CN104730541A - 一种基于pxi总线的通航实时gnss/ins组合导航信号模拟器 - Google Patents

一种基于pxi总线的通航实时gnss/ins组合导航信号模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，它涉及导航领域中的实时GNSS/INS组合导航信号模拟器。它由时频信号处理单元、用户信号产生单元、PXI总线、PXI零槽控制器、铷钟等部件组成。其中，用户信号产生单元由多个频点信号产生模块、射频信号合路器、功分器、功率衰减器等组成。本发明采用PXI总线技术进行系统架构，具有优良的可配置、可扩展能力，通过选择部件使模拟器具备多导航系统、多频点的GNSS/INS导航信号的模拟能力，特别是具备多用户、GNSS/INS组合导航信号的仿真输出能力，充分满足通航领域实时测试GNSS、INS、GNSS/INS组合导航信号的要求。

Description

一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器
技术领域
本发明涉及导航领域，尤其涉及一种基于PXI(PCI Extensionsfor Instrumentation)总线的通航实时GNSS(Global NavigationSatellite System，全球导航卫星系统)/INS(Inertial NavigationSystem，惯性导航系统)组合导航信号模拟器,特别适用于在通航领域中为导航设备的测试提供GNSS信号、INS信号、GNSS/INS组合导航信号。
背景技术
当前国内对通航用户设备的测试评估局限于使用现有的导航信号模拟器(或稍加改进)，以有限的目标任务为驱动，缺乏对未来通航测试任务改进，测试对象改进，系统升级等方面的针对性设计，造成了系统只能在特定时间段内支持有限的测试评估任务，适应性不足，缺乏全面权威的用户设备测试系统，同时也缺乏相关的顶层设计经验。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提出了一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器。本发明的组合导航信号模拟器充分考虑了通航的多用户轨迹仿真、强实时性的需求特点，使用PXI架构改进了传统模拟器的组成形态，提出一种结构灵活、可配置性高、实时性强、支持多用户轨迹模拟仿真的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，可用于在实验室有线环境下提供用户自定义场景的模拟测试信号，是通航机载导航设备以及管理控制系统试验和测试的必要设备。
本发明的目的是这样实现的：一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，包括PXI零槽控制器1、铷钟2、时频信号处理单元3、PXI总线4和用户1信号产生单元5-1；PXI零槽控制器1产生数仿信息经PXI总线4输出至用户1信号产生单元5-1，并从PXI总线4获取用户1信号产生单元5-1上报的状态信息；铷钟2产生时钟信号并提供给时频信号处理单元3；时频信号处理单元3将外部1PPS信号或者自身生成的1PPS信号经电平匹配生成1PPS基准信号经PXI总线4输出至用户1信号产生单元5-1，时频信号处理单元3将接收的时钟信号进行电平匹配后形成参考时钟经PXI总线4输出至用户1信号产生单元5-1；用户1信号产生单元5-1根据接收的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号实时产生GNSS信号、INS信号和GNSS测试信号，并输出自身的状态信息经PXI总线4输出至PXI零槽控制器1。
其中，通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器还包括用户2至用户N信号产生单元5-2至5-N，1PPS基准信号经PXI总线4分别输出至用户2至用户N信号产生单元5-2至5-N，参考时钟经PXI总线4分别输出至用户2至用户N信号产生单元5-2至5-N；用户2至用户N信号产生单元5-2至5-N根据接收的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号均分别实时产生GNSS信号、INS信号和GNSS测试信号，并输出自身的状态信息经PXI总线4输出至PXI零槽控制器1。
