CN104076372A - 一种产生多场景多系统的卫星数字中频信号的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户场景多系统的卫星数字中频信号产生方法，涉及全球卫星导航系统领域。该装置产生的是卫星数字中频信号，可以模拟接收机接收到的不同系统的卫星信号，包括GPS、GLONASS、北斗系统等；还可以模拟接收机的各种运动状态，包括静止、匀速直线运动、匀加速直线运动等。实施例中，本发明由场景产生模块、卫星位置计算模块、伪距计算模块、频率调节字计算模块、码产生模块、载波产生模块、调制模块、噪声产生模块和编码模块组成。本发明对用户场景的控制和不同系统的控制采用软件配置寄存器的方式，并且直接产生数字中频信号，设计灵活、成本低，满足导航接收机设计的多种需要，具有实用价值。

Description

一种产生多场景多系统的卫星数字中频信号的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种卫星数字中频信号的产生方法。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)在当今社会已扮演着非常重要的角色，随着中国北斗系统的完善和投入使用，全球可以实现独立卫星导航定位的系统已经有三个，分别是美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统和中国的北斗系统。随着定位、导航和授时服务需求的不断增加，针对多系统的基带处理器的研究与开发不断深入，基于不同系统的双模或多模的接收机也日渐增多。所以，在基带接收机的开发过程中，针对多系统的导航卫星信号模拟源是必不可少的设备。

导航卫星模拟信号源，一般产生复杂，价格昂贵，且存在各个通道时延不一致的问题。在卫星接收机的开发过程中，射频电路的开发并不需要信号源的辅助，基带开发只要接收两位数字中频信号即可。所以数字信号源即可满足接收机开发过程需求，且设计灵活，容易实现，也不存在通道一致性的问题，可产生比模拟信号源更高的伪距精度。

众所周知，基带接收机主要完成信号的捕获、跟踪和导航电文的解调，卫星信号源不仅要正确模拟出基带接收机接收到的信号状态，并且要满足基带接收机的多种要求，如不同的用户场景和不同的GNSS系统。

所以本发明提出了一种实现多用户场景和多系统的卫星数字中频信号的装置，直接生成两位数字中频信号，可以灵活配置不同的卫星导航系统、用户场景和信噪比，生成数字信号不需要经过射频模块则可以直接送入基带接收机，易于接收机的调试、成本低、设计灵活。

发明内容

有鉴于此，本发明的技术目的是实现一种多用户场景多系统的卫星数字中频信号发生方法及装置，通过卫星与用户的伪距差来计算码频率调节字和载波频率调节字的变化来实现不同用户场景下卫星信号的动态变化，通过软件配置寄存器的形式来实现不同GNSS系统产生的卫星信号。

本发明是模拟用户接收到的实时的卫星信号的状态，要达到这个目的有两个要点，一是正确的模拟出卫星与接收机之间的运动状态，二是正确的模拟出卫星信号的调制方式。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种产生卫星数字中频信号的方法，所述方法包括：

产生不同的用户场景函数，配置不同的GNSS系统参数；

通过卫星星历计算卫星参数和伪距；

根据Δt内伪距的变化量，得到码频率调节字和载波频率调节字的变化值；

根据更新的载波频率控制字和码频率控制字，产生正余弦载波信号和测距码信号，并将导航电文数据码和测距码的调制值加载到载波上；

产生噪声信号，并叠加在产生的调制信号上，编码后输出两位数字中频信号。

优选的，所述得到的两位数字中频信号以后，本方法还包括：将此数字信号输入到基带接收机中，并最终由接收机确定用户位置，将定位的结果与输入的用户位置做数据比较。

优选的，所述通过卫星星历计算卫星参数和伪距，具体为：

根据已知的导航电文转换成可用的卫星星历，通过卫星星历求得已知时刻的卫星位置、卫星仰角和对流层电离层延时误差，计算得出仰角大于5°的卫星与用户之间的伪距。

优选的，所述根据Δt内伪距的变化量，得到码频率调节字和载波频率调节字的变化值，具体为：

首先每次中断中卫星与用户的伪距的变化量、伪距的变化量的变化量、伪距的三次变化量，即卫星与用户之间的速度、加速度、加加速度；然后将伪距的变化量转换为三级相位累加器的频率控制字、调频斜率控制字、二次调频斜率控制字，计算得到此时刻的载波频率调节字和码频率调节字。

