CN104977592A - 一种基于pxi总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台及其方法 - Google Patents

一种基于pxi总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台及其方法，属于卫星导航领域。所述平台包括平台控制模块、干扰信号仿真模块、干扰信号性能分析模块，所述方法包括干扰仿真任务配置、干扰信号数字生成、仪器控制、干扰信号的数模转换、干扰信号上变频、射频前端天线接收射频信号和对干扰射频信号进行性能分析的步骤。本发明通过射频天线发射干扰信号，使仿真干扰环境更加贴近真实的干扰环境；平台可以产生多种干扰组合的复杂干扰环境；平台采用基于PXI总线的结构，具有更大的灵活性和扩展性，具有通用性，为后续干扰仿真平台的升级换代打下了良好的基础。

Description

一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台及其方法
技术领域
本发明属于卫星导航领域，涉及导航卫星干扰信号领域，具体涉及一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和发射，并且分析各种干扰信号对接收机的定位误差、误码率、码相位、C/A相关函数的影响。
背景技术
伴随着航天技术和计算机技术的迅猛发展，卫星导航定位系统在军事和民用领域得到了广泛应用。由于GNSS的所有工作频率和带宽已知，并且GNSS信号到达地面时已相当微弱，所以容易受到干扰。干扰会导致导航精度降低或是GNSS接收机完全失锁，因此卫星导航领域的抗干扰技术将逐渐成为一个迫切需要解决的问题。
针对GNSS信号的特点，在静态干扰或动态干扰情况下，通过分析不同类型的干扰信号在不同频点、不同功率、不同带宽下同时对GNSS接收机性能的影响，就可以有效地提出GNSS接收机的抗干扰方案，对接收机的抗干扰研究和测试具有实用价值。这就需要提供一个灵活可控的GNSS干扰信号仿真和性能分析平台作为测试评估的必要手段，为分析GNSS接收机的抗干扰能力以及设计导航信号体制提供一种有效的测试工具。
PXI总线是以PCI(Peripheral Component Interconnect)及CompactPCI为基础再加上一些PXI特有的信号组合而成的一个系统。PXI继承了PCI的电气信号，使得PXI拥有如PCI的极高的传输数据的能力。触发总线在背板上从系统槽连接到其余的外设槽，可以让多个仪器模块之间传送时钟信号、触发信号以及特定的传送协议，完成上位机与仪器板卡之间的控制。
发明内容
本发明提供了一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台，主要包括平台控制模块、干扰信号仿真模块、干扰信号性能分析模块三个功能模块。
1、平台控制模块主要包括三个功能：干扰仿真任务配置、干扰信号数字生成和仪器控制。
干扰仿真任务配置，是指用户在上位机中设置所要仿真的干扰信号的类型以及参数。
干扰信号数字生成，是指在Matlab编程环境下，根据干扰信号的数学模型以及干扰仿真任务配置中的参数生成干扰信号的数字信号形式。
仪器控制，根据干扰仿真任务配置要求，配置各个仪器的参数，实现对仪器的控制。
2、干扰信号仿真模块的功能包括干扰信号数模转换、干扰信号上变频、干扰射频信号发送。
干扰信号数模转换，是指平台控制模块生成的数字信号干扰数据，存储到FPGA载板的DDR中，再由FPGA控制高速DA转换器将数字信号转换为I、Q两路中频干扰模拟信号。
干扰信号上变频，使信号源提供的本振信号和中频干扰模拟信号以正交调制的方式上变频到干扰射频信号。
干扰射频信号发送，把生成的干扰射频信号通过射频天线发射出去。
3、干扰信号性能分析模块包括射频前端、软件接收机和干扰射频信号性能分析。
射频前端，就是指软件接收机的射频信号接收设备。
软件接收机，就是指利用AD后的数据，完成卫星信号的捕获、跟踪和定位解算的功能。采用软件接收机的方法可以灵活的根据需要计算出干扰射频信号性能分析中需要的参数。