其中，用户1信号产生单元5-1包括频点信号产生模块13、射频信号合路器16、功分器17和功率衰减器18，频点信号产生模块13包括频点1至频点K信号产生模块13-1至13-K；频点1至频点K信号产生模块13-1至13-K均分别接收经PXI总线4输出的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号，然后分别产生一路射频导航信号并输出至射频信号合路器16；频点1至频点K信号产生模块13-1至13-K分别将自身的状态信息输出至PXI总线4；频点1至频点K信号产生模块13-1至13-K中的任意一个频点信号产生模块根据接收到的数仿信息产生一路INS信号并输出；射频信号合路器16将收到的K路射频导航信号合成一路信号后输出到功分器17；功分器17将收到的信号分为两路，一路为GNSS测试信号，另一路经功率衰减器18进行功率衰减后生成GNSS信号。
其中，用户2至用户N信号产生单元5-2至5-N和用户1信号产生单元5-1的结构相同。
其中，频点2信号产生模块13-2包括通道基带信号产生器19、多径基带信号产生器22、状态寄存器26、加法器27、数字时钟发生器28、数模转换器29和上变频器30，其中通道基带信号产生器19包括通道1至通道M基带信号产生器19-1至19-M，多径基带信号产生器22包括多径1至多径Q基带信号产生器22-1至22-Q；通道1至通道M基带信号产生器19-1至19-M分别将收到的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号生成载波、伪码和电文后经扩频调制处理产生基带信号后输出至加法器27；多径1至多径Q基带信号产生器22-1至22-Q分别将收到的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号生成载波、伪码和电文后经扩频调制处理产生基带信号后输出至加法器27；状态寄存器26接收数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号，实时更新自身状态信息并输出至PXI总线4；加法器27将所有的基带信号合成一路形成数字基带信号后输出到数模转换器29；数字时钟发生器28根据接收的参考时钟产生高频时钟并输出至数模转换器29；数模转换器29在高频时钟的驱动下将数字基带信号转换为模拟基带信号后输出至上变频器30；上变频器30将模拟基带信号进行上变频处理形成射频导航信号后输出给射频信号合路器16。
其中，通道1基带信号产生器19-1包括数字信号处理器31、数字锁相环32、载波生成器33、伪码生成器34、电文生成器35、乘法器36和扩频调制器37；数字信号处理器31接收数仿信息，进行解析处理产生控制和数据指令，将控制和数据指令分别输出至载波生成器33、伪码生成器34和电文生成器35；数字锁相环32将收到的时钟信息进行锁相和倍频处理产生同步高稳的时频信号分别输出至载波生成器33、伪码生成器34和电文生成器35；载波生成器33、伪码生成器34和电文生成器35分别接收经PXI总线4输出的1PPS基准信号；载波生成器33根据收到的三路信号生成载波后输出至乘法器36；伪码生成器34根据收到的三路信号生成伪码后输出至乘法器36；电文生成器35根据收到的三路信号生成电文后输出至扩频调制器37；乘法器36将收到的载波和伪码相乘产生BPSK信号输出至扩频调制器37；扩频调制器37将电文和BPSK信号进行扩频调制后输出至加法器27。
其中，频点2信号产生模块13-2和频点3至频点K信号产生模块13-3至13-K的结构相同。
其中，频点2信号产生模块13-2和频点1信号产生模块13-1的结构相同，所述的频点1信号产生模块13-1还包括INS信号产生器25，INS信号产生器25接收经PXI总线4输出的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号，在参考时钟的作用下从数仿信息中提取INS信号后进行输出。
其中，通道2至通道M基带信号产生器19-2至19-M和通道1基带信号产生器19-1的结构相同，多径1至多径Q基带信号产生器22-1至22-Q和通道1基带信号产生器19-1的结构相同。
本发明相对于背景技术的优点在于：
1、本发明采用基于PXI总线的系统架构，各种功能单元均采用PXI形式进行设计，实际应用中可根据需求的导航系统数量、频点数量，选用特定的功能单元，使得系统具有高度的灵活性、可配置性。
2、本发明采用高速的PXI总线完成数据通信，使用PXI总线的1PPS基准信号实现精确时间同步，零槽控制器产生的数学数据向硬件板卡发送的更新频率非常高，其时间间隔最低可到5毫秒，较好的满足了通航领域对于实时性的要求。
3、本发明在传统导航模拟器的基础上，增加了多用户仿真功能，模拟器可同时产生同一场景中多个通航飞行器的导航设备接收到的导航信号，满足通航测试对于多个飞行器在同一场景中运动情况的测试需求。
4、本发明具备GNSS/INS组合导航仿真能力，能提供同步的GNSS和INS导航信号，为通航飞行器的GNSS导航、INS导航及两者组合导航的测试提供支持。
附图说明
图1是本发明的电原理方框图。
图2是本发明时频信号处理单元实施例的电原理图。
图3是本发明用户1信号产生单元实施例的电原理图。
图4是本发明频点1信号产生模块实施例的电原理图。
