了直达信号和多路径信号具有相同的频率）；φ_i(t)表示第i个信号的相位。

在模拟器中，当产生了直达信号以后，往往需要产生多径信号，以便接收机进行抗多径环境测试。

本发明根据以上公式，发明了一种简便的多径信号生成方法。因为在模拟器中的每一个信号都是根据模拟器的主工作时钟产生的，在产生了直达信号基础上，若通过一个时钟延迟单元，再输出该信号，就可以很方便地产生时间上延迟了一个时钟的多径信号，并对此信号幅度按要求进行衰减，即可产生所需要的任意多径信号。最后通过加法器可以把多径信号和直达信号相加再进行输出，就完成了直达信号和任意延迟的多径信号输出。

时钟延迟单元可以延迟一个时钟，也可以延迟多个时钟，延迟的时间是时钟周期的整数倍，非常精确，这样可以方便对比接收机的抗多径测试结果。因为FPGA信号处理模块是按照工作时钟的时序进行工作的，可以按照工作时钟频率对复制的直达信号延迟一个时钟的时间在输出，即经过一个时间延迟单元，这样就实现了一个多径信号，依次类推，多径分量也可以延迟2个至任意个时钟周期，可以供接收机端测试多径抑制算法效果。假定模拟器的工作时钟为68MHz，多径信号的延迟时间最小分辨率就为1/68000000秒，非常精确。

③D/A转换模块，将FPGA信号处理模块传来的中频数字信号转换为模拟信号后，送至上变频模块；

④上变频模块，对D/A转换模块输入的中频模拟信号进行混频、滤波，并上变频到GPS的标称射频频率，即1575.42MHz后经由发射天线或输出电缆输出。在本发明优选实施例中，选用L波段右旋圆极化全向天线作为模拟的输出。

Claims (10)

1.一种GPS直达与多径信号模拟器，其特征在于：包括DSP信息处理模块、FPGA信号处理模块、D/A转换模块、上变频模块、以及发射天线或输出电缆；DSP信息处理模块与FPGA信号处理模块相连；FPGA信号处理模块输出接D/A转换模块；D/A转换模块经上变频模块与发射天线或输出电缆连接；其中FPGA信号处理模块内设有时间延迟单元和信号合成单元；

DSP信息处理模块：根据用户需求，设定所模拟的GPS接收机运动轨迹；完成星历参数的提取并编码为导航电文；根据卫星星座和用户设定仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见；对于可见星，计算相应仿真时刻的延迟相位和信号频率，并把所有可见星的电文、相位信息和频率信息发给FPGA信号处理模块；

FPGA信号处理模块：根据DSP信息处理模块传输的卫星状态，把可见星分配到相应的信号生成通道；根据DSP信息处理模块传递的参数，设定每个卫星的初始载波相位、码相位、导航电文选择相位，再根据频率信息生成相应的电文、码、载波信号，并完成三者的扩频、调制，得到GPS直达信号；时间延迟单元复制所产生的GPS直达信号，并对其进行相应的延迟后得到多径信号分量；GPS直达信号和多径信号分量在信号合成单元中进行迭加数字合成输出给后端的D/A数模转换模块；

D/A转换模块：将FPGA信号处理模块传来的中频数字信号转换为模拟信号后，送至上变频模块；

上变频模块：对D/A转换模块输入的中频模拟信号进行混频、滤波，并上变频到GPS的标称射频频率后经由发射天线或输出电缆输出。

2.根据权利要求1所述的一种GPS直达与多径信号模拟器，其特征在于：时间延迟单元延迟的时间量是模拟器工作时钟周期的整数倍。

3.根据权利要求1所述的一种GPS直达与多径信号模拟器，其特征在于：DSP信息处理模块还设有各类误差源的误差模型，DSP信息处理模块根据各类误差源，由误差模型生成相应的误差仿真信号。

4.根据权利要求1所述的一种GPS直达与多径信号模拟器，其特征在于：GPS的标称射频频率为1575.42MHz。

5.根据权利要求1所述的一种GPS直达与多径信号模拟器，其特征在于：发射天线为L波段右旋圆极化全向天线。

6.一种GPS直达与多径信号模拟方法，其特征是包括如下步骤：

①DSP信息处理模块，根据用户需求，设定所模拟的GPS接收机运动轨迹；完成星历参数的提取并编码为导航电文；根据卫星星座和用户设定仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见；对于可见星，计算相应仿真时刻的延迟相位和信号频率，并把所有可见星的电文、相位信息和频率信息发给FPGA信号处理模块；

②FPGA信号处理模块，根据DSP信息处理模块传输的卫星状态，把可见星分配到相应的信号生成通道；根据DSP信息处理模块传递的参数，设定每个卫星的初始载波相位、码相位、导航电文选择相位，再根据频率信息生成相应的电文、码、载波信号，并完成三者的扩频、调制，得到GPS直达信号；FPGA信号处理模块的时间延迟单元复制所产生的GPS直达信号，并对其进行相应的延迟后得到多径信号分量；GPS直达信号和多径信号分量在信号合成单元中进行迭加数字合成输出给后端的D/A数模转换模块；

③D/A转换模块，将FPGA信号处理模块传来的中频数字信号转换为模拟信号后，送至上变频模块；

④上变频模块，对D/A转换模块输入的中频模拟信号进行混频、滤波，并上变频到GPS的标称射频频率后经由发射天线或输出电缆输出。

7.根据权利要求6所述的一种GPS直达与多径信号模拟方法，其特征在于：步骤②中，时间延迟单元延迟的时间量是模拟器工作时钟周期的整数倍。

8.根据权利要求6所述的一种GPS直达与多径信号模拟方法，其特征在于：步骤①还包括有根据DSP信息处理模块内部建立的各类误差源的误差模型生成相应的误差仿真信号的步骤。

9.根据权利要求6所述的一种GPS直达与多径信号模拟方法，其特征在于：步骤④所述的GPS的标称射频频率为1575.42MHz。

10.根据权利要求6所述的一种GPS直达与多径信号模拟方法，其特征在于：步骤④所述的发射天线为L波段右旋圆极化全向天线。

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