干扰射频信号性能分析，主要分析不同的干扰形式对软件接收机接收的卫星信号的影响，包括软件接收机的定位误差、信噪比、误码率、码相位、C/A码相关函数的变化，为抗干扰方案的制定提供依据。
本发明的优点在于：
1、平台通过射频天线发射干扰信号，使仿真干扰环境更加贴近真实的干扰环境。
2、平台可以产生多种干扰组合的复杂干扰环境，包括静态、动态、单一干扰、多种干扰，使得干扰环境更加复杂多变。
3、平台采用基于PXI总线的结构，具有更大的灵活性和扩展性，具有通用性，为后续干扰仿真平台的升级换代打下了良好的基础。
附图说明
图1是本发明的基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台组成示意图；
图2是中心频率为50Mhz，带宽为2.046Mhz的滤波器波形示意图；
图3是50Mhz余弦波数据波形图；
图4是50Mhz余弦波频域图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台，选用的硬件是NI公司生产的NI PXIe-1085，拥有18槽机箱配有高带宽全混合背板，兼容PXI和PXI Express模块(即可以通过PXI总线进行传输数据)，每个外设插槽具有高达4GB/s的专用带宽，12GB/s的系统带宽，所配备的混合连接器类型使得仪表模块放置具有最大的灵活性和扩展性，完全可以实现导航卫星信号干扰仿真平台的硬件和软件要求。
下面结合图1，具体说明本发明的平台。本发明提供的基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台，包括平台控制模块、干扰信号仿真模块和干扰信号性能分析模块三部分，所述的平台控制模块用于进行干扰仿真任务配置、干扰信号数字生成和仪器控制；所述的干扰信号仿真模块用于对平台控制模块生成的干扰数据进行数模转换，得到中频干扰模拟信号，然后结合信号源的本振信号进行干扰信号上变频，得到干扰射频信号并通过天线发送。所述的干扰信号性能分析模块通过射频前端接收射频信号，并转化成数字信号后发送给软件接收机，软件接收机将射频信号与已有的卫星信号进行比较，提供干扰信号性能分析参数。所述的射频信号包括干扰射频信号和卫星信号。
基于上述的基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台，本发明还提供一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析方法，所述方法包括如下步骤：
第一步，干扰仿真任务配置。
所述的干扰仿真任务配置是指根据需要仿真的干扰环境要求，配置上位机上的各个参数，包括静态/动态干扰模式、干扰类型、带宽、频率、功率等。选择静态或动态干扰模式，来确定相对相位角参数是否变化，如果选择静态，则相对相位角不变化，说明干扰信号相对软件接收机的位置是静止的；如果选择动态，则相对相位角开始随着采样时间的变化而变化，干扰信号相对软件接收机是运动的；选择干扰类型、带宽，确定仿真时仿真参数(包括干扰类型、带宽、滤波器参数)的值，可以正确仿真出需要的干扰信号；选择频率，确定需要干扰的信号系统，如：GPS L1/L2、GLONASS L1/L2、BD等；选择功率，可以调节干扰射频信号发送功率大小，为干扰射频信号性能分析时，提供数据依据。所述的相对相位角是指干扰信号射频天线和射频接收天线之间的相位角。
第二步，干扰信号数字生成。
干扰信号的种类虽然不同，但是干扰信号的数字生成步骤具有通用性，下面以静态单频50Mhz的余弦波为例，说明Matlab编程环境中的干扰信号数字生成过程。
(2.1)确定干扰信号为静态，则无相对相位角的变化，干扰信号数字生成方法为：
y＝cos2πf0t
其中，干扰信号的中心频率f0＝50Mhz，t为时间，y为干扰信号数字形式，也称干扰数据。
(2.2)确定滤波器的中心频率和带宽：虽然干扰信号为单频50Mhz余弦波，但是为了保证不会产生倍频谐波，所以需要加窄带滤波器，设置滤波器的中心频率f1＝50Mhz，带宽B＝2.046Mhz，则滤波器波形如图2所示。