优选的，所述根据更新的载波频率控制字和码频率控制字，产生正余弦载波信号和测距码信号，并将导航电文数据码和测距码的调制值加载到载波上，具体为：

载波频率调节字输入数控振荡器(DCO)，得到阶梯型周期信号和溢出信号，所得到的溢出信号即为载波周期，阶梯型周期信号通过正余弦函数查找表得到载波的正弦和余弦值，即可得到载波信号；测距码频率通过码DCO来产生，测距码频率调节字输入DCO，得到周期溢出信号，即为码频率，在码频率的控制下，测距码序列通过线性反馈移位寄存器来产生；在历元计数器的控制下按时序将导航电文调制在测距码上；再将数据码与测距码的调制值加载到载波上。

优选的，所述产生噪声信号，并叠加在产生的调制信号上，编码后输出数字中频信号，具体为：

将载波信号与码信号通过一定方式调制以后，再将12通道的卫星信号叠加在一起，最后加入噪声信号，信噪比的大小可以通过开发板上的按键随时改变，通过9283编码方式或signmag编码方式得到两位数字中频信号输出。

本发明还提供了一种产生多用户场景多系统的卫星数字中频信号的装置，所述装置包括：信息处理模块和信号处理模块；其中，

所述信息处理模块，用于通过星历来获取卫星位置、延时误差和伪距，并通过伪距变化量来获取当前时刻码频率调节字和载波频率调节字；

所述信号处理模块，用于在当前码频率调节字和载波频率调节字的控制下，产生当前频率下的载波信号和测距码信号，测距码信号先与数据码信号调制，然后调制后的信号加载到载波上，最后加入噪声，编码后得到两位卫星数字中频信号。

优选的，所述得到的两位卫星数字中频信号以后，所述装置还包括：用户接收机模块，用来接收产生的两位数字中频信号并定位，将定位结果与输入的用户场景进行比较。

优选的，所述信息处理模块包括：场景产生、卫星位置计算、伪距计算、频率调节字计算，具体为：

通过产生不同的用户场景可以得到当前时刻下的用户位置；通过得到的星历可以计算出当前时刻下的卫星位置和卫星延时误差；将卫星位置、用户位置、延时误差输入伪距计算模块则可以计算出卫星与用户的伪距及伪距变化量；通过得到的伪距的变化量、伪距的变化量的变化量和伪距的三次变化量，来计算出频率控制字、调频斜率控制字、二次调频斜率控制字，控制码信号和载波信号的产生。

优选的，所述信号处理模块，具体为：

通过三级相位累加器得到码和载波频率调节字，控制得到码频率和载波频率；通过软件初始化时给码产生模块配置的码周期值、码生成特征多项式值、码初始相位值和码历元计数器值，产生不同卫星系统的码序列，码频率由码频率调节字控制；根据不同的卫星系统，在码历元计数器的控制下将数据码与测距码调制；将导航电文与测距码的调制码加载到载波上，并将12个通道卫星信号叠加，最后加入噪声模块并编码得到两位卫星数字中频信号。

