CN107167820A - 一种数字分路卫星导航信号模拟器、方法及检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及卫星导航领域，公开一种数字分路卫星导航信号模拟器，包括信号连接的时间频率单元，仿真计算单元，信号生成单元和信号发射单元，信号生成单元包括基带计算单元和N个基带信号单元，N个基带信号单元对应N个射频输出端口，基带信号单元根据时间频率单元提供的同一时钟进行上变频直接输出射频信号。本发明实现多端口独立可控以及并行输出的阵列式数字分路卫星导航射频信号。另外，本发明还提供一种数字分路卫星导航信号生成方法和基于数字分路的导航终端检测系统。
Description
技术领域
本发明主要涉及卫星导航领域，尤其涉及一种数字分路卫星导航信号模拟器、方法及检测系统。
背景技术
随着导航终端技术发展，导航信号模拟器已经成为导航终端性能指标检验检测重要手段和方法。目前市面上常见的导航信号模拟器都采用单一端口模拟信号输出，如图1所示，当一台导航信号模拟器同时对多个在不同测试环境中用户接收机进行信号输出时，只能通过功分器，将一路模拟信号分成几路至多个不同的用户接收机进行测试，但无法实现对输出到多个不同测试环境导航信号的时延、功率、频率以及位置等单独精确控制，因而一台导航信号源无法支持多个不同测试环境并行应用，也无法支持每个输出端口独立输出单颗卫星信号的测试需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种可同步并列生成多路射频信号，且能独立对各路信号实现时延、功率、频率以及位置等控制的数字分路卫星导航信号模拟器及方法。具体采用以下技术方案：
一种数字分路卫星导航信号模拟器，包括依次信号连接的时间频率单元，仿真计算单元，信号生成单元和信号发射单元，所述信号生成单元包括基带计算单元，和对应所述基带计算单元的N个基带信号单元，N个所述基带信号单元对应设置有N个射频输出端口，所述基带信号单元根据所述时间频率单元提供的同一时钟进行上变频后直接输出射频信号。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述信号生成单元还包括控制接口，所述控制接口接入所述仿真计算单元提供的仿真数据至所述基带计算单元，所述时间频率单元同时向所述基带计算单元和N个所述基带信号单元中的数字基带模块提供本地同源时钟信号，所述基带计算单元通过所述仿真数据与本地同源时钟信号生成基带数据，并通过数字分路传输至N个基带信号单元。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述信号发射单元包括N个发射天线，N个发射天线与N个射频输出端口一一对应，其中，N>0。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，N个所述基带信号单元根据所述本地同源时钟信号和分路的基带数据生成N个分路数字基带信号，经同一时钟下的N通道上变频模块进行上变频，向外独立输出N个通道射频信号，其中，基带信号单元可以生成W颗可见卫星信号或全星座卫星导航卫星信号。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，N个所述基带信号单元根据测试需求，可以配置选择某一颗卫星信号独立输出，也可以选择多颗卫星同时输出。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述仿真计算单元与所述基带计算单元的数量一一对应，当仿真计算单元为M个，所述基带计算单元为M个，其中，M>0。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述仿真计算单元与所述基带计算单元同时计算W颗卫星或全星座卫星导航卫星信号，其中0<W≤所有星座卫星数。