(2.3)选择采样频率fs＝400Mhz，采样时间间隔为ts＝1/fs。此处采样频率的选择一定要选择fs＝8f0，因为经过多次实验，证明只有8倍关系时，才能够无差别的仿真恢复出来，否则会出现数据点短缺，波形不完整现象；选择采集数据数量N＝5000，则采集时间为t＝0:ts:(N-1)ts。
(2.4)采集数据，根据所设置的参数(包括中心频率、带宽、采样频率、采集数据量和采集时间)，生成余弦波数据波形和频域图如图3和图4。
(2.5)AD转换，上述采集到的都是-1～1范围内的十进制信号，对数据进行AD转换后得到干扰数据，存储到自定义文件cos50mhz.coe文件。
所述的AD转换要求有符号位，分辨率为14位，与干扰信号数模转换步骤中的滤波器和DA子卡的转换位数相同。
所述的cos50mhz.coe文件被放置在FPGA模块下ISE工程中对应IP核文件中，在干扰信号数模转换步骤中采用。
第三步，仪器控制。
所述的仪器控制实现如下三种仪器的参数设置：
控制干扰信号数模转换过程中静态/动态干扰模式和干扰类型及干扰个数的选择；
控制SC5505A信号源输出频率值来确定需要干扰的卫星系统和信号频点；
控制SC5412A上变频板中干扰信号上变频步骤的线性电压和偏置电压值来改变输出干扰射频信号的功率。
第四步，干扰信号的数模转换。
干扰信号数模转换的设计是在FPGA上以ISE Design Suite 14.5作为设计工具，并利用Modelsim SE 10.1a进行功能、时序仿真验证，提高了开发效率。
所述的干扰信号数模转换，具体为：
(1)设置FPGA时钟频率为200Mhz，DA时钟频率为400Mhz。
(2)把干扰数据所在的文件cos50mhz.coe分别保存到ROM IP核rand1和rand2中。用200Mhz时钟采样频率驱动rand1的地址以0、2、4……4998、0……循环输出数据dout1，驱动rand2的地址以1、3、5、……4999、1……循环输出数据dout2。
(3)分别设置滤波器fir1和fir2的中心频率为50Mhz，带宽为2.046Mhz，采样频率为200Mhz，输入输出均为14位。用200Mhz时钟采样频率分别驱动输出数据dout1、dout2通过滤波器fir1、fir2进行滤波，输出数据分别为dout3和dout4。
(4)分别对输出数据dout3和dout4符号位取反，然后先后通过原语语句ODDR和OBUFDS，最后汇合后以400Mhz的时钟频率数据进入采样频率为400Mhz的I、Q两路DA转换通道，中频干扰模拟信号生成。
本发明干扰信号数模转换在FPGA上实现，选用基于PXI总线的FPGA载板，采用高性能的Virtex-5 XC5VSX95T处理芯片，板载512MB DDR2 DRAM内存，同时通过两组高速高密度SubPORT接口向外部提供丰富、高速且可重配置的数字I/O资源。核心部分是双通道14bit最高采样率为400MSPS的DA子卡，目前使用过程中对该DA子卡的采样频率配置达到了400MSPS进行刷新，该DA子卡上有一块时钟管理芯片AD9516，可以为数字模拟转换器DAC提供高精度的时钟，时钟管理芯片可通过FPGA主控模块进行方便的配置，并且DA子卡带有一个对外的高精度时钟输出，该时钟输出是由AD9516提供，且可以通过FPGA主控模块进行配置是否时钟输出；还有一路Trig输入，作为数字模拟转换器DAC的触发，因此可以方便的实现DA子卡间的同步及触发。
第五步，干扰信号上变频。
选用NI公司提供的SC5505A信号源，可以输出100MHz～6GHz的余弦信号，配置上变频所需要的频率单频余弦波作为本振信号，供中频干扰模拟信号上变频使用。在信号源提供的本振信号和中频干扰模拟信号进行正交混频后，得到干扰射频信号输出，NI公司提供的SC5412A上变频模块可以调制发射400MHz～6GHz的上变频信号，满足此要求。
