CN104316940A - 一种基于fpga的卫星导航信号伪码异常模拟的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的卫星导航信号伪码异常模拟的方法，其特征在于:步骤1：通过电文生成器生成正常导航电文，伪码生成器生成正常伪码；步骤2：正常导航电文通过异常电文模块产生异常的导航电文，正常伪码通过伪码异常模块产生异常的伪码；步骤3：异常的导航电文和异常的伪码经过异或运算后，经过多普勒频移、载波调制后输入至DA转换模块；步骤4：DA转换模块输出的模拟信号输入至射频发送模块进行信号发送。

Description

一种基于FPGA的卫星导航信号伪码异常模拟的方法

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的卫星导航信号伪码异常模拟的方法。

背景技术

近年来，随着全球卫星导航系统技术迅速发展和广泛应用，卫星信号模拟器的研发越来越来受到人们的关注。卫星信号模拟器就是根据载体动态特性等各种因素对卫星信号的影响，模拟产生接收机接收到的各颗卫星信号，从而为导航接收机的研制开发、测试提供仿真环境。卫星信号模拟器功能强大，应用也非常的广泛，它可以产生高动态导航信号，检验接收机的捕获跟踪性能；也可以产生特定导航信号，验证测试方案的可行性；还可以作为比较标准，检验导航接收机的动态测量精度。

导航系统定位的准确性很大程度上取决于导航卫星的信号质量，当导航信号在空间传播时受到干扰或者卫星的硬件设备异常工作时，卫星信号波形会出现失真的情况，这些异常会使用户接收机的定位精度下降，情况严重的甚至会使用户失去定位能力，影响卫星导航服务质量。因此，在正常的导航信号模拟器的基础上研发导航异常信号模拟器是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于FPGA的卫星导航信号伪码异常模拟的方法，能够提供卫星导航异常模拟信号，从而为导航信号服务质量监测提供必要的测试条件。

实现本发明目的技术方案：

一种基于FPGA的卫星导航信号伪码异常模拟的方法，其特征在于:

步骤1：通过电文生成器生成正常导航电文，伪码生成器生成正常伪码；

步骤2：正常导航电文通过异常电文模块产生异常的导航电文，正常伪码通过伪码异常模块产生异常的伪码；

步骤3：异常的导航电文和异常的伪码经过异或运算后，经过多普勒频移、载波调制后输入至DA转换模块；

步骤4：DA转换模块输出的模拟信号输入至射频发送模块进行信号发送。

时频信号处理单元产生10MHz高稳时钟信号，时钟信号经DDS数字频率合成模块产生电文生成器、伪码生成器所需动态的时钟。

步骤2中，所说的异常伪码可以是TMA异常伪码、TMB异常伪码或者TMC异常伪码。

本发明具有的有益效果：

本发明通过电文生成器生成正常导航电文，伪码生成器生成正常伪码；正常导航电文通过异常电文模块产生异常的导航电文，正常伪码通过伪码异常模块产生异常的伪码；异常的导航电文和异常的伪码经过异或运算后，经过多普勒频移、载波调制后输入至DA转换模块进行发送。本发明可以模拟出导航信号可能会产生的的伪码异常情况，包括TMA异常、TMB异常、TMC异常，为导航信号异常情况和抗干扰技术的研究提供较真实的仿真环境，为导航信号服务质量监测提供必要的测试条件。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是延迟0.3个码片的TMA异常信号时域波形图；

图3是TMB异常信号时域波形图；

图4是TMC异常信号时域波形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于FPGA的卫星导航信号伪码异常模拟的方法包括如下步骤：

步骤1：导航信号通过电文生成器生成正常导航电文，伪码生成器生成正常伪码；

步骤2：正常导航电文通过异常电文模块产生异常的导航电文，正常伪码通过伪码异常模块产生异常的伪码；所说的异常伪码可以是TMA异常伪码、TMB异常伪码或者TMC异常伪码。