本发明还提供一种数字分路卫星导航信号生成方法，包括以下步骤：时间频率单元同步驱动仿真计算单元根据星座参数信息计算卫星导航信号仿真数据，基带计算单元根据卫星导航信号仿真数据生成N个基带数据，并进行数字分路；N个基带信号单元将N个所述基带数据生成正交调制的N个数字基带卫星导航信号；将N个数字基带卫星导航信号通过同一时钟下的N通道上变频模块生成N个独立输出的射频信号。其中，所述星座参数信息包括时间、星历、历书。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述基带信号单元包括选择单一颗指定卫星输出模式或者选择多颗卫星并行输出模式。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，在所述生成正交调制的数字基带卫星导航信号之前，N个所述数字基带信号根据功率修正参数和/或时延修正参数调整卫星导航信号仿真数据。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，N个独立输出的射频信号为并行独立输出。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，时间频率单元同时向仿真计算单元、基带计算单元提供本地同源时钟信号；
本发明还提供一种基于数字分路的导航终端检测系统，包括相连接的多个导航终端、测试评估软件、微波暗箱，和如以上所述的数字分路卫星导航信号模拟器。导航终端还可以放置在微波暗箱环境中，能对独立输出的单星进行时延、功率等的控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、通过同一时钟生成的主基带信号直接分路为多个从基带信号，实现多端口独立可控并行输出的阵列式数字分路射频信号，可实现每路信号功率、频率、时延独立可控，克服了射频信号多路分配导致的各工位不同频点间信号功率平衡代价高昂的问题；
2、数字分路卫星导航信号生成方法中，直接将分路数字基带信号正交调制到射频频段，即零中频的实现方式，缩短了误差链，同时放宽了对射频变频器后滤波器的性能要求，保证了模拟源零值稳定性和载波一致性，极大减小了模拟源发射机的体积、重量、功耗和成本，为多通道大规模导航信号模拟创造了前提条件；
3、进一步可通过对多端口卫星导航信号的并列输出和各个端口各个频点信号功率时延的精确独立可控，实现了基于多级重构的高分辨率延迟滤波器组的精密延迟新方法，突破了高性能卫星导航信号模拟源时延技术指标瓶颈，大幅度提高了系统伪距的时延控制精度和星间通道一致性(均优于10mm)，改善了系统零值稳定性和信号质量。
附图说明
图1为现有技术所示的单输出导航信号源测试图；
图2为本发明一种实施例所示的数字分路卫星导航信号模拟器的结构示意图；
图3为本发明一种实施例所示的数字分路卫星导航信号模拟器的原理图；
图4为本发明一种实施例所示的数字分路卫星导航信号生成的原理图；
图5为本发明一种实施例所示的数字分路卫星导航信号生成方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明实施例公开的数字分路卫星导航信号模拟器结构示意图如图2所示，包括信号连接的时间频率单元，仿真计算单元，信号生成单元和信号发射单元，所述信号生成单元包括基带计算单元，和对应所述基带计算单元的N个基带信号单元，N个所述基带信号单元对应设置有N个射频输出端口，所述基带信号单元根据所述时间频率单元提供的同一时钟进行上变频直接输出射频信号。基带计算单元将民码序列按照数字分路生成N路至N个基带信号单元，其中信号发射单元为N个发射天线，N个基带信号单元对应N个天线，N个射频输出端口的射频信号从N个天线发射出去。
如图3所示数字分路卫星导航信号模拟器的原理图，及图4所示的数字分路卫星导航信号生成的原理图，在本实施例中公开的信号生成单元，信号生成单元还包括控制接口，所述控制接口接入仿真计算单元提供的仿真数据至所述基带计算单元，所述时间频率单元同时向所述基带计算单元和N个所述基带信号单元中的数字基带提供本地同源时钟信号，所述基带计算单元通过所述仿真数据与本地同源时钟信号生成主基带信号，并通过数字分路至N个基带信号单元，信号生成单元中还连接有信号加密模块，具体的信号加密模块直接与基带计算单元连接，并分路至N个基带信号单元。