在干扰射频信号产生以后，通过天线发射出去。本发明选用Antcom公司生产的4个OMNISTAR天线作为射频天线，可以实现GPS L1/L2和GLONASS L1/L2等系统频点信号的发射。由于PXI总线是以NI公司提供的PXI机箱为基础实施的，可以提供多个板卡槽，虽然只有一个控制界面，但是可以提供多组配置参数，相应配置多个FPGA板卡、信号源板卡、上变频板卡，因此可以产生多种静态、动态干扰信号，实现多个天线同时产生一种干扰信号，也可以多个天线同时产生多种干扰信号，可以产生更为复杂的干扰环境。
第六步，射频前端天线接收射频信号。
所述的射频信号包括卫星信号和干扰射频信号，射频信号进入射频前端后，干扰会被尽可能的滤除和放大，同时对射频信号进行变换，使频率、电平与AD相匹配，经过A/D转换后得到数字信号。
所述的数字信号被计算机采集到软件接收机中，不但可以完成卫星信号的捕获、跟踪和定位解算功能，同时可以灵活驱动程序、快速计算射频信号的各项参数(如定位精度、载噪比、导航电文、码相位、C/A码相关函数)指标变化，为干扰性能分析准备数字基础。
第七步，对干扰射频信号进行性能分析。
干扰射频信号在不同的距离、方向、频点、功率、种类下，单一或者多数参数变化，测试上述变化对软件接收机内卫星信号的影响，得到包括软件接收机的定位误差、载噪比、误码率、码相位、C/A码相关函数，进而得到干扰射频信号的性能特点。
下面以单频干扰对接收机接收GPS L1信号影响为例进行说明：
(1)已知条件：干扰天线和接收机方向、距离不变，干扰类型不变。
(2)保持卫星信号的发射功率为-60dBm不变，改变干扰信号的上变频频点，调节干扰信号功率的大小，使接收机的信号载噪比保持在43～44之间，实现接收机更好临界捕获。
(3)GPS L1＝1575.42Mhz，以L1为中心，频率间隔为1MHZ变化，记录干扰信号功率的变化如表1。
表1 干扰信号功率的变化数据
(3)分析：通过表1可以发现，在干扰天线和接收机方向、距离不变，干扰类型不变，卫星信号功率为-60dBm，载噪比为43～44的情况下，单频干扰对准频点L1时，需要的功率较小，随着偏离L1差值的增大，干扰信号要对接收机载噪比产生相同的影响需要的功率也在增加，当频点偏离较大时，基本上就没有什么影响了。
(4)结论：通过本实验说明频点和功率都可以对接收机的载噪比产生影响，并且随着频点的精确对准和功率的增大，载噪比会迅速下降，这样就会使接收机失去信号，从而不能跟踪捕获信号，失去了接收信号的功能。

Claims (6)

1.一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台，其特征在于：所述的平台包括通过PXI总线进行传输数据的平台控制模块、干扰信号仿真模块和干扰信号性能分析模块，所述的平台控制模块用于干扰仿真任务配置、干扰信号数字生成和仪器控制；所述的干扰信号仿真模块用于进行干扰信号数模转换得到中频干扰模拟信号，然后结合信号源的本振信号进行干扰信号上变频，得到干扰射频信号并通过天线发送；所述的干扰信号性能分析模块包括射频前端、软件接收机和干扰射频信号性能分析三部分，射频前端接收射频信号到软件接收机，软件接收机完成卫星信号的捕获、跟踪和定位解算的功能，根据需要计算出干扰射频信号性能分析中需要的参数；所述的射频信号包括干扰射频信号和卫星信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析平台，其特征在于：所述的信号源为SC5505A信号源；所述的干扰信号上变频采用SC5412A上变频板实现；干扰信号数模转换在FPGA上实现，选用基于PXI总线的FPGA载板，采用Virtex-5XC5VSX95T处理芯片，板载512MB DDR2DRAM内存，同时通过两组SubPORT接口向外部提供数字I/O资源；核心部分是双通道14bit最高采样率为400MSPS的DA子卡，DA子卡的采样频率配置400MSPS，DA子卡上有一块时钟管理芯片AD9516，为数字模拟转换器DAC提供时钟，时钟管理芯片通过FPGA主控模块进行配置，并且DA子卡带有一个对外的时钟输出，该时钟输出是由AD9516提供，且通过FPGA主控模块进行配置是否时钟输出；还有一路Trig输入，作为数字模拟转换器DAC的触发，实现DA子卡间的同步及触发。
