CN104614737A - 一种qpsk扩频卫星动态信号模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种QPSK扩频卫星动态信号模拟方法，该方法有四大步骤：步骤一：根据外部输入的动态信号初值生成整秒时刻的动态信号；步骤二：将整秒时刻的动态信号转换为动态频率控制字；步骤三：生成QPSK扩频信号；步骤四：发射动态值的反馈调节。该方法将外部输入的动态信号初值转换成载波与伪码多普勒，将电文数据与伪码和载波调制后，经过DA转换器，输出最终的扩频信号，并将发射动态值反馈回校准模块，完成动态的反馈调节，提高动态模拟的准确度。

Description

一种QPSK扩频卫星动态信号模拟方法

技术领域

本发明涉及一种QPSK扩频卫星动态信号模拟方法，它与航天测控、扩频信号处理研究方向相关，属于与航空航天相关的扩频通信技术领域。

背景技术

近年来随着卫星应用需求的日益发展，编队飞行实现空间虚拟探测逐渐成为航天技术及应用中最活跃、最具潜力的前沿技术；星座自主导航，通过本身的测量获得信息，利用自主导航算法实现星座的自主运行也是航空航天领域的一个热点问题。其中，星间链路测量就是卫星编队与卫星星座系统研究中亟需解决的一项关键技术。

星载接收机飞行的速度和加速度都很大，甚至在某些情况下出现加加速度，接收机必须在这种高动态的环境下完成导航信号的捕获和跟踪。在普通的试验场，根本无法进行高动态接收机的测试，即使具备测试条件，也要动用大量人力和财力。为了测试接收机在这些高动态环境下的性能，又要满足QPSK扩频体制的需求，使用真实的测试场景进行测量是很难办到的，必须寻求一种QPSK扩频卫星动态信号模拟方法来模拟复杂的高动态环境下星载接收机接收到的卫星信号，于是研究一种QPSK扩频卫星动态信号模拟方法势在必行。

QPSK扩频卫星动态信号模拟方案可以根据星间载体的动态环境，调整QPSK发射机的伪随机码和载波，精确模拟星间载体收到的卫星信号，载体上安装的接收机根据这些信号，完成捕获和跟踪，并可精确测定目标的位置，通过与理论值的比较，可以对接收机的捕获、跟踪和测量精度进行鉴定。导航信号动态模拟方案的研究在国外已属成熟技术，国外较早开展了高动态GPS卫星信号模拟器技术研究，但适用于星间链路QPSK扩频体制下的卫星动态模拟方案仍无相关资料可供参考。由于卫星动态信号模拟方案的研制涉及到对整个系统较全面的了解，所以其开发难度是很大的。但是，卫星动态信号的研制对于开发我国自己的卫星导航系统又有着非常重要的现实意义。

发明内容

1、发明目的：

本发明提供了一种QPSK扩频的卫星动态信号模拟方法，其目的是提供一种能够精确模拟卫星运动的动态信号模拟方案，使星间载体接收机通过对该方案所产生信号的测定，完成捕获、跟踪和测距性能的鉴定，该设计能够应用于诸如航天测控的各种测试场景。

2、技术方案：

该项设计由主控计算机、DSP与FPGA三部分共同完成，其总体结构设计如图1所示。该方法将外部输入的动态信号初值转换成载波与伪码多普勒，将电文数据与伪码和载波调制后，经过DA转换器，输出最终的扩频信号，并将发射动态值反馈回校准模块，完成动态的反馈调节，提高动态模拟的准确度。

本发明一种QPSK扩频卫星动态信号模拟方法，该方法包含如下步骤：

步骤一：根据外部输入的动态信号初值生成整秒时刻的动态信号；

主控计算机提供与外界交互平台，用户可以设定动态延时初值S0，多普勒dop，多普勒一阶变化率dopv与多普勒二阶变化率dopvv。软件将输入的动态值按照如下公式转换为卫星的初始速度v0，初始加速度a0，以及初始加加速度j0。

$v0=\frac{\mathrm{dop}*c}{f},a0=\frac{\mathrm{dopv}*c}{f},j0=\frac{\mathrm{dopvv}*c}{f}$

