CN109471138B - 一种多模卫星导航信号的合成方法 - Google Patents

一种多模卫星导航信号的合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多模卫星导航信号的合成方法，包括如下步骤：导航信息时空统一、多载波仿真的信号合成、仿真信号调频、调相和调幅、微信导航信号合成；本发明的有益效果在于，首先，本发明解决多卫星导航系统间的时空差异问题；通过将同一卫星导航系统下的时钟差按照对应模型实时计算，并在卫星伪距计算中予以修正，解决同系统多导航卫星间时间差异问题；其次，本发明采用直接数字频率合成、多载波信号合成技术，实现了对多模卫星信号的合成，实现生成GPS卫星系统，GLONASS卫星系统和BD(北斗)卫星系统及其混合卫星轨道、导航电文即观测数据等信息，并由此生成任意指定位置和速度的卫星导航模拟信号。

Description

一种多模卫星导航信号的合成方法
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，具体是一种多模卫星导航信号的合成方法。
背景技术
由于无人机成本低廉、操作方便、功能强大、容易获取，易形成“黑飞”。通常这些无人机由于飞行速度较慢，体积小、飞行高度低，导致雷达反射截面积小，不易被发现和拦截。某些无资质、未经审批的个人和组织利用无人机进行飞行活动也易对国家社会、空中航道、重点目标、大型活动等造成严重安全威胁。更为严重的是，一些不法分子可利用无人机携带炸药、相机、毒品等，对诸如监狱、机场、核设施、军用设施基地、边境等重要区域造成极大安全隐患，严重危及国家和社会公共安全。因此，反无人机系统应运而生。目前，反无人机系统主要分为物理打击、强压制干扰和欺骗式诱导三种。
物理空中打击费用较高、准确度低，容易形成碎片，对地面人群可能造成伤害。使用强电磁脉冲对无人机进行压制扰乱，使无人机失控，自动返航，或者坠落，这种强电磁信号极易干扰市民正常生活，另外失控的无人机也易造成二次伤害。最有效的方式是采用全球导航卫星系统(GNSS)欺骗的功能，将无人机欺骗到指定位置，再进行各种针对性处理，不但增强处理的效果，同时有效降低处置带来的民众影响。
但是，由于不同卫星导航系统由不同国家或组织所开发，因而其所使用的空间基准和时间基准也有所不同，同时，由于各系统中导航卫星个体的特性，其卫星时间基准也不统一，而是相对各系统时间基准有一个偏差，因此，在启用GNSS欺骗功能之前需要将多模卫星导航信号进行合成。
发明内容
1.需要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种多模卫星导航信号的合成方法，在短时间内实现对GPS、GLONASS、BD(北斗)三模导航信号的合成。
2.技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多模卫星导航信号的合成方法，包括如下步骤：
步骤1，导航信号时空统一：确定基准空间坐标系、基准时间轴与各卫星系统的空间坐标系、时间轴的转换关系，将仿真时刻与位置参量按照仿真计算周期实时转换到对应时空基准下；
步骤2，多载波仿真的信号合成：采用直接数字频率合成技术实现多载波仿真信号的合成；
步骤3，仿真信号调频、调相和调幅：将步骤2的仿真信号在仿真程序中完成连续频率调制，在卫星信号合成通道内完成相位调制和幅值调制；
步骤4，卫星导航信号合成：通过公式(1)对卫星导航信号进行合成：
Figure GDA0003978887280000021
式中，k为离散的采样点，其采样周期为fs，Ts为采样周期，Tc为仿真计算周期；S(k)为第k个采样时刻的信号幅值；A(k)为第k个采样时刻单载波信号幅值，同时由于A(k)是一个慢变过程，因此每个计算周期更新一次，并将其在一个计算周期内视为常值；
Figure GDA0003978887280000031
分别为k采样时刻扩频码、载波相位；
Figure GDA0003978887280000032
分别为k采样时刻的扩频码和导航信息，取值空间为-1或1；
Figure GDA0003978887280000033
分别为第
Figure GDA0003978887280000034
个采样时刻所在计算周期计算所得的码频率和载波频率控制字，
Figure GDA0003978887280000035
表示对
Figure GDA0003978887280000036
计算所得值进行向下取整；
Figure GDA0003978887280000037
分别为扩频码初相位和载波初相位；n(k)为第k个采样时刻的噪声；
Figure GDA0003978887280000038
为第k个采样时刻载体到卫星之间的距离，
Figure GDA0003978887280000039
为第
Figure GDA00039788872800000310
个采样周期时载体到卫星之间的距离；
Figure GDA00039788872800000311
表示在载体到卫星之间的距离为
Figure GDA00039788872800000312
时单载波信号所有采样点幅值的均值，
Figure GDA00039788872800000313
表示在载体到卫星之间的距离为
Figure GDA00039788872800000314
时单载波信号所有采样点幅值的均值进行量化后的数值。
优选的是，步骤1中卫星系统包括GPS卫星系统、GLONSASS卫星系统和BD卫星系统中的一种或多种。
优选的是，步骤2包括如下步骤：
步骤2.1，通过累加器ACC完成多载波频率在时间上积分，得到积分波；
步骤2.2，通过数字波形表ROM完成步骤2.1的积分波由相位到波形的变换，得到数字波形；