3.一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析方法，其特征在于：
第一步，干扰仿真任务配置；
根据需要仿真的干扰环境要求，配置各个参数，包括静态/动态干扰模式、干扰类型、带宽、频率和功率；
第二步，干扰信号数字生成；
第三步，仪器控制；
所述的仪器控制实现如下三种仪器的参数设置：
控制干扰信号数模转换过程中静态/动态干扰模式和干扰类型及干扰个数的选择；
控制信号源输出频率值来确定需要干扰的卫星系统和信号频点；
控制上变频板中干扰信号上变频步骤的线性电压和偏置电压值来改变输出干扰射频信号的功率；
第四步，干扰信号的数模转换，得到中频干扰模拟信号；
第五步，干扰信号上变频；
信号源输出100MHz～6GHz的余弦信号作为本振信号，和中频干扰模拟信号进行正交混频后，得到干扰射频信号输出；
第六步，射频前端天线接收射频信号；
所述的射频信号包括卫星信号和干扰射频信号，射频信号进入射频前端后，对射频信号进行变换，使频率、电平与AD相匹配，经过A/D转换后得到数字信号；
所述的数字信号被计算机采集到软件接收机中，完成卫星信号的捕获、跟踪和定位解算功能，为干扰性能分析准备数字基础；
第七步，对干扰射频信号进行性能分析；
干扰射频信号在不同的距离、方向、频点、功率、种类下，单一或者多数参数变化，测试上述变化对软件接收机内卫星信号的影响，得到包括软件接收机的定位误差、载噪比、误码率、码相位、C/A码相关函数，进而得到干扰射频信号的性能特点。
4.根据权利要求3所述的一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析方法，其特征在于：所述的干扰信号数字生成过程，具体为：
(2.1)确定干扰信号为静态，则无相对相位角的变化，干扰信号数字生成方法为：
y＝cos2πf0t
其中，干扰信号的中心频率f0＝50Mhz，t为时间，y为干扰信号数字形式，也称干扰数据；
(2.2)确定滤波器的中心频率和带宽：设置滤波器的中心频率f1＝50Mhz，带宽B＝2.046Mhz；
(2.3)选择采样频率fs＝400Mhz，采样时间间隔为ts＝1/fs，采集数据数量N＝5000，则采集时间为t＝0:ts:(N-1)ts；
(2.4)采集数据，根据所设置的参数生成余弦波数据波形和频域图；
(2.5)对采集数据进行AD转换后得到干扰数据，存储到自定义文件cos50mhz.coe文件；所述的AD转换有符号位，分辨率为14位。
5.根据权利要求3所述的一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析方法，其特征在于：所述的干扰信号数模转换，具体为：
(1)设置FPGA时钟频率为200Mhz，DA时钟频率为400Mhz；
(2)把干扰数据所在的文件cos50mhz.coe分别保存到ROM IP核rand1和rand2中，用200Mhz时钟采样频率驱动rand1的地址以0、2、4……4998、0……循环输出数据dout1，驱动rand2的地址以1、3、5、……4999、1……循环输出数据dout2；
(3)分别设置滤波器fir1和fir2的中心频率为50Mhz，带宽为2.046Mhz，采样频率为200Mhz，输入输出均为14位；用200Mhz时钟采样频率分别驱动输出数据dout1、dout2通过滤波器fir1、fir2进行滤波，输出数据分别为dout3和dout4；
(4)分别对输出数据dout3和dout4符号位取反，然后先后通过原语语句ODDR和OBUFDS，最后汇合后以400Mhz的时钟频率数据进入采样频率为400Mhz的I、Q两路DA转换通道，中频干扰模拟信号生成。
6.根据权利要求3所述的一种基于PXI总线的导航卫星信号干扰仿真和性能分析方法，其特征在于：所述干扰射频信号采用OMNISTAR天线作为射频天线。
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