本发明所提供的多用户场景多系统的卫星数字中频信号的产生方法及装置，可以由软件灵活配置不同GNSS系统的参数值、由软件灵活选择用户场景，并根据星历数据计算出当前时刻下的卫星位置、误差以及伪距；通过间隔时间内的伪距变化量和伪距的变化量的变化量得出码频率控制字、码调频斜率控制字、码二次调频斜率控制字和载波频率控制字、载波调频斜率控制字、载波二次调频斜率控制字，通过三级相位累加器得到码频率调节字和载波频率调节字并更新相关寄存器的值；在载波频率调节字和码频率调节字的控制下产生当前时刻的载波信号和码信号，并将数据码、测距码、载波三者调制在一起，最后加上噪声输出，即得到当前时刻下接收机接收到得数字卫星中频信号。本发明采用三级相位累加器的方法可以通过调节伪距变化量的加速度和加加速度来调节码频率调节字和载波频率调节字的变化，准确产生当前时刻下的卫星信号；采用软件配置寄存器的方法灵活选择不同的GNSS系统和用户场景，可以直接生成数字信号，不需要下变频就可以输入到基带接收机中做基带接收机的开发，成本低、设计灵活，有实用价值。

附图说明

图1本发明系统流程示意图。

图2本发明实施例装置结构示意图。

图3本发明软件控制流程图。

图4本发明正弦载波的产生模块结构图。

图5本发明数据码与测距码调制模块结构图。

具体实施方法

本发明的基本思想是选择特定的用户场景和GNSS系统的选择；通过将电文转换为可用星历，而得到某一时刻下的卫星位置；根据已知的用户场景得到用户的位置；求得卫星与用户之间的伪距；将1ms之内伪距的变化量转换为码频率控制字和载波频率控制字；通过码频率控制字和载波频率控制字进行码频率和载波频率的调节，产生当前时刻下的码信号和载波信号；将测距码、数据码和载波按照正确的方式调节在一起输出。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

图1为本发明一种多用户场景多系统的卫星数字中频信号发生方法流程示意图，所述方法包括以下步骤：

步骤101，用户场景生成、GNSS系统选择；

具体的，用户场景包括静态模式、匀速直线运动、匀加速直线运动等，不同的用户场景意味着用户位置函数的不一样，所模拟的每个时刻的用户位置不同；GNSS系统选择包括GPS、北斗、GLONASS等，不同的系统通过软件对硬件配置不同的寄存器，包括测距码频率调节字寄存器、载波频率调节字寄存器、码历元计数器、码生成多项式寄存器等。

步骤102，卫星参数和伪距计算；

具体的，所述卫星参数计算，具体为：将卫星导航电文转换成可用的卫星星历，每一次中断来临时，由输入的已知仿真时刻可得到该时刻下的卫星位置；根据此时刻的卫星位置和用户位置，可以得出用户与卫星的仰角，选择仰角大于5°的卫星进行下面的计算；计算出仰角大于5°的卫星与用户之间的伪距；下一次中断来临时，计算上一次与本次的伪距的变化量、伪距的变化量的变化量和伪距的三次变化量。

所述卫星参数计算模块102的内部连接关系为：将电文转换为可用星历201与计算卫星位置202相接，计算卫星位置202与计算用户位置203相接，计算用户位置203与计算卫星仰角204相接，计算卫星仰角204与仰角判断205相接，仰角判断205与计算伪距206相接，计算伪距206与计算伪距差207相接，计算伪距差207与生成码和载波频率控制字208相接。

步骤103，频率调节字计算

具体的，所述频率调节字计算，具体为：通过伪距的变化量来计算频率控制字，伪距的加速度来计算调频斜率控制字，伪距的加加速度来计算二次调频斜率控制字，每次计算所得到的伪距差来计算每次频率调节字的变化量。

步骤104，载波生成

具体的，所述载波生成，具体为，载波频率调节字输入数控振荡器(DCO)，得到阶梯型周期信号和溢出信号，所得到的溢出信号即为载波周期，阶梯型周期信号通过正余弦函数查找表得到载波的正弦和余弦值，即可得到载波信号。

所述载波生成模块104的内部模块连接关系为，字长为N位的累加器401与寄存器402相接，寄存器402与正弦查找表403相接。

步骤105，测距码生成

具体的，所述测距码生成，具体为：测距码序列通过线性反馈移位寄存器来产生，测距码频率通过码DCO来产生，测距码频率调节字输入DCO，得到周期溢出信号，即为码频率。

所述码生成模块105的内部模块连接关系为，字长为M位的累加器501与历元计数器502、测距码序列产生模块503相接，历元计数器502与导航电文数据寄存器504相接，测距码与电文调制模块505与测距码序列产生模块、导航电文数据寄存器504相接。

