CN202383296U - 一种卫星导航信号模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种卫星导航信号模拟装置，包括：中心控制模块和至少一个卫星导航信号实时模拟模块。通过提供卫星导航信号模拟装置，可以实时模拟生成卫星导航信号，通过有线方式传输给多个卫星导航信号接收装置，为其提供授时定位服务所需的卫星导航信号。该装置和现有导航及授时接收设备兼容，可以在卫星导航信号接收装置无需架设天线的情况下，为多个卫星导航信号接收装置提供同步授时所需的卫星导航信号，解决了现有技术存在的问题。

Description

一种卫星导航信号模拟装置

技术领域

本实用新型涉及卫星导航领域的导航信号模拟技术，尤其涉及一种卫星导航信号模拟装置。

背景技术

卫星导航是继互联网、移动通信之后发展最快的信息产业之一，具有广泛的应用前景。

卫星导航的主要功能是利用卫星导航定位系统提供的位置、速度、时间等信息，来完成对地球各种目标的定位、授时同步、导航、监测和管理。其应用范围从计算机服务网络、智能管理系统提供时间同步，到车辆、飞行器的导航；从保障国家安全到个人日常生活所需。卫星导航已经成为继互联网、移动通信之后发展最快的信息产业之一，受到世界各国的普遍重视。

要使用卫星导航系统的授时功能，必须通过天线来接收导航信号，但架设天线的成本和后期的维护费用都比较高，这在偏远的山区和气候恶劣的地方尤为明显，是一个急待解决的问题。

实用新型内容

鉴于此，有必要提供一种卫星导航信号模拟装置解决上述问题。

一种卫星导航信号模拟装置，用于为卫星导航信号接收装置产生卫星导航模拟信号，该装置包括：

中心控制模块，与卫星导航信号接收天线相连，用于处理接收天线接收到的卫星导航信号，产生UTC秒脉冲、TOD状态信息和同步时钟信号，并将UTC秒脉冲、TOD状态信息和同步时钟信号发送到卫星导航信号实时模拟模块；

至少一个卫星导航信号实时模拟模块，与中心控制模块相连，根据UTC秒脉冲、TOD状态信息、同步时钟信号、卫星导航信号接收装置的本地时间信息及本地位置信息、以及卫星历书产生卫星导航模拟信号。

本实用新型所提供的卫星导航信号模拟装置，可以实时模拟生成卫星导航信号，通过有线方式传输给多个卫星导航信号接收装置，为其提供授时定位服务所需的卫星导航信号。该装置和现有导航及授时接收设备兼容，在无需卫星导航信号接收装置架设天线的情况下，能够为多个卫星导航信号接收装置提供同步授时所需的卫星导航信号。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型卫星导航信号模拟装置的结构图；

图2是卫星导航信号模拟装置的卫星导航信号实时模拟模块结构图；

图3是卫星导航信号实时模拟模块的导航电文模块结构图；

图4是导航电文模块的选星模块结构图；

图5是卫星导航信号实时模拟模块的中频信号产生模块结构图；

图6是卫星导航信号实时模拟模块的射频信号产生模块的结构图；

图7是本实用新型实施例二的组网结构图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供一种卫星导航信号模拟装置，包括中心控制模块110以及至少一个卫星导航信号实时模拟模块130，请参考图1。其中：

中心控制模块110，处理通过天线接收到的卫星导航信号，输出UTC(Universal Time Coordinated，即协调世界时)秒脉冲、TOD(Time of Day，即日时间)状态信息和同步时钟信号到卫星导航信号实时模拟模块。

卫星导航信号实时模拟模块130，请参考图2，与中心控制模块110相连，用于模拟卫星导航信号。卫星导航信号实时模拟模块130根据卫星导航信号接收装置的本地位置信息、本地时间信息以及卫星历书进行选星、建立传输模型并产生可见卫星的导航电文以及可见卫星的信息，可见卫星的信息包括可见卫星信号的多普勒信息、可见卫星信号的功率、可见卫星信号的时延以及可见卫星的编号；可见卫星的导航电文、可见卫星的信息、中频频率以及C/A码结合中心控制模块输出的UTC秒脉冲、TOD状态信息和同步时钟信号，同步产生中频信号；将中频信号转换成射频信号；将射频信号经过衰减输出形成供卫星导航信号接收装置使用的卫星导航信号。卫星导航信号实时模拟模块130包括导航电文模块131、中频信号模块133、射频信号模块135，其中：

导航电文模块131，参考图3，用于产生可见卫星的导航电文以及可见卫星的信息，并传输到中频信号模块。导航电文模块131包括选星模块1311、模型计算模块1313和导航电文产生模块1315。其中：

