CN112034495A

CN112034495A - 一种模块化导航信号模拟器

Info

Publication number: CN112034495A
Application number: CN202011038104.3A
Authority: CN
Inventors: 田方礼; 陈锡春; 董立桥; 张红敏; 周雪娟
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2020-12-04

Abstract

本发明提出了一种模块化导航信号模拟器，属于导航测试技术领域。本发明包括VPX机箱以及插在VPX机箱的VPX背板上的主控板卡、射频信号多功器和多个结构相同的射频信号产生板卡，所述主控板卡通过VPX总线与射频信号多功器以及各射频信号产生板卡互连。本发明具有统一设计架构，能够支持多类卫星导航系统的卫星信号模拟器，支持单星多输出和多星合路输出功能，支持导航射频信号发射和接收处理，支持多用户导航信号模拟，可适应更多的测试需求，提高模拟器的可靠性、可测试性以及可维修性。

Description

一种模块化导航信号模拟器

技术领域

本发明涉及导航测试技术领域，特别是指一种模块化导航信号模拟器。

背景技术

在全球导航卫星系统出现之初，就有两种可用于测试导航系统的替代方案：现场测试和实验室模拟。最佳惯例要求多数测试需在受控、可重复性的安全实验室条件下执行，这样不仅可以测试正常条件，还可以对极度恶劣的条件进行测试，包括测试性能的真实和理论极限。此外，这种做法还可以实现目前尚未推入使用或缺乏完整星座的接收机开发工作。卫星导航信号模拟器就是用于实验室模拟的主要设备。卫星导航信号模拟器可以为卫星导航接收机和依赖卫星导航的系统提供多种测试手段，能够为车辆和卫星运动、信号特征、大气和其它效应建立模型，仿真出卫星导航接收机在运动平台上的环境，使该接收机能够根据测试场景的参数实际执行导航。卫星导航接收机处理模拟信号的方式与处理实际卫星信号的方式完全相同。与现场测试不同的是，使用卫星导航信号模拟器测试时，用户可以完全控制模拟卫星信号和模拟的环境条件，根据各种不同的测试需求很容易的生成多种不同的场景，而且不受外部环境的影响，有效地降低了测试费用，充分地提高了测试效率。

目前随着导航系统的推广应用和北斗系统的快速发展，卫星导航信号模拟器可以模拟北斗系统、GPS系统、GLONASS系统和Galileo系统，QZSS系统和IRNSS系统的卫星信号。这些模拟器有单通道和多通道之分，结构上多采用计算机加独立设备机箱或计算机加插卡的形式，具备交互式的图形界面，允许用户对仿真中使用的各种参数进行设置和修改，有的模拟器还能专门模拟各种环境和认为的干扰。随着导航应用的深入发展，对导航设备的测试无论是信号指标的精度、单星多路或多星合路等使用提出了新的需求。但是，现有技术中目前缺少此类设备。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种模块化导航信号模拟器，其具备多系统多频点并支持单星多输出和多星合路输出，具备可配置和可重构能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种模块化导航信号模拟器，其包括VPX机箱以及插在VPX机箱的VPX背板上的主控板卡、射频信号多功器和多个结构相同的射频信号产生板卡，所述主控板卡通过VPX总线与射频信号多功器以及各射频信号产生板卡互连；

所述VPX背板为各板卡提供电源管理、时频信号及数据交换总线，并向各个板卡提供同步的10MHz信号和秒脉冲信号，使板卡之间保持严格的时间同步；

所述主控板卡上具有PRM精密测距码芯片；主控板卡通过网口接收来自仿真系统的导航电文和观测数据，并通过VPX背板上的高速串行总线将导航电文和观测数据分发到各个射频信号产生板卡，完成实时仿真数据的可靠传输；此外，主控板卡还将PRM精密测距码芯片输出的码流数据分发到相应的射频信号产生板卡；

所述射频信号产生板卡采用数字基带合成方式，将分发来的仿真数据生成射频模拟信号；

所述射频信号多功器用于完成导航射频信号产生板卡输出的射频导航信号的滤波与合路。

进一步的，还包括时频产生与分路组件，时频产生与分路组件以其内部时钟源输出的10MHz做参考，经过分频和分路后产生各板卡所需的10MHz信号和秒脉冲信号。

进一步的，所述主控板卡上还具有第一主控器单元和数据分发接口单元；所述第一主控器单元根据上位机下发的数据获取各射频信号产生板卡的槽位号和识别信息，对各射频信号板卡进行管理和任务分配，并向射频信号产生板卡下发相应的控制指令和数据；所述数据分发接口单元采用具有高速收发器的FPGA芯片，在第一主控器单元的控制下通过高速串行总线将数据分发至射频信号产生板卡。