其中f为载波频率，c为光速。

按照运动学公式计算出卫星在整秒时刻的距离值S，速度v，加速度a以及加加速度j。

$S=S0+v0*t+\frac{1}{2}a0*t^2+\frac{1}{6}j0*t^3$

$v=v0+a0*t+\frac{1}{2}j0*t^2$

a＝a0+j0*t

j＝j0

其中，t取整秒时刻。

软件将整秒时刻的距离值，速度，加速度，加加速度与电文数据提前1s下发到DSP中以供后续处理。

步骤二：将整秒时刻的动态信号转换为动态频率控制字；

为了达到要模拟的动态时延精度，DSP需要将距离时延转换成整数伪码码片与64位小数伪码码片，将距离值除以伪码速率后并向下取整，得到要模拟的整数伪码个数，再将余下的距离值量化成64位的小数伪码码片，完成初始距离的模拟。

较大的多普勒变化率会导致跟踪环路失锁，从而无法正常跟踪卫星信号。因此，在模拟多普勒变化的过程中要模拟出连续渐进变化的效果，这就要求DSP要计算出间隔0.1ms的多普勒变化率。计算迭代公式如下式所示：

$v\left(n\right)=v0+a0*t+\frac{1}{2}j0*t^2$

a(n)＝a0+j0*t

v0＝v(10)

a0＝a(10)

其中n＝1,2,3,…10，t为内插时间间隔。

由多普勒计算公式可得到载波多普勒：

$f_{\mathrm{carrdop}}=\frac{f*v\left(n\right)}{c}$

由载波频率与伪码频率的关系可以得到伪码的多普勒变化值

$f_{\mathrm{codedop}}=\frac{f_{\mathrm{code}}*f_{\mathrm{carrdop}}}{f}$

其中，f_code为伪码频率，f为载波频率。

最终得到载波与伪码的频率控制字为

F_carr＝F_carrbase+f_carrdop

F_code＝F_codebase+f_codedop

其中，F_carrbase为载波基准频率控制字，F_codebase为伪码基准频率控制字。DSP工作流程如图2所示。

步骤三：生成QPSK扩频信号；

DSP将计算得到的频率控制字下发到FPGA，以生成载波与伪码，并将电文数据存储在FIFO中，调制方式如图3所示。

载波与伪码NCO均采用64位累加器，伪码NCO在整秒时刻置入延时初值，按照动态频率控制字进行累加。在模拟动态时延的过程中，每当64位NCO累加溢出后，整数码片计数加1，但不产生码时钟，当满足动态时延后，NCO累加溢出产生伪码时钟，从而驱动生成伪码，伪码生成过程见图4所示。

正弦与余弦信号采用查找表的形式生成，载波频率控制字在每一个时钟的控制下进行累加，查找正余弦表生成正余弦信号。

最后，将电文数据与伪码相乘再与正余弦载波相乘，之后按照不同的调制功率系数A1、A2相加即完成扩频信号的调制。

步骤四：发射动态值的反馈调节；

系统在长时间测试时，由于量化误差的存在，会导致模拟的动态值与理论值出现累积误差，为保证测距精度，需要对发射的动态值进行反馈调节，其处理过程如图5所示。该方法采用定时读取发射端的伪码整数与小数码片计数，将其转换成距离值并与理论值进行比对，以发射信号后第1s的发射值为基准，将其与理论值作差得到固定差值，以后每次读取的发射值与理论值的差都与该固定差值进行比对，并将此差值转换成多普勒频率添加到下一次多普勒频率计算中。

3、优点及效果：

本发明针对星间链路卫星动态特性，设计了一种适用于星间QPSK扩频调制下的卫星动态信号模拟方法。该方法通过调整伪随机码和载波，精确模拟载体接收到的卫星信号，载体上安装的接收机根据这些信号，可精确测定目标的位置，通过与理论值的比较，可以对接收机的捕获、跟踪和测量精度进行鉴定。该方案设计的QPSK发射信号可以实现射频收发频点的切换与导航电文数据速率的更换，能够灵活设计所需模拟的动态信息，使用方便，易于在FPGA内实现。使用时将参数手动输入到软件，软件会根据输入的参数自动完成信号的发射，大大缩短了设备研发周期和人力成本。该方案提出的动态值反馈调节机制能够消除系统引入的累积误差，有效提高动态模拟准确度。