图5是本发明通道1基带信号产生模块实施例的电原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的描述。
本发明的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器包括PXI零槽控制器1、铷钟2、时频信号处理单元3、PXI总线4和用户信号产生单元5，其中，用户信号产生单元5由用户1至用户N信号产生单元5-1至5-N组成，每个信号产生单元结构相同，其数量根据需要的用户数量来确定，有几个用户则有几个信号产生单元。图1是本发明的电原理方框图，实施例按图1接线。PXI零槽控制器1产生数仿信息发送到PXI总线4上，并从PXI总线4获取用户信号产生单元5上报的状态信息。铷钟2产生高稳的10MHz正弦信号，提供给时频信号产生单元3，作为模拟器的参考时钟。不使用外1PPS信号时，时频信号产生单元3自身生成1PPS信号作为模拟器的1PPS基准信号；使用外1PPS信号时，时频信号产生单元3将外1PPS信号作为模拟器的1PPS基准信号；时频信号产生单元3将1PPS基准信号经PXI总线4发送至用户信号产生单元5。用户信号产生单元5根据输入的数仿信息、10MHz参考时钟和1PPS基准信号，实时产生GNSS信号、INS信号、GNSS测试信号。实施例的PXI零槽控制器选用ADLink PXI-3950，铷钟选用LPFRS-01/10M，PXI背板选用支持标准PXI协议的背板即可。
时频信号处理单元3包括功分器8、第一至第三电平匹配(9、10、12)、10M分频器11、内外1PPS选择电路。图2是本发明时频信号处理单元3实施例的电原理图，实施例按图2接线。10MHz时钟信号进入功分器8分为两路，一路经第一电平匹配9电路产生10MHz参考时钟送PXI总线4，另一路经第二电平匹配10电路后送FPGA，经FPGA内的10M分频器11产生内1PPS信号。外1PPS信号和内1PPS信号通过a、b两个触点进行选择输出，在经第三电平匹配12电路送到PXI总线4上。时钟信号在印制电路板上完成分路，通过以AD8099芯片为核心构成的电平匹配电路完成到后级模块的电平匹配，10M分频器、内外1PPS选择电路均在Altera Cyclone系列FPGA中实现。
用户1信号产生单元5-1包括频点信号产生模块13、射频信号合路器16、功分器17和功率衰减器18，频点信号产生模块13由频点1至频点K信号产生模块13-1至13-K组成，并且各信号产生模块结构相同，其数量根据系统所需的频点数量决定是1个还是多个。图3是本发明用户1信号产生单元5-1实施例的电原理图，实施例按图3接线。频点信号产生模块13的各模块根据输入的数仿信息、10MHz参考时钟和1PPS基准信号实时产生射频导航信号，多个模块产生多个射频导航信号，上述射频导航信号经射频信号合路器16合成一路信号输出到功分器17；功分器17将信号分为两路，一路为GNSS测试信号，另一路经功率衰减器18产生可供接收机使用的GNSS信号，其中的GNSS测试信号在实际设备中可不设置输出口。频点信号产生模块13的各模块在工作过程中，均通过PXI总线4向PXI零槽控制器1上报工作状态。此外，用户信号产生单元的所有单元均需输出1个与GNSS同步的INS信号，只需选定频点信号产生模块13中的一个模块产生该INS信号。实施例的射频信号合路器16、功分器17、功率衰减器18为通用射频器件。
频点1信号产生模块13-1包括通道基带信号产生器19、多径基带信号产生器22、INS信号产生器25、状态寄存器26、加法器27、数字时钟发生器28、数模转换器29和上变频器30，通道基带信号产生器19包括通道1至通道M基带信号产生器19-1至19-M，多径基带信号产生器22包括多径1至多径Q基带信号产生器22-1至22-Q。图4是本发明频点1信号产生模块13-1实施例的电原理图，实施例按图4接线。通通道基带信号产生器19和多径基带信号产生器22产生的基带信号经加法器27合成一路输出到数模转换器29；数模转换器29所使用的高频时钟是数字时钟发生器28产生的；基带信号经数模转换器29得到模拟基带信号发送给上变频器30；上变频器30输出射频导航信号给射频信号合路器16。状态寄存器26包含导航系统整周计数、周内秒等寄存器，用于存储和上报系统运行相关的特定数据。INS信号产生器25根据需要选配，其作用是在数仿信息控制下产生与GNSS信号同步的INS信号。频点2至频点K信号产生模块13-2至13-K没有INS信号产生器25，其他结构与频点1信号产生模块13-1相同。实施例的INS信号产生器、状态寄存器、加法器使用Altera Stratix系列芯片设计完成，数字时钟发生器使用AD9522芯片实现，数模转换器使用AD9148芯片设计实现，上变频器为通用的射频器件。