步骤106，数字中频调制及输出

具体的，所述数字中频调制，具体为：首先在历元计数器的控制下，将数据码和测距码按照规则调制在一起，再将此信号调制在载波上得到每一颗星的信号，然后将12颗星的信号异或相加，得到12颗星的叠加信号，最后加入噪声信号，得到最终的卫星信号输出值。

本发明的一个实施例如下，但本发明并不局限于这一个实现方式。

图2为本发明实施例的装置结构示意图，如图2所示，虚线框内部分是实现本发明的装置，本发明可以用本装置实现，但不局限于图2所示装置。整个装置包括一个处理器、一组信号产生通道。其中，处理器完成频率调节字的产生和计算，并向信号产生通道写入相应寄存器的值；信号产生通道在通道寄存器的控制下产生正确的卫星信号。

在本发明中，本发明的硬件部分在FPGA中实现，软件部分在ARM处理器中实现，但也可由其他具体实现方式。具体实现方式为：首先，硬件的中断模块每隔1ms产生一个中断信号，处理器收到中断信号之后进入中断程序；中断程序中计算出此时刻下用户位置和卫星位置，进而计算出用户和卫星之间的伪距，与上次的伪距差转化为码频率调节字和载波频率调节字写入硬件寄存器中；硬件模块根据软件配置的不同的寄存器的值产生此时刻的卫星信号。

上述过程中：

(一)硬件产生中断信号控制软件运行。

(1)软件向硬件中的中断计数寄存器写入一个数值，在硬件驱动时钟下，当此计数器递减到0时，则对处理器产生一个外部中断信号，软件进入中断服务程序。中断时间也就是码频率调节字和载波频率调节字的更新时间。

(二)软件产生码频率调节字和载波频率调节字并写入相应寄存器。

(2)如图3所示，将导航电文转换为该卫星导航系统对应的星历格式。

(3)通过星历、时间计算出该时刻下的卫星位置。

(4)通过给定的时刻，计算出该用户场景下该时刻的用户位置。

(5)计算出该时刻下卫星位置和用户位置之间的伪距和卫星与用户的仰角，当仰角大于5°时，才执行下面的步骤。当仰角小于5°时，更换另一颗卫星从(2)开始重新计算。若用P⁽ⁿ⁾表示第n颗卫星与用户的伪距，x⁽ⁿ⁾，y⁽ⁿ⁾，z⁽ⁿ⁾表示第n颗卫星的坐标，x，y，z表示用户坐标，则

$P^{\left(n\right)}=\left|\right|x^{\left(n\right)}-x\left|\right|=\sqrt{{(x^{\left(n\right)}-x)}^2+{(y^{\left(n\right)}-y)}^2+{(z^{\left(n\right)}-z)}^2}$

(6)计算出本次中断得到的伪距P₁与上次中断得到的伪距P0的伪距差。

(7)将伪距差转化为码频率调节字和载波调节字写入硬件寄存器。

(8)根据不同的卫星导航系统，向硬件的码产生模块写入不同的码周期值、码生成特征多项式值、码初始相位值和历元计数器值。

(三)硬件产生卫星数字中频信号。

(9)如图3所示，软件写入的载波频率调节字K，在驱动时钟f₀控制下，经过字长N位的累加器和寄存器产生周期为f_carrier的阶梯型周期信号，f_carrier＝K·f₀/2^N。

(10)通过正余弦函数查找表，得到一个周期阶梯型信号的正弦和余弦值，作为载波输出。

(11)如图4所示，软件写入的码频率控制字T，在驱动时钟f₀控制下，经过字长M位的溢出累加器得到周期为f_code的脉冲信号；根据(8)中给码产生模块配置的值，产生不同卫星导航系统的码序列，并在f_code节拍信号控制下，得到码序列和码频率都正确的C/A码。

