CN102937713B - 一种可重构的卫星导航射频信号模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重构的卫星导航射频信号模拟方法及装置。射频信号模拟方法采用单片FPGA实现所有基带处理工作，采用正交射频调制直接将基带信号调制到射频信号，避免了两级滤波器的需要。采用了可调整频综，可灵活控制输出信号的频点。针对卫星导航信号的共性特点，提出了一种串行处理的信号生成方法，仅通过参数设置即可实现不同导航系统的基带信号生成。软件设计采用模块化结构，输入输出接口统一，加载不同的基带信号处理软件即可实现不同种类信号产生。本发明提出的信号模拟方法与装置可以通过灵活配置，在不修改硬件的前提，用户自行操作即可模拟多种类型的卫星导航模拟信号。

Description

一种可重构的卫星导航射频信号模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及到卫星导航信号模拟技术领域，可应用于国防、军工、航天、导航、测绘等领域。

背景技术

卫星导航信号模拟技术在接收机开发、生产、测试和导航科学实验方面具有广泛的应用前景。卫星导航系统目前处于蓬勃发展的态势，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO、中国的北斗成为世界公认的四大卫星导航系统，此外还有日本的QZSS、印度的IRNSS、中国的CAPS等系统。

卫星导航系统一方面数量在不断发展，另一方面频点和导航信号的种类也在不断增加。美国的GPS系统除了原有的L1、L2频点外，2010年新增了L5频点。中国的北斗系统也具有B1、B2、B3频点。除了频点数量增加外，信号的调制方式也在不断增加。下表为目前GPS信号的种类。

由表可见，仅GPS系统目前就具有8种信号，三个频点，BPSK调制和BOC调制两种调制方式。

如此多种类的导航信号给卫星导航信号模拟装置的研制带来很大难度。传统的卫星导航信号模拟方法针对每一种信号单独设计硬件和软件。如对GPS的L1(C/A)信号设计独立的硬件和软件，每颗卫星通过不同的PN码发生器实现区别。这种方式在早期的单一式卫星导航系统占主导地位情况下可以广泛应用。而目前导航系统出现百花齐放的局面，多系统的兼容互操作是未来的发展趋势。兼容互操作可充分利用多种卫星导航系统，提高定位能力和精度。因此对于导航系统模拟器而言，就需要能同时产生多种体制、多种频点的卫星导航系统信号，信号的频点和调制方式可能都具有很大的不同。由于用户具有多样化选择，导航信号模拟器必须能适应用户的变化，产生用户需要的导航信号。传统的信号模拟器每个模块对应产生某种类型信号，一旦设计好了后不能随意改动，不能满足用户的多样化需求。

发明内容

本发明提出了一种可重构的卫星导航信号模拟方法，并根据该方法提出了相应可实施的硬件和软件结构。

传统的卫星导航信号模拟器采用图1所示结构，FPGA、DSP中采用固定的程序，信号调制采用两级调制方式，先调制80M左右中频，再调制至射频。因此设计了两级滤波，DAC转换输出模拟中频信号后进行第一次滤波，调制至射频后再进行第二次滤波。由于程序固定、调制器频点固定，两级滤波器的带宽和频点也固定，因此信号模拟器一旦设计好了后，无法输出其他类型的导航模拟信号。

本发明采用可重构的模拟方法，采用单片FPGA实现所有基带处理工作，采用正交射频调制直接将基带信号调制到射频信号，避免了两级滤波器的需要。采用了可调整频综，可灵活控制输出信号的频点。针对卫星导航信号的共性特点，提出了一种串行处理的信号生成方法，仅通过参数设置即可实现不同导航系统的基带信号生成。软件设计采用模块化结构，输入输出接口统一，加载不同的基带信号处理软件即可实现不同种类信号产生。

利用卫星进行导航定位的基本原理是：地面接收机测量相对于四颗卫星的实际距离，构成一个空间几何方程，再根据卫星星历中的卫星坐标求解接收机所在位置的空间坐标。距离误差是最终定位误差的主要来源。实际定位过程中，卫星和接收机之间存在着相对运动，导致卫星和接收机之间的距离在不断变化，由于电磁波以光速传播，这种距离变化就会导致电磁波的传播时间变化。从接收机的角度看，接收信号是一个以卫星时钟基准为参考、延迟量在不断变化的信号，不同卫星信号到达接收机的延迟量皆不同。除了卫星和接收机之间的相对运动引起的信号延迟外，电离层和对流层都会对卫星导航信号的传播带来额外延迟量。在整个地面运控系统模拟测试系统内，上述延迟的计算以及对卫星钟差、电离层和对流层的建模和仿真一般都是由数学仿真完成的。

在数学仿真中，各种对卫星导航有影响的系统和环境因素，如卫星轨道、卫星钟差、空间环境、用户轨迹、多径效应等因素都已经完成建模，数学仿真系统利用这些模型计算出伪距、多普勒频移、多径延迟等参数，这些参数已经包含了RNSS（Radio Navigation Satellite System）物理仿真所需的全部信息，如电离层、大气层的传播效应已经折合在伪距之中，目标的运动速度体现在多普勒频率里。所以，卫星导航射频信号模拟部分不需要进行系统建模和仿真计算工作，只需要将数据仿真的观测数据真实地“翻译”成RNSS射频信号。

本方法可兼容多种导航信号的信号产生方法，通过加载程序和输入参数调整即可输出需要的卫星信号。采用数字域叠加的方法实现多星信号合成。采用该方法，同一信号发生模块可根据需要产生不同的卫星导航信号，最大限度利用了现有资源，满足多系统的兼容互操作需求。本发明提出的信号模拟方法与装置可以通过灵活配置，在不修改硬件的前提，用户自行操作即可模拟多种类型的卫星导航模拟信号，对于将来多种导航系统并存，实现兼容互操作测试具有重要意义。