通道1基带信号产生器19-1包括数字信号处理器31、数字锁相环32、载波生成器33、伪码生成器34、电文生成器35、乘法器36和扩频调制器37。图5是本发明通道1基带信号产生模块19-1实施例的电原理图，实施例按图5接线。数字信号处理器31接收并解析数仿信息，产生各种控制指令、数据指令下发给载波生成器33、伪码生成器34、电文生成器35。数字锁相环32使用输入的10MHz参考时钟产生多个同步的、高稳的时频信号供后端模块使用。载波生成器33产生低频正弦、余弦载波信号，与伪码生成器34产生的伪码序列经乘法器36进行乘法运算，之后与电文生成器产生的电文在扩频调制器37完成扩频调制，产生基带信号。实施例的数字信号处理器选用TI TMS320C6747DSP芯片，其余所有模块均在Altera Stratix系列芯片上设计开发。其中载波生成器采用DDS(Direct Digitalfrequency Synthesis，直接数字频率合成)技术实现；伪码生成序列的设计依据各导航系统的空间接口控制文件；电文生成器使用FPGA的FIFO IP核实现，存储和发送数仿信息中的电文数据。
通道2至通道M基带信号产生器(19-2至19-M)和通道1基带信号产生器19-1的结构相同，多径1至多径Q基带信号产生器(22-1至22-Q)和通道1基带信号产生器(19-1)的结构相同；通道基带信号产生器的数量与该频点上可见卫星的最大数量相同，多径基带信号产生器的数量与可见星的最大数量和多径模型有关，根据实际情况进行确定。
本发明简要工作原理如下：
PXI零槽控制器产生的数仿信息和时频信号处理单元产生的1PPS基准信号、10MHz参考时钟通过PXI总线发送给用户信号产生单元。用户信号产生单元中的基带信号产生器是底层设计，能够生成1个通道基带信号或1个多径基带信号；多个基带信号产生器及相关电路构成频点信号产生模块，属于中层设计部件，负责整合基带信号产生1个频点的射频信号及INS信号；用户信号产生单元是上层设计，负责整合射频信号及INS信号产生一个用户的GNSS信号、INS信号和GNSS测试信号。

Claims (9)

1.一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，包括PXI零槽控制器(1)、铷钟(2)和时频信号处理单元(3)，其特征在于：还包括PXI总线(4)和用户1信号产生单元(5-1)；PXI零槽控制器(1)产生数仿信息经PXI总线(4)输出至用户1信号产生单元(5-1)，并从PXI总线(4)获取用户1信号产生单元(5-1)上报的状态信息；铷钟(2)产生时钟信号并提供给时频信号处理单元(3)；时频信号处理单元(3)将外部1PPS信号或者自身生成的1PPS信号经电平匹配生成1PPS基准信号经PXI总线(4)输出至用户1信号产生单元(5-1)，时频信号处理单元(3)将接收的时钟信号进行电平匹配后形成参考时钟经PXI总线(4)输出至用户1信号产生单元(5-1)；用户1信号产生单元(5-1)根据接收的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号实时产生GNSS信号、INS信号和GNSS测试信号，并输出自身的状态信息经PXI总线(4)输出至PXI零槽控制器(1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，其特征在于：所述的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器还包括用户2至用户N信号产生单元(5-2至5-N)，1PPS基准信号经PXI总线(4)分别输出至用户2至用户N信号产生单元(5-2至5-N)，参考时钟经PXI总线(4)分别输出至用户2至用户N信号产生单元(5-2至5-N)；用户2至用户N信号产生单元(5-2至5-N)根据接收的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号均分别实时产生GNSS信号、INS信号和GNSS测试信号，并输出自身的状态信息经PXI总线(4)输出至PXI零槽控制器(1)。
3.根据权利要求1所述的一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，其特征在于：所述的用户1信号产生单元(5-1)包括频点信号产生模块(13)、射频信号合路器(16)、功分器(17)和功率衰减器(18)，频点信号产生模块(13)包括频点1至频点K信号产生模块(13-1至13-K)；频点1至频点K信号产生模块(13-1至13-K)均分别接收经PXI总线(4)输出的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号，然后分别产生一路射频导航信号并输出至射频信号合路器(16)；频点1至频点K信号产生模块(13-1至13-K)分别将自身的状态信息输出至PXI总线(4)；频点1至频点K信号产生模块(13-1至13-K)中的任意一个频点信号产生模块根据接收到的数仿信息产生一路INS信号并输出；射频信号合路器(16)将收到的K路射频导航信号合成一路信号后输出到功分器(17)；功分器(17)将收到的信号分为两路，一路为GNSS测试信号，另一路经功率衰减器(18)进行功率衰减后生成GNSS信号。
