CN109444923A - 一种北斗三代卫星信号模拟系统及模拟信号产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗三代卫星信号模拟系统及模拟信号产生方法，它是利用上位机经RS232串口与FPGA完成实时信息交互，上位机把用户定义的数据发给FPGA，同时，FPGA将自身存储的信息回传给上位机用于显示。FPGA与DSP通过EMIF地址线完成信息的实时交互，在中断到来时，DSP将计算的各种参数传给FPGA，同时，FPGA将存储的特定数据回传给DSP用于校验。之后，FPGA将生成的信号经过DA转换模块后传给上变频模块，最终由发射天线或射频电缆发射出去。本发明采用程序模块共用的方法，基带板使用DSP+FPGA组合的方式完成对基带信号的处理，从而有效缩短了研发周期，降低了模拟器硬件成本，方便测试环境构建。

Description

一种北斗三代卫星信号模拟系统及模拟信号产生方法

技术领域

本发明涉及卫星导航定位技术，具体是一种北斗三代卫星信号模拟系统及模拟信号产生方法。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System)即“全球导航卫星系统”，是卫星导航系统的统称，包含美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的BDS、欧盟的Galileo系统。迄今为止，能够实现全球覆盖的全球导航定位系统只有两个，一个是美国的GPS全球卫星定位系统，另一个是俄罗斯的GLONASS系统。目前，北斗二代卫星导航系统的组建还不够完善，无法实现全球覆盖，服务区域仅仅局限于亚太地区。为了使北斗卫星导航系统更好的为全球提供服务，我国将最终发射35颗北斗导航卫星(5颗静止轨道卫星+3颗倾斜地球同步轨道卫星+27颗中圆轨道卫星)，采用无源与有源导航方式相结合的全球卫星导航系统。北斗三代较之前的二代导航系统在信号体制(包括频率、信号调制方式、码速率、电文格式等)和接收机设计上都有很大的调整。所有的这些设计必须要经过不断的验证，找到一种最合理的设计来确定最终的设计。北斗三代卫星导航系统在不久的将来就可以为全球提供精确的位置定位服务，特别是对我国军事导航领域更是质的飞跃。北斗三代卫星信号模拟器的研制，对于接收机的发展至关重要，可以在实验室就模拟高动态等复杂环境用于接收机的测试，尤其对军用飞机、导弹及航天器一类的高动态用户来说更是如此。

北斗三代卫星信号模拟器BIC的频率调整为1575.42MHz、信号增加了BOC调制、在码速率和电文格式上均做了很大的调整，同时又涉及很多高尖精的技术，技术难度很大。但是北斗三代卫星导航系统是我国自主研发的导航系统，对于军用接收机的终端研发和导航系统验证有着很大的意义。因此，突破卫星信号模拟器关键技术，研制出高性能的北斗三代卫星信号模拟器，对于我国军事和民用的发展至关重要。

发明内容

本发明的目的是要提供一种北斗三代卫星信号模拟系统及模拟信号产生方法，以实现北斗三代卫星信号的模拟，从而满足北斗三代接收机的研制和测试需求。

为解决上述问题，本发明通过以下技术方案来实现：

一种北斗三代卫星信号模拟系统，包括顺序连接的DSP核心板、FPGA信号处理模块、上变频模块和发射天线/输出电缆模块，其中：

DSP核心板与上位机连接，将接收到上位机传输的数据进行分类存储，并根据传输过来的数据进行电文编写；

FPGA信号处理模块，对由DSP核心板传输过来的载波NCO值和码NCO值进行累加，同时产生中断计数传送给DSP核心板，用于DSP核心板中电文的编写与传输、NCO值的计算与传输；

上变频模块，将载波调制模块输出的基带信号上变频为射频信号，并送入发射天线；

发射天线，将射频信号发射出去。

所述FPGA信号处理模块，具有与DSP核心板之间的数据交互、载波NCO和码NCO值的累加计算以及电文等数据的存储和伪码生成、扩频码调制、载波调制等功能，其中：

伪码生成，生成伪码，并将伪码送入扩频调制；

扩频码调制，将电文与伪码进行扩频调制后，送入载波调制；

载波调制，对送入的信号进行载波调制，并生成基带信号；

上述北斗三代卫星模拟信号产生方法，包括如下步骤：

(1)通过北斗三代卫星信号模拟系统设置全球任意位置的经纬度、时间、运动轨迹、星历等信息，通过上位机将这些信息进行整合处理，生成一定格式的场景文件，并将数据发送至DSP核心板进行处理；