其中基带计算单元还与信号加密模块连接，以确保对适合军用的导航信号进行加密计算。
具体的，N个所述基带信号单元根据所述本地同源时钟信号和分路的基带数据单元生成N个分路数字基带信号，经N个上变频模块进行上变频，向外独立输出N个通道射频信号，N>0，具体的N为大于1的自然数。例如选择8通道、16通道、24通道等多路信号输出。基带信号单元可以生成W颗可见卫星信号或全星座卫星导航信号，W>0，可实现独立单星输出，也可以生成多颗以上的可见卫星信号，或全星座卫星导航信号。例如可以生成GPS、BDS、GLONASS、Galileo任意星座中任意一颗或多颗卫星组合的卫星导航信号，按照目前的情况，GPS全星座现在正在运行的有32卫星，GLONASS星座、Galileo星座各个正在运行的有24颗卫星，中国BDS星座即将实现在轨35颗卫星，如此可以针对这100多颗星的100多种的单星独立输出，也可以生成100多颗星任意组合排列的多颗星输出。
结合图2和图3和图4所示，所述仿真计算单元与所述基带计算单元的数量一一对应，当仿真计算单元为M个，所述基带计算单元为M个。比如仿真计算单元可任意选择GPS、BDS、GLONASS、Galileo任意星座中的一颗或多颗卫星组合计算仿真数据，从而M个基带计算单元生成M*N个任意GNSS卫星导航信号，即任意一种GNSS卫星导航信号可以选择多个通道并行独立输出，以满足多个星座体制卫星导航信号发射的需要。
当然，更优选的实施例，为仿真计算单元与所述基带计算单元同时计算W颗卫星或全星座卫星导航卫星信号，其中W>0，可以节约卫星导航信号的生成时间，使得信号连续不间断。
具体地，仿真计算单元包括时空系统模型、卫星轨道及钟差计算模型、观测数据生成模型、导航电文生成模型的至少一种，在惯性坐标系中，卫星位置采用J2000坐标系，时间系统采用地球动力学时TT(可以在模拟中采用北斗时或GPS时)；在地固坐标系中，如在北斗系统中，卫星采用CGS2000坐标系，对于时间系统，北斗系统采用北斗时统。卫星轨道及钟差计算模型直接使用即时信号接收单元传入的实际卫星星历信息计算生成所需的卫星状态数据。观测数据生成模型根据卫星轨道考虑地球自转和相对论效应，仿真生成接收时刻的观测量，包括卫星相对于地面的真实距离、速度、加速度、加加速度。导航电文生成模型将即时接收单元提供的真实导航电文参数如：卫星状态、空间环境参数、时间系统改正参数、广域差分信息和系统完好性信息等和相关模型计算拟合后的参数如：卫星轨道数据、卫星钟差修正参数等实现电文的编排。
本发明还提供一种数字分路卫星导航信号生成方法，如图5所示：包括以下步骤：时间频率单元同步触发仿真计算单元根据星座参数信息计算N个卫星导航信号仿真数据；基带计算单元根据卫星导航信号仿真数据生成N个基带数据，并进行数字分路；N个基带信号单元将N个所述基带数据生成正交调制的N个数字基带卫星导航信号；将N个数字基带卫星导航信号通过同一时钟下的N通道上变频模块生成N个独立输出的射频信号；其中，所述星座参数信息包括时间、星历、历书，N个所述数字基带信号正交调制到射频频段，基于平衡正交调制(Direct Quadrature Modulation,DQM)的卫星导航信号模拟源直接数字基带合成技术，直接将基带信号正交调制到射频频段，即零中频的实现方式，缩短了误差链，同时放宽了对射频变频器后滤波器的性能要求，保证了模拟源零值稳定性和载波一致性，极大减小了模拟源发射机的体积、重量、功耗和成本，为多通道大规模导航信号模拟创造了前提条件。
本实施例中，基带信号单元可以选择为生成单一颗指定卫星输出模式或者多颗卫星并行输出模式，实现单星独立输出能力，按照目前的情况，GPS全星座现在正在运行的有32卫星，GLONASS星座、Galileo星座各个正在运行的有24颗卫星，中国BDS星座即将实现在轨35颗卫星，如此可以针对这100多颗星的100多种的单星独立输出，也可以生成100多颗星任意组合排列的多颗星输出。