4.根据权利要求2所述的一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，其特征在于：所述的用户2至用户N信号产生单元(5-2至5-N)和用户1信号产生单元(5-1)的结构相同。
5.根据权利要求3所述的一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，其特征在于：所述的频点2信号产生模块(13-2)包括通道基带信号产生器(19)、多径基带信号产生器(22)、状态寄存器(26)、加法器(27)、数字时钟发生器(28)、数模转换器(29)和上变频器(30)，其中通道基带信号产生器(19)包括通道1至通道M基带信号产生器(19-1至19-M)，多径基带信号产生器(22)包括多径1至多径Q基带信号产生器(22-1至22-Q)；通道1至通道M基带信号产生器(19-1至19-M)分别将收到的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号生成载波、伪码和电文后经扩频调制处理产生基带信号后输出至加法器(27)；多径1至多径Q基带信号产生器(22-1至22-Q)分别将收到的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号生成载波、伪码和电文后经扩频调制处理产生基带信号后输出至加法器(27)；状态寄存器(26)接收数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号，实时更新自身状态信息并输出至PXI总线(4)；加法器(27)将所有的基带信号合成一路形成数字基带信号后输出到数模转换器(29)；数字时钟发生器(28)根据接收的参考时钟产生高频时钟并输出至数模转换器(29)；数模转换器(29)在高频时钟的驱动下将数字基带信号转换为模拟基带信号后输出至上变频器(30)；上变频器(30)将模拟基带信号进行上变频处理形成射频导航信号后输出给射频信号合路器(16)。
6.根据权利要求5所述的一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，其特征在于：所述的通道1基带信号产生器(19-1)包括数字信号处理器(31)、数字锁相环(32)、载波生成器(33)、伪码生成器(34)、电文生成器(35)、乘法器(36)和扩频调制器(37)；数字信号处理器(31)接收数仿信息，进行解析处理产生控制和数据指令，将控制和数据指令分别输出至载波生成器(33)、伪码生成器(34)和电文生成器(35)；数字锁相环(32)将收到的时钟信息进行锁相和倍频处理产生同步高稳的时频信号分别输出至载波生成器(33)、伪码生成器(34)和电文生成器(35)；载波生成器(33)、伪码生成器(34)和电文生成器(35)分别接收经PXI总线(4)输出的1PPS基准信号；载波生成器(33)根据收到的三路信号生成载波后输出至乘法器(36)；伪码生成器(34)根据收到的三路信号生成伪码后输出至乘法器(36)；电文生成器(35)根据收到的三路信号生成电文后输出至扩频调制器(37)；乘法器(36)将收到的载波和伪码相乘产生BPSK信号输出至扩频调制器(37)；扩频调制器(37)将电文和BPSK信号进行扩频调制后输出至加法器(27)。
7.根据权利要求5所述的一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，其特征在于：所述的频点2信号产生模块(13-2)和频点3至频点K信号产生模块(13-3至13-K)的结构相同。
8.根据权利要求5所述的一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，其特征在于：所述的频点2信号产生模块(13-2)和频点1信号产生模块(13-1)的结构相同，所述的频点1信号产生模块(13-1)还包括INS信号产生器(25)，INS信号产生器(25)接收经PXI总线(4)输出的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号，在参考时钟的作用下从数仿信息中提取INS信号后进行输出。
9.根据权利要求6所述的一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，其特征在于：所述的通道2至通道M基带信号产生器(19-2至19-M)和通道1基带信号产生器(19-1)的结构相同，多径1至多径Q基带信号产生器(22-1至22-Q)和通道1基带信号产生器(19-1)的结构相同。
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