CN103389500A - 一种卫星导航系统数字中频信号生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种卫星导航系统数字中频信号生成装置，所述装置信号发生器模块，噪声发生器模块，干扰信号发生器模块，信号合成模块，低通滤波器模块，A/D转换模块，信号储存模块；所述信号发生器模块生成卫星信号，噪声发生器模块生成噪声，干扰信号发生器模块产生干扰信号，所述合成模块将卫星信号、噪声以及干扰信号合成后，依次传递给前置放大器模块、下变频处理器模块、低通滤波器模块和A/D转换模块，生成数字中频信号，存储于信号储存模块中。本发明装置产生混杂有噪声和干扰的中频GNSS信号，适合对目前硬件模拟器无法提供的新型卫星信号调制方式进行测试，也便于后续捕获、跟踪算法的研究。

Description

一种卫星导航系统数字中频信号生成装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其是涉及一种卫星导航系统数字中频信号生成装置。

背景技术

GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）的应用范围已经渗透到测绘、通信、军事、航天、电力、遥感等多个领域，成为了衡量一个国家综合国力的重要指标之一，而卫星信号模拟器是其中的重要环节。

    卫星信号生成装置是卫星导航系统验证和各种接收设备研制的关键仪器，可以在不受时空限制，特别是在真实的卫星导航系统尚未组网成功，系统不具备完全定位导航的情况下，根据载体动态特性因素和载体所处复杂环境对卫星信号的影响，模拟产生载体接收到的全球卫星导航信号，从而为载体的研制开发、测试提供仿真环境。同时，卫星信号模拟器能够灵活模拟各类测试环境，检验信息流程及处理算法是否合理、各模块之间接口关系是否正确，从未为系统验收提供依据，同时对整个系统的能力进行评估。

现有卫星信号模拟技术存在以下问题：由于涉及军事目的，卫星导航信号模拟技术研究领域国外公开发表的技术文献很少，进口的卫星信号生成装置的载体运动类型也有严格限制；目前基于软硬结合的卫星信号生成装置，生成装置的体系结构比较复杂，实现较为麻烦，技术难度大，可扩展性低，且对于研究导航定位算法成本高。且只能输出射频信号，无法满足只需要使用基带信号或者数字中频信号用户的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,本发明提出了一种卫星导航系统数字中频信号生成装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种卫星导航系统数字中频信号生成装置，包括接口模块、系统初始化模块，信号发生器模块，噪声发生器模块，干扰信号发生器模块，信号合成模块，低通滤波器模块，A/D转换模块，信号储存模块；

所述接口模块设定系统参数，系统初始化模块初始化后，信号发生器模块生成卫星信号，噪声发生器模块生成噪声，干扰信号发生器模块产生干扰信号，所述合成模块将卫星信号、噪声以及干扰信号合成后，依次传递给前置放大器模块、下变频处理器模块、低通滤波器模块和A/D转换模块，生成数字中频信号，存储于信号储存模块中。

所述接口模块设定系统参数，所述系统参数包括：卫星导航系统标识、卫星编号、频段及调制方式、仿真时间、码延迟、多普勒频移、噪声、信噪比、干扰类型、采样频率、模拟中频，滤波器类型、阶数、带宽和模数转换。

    所述信号发生器模块，根据设定的码延迟、多普勒频移、模拟中频和采样频率产生卫星信号。

所述噪声发生器模块，根据系统参数中设定的噪声类型设置噪声，噪声参数包括加性高斯白噪声AWGN、信噪比或者载噪比。

所述干扰信号发生器模块，模拟四种类型的干扰信号，分别是：

A，系统内干扰信号，该干扰信号源于一个或多个系统内在干扰信号，为一种连续波信号，出现于GPS，Galileo和EGNOS系统，该干扰信号的特征参数为干扰信号载波频率和功率；