步骤3：异常的导航电文和异常的伪码经过异或运算后，经过多普勒频移、载波调制后输入至DA转换模块；

步骤4：DA转换模块输出的模拟信号输入至射频发送模块进行信号发送。

实施本发明方法的卫星导航信号模拟器硬件包括板卡、FPGA、RAM、时频信号处理单元、监控单元、DA转换器、射频发送模块。

时频信号处理单元为板卡提供10MHz高稳时钟输入，在FPGA完成时钟的倍频、分路功能，时钟信号经DDS数字频率合成模块产生电文生成器、伪码生成器所需动态的时钟。

具体实现如下：

(1)正交调制实现

正交调制以QPSK信号产生过程为例，功率平衡的QPSK信号可分解为两路载波正交的BPSK之和：

其中：I(n),Q(n)＝±1,为初相，w为载波角频率，t为时间变量，则

I﹑Q的四种组合分别对应四种不同的相位,从而能够实现四相调制。

针对任意已调信号，在已调信号的带宽远小于调制载波频率的情况下，都可以用S(t)＝R(t)cos[ω_ct+θ(t)]来表示，其中幅度函数R(t)和相位函数θ(t)包含了基带信号的全部信息，R(t)表示该信号的幅度调制信息，θ(t)表示该信号的相位调制信息，将上式展开后可得到：

S(t)＝R(t)cosθ(t)cosω_ct-R(t)sinθ(t)sinω_ct

＝I(t)cosω_ct+Q(t)sinω_ct

式中I(t)＝R(t)cosθ(t)，Q(t)＝R(t)sinθ(t)分别为I、Q分量，ω_c是载频，t为时间变量。换算得到：相位θ＝arctg(Q/I),幅度

由上面两个公式可知，通过调整I和Q的权值，可以改变PSK调制信号的相位θ和幅度R(t)。得到PSK调制信号S(t)的过程为：首先根据该通道的相位参数θ和幅度参数R(t)求出I(t)，Q(t)，然后将得到的I(t)，Q(t)分别与两个正交本振cosω_ct，sinω_ct相乘，最后将两项乘积相加。

通过以上分析可知，由正交调制方案生成目标信号比较容易实现，首先需要在基带产生I(t)，Q(t)，再将I(t)，Q(t)分别和正交本振信号相乘，这样几乎所有导航所需信号的调制都可以得到。而且正交调制有一个优点，即所有的射频信息都体现在基带中，也就是说在基带中即可完成对所需的射频信号幅度和相位的模拟。

(2)多普勒频移实现

多普勒频移的产生是因为卫星和用户之间发生了相对运动。多普勒频移遵循公式△f＝-f*v/c，其中△f为在相对运动过程中附加于频率f上的多普勒频移量，c为光速，v是卫星和用户之间的相对速度。

射频信号多普勒频移由码多普勒和载波多普勒两部分组成。区别于码多普勒，载波多普勒不太容易实现，由于该种频率偏移是累加在射频本振频率上的，所以必须进行一定的变换，变换思路是在较低的频率上实现多普勒频移和相移。重写已调信号

S(t)＝Icos(2πf_st+φ)-Qsin(2πf_st+φ)

其中I、Q分别为基带正交信号，φ为初始相位，f_s为最终频率，t为时间变量，π为圆周率。这里采用在基带部分用一个小中频频率的调制方式来把射频频率分开，其中中频频率选择较小值，这样在FPGA内部可以很容易实现。以GPS信号L1频点为例，射频频率为1575.42，中频频率只取其小数部分：1.42MHz，则正交调制本振频率为1574MHz，令f_R＝1574MHz，f_I＝1.42MHz，则已调信号为

S(t)＝Icos(2π(f_R+f_I)t+φ)-Qsin(2π(f_R+f_I)t+φ)

＝(Icos(2πf_It+φ)-Qsin(2πf_It+φ))cos2πf_Rt

-(Qcos(2πf_It+φ)+Isin(2πf_It+φ))sin2πf_Rt

令I′＝Icos(2πf_It+φ)-Qsin(2πf_It+φ),Q'＝Qcos(2πf_It+φ)+Isin(2πf_It+φ)则式子可表达为：

S(t)＝I'cos(2πf_Rt)-Q'sin(2πf_Rt)

由上面分析可知，射频已调信号的多普勒频偏和相位偏移都可以反映在小中频上。

根据以上分析，码多普勒和载波多普勒均可在基带的FPGA内实现，基带模块中需完成码扩频，小中频调制，输出正交的调制信号，送DA转换器，DA后的工作仅为和正交的射频本振相乘。

(3)电文和伪码实现

卫星导航信号模拟器输出的电文全部由顶层数仿程序计算完毕，成帧下发。所以卫星导航信号模拟器所要完成的是将其与外时钟同步，使用码NCO综合出的码钟频率的分频推出。

伪码的具体码型，生成多项式由卫星号、频点号决定，由顶层数仿程序仿真计算到可见星，将可见星的卫星号通过网络发送到卫星导航信号模拟器的监控单元，监控单元接收到后将星号按顺序下发到对应的板卡RAM缓冲。由硬件读取FPGA按照生成多项式或查找表生成伪码，并完成同步发送。