(12)根据(8)中给历元计数器配置的值，得到导航电文每个数据位的产生频率。假设导航电文周期计数器的值为r，则每比特导航电文的长度等于r个测距码的长度，即导航电文每个数据位的产生频率为f_code/r，并将导航电文数据位与测距码进行异或相加调制。

(13)用BPSK方式调制载波信号和导航电文与测距码的调制信号。

(14)产生随机噪声，调制在(13)产生的信号上，并通过一定的编码方式输出。以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种产生多用户场景多系统的卫星数字中频信号的方法，其特征在于，所述方法包括：

产生不同的用户场景函数，配置不同的GNSS系统参数；

通过卫星星历计算卫星参数和伪距；

根据Δt内伪距的变化量，得到码频率调节字和载波频率调节字的变化值；

根据更新的载波频率控制字和码频率控制字，产生正余弦载波信号和测距码信号，并将导航电文数据码和测距码的调制值加载到载波上；

产生噪声信号，并叠加在产生的调制信号上，编码后输出两位数字中频信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过卫星星历计算卫星参数和伪距，具体为：

根据已知的导航电文转换成可用的卫星星历，通过卫星星历求得已知时刻的卫星位置、卫星仰角和对流层电离层延时误差，计算得出仰角大于5°的卫星与用户之间的伪距。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据Δt内伪距的变化量，得到码频率调节字和载波频率调节字的变化值，具体为：

首先每次中断中卫星与用户的伪距的变化量、伪距的变化量的变化量、伪距的三次变化量，即卫星与用户之间的速度、加速度、加加速度；然后将伪距的变化量转换为三级相位累加器的频率控制字、调频斜率控制字、二次调频斜率控制字，计算得到此时刻的载波频率调节字和码频率调节字。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产生噪声信号，并叠加在产生的调制信号上，编码后输出数字中频信号，具体为：

将载波信号与码信号通过一定方式调制以后，再将12通道的卫星信号叠加在一起，最后加入噪声信号，通过编码得到两位数字中频信号输出。

5.一种产生多用户场景多系统的数字卫星中频信号的装置，其特征在于，所述装置包括：信息处理模块和信号处理模块；其中，

所述信息处理模块，用于通过星历来获取卫星位置、延时误差和伪距，并通过伪距变化量来获取当前时刻码频率调节字和载波频率调节字；

所述信号处理模块，用于在当前码频率调节字和载波频率调节字的控制下，产生当前频率下的载波信号和测距码信号，测距码信号先与数据码信号调制，再将调制后的信号加载到载波上，最后加入噪声，得到调制后的卫星数字中频信号。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述信息处理模块包括：场景产生、卫星位置计算、伪距计算、频率调节字计算，其处理过程包括但不限于：

通过产生不同的用户场景可以得到当前时刻下的用户位置；通过得到的星历可以计算出当前时刻下的卫星位置和卫星延时误差；将卫星位置、用户位置、延时误差输入伪距计算模块则可以计算出卫星与用户的伪距及伪距变化量；通过得到的伪距的变化量、伪距的变化量的变化量和伪距的三次变化量，来计算出频率控制字、调频斜率控制字、二次调频斜率控制字，并控制硬件中码信号和载波信号的产生。

7.跟据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述信号处理模块，其处理过程包括但不限于：

通过三级相位累加器得到码和载波频率调节字，控制得到码频率和载波频率；通过软件初始化时给码产生模块配置的码周期值、码生成特征多项式值、码初始相位值和码历元计数器值，产生不同卫星系统的码序列，码频率由码频率调节字控制；根据不同的卫星系统，在码历元计数器的控制下将数据码与测距码调制；将导航电文与测距码的调制码加载到载波上，并将12个通道卫星信号叠加，最后加入噪声模块并编码得到两位卫星数字中频信号。