附图说明

图1卫星动态信号模拟方案总体框图

图2DSP动态处理流程图

图3发射调制示意图

图4伪码生成示意图

图5反馈调节流程图

图中符号说明如下：

DSP         数字信号处理器

FPGA        现场可编程门阵列

NCO         数控振荡器

A1          I路功率控制因子

A2          Q路功率控制因子

S           动态时延

sin         本地正弦载波

cos         本地余弦载波

具体实施方式

下面通过一个具体实施实例来阐述本发明所提出的星间卫星动态信号模拟方法的一种实现方式。

该方法在Xilinx公司的FPGA V5系列芯片XC5VlX330T与TI公司的DSPTMS320C6713中实现，ADC和FPGA系统工作时钟均为100MHz，设计采用分块处理思想，实现总体框图如图1所示，需要配置的参数包括：卫星号、卫星动态时延、多普勒变化率、多普勒一阶变化率、多普勒二阶变化率和电文数据速率。系统可以实现对上述参数的灵活配置，其具体实现过程如下：

1步骤一：整秒时刻动态值生成：

系统启动前，需要对系统进行初始化配置，在软件中，设置相应的动态延时、多普勒变化率、多普勒一阶变化率、多普勒二阶变化率，软件按照步骤一中的公式，分别计算出整秒时刻的动态延时、速度、加速度和加加速度，并将结果按照如下格式组帧，并下发到DSP中。

2步骤二：计算载波与伪码频率控制字

DSP定时读取软件传来的整秒动态值，根据中频时间，对动态值进行解帧处理，DSP处理流程见图2所示。动态延时可以模拟0-250ms，将输入的动态时延按照如下公式转换成伪码计数。

C＝S*f_code

其中，C为伪码计数，S为初始延时，f_code为伪码频率，

C_h＝(C-C_int)*2³²

其中，C_h为小数伪码高32位，C_int为取整后的伪码计数，

C_l＝(C_h-C_hint)*2³²

其中，C_l为小数伪码低32位，C_hint为取整后的小数伪码高32位。

解算出卫星的速度、加速度和加加速度，将其按照步骤二中的公式转换为频率控制字发送给FPGA。

3步骤三：QPSK扩频调制

QPSK扩频调制部分在FPGA中实现，调制处理见图3。该部分具体分为伪码时钟控制，伪码生成，数据缓存，载波生成，调制和功率控制模块。

(1).伪码时钟控制模块

伪码时钟控制模块主要完成伪码时钟的生成以及小数伪码计数的锁存，该模块接收DSP计算的延时初值和伪码频率控制字，在整秒时刻，将小数延时初值置入伪码NCO，读取首个频率控制字，并对整数伪码延时进行计数控制。伪码NCO按照系统时钟进行累加，当累加溢出后，伪码延时整数计数加1，当达到延时初值后，伪码时钟模块产生本地伪码时钟，驱动伪码生成模块生成伪码。

(2).伪码生成模块

伪码生成模块存储各颗卫星伪码，系统可以根据用户需求，选择要模拟的卫星信号，将卫星号置入该模块生成相应的伪码序列，此外，该模块应对伪码相位进行精确控制，能够锁存测量时刻的整数伪码计数。图4是伪码生成示意图。

(3).数据缓存模块

该模块由Xilinx公司的异步FIFO IP核生成，用于存储电文数据。同时根据软件发送的数据速率控制指令，将数据速率与伪码速率相对应，实现数据速率的切换。

(4).载波生成模块

该模块实现对载波频率控制字的累加，通过查找表的方式，按照载波相位生成正余弦信号。

(5).调制模块

调制模块将对应的数据、伪码与载波进行调制，生成I、Q两路正交信号。调制方式如图3所示。

(6).功率控制模块

用于控制输出功率，该模块按照I、Q两路信号功率比，计算出I路与Q路功率因子，将功率因子与调制模块输出的I、Q两路信号相乘，并将结果合路输出。

4.步骤四：动态值校准

系统设计定时对动态值进行校准，在FPGA伪码控制模块中，定时读取整数与小数伪码计数，该设计中选取1s的定时时间，由DSP计算出当前时间的动态延时，并与软件发送来的理论值进行对比，其过程参见步骤四。将得到的误差值按照如下计算公式转换成频率控制字误差。

误差频率控制字＝误差*射频频率/调节因子

调节因子可以控制系统对于动态误差的调节程度，取值范围在10⁴-10⁶，减小调节因子可以使模拟的动态值在较短的时间内得到调节，但如果调节因子过小，会计算出较大的频率控制字，从而导致跟踪失锁，而过大的调节因子会导致误差频率控制字在很长的时间内才会作用到伪码频率控制字上，无法实现调频的作用，系统设计中调节因子取为10⁵，可以较好的完成调频的作用。经测试，系统经反馈调频后，能够有效抑制系统累积误差，使发射动态达到0.0035ns的标准差，能够满足高精度星间测距要求。图5是反馈调节流程图。