步骤2.3，通过数模转换器DAC完成步骤2.2变换后的数字波形到模拟波形的转换，得到模拟波形；
步骤2.4，通过滤波器Filter完成步骤2.3转换后的模拟波形的平滑和滤波，得到多载波的仿真信号。
根据权利要求3所述的一种多模卫星导航信号的合成方法，其特征在于：步骤2采用二进制直接数字频率合成技术实现多载波仿真信号的合成，其中，信号合成的工作时钟fs为100MHz，频率分辨率小于0.05Hz，合成信号寄生功率小于-60dBC。
优选的是，步骤2.2中采用公式(2)进行波形变换：
Figure GDA0003978887280000041
其中，bweight为累加器字位权重，AI，AQ分别为两路正交波形I、Q的幅值，设ROM表输入相位为
Figure GDA0003978887280000042
为波形变换后的相位，ROM输入相位量化位数WP，ROM输出位数为WQ。
优选的是，所述累加器ACC和数字波形表ROM之间引入数字加法器，实现数字相位调制。
优选的是，所述数字相位表ROM和数模转换器DAC之间引入数字乘法器，实现数字幅值调制。
3.有益效果
综上所述，本发明的有益效果在于：
(1)本发明解决多卫星导航系统间的时空差异问题；通过将同一卫星导航系统下的时钟差按照对应模型实时计算，并在卫星伪距计算中予以修正，解决同系统多导航卫星间时间差异问题；
(2)本发明采用直接数字频率合成、多载波信号合成技术，实现了对多模卫星信号的合成，实现生成GPS卫星系统，GLONASS卫星系统和BD卫星系统及其混合卫星轨道、导航电文即观测数据等信息，并由此生成任意指定位置和速度的卫星导航模拟信号。
附图说明
图1为一种多模卫星导航信号的合成方法的原理图；
图2为一种多模卫星导航信号的合成方法步骤2的工作原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅附图1及附图2所示，一种多模卫星导航信号的合成方法，包括如下步骤：
步骤1，导航信号时空统一：确定基准空间坐标系、基准时间轴与各卫星系统的空间坐标系、时间轴的转换关系，将仿真时刻与位置参量按照仿真计算周期实时转换到对应时空基准下；
步骤2，多载波仿真的信号合成：采用直接数字频率合成技术实现多载波仿真信号的合成；
步骤3，仿真信号调频、调相和调幅：将步骤2的仿真信号在仿真程序中完成连续频率调制，在卫星信号合成通道内完成相位调制和幅值调制；
步骤4，卫星导航信号合成：通过公式(1)对卫星导航信号进行合成：
Figure GDA0003978887280000061
式中，k为离散的采样点，其采样周期为fs，Ts为采样周期，Tc为仿真计算周期；S(k)为第k个采样时刻的信号幅值；A(k)为第k个采样时刻单载波信号幅值，同时由于A(k)是一个慢变过程，因此每个计算周期更新一次，并将其在一个计算周期内视为常值；
Figure GDA0003978887280000062
分别为k采样时刻扩频码、载波相位；
Figure GDA0003978887280000063
分别为k采样时刻的扩频码和导航信息，取值空间为-1或1；
Figure GDA0003978887280000064
分别为第
Figure GDA0003978887280000065
个采样时刻所在计算周期计算所得的码频率和载波频率控制字，
Figure GDA0003978887280000066
表示对
Figure GDA0003978887280000067
计算所得值进行向下取整；
Figure GDA0003978887280000068
分别为扩频码初相位和载波初相位；n(k)为第k个采样时刻的噪声；
Figure GDA0003978887280000069
为第k个采样时刻载体到卫星之间的距离，
Figure GDA00039788872800000610
为第
Figure GDA00039788872800000611
个采样周期时载体到卫星之间的距离；
Figure GDA00039788872800000612
表示在载体到卫星之间的距离为
Figure GDA00039788872800000613
时单载波信号所有采样点幅值的均值，
Figure GDA00039788872800000614
表示在载体到卫星之间的距离为
Figure GDA00039788872800000615
时单载波信号所有采样点幅值的均值进行量化后的数值。
优选的是，步骤1中卫星系统包括GPS卫星系统、GLONSASS卫星系统和BD卫星系统中的一种或多种。
优选的是，步骤2包括如下步骤：
步骤2.1，通过累加器ACC完成多载波频率在时间上积分，得到积分波；
步骤2.2，通过数字波形表ROM完成步骤2.1的积分波由相位到波形的变换，得到数字波形；
步骤2.3，通过数模转换器DAC完成步骤2.2变换后的数字波形到模拟波形的转换，得到模拟波形；
步骤2.4，通过滤波器Filter完成步骤2.3转换后的模拟波形的平滑和滤波，得到多载波的仿真信号。
根据权利要求3所述的一种多模卫星导航信号的合成方法，其特征在于：步骤2采用二进制直接数字频率合成技术实现多载波仿真信号的合成，其中，信号合成的工作时钟fs为100MHz，频率分辨率小于0.05Hz，合成信号寄生功率小于-60dBC。
优选的是，步骤2.2中采用公式(2)进行波形变换：
Figure GDA0003978887280000071
其中，bweight为累加器字位权重，AI，AQ分别为两路正交波形I、Q的幅值，设ROM表输入相位为
Figure GDA0003978887280000072
为波形变换后的相位，ROM输入相位量化位数WP，ROM输出位数为WQ。
优选的是，所述累加器ACC和数字波形表ROM之间引入数字加法器，实现数字相位调制。