(2)DSP核心板将接收到的数据进行分类存储，根据传输过来的星历数据进行电文编写，根据用户位置、时间、星历等信息计算出伪距、码相位、载波相位、码频率控制字及载波频率控制字等信息；

(3)每8ms中断到来，DSP将电文、载波NCO值和码NCO值等信息通过EMIF传输给FPGA，FPGA对传输过来的NCO值进行累加处理，通过累加器处理生成载波和伪码；

(4)调制器将传输过来的电文、载波、伪码进行调制，先将伪码和导航电文进行BPSK调制，之后进行BOC调制，最后将BOC调制后的信号与载波进行调制生成BIC中频信号，BIC信号的复包络为：

s_B1C(t)＝s_{B1C_data}(t)+js_{B1C_pilot}(t)

其中，s_{B1C_data}(t)为数据分量，由导航电文数据D_{B1C_data}(t)和测距码C_{B1C_data}(t)经子载波SC_{B1C_data}(t)调制产生，采用正弦BOC(1,1)调制方式；s_{B1C_pilot}(t)为导频分量，由测距码C_{B1C_pilot}(t)经子载波SC_{B1C_pilot}(t)调制产生，采用QMBOC(6,1,4/33)调制方式；数据分量与导频分量的功率比为1:3。两个分量的表达式如下：

(5)通过上述步骤生成的中频信号经过上变频模块混频生成射频信号，通过发射天线输出。

所述上位机可以通过用户设备的位置、时间和星历信息进行自身解算，得到卫星的坐标、仰角等信息。

所述卫星导航电文编写模块用于将卫星星历参数、卫星时钟参数和大气传播模型参数组合为卫星导航电文，并送入扩频调制模块中。

所述NCO计算模块，通过固定监测站观测到的可视卫星的星历信息和用户设置的时间、坐标信息，计算出载波NCO值和码NCO值以及用户相对每颗可视卫星的方位角和仰角信息。

所述扩频调制采用BPSK、QPSK或BOC调制方式。

所述BIC信号的测距码采用分层码结构，由主码和子码相异或构成，子码的码片宽度与主码的周期相同，子码码片起始时刻与主码第一个码片的起始时刻严格对齐，B1C信号主码由Weil码通过截断产生，一个码长为N的Weil码序列可定义为W(k；w)＝L((k+w)modN),k＝0,1,2....N-1

式中，L(k)是码长为N的legendre序列；w表示两个legendre序列之间的相位差。码长为N的legendre序列L(k)可根据下式定义产生：

其中，mod表示模除运算；

通过对上述码长为N的weil码序列进行循环截取，可得到码长为N₀的测距码，即截断序列为：

c(n；w；p)＝W((n+p-1)modN；w),n＝0,1,2...N₀-1

式中，p为截取点，表示从weil码的第p位开始截取，取值范围为1～N。

B1C信号主码的码速率为1.023Mcps，码长为10230，由长度为10243的Weil码通过截断产生，w取值范围为1～5121。

本发明的有益效果是：

1)可控制性：可以人为的选定或去除真实环境中的各类系统误差，可以启用或屏蔽任意一种系统或一颗导航卫星的信号。

2)可反复性：在相同的测试环境条件下可以进行多次重复的测验，从而对导航终端的定位性能和定位效果进行定量的分析。

3)广泛适用性：可以模拟仿真任何时间，任何地点的导航运动状态，可以仿真静止，低动态和高动态的环境下的导航信号。

4)可用性：卫星导航接收芯片的研发一般都是要先于卫星导航系统的筹备，就是说在导航卫星系统完成以前，就需要能够取得到相应的导航卫星发射的信号。导航卫星模拟器可以根据需要完全模拟任意种类的导航卫星系统，从而使陆地开发与太空卫星可以同时正确的工作。