进一步的，所述射频信号产生板卡包括第二主控器单元、信号处理单元以及射频收发单元；其中，信号处理单元采用具有高速收发器的FPGA芯片，射频收发单元采用捷变频ADC/DAC多路收发芯片；射频信号产生板卡通过VPX背板与主控板卡交换数据和指令，包括电文数据、观测数据和状态控制以及参数设置数据；信号处理单元用于完成数字基带合成，射频收发单元用于完成导航射频信号接收以及射频模拟信号输出。

进一步的，所述信号处理单元包括时基模块、码数字控制振荡器、载波数字控制振荡器、伪码发生器、导航电文转换模块、扩频调制模块、数字滤波器、数字合成模块；信号处理单元实时接收、存储、转换电文数据、观测数据和状态控制及参数设置数据，生成码数字控制振荡器和载波数字控制振荡器所需的控制字，数字控制振荡器在更新脉冲驱动下进行控制字的加载更新，并产生相应的伪码、电文、载波，扩频调制模块对伪码和导航电文进行扩频调制，经数字滤波器后再进行载波调制到中频，最后经幅度调整后进行数字合成输出。

本发明所取得的有益效果在于：

1、本发明采用模块化设计，接口统一，功能划分明确，结构简单，配置灵活。

2、本发明支持多用户配置，每个射频信号产生板卡可配置为一个用户，一个机箱最多可支持16用户。

3、本发明支持批量测试，每个用户输出相同的信号时即可实现批量测试。此外，还支持单星多输出，每个射频信号产生板卡可以配置为仿真输出一颗卫星的信号，一个机箱最多可支持16颗单星信号输出。

4、本发明支持机箱间的级联，扩展用户数或者卫星数。同时支持惯导数据模拟输出能力，具备欺骗干扰和压制干扰生成能力，具备接收信号处理与解析能力，与发射结合起到发射校准或监测接收的作用。

附图说明

图1 为本发明实施例中导航信号模拟器的结构示意图。

图2图1中信号产生板卡的结构示意图。

图3图1中主控板卡的结构示意图。

图4为本发明实施例中基带信号的生成原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

该导航信号模拟器主要包括主控单元、射频信号产生单元、VPX总线互连单元三个部分，其中，主控单元通过VPX总线互连单元与若干结构相同的射频信号产生单元互连。具体实现上，主控单元由主控板卡实现，射频信号产生单元由射频信号产生板卡实现，VPX总线互连单元由VPX总线机箱（包括4U尺寸17槽VPX机箱、1个时频处理组件、1个信号合成组件）实现，主控板卡和若干射频信号产生单元插入VPX总线机箱，构成导航信号模拟器。

所述主控单元是一个VPX板卡，包括主控器单元、数据分发接口单元，通过VPX接口安装在背板上，与各信号板互联，通过网络接口接收来自数据仿真系统的卫星导航观测数据、卫星导航电文、惯性导航观测数据、控制与配置指令，对机箱内的各个信号产生板卡的任务进行分配和控制，共同完成导航卫星射频信号的模拟。

所述导航射频信号产生单元是一个VPX板卡，包括主控器单元、信号处理单元、射频收发单元。

所述的射频信号产生板卡，可以做发射或接收信号处理。做发射时，采用全数字基带合成，通过射频收发单元产生射频信号；做接收时，射频信号经过射频收发单元后变换为数字中频信号，然后在基带完成数字信号处理和信息解调。射频信号产生板卡通过VPX接口安装在背板上，通过背板与主控板和其它信号产生板互联。

图1是模块化导航模拟器的结构示意图。其中，VPX机箱是系统的硬件平台，通过VPX背板提供各个板卡模块所需电源管理、时频信号及数据交换总线。VPX背板向各个板卡提供同步的10MHz信号和秒脉冲信号，使板卡之间保持严格的时间同步。VPX机箱具有良好的电磁兼容环境，一个机箱内配有17个插槽，允许插入1块主控板卡和16块信号产生板卡。

所述主控单元是导航信号模拟器高速大容量数据收发接口，它通过千兆网络接收来自数学仿真系统的导航电文和观测数据。在机箱内部采用高速串行总线设计，通过背板上的高速串行总线将导航电文和观测数据分发到各个信号产生板卡，完成实时仿真数据的可靠传输。将PRM输出的数据分发到相应的信号产生板卡。

主控板卡的结构如图3所示，它是一个VPX接口的主控板卡，其核心组件包括主控器单元、数据分发接口单元。实现时，主控器单元是一个CPU，本设计采用的是集成了ARM核的ZYNQ 7000FPGA芯片，对系统中的模块进行识别和管理，从而达到对系统中各模块任务分配和控制的目的，使各个模块相互协调，共同完成导航信号的模拟；数据分发接口单元采用具有高速收发器的FPGA芯片，在主控器单元的控制下通过高速串行总线将数据分发至各个射频信号产生板卡，主控单元上还有两片PRM模块，将码流数据分发到各个射频信号产生板卡。