优选的是，所述数字相位表ROM和数模转换器DAC之间引入数字乘法器，实现数字幅值调制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种多模卫星导航信号的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，导航信号时空统一：确定基准空间坐标系、基准时间轴与各卫星系统的空间坐标系、时间轴的转换关系，将仿真时刻与位置参量按照仿真计算周期实时转换到对应时空基准下；
步骤2，多载波仿真的信号合成：采用直接数字频率合成技术实现多载波仿真信号的合成；
步骤3，仿真信号调频、调相和调幅：将步骤2的仿真信号在仿真程序中完成连续频率调制，在卫星信号合成通道内完成相位调制和幅值调制；
步骤4，卫星导航信号合成：通过公式(1)对卫星导航信号进行合成：
Figure FDA0003978887270000011
式中，k为离散的采样点，其采样周期为fs，Ts为采样周期，Tc为仿真计算周期；S(k)为第k个采样时刻的信号幅值；A(k)为第k个采样时刻单载波信号幅值，同时由于A(k)是一个慢变过程，因此每个计算周期更新一次，并将其在一个计算周期内视为常值；
Figure FDA0003978887270000012
分别为k采样时刻扩频码、载波相位；
Figure FDA0003978887270000013
分别为k采样时刻的扩频码和导航信息，取值空间为-1或1；
Figure FDA0003978887270000014
Figure FDA0003978887270000015
分别为第
Figure FDA0003978887270000016
个采样时刻所在计算周期计算所得的码频率和载波频率控制字，
Figure FDA0003978887270000021
表示对
Figure FDA0003978887270000022
计算所得值进行向下取整；
Figure FDA0003978887270000023
分别为扩频码初相位和载波初相位；n(k)为第k个采样时刻的噪声；
Figure FDA0003978887270000024
为第k个采样时刻载体到卫星之间的距离，
Figure FDA0003978887270000025
为第
Figure FDA0003978887270000026
个采样周期时载体到卫星之间的距离；
Figure FDA0003978887270000027
表示在载体到卫星之间的距离为
Figure FDA0003978887270000028
时单载波信号所有采样点幅值的均值，
Figure FDA0003978887270000029
表示在载体到卫星之间的距离为
Figure FDA00039788872700000210
时单载波信号所有采样点幅值的均值进行量化后的数值。
2.根据权利要求1所述的一种多模卫星导航信号的合成方法，其特征在于：步骤1中卫星系统包括GPS卫星系统、GLONSASS卫星系统和BD卫星系统中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种多模卫星导航信号的合成方法，其特征在于：步骤2包括如下步骤：
步骤2.1，通过累加器ACC完成多载波频率在时间上积分，得到积分波；
步骤2.2，通过数字波形表ROM完成步骤2.1的积分波由相位到波形的变换，得到数字波形；
步骤2.3，通过数模转换器DAC完成步骤2.2变换后的数字波形到模拟波形的转换，得到模拟波形；
步骤2.4，通过滤波器Filter完成步骤2.3转换后的模拟波形的平滑和滤波，得到多载波的仿真信号。
4.根据权利要求3所述的一种多模卫星导航信号的合成方法，其特征在于：步骤2采用二进制直接数字频率合成技术实现多载波仿真信号的合成，其中，信号合成的工作时钟fs为100MHz，频率分辨率小于0.05Hz，合成信号寄生功率小于-60dBC。
5.根据权利要求3所述的一种多模卫星导航信号的合成方法，其特征在于：步骤2.2中采用公式(2)进行波形变换：
Figure FDA0003978887270000031
其中，bweight为累加器字位权重，AI，AQ分别为两路正交波形I、Q的幅值，设ROM表输入相位为
Figure FDA0003978887270000032
为波形变换后的相位，ROM输入相位量化位数WP，ROM输出位数为WQ。
6.根据权利要求4所述的一种多模卫星导航信号的合成方法，其特征在于：所述累加器ACC和数字波形表ROM之间引入数字加法器，实现数字相位调制。
7.根据权利要求3所述的一种多模卫星导航信号的合成方法，其特征在于：所述数字波形表ROM和数模转换器DAC之间引入数字乘法器，实现数字幅值调制。
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GR01 Patent grant
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Denomination of invention: A Method for Synthesizing Multimode Satellite Navigation Signals

Effective date of registration: 20230831

Granted publication date: 20230131

Pledgee: Xi'an Caijin Financing Guarantee Co.,Ltd.

Pledgor: XI'AN THUNDER DRIVEN ELECTRONIC TECHNOLOGY CO.,LTD.

Registration number: Y2023980054869

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