5)节约成本：利用导航卫星模拟器进行实验，可以在实验过程中节省大量人力和设备成本，在确保产品可靠质量的前提下不断提高效率，节约开发和测试周期。

附图说明

图1为本发明实施例北斗三代卫星信息模拟系统的结构框图；

图2为本发明实施例DSP信息处理模块的原理图；

图3为本发明实施例FPGA单路信号生成原理图；

图4为本发明实施例BOC导航信号的调制过程图；

图5为本发明实施例BOC导航信号的实现方式示意图。

具体实施方式

实施例：

一种北斗三代新体制卫星信号模拟器系统，主要由上位机和硬件平台构成。系统如图1所示，硬件平台包括DSP信号处理模块、FPGA信号处理模块、D/A转换模块、上变频模块和天线。

用户可以通过上位机输入自定义的全球任意位置的经纬度、时间、星历文件。上位机根据用户所输入的文件进行转换，之后把数据传输给硬件平台。同时上位机也有一定的计算功能，根据接收到的星历文件、经纬度和时间等信息来计算卫星的方位角和仰角。

DSP信号处理模块与FPGA信号处理模块通过EMIF连接，接收上位机通过FPGA信号处理模块传输过来的信息，包括星历参数、模拟时刻、用户位置等。DSP信号处理模块根据这些参数进行电文编写和卫星位置的计算。之后，通过计算得到的卫星位置计算出伪距、码相位、载波相位、码频率控制字及载波频率控制字。

FPGA信号处理模块与上位机相连完成数据实时的传输与接收。上位机将用户自定义的仿真时刻、用户位置、星历参数等信息通过处理后发给DSP，FPGA信号处理模块与DSP信号处理模块通过EMIF相连，将DSP传过来的实时用户坐标、时间等信息传给上位机显示。FPGA与DSP之间通过中断，完成信息的实时交互。FPGA信号处理模块将DSP计算出的电文信息、载波频率控制字和码频率控制字的信息存储到寄存器中。将生成的伪码信号与导航电文模二加，BPSK调制后，再采用BOC调制，之后生成数字中频信号，最后将多颗卫星的数字中频信号进行数字叠加后输出给D/A转换模块。

上述BOC导航信号的调制功率谱具有裂谱性质，其主瓣分裂到了中心频率的两侧。这样，当BOC信号和传统BPSK信号共用频带时，它们的功率谱重叠度很低，有效降低了信号间的互干扰，提高了导航系统的兼容性。再者，在相同码速率的前提下，BOC导航信号相关函数的主峰比传统BPSK信号的要陡峭，能为导航系统提供更为良好的定位精度和抑制多径性能。

D/A转换模块将FPGA信号处理模块生成的数字中频信号转换成模拟中频信号，之后经过放大后传输给上变频模块；

上变频模块将D/A转换模块传输过来的模拟中频信号与本振信号混频，转变成北斗三代的射频信号的频率，最终通过发射天线或者输出电缆输出。

上述系统所实现的一种北斗三代新体制卫星信号模拟器设计方法，包括如下步骤：

步骤1，北斗三代卫星信号模拟器，主要由上位机和硬件平台组成。硬件平台包括DSP核心板、FPGA基带板、上变频模块以及发射天线或输出电缆；

步骤2，上位机可由用户主观设置全球任意位置的经纬度、时间、运动轨迹、星历等信息。上位机将这些信息进行整合处理，生成一定格式的场景文件。之后通过串口工具，将这些数据发送至DSP核心板进行处理；

步骤3，DSP核心板把接收到上位机传输的数据进行分类存储。根据传输过来的星历数据进行电文编写，根据用户位置、时间、星历等信息计算出伪距、码相位、载波相位、码频率控制字及载波频率控制字等信息；

步骤4，每8ms中断到来，DSP将载波NCO值和码NCO值等信息通过EMIF传输给FPGA，FPGA对传输过来的NCO值进行累加处理，通过累加器处理生成载波和伪码；