附图说明

图1 传统的卫星导航信号模拟器结构示意图；

图2 可重构卫星导航信号模拟装置组成；

图3 信号生成流程图；

图4 信号处理软件流程图。

具体实施方式

可重构的卫星导航信号模拟装置由控制与数学仿真、频综发生器、FPGA、DA转换和正交调制器组成。控制与数学仿真部分进行数学仿真计算，得到信号模拟所必需的导航电文和观测数据。由于各种导航系统信号的格式不完全相同，事先编制了各种导航系统的基带信号生成软件，保存在存储介质中，可由控制与数学仿真部分进行调用，加载至FPGA中。

可重构的卫星导航射频信号模拟方法，具体为：

导航信号的信号产生方法，首先进行接收数据的预处理，分离出每颗卫星的导航电文、观测数据；根据卫星序号调用相应的伪码发生器，导航电文调制后得到最初的基带信号；根据观测数据提供的伪距、多普勒、载波相位和功率等信息，按串行的方式逐步进行处理；处理后的数据进行叠加，所有卫星的I路数据叠加后，送至DAC，产生DAC的输出的I路模拟信号；所有卫星的Q路数据叠加后，送至DAC，产生DAC的输出的Q路模拟信号；I、Q两路模拟信号送至正交调制器，产生最终的射频信号。

FPGA负责产生最终的基带信号，信号处理过程包括基带调制、延迟处理、多普勒调制和多星信号的叠加。FPGA产生的基带信号包括I,Q两路，送至DA转换器得到基带模拟信号，再通过正交调制器调制成最终的射频信号。频综发生器产生系统工作需要的频率信号，包括产生DA转换器和正交调制器需要的基准时钟，频综发生器的输出受到FPGA的控制。

在信号的模拟生成过程中，控制与数学仿真部分提供了人机界面，操作人员根据需要可选择北斗、GPS、GLONASS、GALILEO等基带信号生成软件，下载至FPGA中；卫星的导航电文和观测数据则通过网口送入FPGA中。基带生成软件对导航电文进行实时处理，实现调制、延迟等处理，最后将多颗卫星信号进行叠加，生成最终的基带信号；该信号通过并行数据接口送至DA转换器，转换器实时生成I,Q两路模拟信号，再通过正交调制器输出射频信号。

卫星导航信号的频点可以灵活改变。当改变正交调制器的频点时，正交调制器输出信号的频点也随之变化。因此频综发生器输出频率是可设置的。FPGA从控制与数学仿真部分获得频点信息，通过SPI接口对频综进行控制，使之产生需要的频率信号。

基带信号的生成采用串行的生成方法，过程如下：码发生器根据需要产生的卫星序号产生该卫星对应的伪随机码，根据信号规定采用直接扩频调制或BOC调制方式，导航电文与伪随机码调制后得到初始的基带信号。观测数据中包含了信号延迟Δt和载波相位θ等信息，依据这些信息对基带信号进行了处理，得到单颗卫星最终的基带信号。多颗卫星基带信号产生后，在数字域进行叠加，得到了最终的数字基带信号。

基带信号生成软件流程如图4所示。首先进行接收数据的预处理，分离出每颗卫星的导航电文、观测数据；根据卫星序号调用相应的伪码发生器，导航电文调制后得到最初的基带信号；根据观测数据提供的伪距、多普勒、载波相位和功率等信息，按串行的方式逐步进行处理。处理后的数据进行叠加，所有卫星的I路数据叠加后，送至DAC，产生DAC的输出的I路模拟信号；所有卫星的Q路数据叠加后，送至DAC，产生DAC的输出的Q路模拟信号。I、Q两路模拟信号送至正交调制器，产生最终的射频信号。

Claims (2)

1.一种可重构的卫星导航射频信号模拟方法，其特征在于，采用单片FPGA实现所有基带处理工作，采用正交射频调制直接将基带信号调制到射频信号，避免了两级滤波器的需要，采用了可调整频综，可灵活控制输出信号的频点，针对卫星导航信号的共性特点，提出了一种可重构的卫星导航射频信号产生方法，仅通过参数设置即可实现不同导航系统的基带信号生成，软件设计采用模块化结构，输入输出接口统一，加载不同的基带信号处理软件即可实现不同种类信号产生，具体为：

可重构的卫星导航射频信号产生方法，首先进行接收数据的预处理，分离出每颗卫星的导航电文、观测数据；根据卫星序号调用相应的伪码发生器，导航电文调制后得到最初的基带信号；FPGA负责产生最终的基带信号，信号处理过程包括基带调制、延迟处理、多普勒调制和多星信号的叠加：根据观测数据提供的伪距、多普勒、载波相位和功率信息，按串行的方式逐步进行处理，FPGA产生的基带信号包括I,Q两路，所有卫星的I路数据叠加后，送至DAC，产生DAC的输出的I路模拟信号；所有卫星的Q路数据叠加后，送至DAC，产生DAC的输出的Q路模拟信号；I、Q两路模拟信号送至正交调制器，产生最终的射频信号。

2.根据权利要求1所述的一种可重构的卫星导航射频信号模拟方法，其特征在于，基带信号的生成采用串行的生成方法，过程如下：伪码发生器根据需要产生的卫星序号产生该卫星对应的伪随机码，根据信号规定采用直接扩频调制或BOC调制方式，导航电文与伪随机码调制后得到初始的基带信号，观测数据中包含了信号延迟                                                

和载波相位信息，依据这些信息对基带信号进行处理，得到单颗卫星最终的基带信号，多颗卫星基带信号产生后，在数字域进行叠加，得到了最终的数字基带信号。

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