所述时频时频产生与分路组件负责提供系统各模块所需的时频信号。时频时频产生与分路组件由一个高温时钟源产生10MHz时钟信号，分频产生各模块所需的时频信号。根据系统提出的时频指标要求，通常选择铷钟或恒温晶振。本系统设计中选择恒温晶振或铷钟输出10MHz做参考，经过分频和分路后产生各模块所需的10MHz和1PPS等同源时钟。10MHz参考和1PPS也可以选择使用外部时频源。

所述射频信号多功器组件完成导航射频信号产生板卡输出的射频导航信号的滤波与合路。

所述导航射频信号产生单元是模拟器的核心模块，它将数学仿真软件产生的仿真数据生成射频模拟信号。采用数字基带合成，通过射频收发单元产生射频信号。

导航射频信号产生单元的结构如图2所示，包括主控器单元、信号处理单元、射频收发单元，它是一个VPX接口的射频信号产生板卡，具体实现时，主控器单元是一个CPU，本设计采用的是集成了ARM核的ZYNQ 7000FPGA芯片，信号处理单元用带高速收发器的FPGA芯片实现、射频收发单元用捷变频ADC/DAC多路收发芯片实现。射频信号产生板卡通过VPX背板与主控板卡交换数据和指令，包括电文数据，观测数据和状态控制以及参数设置等。FPGA和捷变频ADCR芯片完成数字基带合成与射频模拟信号输出；FPGA和捷变频ADCR芯片完成导航射频信号接收处理。经过优化设计每个板卡可以完成任意一个导航系统的导航信号视场内可见星射频信号的输出（典型情况16通道），或完成RDSS导航信号收发功能（典型情况14发射通道和1个接收通道），或完成北斗、GPS、GLONASS和Galileo系统中同一频段多个导航射频的模拟输出。

信号处理单元中基带信号的生成原理的生成原理如图4所示，所述信号处理单元包括时基模块、码NCO（数字控制振荡器）、载波NCO、伪码发生器、导航电文转换模块、扩频调制模块、数字滤波器、数字合成模块；信号处理单元实时接收、存储、转换电文数据、观测数据和状态控制及参数设置数据，生成码NCO和载波NCO所需的控制字，NCO在更新脉冲驱动下进行控制字的加载更新，并产生相应的伪码、电文、载波，扩频调制模块对伪码和导航电文进行扩频调制，经数字滤波器后再进行载波调制到中频，最后经幅度调整后进行数字合成输出。

总之，本发明具有统一设计架构，能够支持多类卫星导航系统的卫星信号模拟器，支持单星多输出和多星合路输出功能，支持导航射频信号发射和接收处理，支持多用户导航信号模拟，可适应更多的测试需求，提高模拟器的可靠性、可测试性以及可维修性。

Claims

1.一种模块化导航信号模拟器，其特征在于，包括VPX机箱以及插在VPX机箱的VPX背板上的主控板卡、射频信号多功器和多个结构相同的射频信号产生板卡，所述主控板卡通过VPX总线与射频信号多功器以及各射频信号产生板卡互连；

2.根据权利要求1所述的一种模块化导航信号模拟器，其特征在于，还包括时频产生与分路组件，时频产生与分路组件以其内部时钟源输出的10MHz做参考，经过分频和分路后产生各板卡所需的10MHz信号和秒脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的一种模块化导航信号模拟器，其特征在于，所述主控板卡上还具有第一主控器单元和数据分发接口单元；所述第一主控器单元根据上位机下发的数据获取各射频信号产生板卡的槽位号和识别信息，对各射频信号板卡进行管理和任务分配，并向射频信号产生板卡下发相应的控制指令和数据；所述数据分发接口单元采用具有高速收发器的FPGA芯片，在第一主控器单元的控制下通过高速串行总线将数据分发至射频信号产生板卡。

4.根据权利要求1所述的一种模块化导航信号模拟器，其特征在于，所述射频信号产生板卡包括第二主控器单元、信号处理单元以及射频收发单元；其中，信号处理单元采用具有高速收发器的FPGA芯片，射频收发单元采用捷变频ADC/DAC多路收发芯片；射频信号产生板卡通过VPX背板与主控板卡交换数据和指令，包括电文数据、观测数据和状态控制以及参数设置数据；信号处理单元用于完成数字基带合成，射频收发单元用于完成导航射频信号接收以及射频模拟信号输出。

5.根据权利要求4所述的一种模块化导航信号模拟器，其特征在于，所述信号处理单元包括时基模块、码数字控制振荡器、载波数字控制振荡器、伪码发生器、导航电文转换模块、扩频调制模块、数字滤波器、数字合成模块；信号处理单元实时接收、存储、转换电文数据、观测数据和状态控制及参数设置数据，生成码数字控制振荡器和载波数字控制振荡器所需的控制字，数字控制振荡器在更新脉冲驱动下进行控制字的加载更新，并产生相应的伪码、电文、载波，扩频调制模块对伪码和导航电文进行扩频调制，经数字滤波器后再进行载波调制到中频，最后经幅度调整后进行数字合成输出。