步骤5，调制器将传输过来的电文、载波、伪码进行调制，先将伪码和导航电文进行BPSK调制，之后进行BOC调制；

图4显示了BOC导航信号的调制过程，导航电文首先和PRN码(即伪随机码)进行乘法运算完成扩频，然后再与一个具有更高码速率的方波副载波相乘，得到基带BOC信号。最后，将基带BOC信号调制到载波上得到用于发射的射频信号。基带BOC信号的频谱分裂成两个部分，相当于两个BPSK信号频谱左右搬移后的叠加，其左右搬移的值等于副载波的频率值。基带BOC信号的数学表达式如下：

其中，P为信号功率，c_i为PRN码(伪随机码)，p_a(t)为单位矩形脉冲，d_i(t)为导航电文，T_c为PRN码的码片周期，s_i(t)为方波副载波，且其数学模型如下：

其中，N为副载波的脉冲数量，h_l为第1个脉冲的符号(其取值为-1,1)，T_s为副载波脉冲宽度，且T_s＝T_c/N。

BOC导航信号一般记为BOC(M,N)，其中M表示子载波与基准频率的比值，N表示伪随机码速率和基准频率的比值，即满足f_sc＝M*f_ref和f_prn＝N*f_ref。其中，f_ref表示基准频率，通常取值1.023MHz。此外，可以通过增添下标的方式来区分正弦和余弦BOC调制方式，即正弦和余弦BOC调制分别可以表示为BOC_S(M,N)和BOC_C(M,N)。

在北斗三代卫星信号模拟器中，BOC调制后的信号与载波进行调制生成中频信号；信号的复包络可以表示为

s_B1C(t)＝s_{B1C_data}(t)+js_{B1C_pilot}(t)

其中，s_{B1C_data}(t)为数据分量，由导航电文数据D_{B1C_data}(t)和测距码C_{B1C_data}(t)经子载波SC_{B1C_data}(t)调制产生，采用正弦BOC(1,1)调制方式；s_{B1C_pilot}(t)为导频分量，由测距码C_{B1C_pilot}(t)经子载波SC_{B1C_pilot}(t)调制产生，采用QMBOC(6,1,4/33)调制方式；数据分量与导频分量的功率比为1:3。两个分量的表达式如下：

步骤6，生成的中频信号经过混频生成射频信号，通过天线发射出去。

本发明涉及的关键技术为：

1、北斗三代测距码结构

B1C信号测距码采用分层码结构，由主码和子码相异或构成。子码的码片宽度与主码的周期相同，子码码片起始时刻与主码第一个码片的起始时刻严格对齐。B1C信号主码由Weil码通过截断产生，一个码长为N的Weil码序列可定义为

W(k；w)＝L((k+w)modN),k＝0,1,2....N-1

式中，L(k)是码长为N的legendre序列；w表示两个legendre序列之间的相位差。码长为N的legendre序列L(k)可根据下式定义产生：

其中，mod表示模除运算。

通过对上述码长为N的weil码序列进行循环截取，可得到码长为N₀的测距码，即截断序列为：

c(n；w；p)＝W((n+p-1)modN；w),n＝0,1,2...N₀-1

式中，p为截取点，表示从weil码的第p位开始截取，取值范围为1～N。

B1C信号主码的码速率为1.023Mcps，码长为10230，由长度为10243的Weil码通过截断产生，w取值范围为1～5121。

2、北斗三代导航电文结构

子帧1在纠错编码前的长度为14比特，包括PRN号和小时内秒计数(SOH)。采用BCH(21,6)+BCH(51,8)编码后，长度为72符号位。

g_21,6(x)＝x⁶+x⁴+x²+x+1

g_51,8(x)＝x⁸+x⁷+x⁴+x³+x²+x+1。

Claims (8)

1.一种北斗三代卫星信号模拟系统，其特征是：包括顺序连接的DSP核心板、FPGA信号处理模块、上变频模块和发射天线/输出电缆模块，其中：

DSP核心板与上位机连接，将接收到上位机传输的数据进行分类存储，并根据传输过来的数据进行电文编写；

FPGA信号处理模块，对由DSP核心板传输过来的载波NCO值和码NCO值进行累加，同时产生中断计数传送给DSP核心板，用于DSP核心板中电文的编写与传输、NCO值的计算与传输；