其中各基带信号单元接收基带数据采用数字信号处理技术，结构上包括基带FPGA和基带DAC，对1个通道射频信号进行M路基带数据的精密延迟控制和码、载波相位控制。由于采用数字信号处理技术实现了数字信号的码相位精密延迟控制和多普勒补偿，可实现高动态信号的模拟。采用数字基带直接合成技术实现射频信号仿真，其优点是从根本上保证了通道间相位一致性。
在本实施例中，N个独立输出的射频信号为并行独立输出，同时信号生成单元在功率输出时可实现30dB范围内步进0.1dB精度的精确功率控制，设有调节卫星导航信号的功率，以增大或衰减播发的卫星导航信号的功率，用于在信号发射前调节卫星导航仿真信号，不会因为信号微弱造成导航终端无法接收的问题，进行智能灵活调节。进一步可通过对多端口卫星导航信号的并列输出和各个端口各个频点信号功率时延的精确独立可控，实现了基于多级重构的高分辨率延迟滤波器组的精密延迟新方法，同一基带数据的N个数字分路，实现了同步一致性，比如针对不同的测试环境中的用户接收机/导航终端测试中，需要根据线缆衰减或者传输距离的长短进行协调一致，故而都要有一定的功率或者时间补偿值，以满足不同测试环境中(不同有线和/或无线的测试环境下)各用户接收机/导航终端都同步接到同时同功率的卫星导航信号源，突破了高性能卫星导航信号模拟源时延技术指标瓶颈，大幅度提高了系统伪距的时延控制精度和星间通道一致性(均优于10mm)，改善了系统零值稳定性和信号质量。
在以上实施例中，时间频率单元同时向仿真计算单元、信号生成单元提供本地同源时钟信号。通过本地时钟产生模块基于同一个时间信息同步产生的时钟信号，驱动与分频生成如仿真计算单元、信号生成单元所需的频标信号，如此，时钟驯服模块利用接收真实的GNSS卫星导航信号产生与卫星同步的时钟信息，即保证生成的本地时频基准信号(10MHz和1PPS)与真实GNSS卫星导航系统的时间同步，通过时频传递，保证再生的卫星导航信号与真实GNSS卫星导航信号同步的可靠性。
进一步的，设有调节卫星导航信号的功率，以增大或衰减播发的卫星导航信号的功率，不会因为信号微弱造成导航终端无法接收的问题，进行智能灵活调节。
综上所述，通过同一时钟生成的基带计算单元直接分路为多个基带数据，实现多端口独立可控并行输出的阵列式数字分路射频信号，可实现每路信号功率、频率、时延独立可控，克服了射频信号多路分配导致的各工位不同频点间信号功率平衡代价高昂的问题，以及直接将分路数字基带信号正交调制到射频频段，即零中频的实现方式，缩短了误差链，同时放宽了对射频变频器后滤波器的性能要求，保证了模拟源零值稳定性和载波一致性，极大减小了模拟源发射机的体积、重量、功耗和成本，为多通道大规模导航信号模拟创造了前提条件；进一步可通过对多端口卫星导航信号的并列输出和各个端口各个频点信号功率时延的精确独立可控，实现了基于多级重构的高分辨率延迟滤波器组的精密延迟新方法，突破了高性能卫星导航信号模拟源时延技术指标瓶颈，大幅度提高了系统伪距的时延控制精度和星间通道一致性(均优于10mm)，改善了系统零值稳定性和信号质量。
本发明还提供了一种基于数字分路的导航终端检测系统，包括多个导航终端、测试评估软件、微波暗箱，和如以上所述的数字分路卫星导航信号模拟器，其中有的导航终端可设置在微波暗箱内，也可以是多个导航终端通过不同的有线或无线的方式与同一数字分路卫星导航信号模拟器进行连接。
该系统采用数字信号基带信号合成技术构建的多端口独立可控并行输出的阵列导航信号模拟源，产生8路分别可控的射频信号，输出至8台微小锥形暗箱，构成一套快速检测系统，每路信号功率、频率、时延独立可控，克服了射频信号多路分配导致的各工位不同频点间信号功率平衡代价高昂的问题，其最大特点是多端口卫星导航信号的并列输出和各个端口各个频点信号功率时延的精确独立可控。