B，宽频带干扰信号：该干扰信号为一种带限噪声信号，该干扰信号的特征参数为干扰信号中心载波频率和带宽以及载波功率；

C，系统间干扰信号：该干扰信号源于多个系统之间的干扰信号，出现于GPS，Galileo和EGNOS系统之间，该干扰信号的特征参数为干扰信号时间延迟率和功率；

D，多径干扰信号：该干扰信号源于一个或多个经过反射后的衰减和延迟的卫星接收信号，该干扰信号的特征参数为多径信号的个数、衰减及延迟参数。

所述低通滤波器模块，仿真基带前端接收器低通滤波，包括3种低通滤波器和自定义的前端滤波器；具体如下：

I，  用户自定义滤波器，用信号包络表述的等效基带滤波器；

II， 4阶巴特沃斯滤波器，2.046 MHz单向滤波器带宽；

III，8阶巴特沃斯滤波器，10.23 MHz单向滤波器带宽；

IV， 12阶巴特沃斯滤波器，25.575 MHz单向滤波器带宽。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种卫星导航系统数字中频信号生成装置，所述装置信号发生器模块，噪声发生器模块，干扰信号发生器模块，信号合成模块，低通滤波器模块，A/D转换模块，信号储存模块；所述信号发生器模块生成卫星信号，噪声发生器模块生成噪声，干扰信号发生器模块产生干扰信号，所述合成模块将卫星信号、噪声以及干扰信号合成后，依次传递给前置放大器模块、下变频处理器模块、低通滤波器模块和A/D转换模块，生成数字中频信号，存储于信号储存模块中。本发明装置产生混杂有噪声和干扰的中频GNSS信号，适合对目前硬件模拟器无法提供的新型卫星信号调制方式进行测试，也便于后续捕获、跟踪算法的研究。

附图说明

图1 是本发明的卫星信号生成装置体系结构图。

图2 是本发明的GPS L2C信号结构图。

图3 是本发明的GPS L2C信号码片时间采样图。

图4 是本发明的GPS L2C信号频谱图。

图5 是本发明的GPS L2C信号滤波后的频谱图。

图6 是本发明中加入了宽频带干扰的GPS L2C信号频谱图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种卫星导航系统数字中频信号生成装置进行详细说明：

 本发明的实施例中，使用Matlab作为仿真平台生成GNSS数字中频信号，分析扩频调制，并增加在传输过程中的噪声和干扰，使模拟信号更接近真实。卫星信号模拟系统的流程图见图1。如图1所示，卫星信号生成装置体系结构如下：

1）机器接口（系统参数设定）

此模块中，允许用户设定各种仿真参数，以保证通用性并且覆盖所有的仿真条件。包括：卫星导航系统的种类、卫星编号、频段及调制种类、仿真时间、码延迟及多普勒频移、噪声有无及信噪比设置、干扰类型、采样频率和模拟中频，滤波器类型、阶数及带宽，ADC。

2）系统初始化

系统的初始化模块中读取机器接口模块中的配置参数并初始化必要的变量。

3）信号发生器

信号发生器模拟产生GNSS信号，并考虑到信号的可能的码延迟及多普勒效应。

4）噪声发生器

噪声发生器可以产生加性高斯白噪声（AGWN），在参数设定部分可以设置不同的噪声类型。

5）干扰发生器

干扰发生器产生四种不同的干扰，包括在系统内干扰（源于一个或多个系统内在信号，出现于GPS，Galileo和EGNOS），宽频带干扰（一种带限噪声），系统间干扰（源于多个系统之间的干扰信号）和多径干扰（源于一个或多个衰减和延迟卫星信号）。

6）信号合成模块

信号合成模块将信号发生器的输出和噪声发生器、干扰发生器的信号组合在一起，使模拟信号更接近真实的信号。

7）前置放大器

前置放大器将信号能设定接收机的噪声系数并抑制带外干扰，提高信号的信噪比。

8）下变频处理

下变频处理将一个或多个本振信号与输入的射频模拟信号进行信号混频，变成设定的中频信号。

9）低通滤波器

低通滤波器使特定频率通过而其它频率衰减。在参数设置部分，可通过设置滤波器的标志位使能，实现低通滤波器的激活/停用。

10）A/D转换

A/D准换可进行带通采样兼实现数字下变频，可将中频模拟信号进一步转化为更低频的数字信号（取决于下变频方案的设计），以便进行后续基带信号处理。

11）信号储存模块

仿真的数字中频信号被保存在一个输出文件中等待进一步的处理。

此生成装置用Matlab仿真开发，为了更好地展示信号生成装置，以下选取现代化GPS L2C信号为代表进行分析。

下面以GPS L2C信号为例，结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

GPS L2C（L2 civil）信号，即L2频点上的民用信号，目前，八颗GPS Block IIR-M卫星和两个Block IIF卫星发射L2C信号。它包含两种码速率均为511.5KHz的PRN码。一种为民用中码，即CM码，另一种为民用长码，即CL码。CM码一周期包含10230个码片（20ms，一个卫星数据bit的时长），而CL码一周期由767250个码片（1.5s，一个x1历元时长）构成。在CL码的一周期内，CM码重复75次。GPS L2C信号结构如图2所示。25bps的导航数据经过约束长度为7，编码率为1/2的前向纠错编码器（FEC）得到速率为50bps的数据。使用CM码对该数据进行直接序列扩频（DSSS）调制。将CL码和调制有数据的CM码通过逐码片时分复用（TDM）的方式得到基带L2C信号，最后将基带信号采用二进制相移键控（BPSK）方式调制到1227.6MHz的载波上。