上变频模块，将载波调制模块输出的基带信号上变频为射频信号，并送入发射天线；

发射天线，将射频信号发射出去。

2.根据权利要求1所述的北斗三代卫星信号模拟系统，其特征是：所述FPGA信号处理模块，具有与DSP核心板之间的数据交互、载波NCO和码NCO值的累加计算以及电文等数据的存储和伪码生成、扩频码调制、载波调制功能，其中：

伪码生成，生成伪码，并将伪码送入扩频调制；

扩频码调制，将电文与伪码进行扩频调制后，送入载波调制；

载波调制，对送入的信号进行载波调制，并生成基带信号。

3.权利要求1-2之一所述北斗三代卫星模拟信号产生方法，包括如下步骤：

(1)通过北斗三代卫星信号模拟系统设置全球任意位置的经纬度、时间、运动轨迹、星历等信息，通过上位机将这些信息进行整合处理，生成一定格式的场景文件，并将数据发送至DSP核心板进行处理；

(2)DSP核心板将接收到的数据进行分类存储，根据传输过来的星历数据进行电文编写，根据用户位置、时间、星历等信息计算出伪距、码相位、载波相位、码频率控制字及载波频率控制字等信息；

(3)每8ms中断到来，DSP将电文、载波NCO值和码NCO值等信息通过EMIF传输给FPGA，FPGA对传输过来的NCO值进行累加处理，通过累加器处理生成载波和伪码；

(4)调制器将传输过来的电文、载波、伪码进行调制，先将伪码和导航电文进行BPSK调制，之后进行BOC调制，最后将BOC调制后的信号与载波进行调制生成BIC中频信号，BIC信号的复包络为：

s_B1C(t)＝s_{B1C_data}(t)+js_{B1C_pilot}(t)

其中，s_{B1C_data}(t)为数据分量，由导航电文数据D_{B1C_data}(t)和测距码C_{B1C_data}(t)经子载波SC_{B1C_data}(t)调制产生，采用正弦BOC(1,1)调制方式；s_{B1C_pilot}(t)为导频分量，由测距码C_{B1C_pilot}(t)经子载波SC_{B1C_pilot}(t)调制产生，采用QMBOC(6,1,4/33)调制方式；数据分量与导频分量的功率比为1:3，两个分量的表达式如下：

(5)通过上述步骤生成的中频信号经过上变频模块混频生成射频信号，通过发射天线输出。

4.根据权利要求3所述的产生方法，其特征是：所述上位机可以通过用户设备的位置、时间和星历信息进行自身解算，得到卫星的坐标、仰角信息。

5.根据权利要求3所述的产生方法，其特征是：所述卫星导航电文编写模块用于将卫星星历参数、卫星时钟参数和大气传播模型参数组合为卫星导航电文，并送入扩频调制模块中。

6.根据权利要求3所述的产生方法，其特征是：所述NCO计算模块，通过固定监测站观测到的可视卫星的星历信息和用户设置的时间、坐标信息，计算出载波NCO值和码NCO值以及用户相对每颗可视卫星的方位角和仰角信息。

7.根据权利要求3所述的产生方法，其特征是：所述扩频调制采用BPSK、QPSK或BOC调制方式。

8.根据权利要求3所述的产生方法，其特征是：所述BIC信号的测距码采用分层码结构，由主码和子码相异或构成，子码的码片宽度与主码的周期相同，子码码片起始时刻与主码第一个码片的起始时刻严格对齐，B1C信号主码由Weil码通过截断产生，一个码长为N的Weil码序列可定义为W(k；w)＝L((k+w)modN),k＝0,1,2....N-1

式中，L(k)是码长为N的legendre序列；w表示两个legendre序列之间的相位差。码长为N的legendre序列L(k)可根据下式定义产生：

其中，mod表示模除运算；

通过对上述码长为N的weil码序列进行循环截取，可得到码长为N₀的测距码，即截断序列为：

c(n；w；p)＝W((n+p-1)modN；w),n＝0,1,2...N₀-1

式中，p为截取点，表示从weil码的第p位开始截取，取值范围为1～N。

B1C信号主码的码速率为1.023Mcps，码长为10230，由长度为10243的Weil码通过截断产生，w取值范围为1～5121。