(4)TMA异常

TMA是数字信号失真模型(信号超前/滞后)，如图1所示。数字信号失效模型产生在数字信号处理单元，TMA利用扩频码的下降沿的超前和滞后△个码片，它影响相关峰值，会出现死区，全部的相关峰会超前/滞后偏移，但是仍然是对称的。通过修改模拟器C/A码生成模块的输出，即可得到TMA类型的异常伪码，进而参与导航信号的生成。

(5)TMB异常

TMB是模拟模型，由上变频和射频放大等异常造成的信号失真、波形变形，如图2所示；相关峰不对称。其有两个参数f_d(阻尼振荡频率)，σ(阻尼系数)，可以用一个在左复半平面有一对复共轭极点(σ±j2πf_d)的二阶系统表征；每个码片的二阶系统的阶跃响应为：

$e\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& t\≤0\\ 1-\exp (-\mathrm{\σt})[\cos w_{d}t+\frac{\mathrm{\σ}}{w_d}\sin w_{d}t]& t\≥0\end{array}\right.$

其中阻尼振荡角频率w_d＝2πf_d，f_d和σ的范围分别是4MHz≤f_d≤17MHz，0.8MHz≤σ≤8.8MHz。则卫星导航异常导航信号TMB模型的S函数为：

$H\left(s\right)=\frac{{\left(w_0\right)}^2}{s^2+2\mathrm{\ζ}{w}_{0}s+{\left(w_0\right)}^2}$

其中σ＝ζw₀,ζ为计算系数，国际名航组织标准(ICAO)规定0.8≤σ≤8.8MHz，4≤f_d≤17MHz，求得w²＝σ²+(2πf_d)²。将H(s)进行Z变换，即可用数字滤波器实现。

假设σ＝0.8MHz,f_d＝12MHz，采样率为T_s＝80MHz,则

$H\left(s\right)=\frac{{\left(w_0\right)}^2}{s^2+2\mathrm{\ζ}{w}_{0}s+{\left(w_0\right)}^2}=\frac{{\mathrm{\σ}}^2+{\left(2\mathrm{\π}{f}_d\right)}^2}{s^2+2\mathrm{\σs}+{\mathrm{\σ}}^2+{\left(2\mathrm{\π}{f}_d\right)}^2}$

对H(s)进行Z变换得：

$H\left(z\right)=\frac{b\left(1\right)+b\left(2\right)z^{-1}+b\left(3\right)z^{-2}}{1+a\left(2\right)z^{-1}+a\left(3\right)z^{-2}}$

由z变换，可进行数字滤波，从而实现TMB异常模拟。

(6)TMC异常

TMC是数/模混合模型，如图3所示，TMA+TMB导致相关峰多峰，可以同时产生死区、畸变、峰值偏移现象，由数字模拟部分综合造成有害波形。但是TMC不是TMA与TMB直接的相加，需满足系数要求：-0.12T_C≤△≤0.12T_C，0.8MHz≤σ≤8.8MHz，而且7.3MHz≤f_d≤13MHz，其中T_c为码宽。只需将TMB模块中滤波器的输入由正常伪码信号改成TMA异常信号，即可实现TMC异常信号的模拟。

Claims (3)

1.一种基于FPGA的卫星导航信号伪码异常模拟的方法，其特征在于:

步骤1：通过电文生成器生成正常导航电文，伪码生成器生成正常伪码；

步骤2：正常导航电文通过异常电文模块产生异常的导航电文，正常伪码通过伪码异常模块产生异常的伪码；

步骤3：异常的导航电文和异常的伪码经过异或运算后，经过多普勒频移、载波调制后输入至DA转换模块；

步骤4：DA转换模块输出的模拟信号输入至射频发送模块进行信号发送。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的卫星导航信号伪码异常模拟的方法，其特征在于：时频信号处理单元产生10MHz高稳时钟信号，时钟信号经DDS数字频率合成模块产生电文生成器、伪码生成器所需动态的时钟。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的卫星导航信号伪码异常模拟的方法，其特征在于：步骤2中，所说的异常伪码可以是TMA异常伪码、TMB异常伪码或者TMC异常伪码。