仿真参数设定：调制方式为GPS L2C信号，卫星编号是1号，信号模拟时间为10毫秒，采样频率为40.92MHz，中频为10MHz ，选取采样点数为3000，无噪声，无前置滤波器，无ADC及量化。图3和图4表示的GPS L2C信号的时间和频率特性图，结果显示，信号码片时间采样和GPS L2C频谱的是正确合理的。

对此仿真信号增加低通滤波器，滤波器选取4阶巴特沃斯滤波器和2.046 MHz单向滤波器带宽。在图4的构造中设置低通滤波器后即为图5。采样频率设定为40.92MHz ，中频10 MHz，关闭干扰和噪声生成模块，我们很容易看到增加滤波器后对信号频谱的影响，截止频率约为2MHz。

在图4中加入宽频带干扰信号，被建模为一种带限高斯白噪声，载波频率为2.5MHz，带宽为5 MHz。图6表示有外部干扰影响，有用信号是GPS L2C，采样频率设定为40.92MHz，中频10MHz，无低通滤波器和噪声生成模块，图6中频谱失真容易观察到。

Claims (6)

1.一种卫星导航系统数字中频信号生成装置，其特征在于，包括接口模块、系统初始化模块，信号发生器模块，噪声发生器模块，干扰信号发生器模块，信号合成模块，低通滤波器模块，A/D转换模块，信号储存模块；

所述接口模块设定系统参数，系统初始化模块初始化后，信号发生器模块生成卫星信号，噪声发生器模块生成噪声，干扰信号发生器模块产生干扰信号，所述合成模块将卫星信号、噪声以及干扰信号合成后，依次传递给前置放大器模块、下变频处理器模块、低通滤波器模块和A/D转换模块，生成数字中频信号，存储于信号储存模块中。

2.如权利要求1所述的一种卫星导航系统数字中频信号生成装置，其特征在于，所述接口模块设定系统参数，所述系统参数包括：卫星导航系统标识、卫星编号、频段及调制方式、仿真时间、码延迟、多普勒频移、噪声、信噪比、干扰类型、采样频率、模拟中频，滤波器类型、阶数、带宽和模数转换。

3.如权利要求1所述的一种卫星导航系统数字中频信号生成装置，其特征在于，所述信号发生器模块，根据设定的码延迟、多普勒频移、模拟中频和采样频率产生卫星信号。

4.如权利要求1所述的一种卫星导航系统数字中频信号生成装置，其特征在于，所述噪声发生器模块，根据系统参数中设定的噪声类型设置噪声，噪声参数包括加性高斯白噪声AWGN、信噪比或者载噪比。

5.如权利要求1所述的一种卫星导航系统数字中频信号生成装置，其特征在于，所述干扰信号发生器模块，模拟四种类型的干扰信号，分别是：

A，系统内干扰信号，该干扰信号源于一个或多个系统内在干扰信号，为一种连续波信号，出现于GPS，Galileo和EGNOS系统，该干扰信号的特征参数为干扰信号载波频率和功率；

B，宽频带干扰信号：该干扰信号为一种带限噪声信号，该干扰信号的特征参数为干扰信号中心载波频率和带宽以及载波功率；

C，系统间干扰信号：该干扰信号源于多个系统之间的干扰信号，出现于GPS，Galileo和EGNOS系统之间，该干扰信号的特征参数为干扰信号时间延迟率和功率；

D，多径干扰信号：该干扰信号源于一个或多个经过反射后的衰减和延迟的卫星接收信号，该干扰信号的特征参数为多径信号的个数、衰减及延迟参数。

6.如权利要求1所述的一种卫星导航系统数字中频信号生成装置，其特征在于，所述低通滤波器模块，仿真基带前端接收器低通滤波，包括3种低通滤波器和自定义的前端滤波器；具体如下：

I，  用户自定义滤波器，用信号包络表述的等效基带滤波器；

II， 4阶巴特沃斯滤波器，2.046 MHz单向滤波器带宽；

III，8阶巴特沃斯滤波器，10.23 MHz单向滤波器带宽；

IV， 12阶巴特沃斯滤波器，25.575 MHz单向滤波器带宽。

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