本发明成功的模拟了载体的动态环境，通过调整伪随机码和载波，精确模拟载体收到的卫星信号，系统经反馈调频后，能够有效消除系统累积误差，提高动态模拟准确度，从而满足高精度星间测距要求。该方法可广泛应用于航天测控的各种测试场景。

Claims (1)

1.一种QPSK扩频卫星动态信号模拟方法，其特征在于：该方法包含如下步骤：

步骤一：根据外部输入的动态信号初值生成整秒时刻的动态信号；

主控计算机提供与外界交互平台，用户设定动态延时初值S0，多普勒dop，多普勒一阶变化率dopv与多普勒二阶变化率dopvv；软件将输入的动态值按照如下公式转换为卫星的初始速度v0，初始加速度a0，以及初始加加速度j0；

$v0=\frac{\mathrm{dop}*c}{f},a0=\frac{\mathrm{dopv}*c}{f},j0=\frac{\mathrm{dopvv}*c}{f}$

其中f为载波频率，c为光速；

按照运动学公式计算出卫星在整秒时刻的距离值S，速度v，加速度a以及加加速度j；

$S=S0+v0*t+\frac{1}{2}a0*t^2+\frac{1}{6}j0*t^3$

$v=v0+a0*t+\frac{1}{2}j0*t^2$

a＝a0+j0*t

j＝j0

其中，t取整秒时刻；

软件将整秒时刻的距离值，速度，加速度，加加速度与电文数据提前1s下发到DSP中以供后续处理；

步骤二：将整秒时刻的动态信号转换为动态频率控制字；

为了达到要模拟的动态时延精度，DSP需要将距离时延转换成整数伪码码片与64位小数伪码码片，将距离值除以伪码速率后并向下取整，得到要模拟的整数伪码个数，再将余下的距离值量化成64位的小数伪码码片，完成初始距离的模拟；

较大的多普勒变化率会导致跟踪环路失锁，从而无法正常跟踪卫星信号，因此，在模拟多普勒变化的过程中要模拟出连续渐进变化的效果，这就要求DSP要计算出间隔0.1ms的多普勒变化率；计算迭代公式如下式所示：

$v\left(n\right)=v0+a0*t+\frac{1}{2}j0*t^2$

a(n)＝a0+j0*t

v0＝v(10)

a0＝a(10)

其中n＝1,2,3,…10，t为内插时间间隔；

由多普勒计算公式得到载波多普勒：

$f_{\mathrm{carrdop}}=\frac{f*v\left(n\right)}{c}$

由载波频率与伪码频率的关系得到伪码的多普勒变化值

$f_{\mathrm{codedop}}=\frac{f_{\mathrm{code}}*f_{\mathrm{carrdop}}}{f}$

其中，f_code为伪码频率，f为载波频率；

最终得到载波与伪码的频率控制字为

F_carr＝F_carrbase+f_carrdop

F_code＝F_codebase+f_codedop

其中，F_carrbase为载波基准频率控制字，F_codebase为伪码基准频率控制字；

步骤三：生成QPSK扩频信号

DSP将计算得到的频率控制字下发到FPGA，以生成载波与伪码，并将电文数据存储在FIFO中，载波与伪码NCO均采用64位累加器，伪码NCO在整秒时刻置入延时初值，按照动态频率控制字进行累加；在模拟动态时延的过程中，每当64位NCO累加溢出后，整数码片计数加1，但不产生码时钟，当满足动态时延后，NCO累加溢出产生伪码时钟，从而驱动生成伪码；正弦与余弦信号采用查找表的形式生成，载波频率控制字在每一个时钟的控制下进行累加，查找正余弦表生成正余弦信号；

最后，将电文数据与伪码相乘再与正余弦载波相乘，之后按照不同的调制功率系数A1、A2相加即完成扩频信号的调制；

步骤四：发射动态值的反馈调节

系统在长时间测试时，由于量化误差的存在，会导致模拟的动态值与理论值出现累积误差，为保证测距精度，需要对发射的动态值进行反馈调节，该方法采用定时读取发射端的伪码整数与小数码片计数，将其转换成距离值并与理论值进行比对，以发射信号后第1s的发射值为基准，将其与理论值作差得到固定差值，以后每次读取的发射值与理论值的差都与该固定差值进行比对，并将此差值转换成多普勒频率添加到下一次多普勒频率计算中。