本发明所述的导航终端检测系统，解决了原多个检测建设使用难度大、测试效率低、无法量产复制、批量测试规模扩容难的问题。通过本批量测试系统对导航用户终端进行了批量测试，终端检测效率至少提高20倍以上。该系统便于移植，使用要求低，通用的室内就能测试，建设费效较低，便于推广应用。本系统能承担某重大应急联试保障测试任务、装备验收保障测试任务、装甲兵定型保障测试任务、入网检测任务、装备验收任务等并顺利完成装备批检任务，同时该系统还在最大程度上规范试验导航用户终端的性能和指标，形成了统一的标准，推动试验导航用户终端规范化、标准化发展，作为一级测试认证环节，从管理体制上保证了最终用户的权益，成果推广应用经济效益和社会效益巨大。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种数字分路卫星导航信号模拟器，包括依次信号连接的时间频率单元，仿真计算单元，信号生成单元和信号发射单元，其特征在于：所述信号生成单元包括基带计算单元，和对应所述基带计算单元的N个基带信号单元，N个所述基带信号单元对应设置有N个射频输出端口，所述基带信号单元根据所述时间频率单元提供的同一时钟进行上变频后直接输出射频信号。
2.根据权利要求1所述的数字分路卫星导航信号模拟器，其特征在于：所述信号生成单元还包括控制接口，所述控制接口接入所述仿真计算单元提供的仿真数据至所述基带计算单元，所述时间频率单元同时向所述基带计算单元和N个所述基带信号单元中的数字基带模块提供本地同源时钟信号，所述基带计算单元通过所述仿真数据与本地同源时钟信号生成基带数据，并通过数字分路传输至N个基带信号单元。
3.根据权利要求2所述的数字分路卫星导航信号模拟器，其特征在于：所述信号发射单元包括N个发射天线，N个发射天线与N个射频输出端口一一对应，其中，N>0。
4.根据权利要求2所述的数字分路卫星导航信号模拟器，其特征在于：N个所述基带信号单元根据所述本地同源时钟信号和分路的基带数据生成N个分路数字基带信号，经同一时钟下的N通道上变频模块进行上变频，向外独立输出N个通道射频信号。
5.根据权利要求1所述的数字分路卫星导航信号模拟器，其特征在于：所述仿真计算单元与所述基带计算单元的数量一一对应，当仿真计算单元为M个，所述基带计算单元为M个，其中，M>0。
6.根据权利要求1所述的数字分路卫星导航信号模拟器，其特征在于：所述基带信号单元可以生成W颗可见卫星信号或全星座卫星导航卫星信号；或者，所述仿真计算单元与所述基带计算单元同时计算W颗卫星或全星座卫星导航卫星信号，其中0<W≤所有星座卫星数。
7.一种数字分路卫星导航信号生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
时间频率单元同步驱动仿真计算单元根据星座参数信息计算卫星导航信号仿真数据；
基带计算单元根据卫星导航信号仿真数据生成N个基带数据，并进行数字分路；
N个基带信号单元将N个所述基带数据生成正交调制的N个数字基带卫星导航信号；
将N个数字基带卫星导航信号通过同一时钟下的N通道上变频模块生成N个独立输出的射频信号。
8.根据权利要求7所述的数字分路卫星导航信号生成方法，其特征在于：所述基带信号单元包括选择单一颗指定卫星输出模式或者选择多颗卫星并行输出模式。
9.根据权利要求8所述的数字分路卫星导航信号生成方法，其特征在于：在所述生成正交调制的数字基带卫星导航信号之前，N个所述数字基带信号根据功率修正参数和/或时延修正参数调整卫星导航信号仿真数据；或者，N个独立输出的射频信号为并行独立输出；或者，时间频率单元同时向仿真计算单元、基带计算单元提供本地同源时钟信号；或者所述星座参数信息包括时间、星历和历书信息。
10.一种基于数字分路的导航终端检测系统，其特征在于，包括相连接的多个导航终端、测试评估软件、微波暗箱，和如权利要求1至6中任一项所述的数字分路卫星导航信号模拟器。
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