选星模块1311，用于根据卫星导航信号接收装置的本地时间信息及本地位置信息，以及卫星历书选择可见卫星，包括：

接收模块13111，用于接收卫星导航信号接收装置的本地时间信息以及本地位置信息，将卫星导航信号接收装置的本地时间信息传输到卫星速度和位置计算模块13113，将卫星导航信号接收装置的本地位置信息传输到卫星俯仰角计算模块13115；

卫星速度和位置计算模块13113，与接收模块13111相连，根据卫星导航信号接收装置的本地时间信息，计算空中所有卫星的位置和速度，输出卫星的速度信息到模型计算模块1315，输出卫星的位置信息到卫星俯仰角计算模块13115和模型计算模块1315；

卫星俯仰角计算模块13115，与接收模块13111、卫星速度和位置计算模块13113相连。根据卫星导航信号接收装置的本地位置信息和卫星的位置信息，计算空中所有卫星的俯仰角，并传输给卫星确定模块13117；

卫星确定模块13117，与卫星俯仰角计算模块13115相连，根据卫星的俯仰角，确定可见卫星，输出可见卫星的编号到模型计算模块1315和导航电文产生模块1313。

导航电文产生模块1313，与选星模块1311相连，根据获得的卫星历书、可见卫星的编号，按照卫星导航电文的帧格式，产生每颗可见的卫星的导航电文。

模型计算模块1315，与选星模块相连1311相连，根据卫星的速度信息和可见卫星的编号计算可见卫星信号的多普勒信息；根据卫星的位置信息、卫星导航信号接收装置本地位置信息以及可见卫星的编号计算可见卫星信号的功率和可见卫星的时延。

中频信号产生模块133，用于产生中频信号，包括时钟同步模块1331、中频I/Q信号产生模块1333以及数模转换模块1335。其中：

时钟同步模块1331，利用中心控制模块110输出的UTC秒脉冲、TOD状态信息和同步时钟信号通过时钟同步电路对本地时钟进行同步，产生本地同步采样时钟。

至少4个中频I/Q信号产生模块1333，与时钟同步模块1331、选星模块1311、模型计算模块1315、导航电文产生模块1313相连，用于根据可见卫星的信息、中频频率、C/A码导航电文以及导航电文码率产生至少4颗可见卫星的中频I/Q数字信号，并输出到数模转换模块1335。中频I/Q数字信号包括I路中频数字信号和Q路中频数字信号。

需要说明的是，C/A码是已知信息，是指GPS卫星发出的一种伪随机码，用于粗测距和捕获GPS卫星。

数模转换模块1335，和中频I/Q信号产生模块相连，将各可见卫星的I路中频数字信号和Q路中频数字信号分别叠加起来，进行数模转换，输出I路中频模拟信号和Q路中频模拟信号。

射频信号产生模块135，包括正交调制模块1351以及多级衰减模块1353，用于将I路中频模拟信号和Q路中频模拟信号转化为卫星导航信号。其中：

正交调制模块1351，和数模转换模块1335相连，对该模块输出的I路中频模拟信号和Q路中频模拟信号进行正交调制，产生射频信号；

多级衰减模块1353，和正交调制模块1351相连，根据传输电缆长度和衰减参数，对正交调制模块1351输出的射频信号进行衰减，产生卫星导航信号。

通过提供卫星导航信号模拟装置，可以实时模拟生成卫星导航信号，通过有限方式传输给多个卫星导航信号接收装置，为其提供授时定位服务所需的卫星导航信号。该装置和现有导航及授时接收设备兼容，可以在卫星导航信号接收装置无需架设天线的情况下，为多个卫星导航信号接收装置提供同步授时所需的卫星导航信号。

需要说明的是，本实用新型提供的装置不仅可以适用于GPS卫星导航系统，同时也适用伽利略，北斗等卫星导航系统。

下面，本实施例以GPS L1信号为多个基站提供同步授时服务为例，说明基于中心控制的分布式卫星导航信号发生装置的工作原理，请参考图7。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图7所示，本实施例中的卫星导航信号发生装置，包括中心控制模块110，至少1个卫星导航信号实时模拟模块130以及至少一个基站。其中：

中心控制模块110，通过天线接收GPS L1射频信号(载波为1575.42MHz)，并对该信号进行处理，生成准确的UTC秒脉冲、TOD状态信息授时信号，即1pps、TOD状态信息授时信号，同时提供一个2MHz的同步时钟信号。将该1pps、TOD状态授时信号和2MHz的同步时钟信号传输到卫星导航信号实时模拟模块130。

需要说明的是，上述GPS L1信号接收及授时定位处理方法为本领域技术人员熟知的内容。

卫星导航信号实时模拟模块130，和中心控制模块110相连，根据基站的本地位置信息和本地时间信息进行选星、并产生导航电文；结合中心控制模块输出的1pps、TOD状态信息授时信号和2MHz的同步时钟信号，同步产生中频信号；将中频信号转换成射频信号并衰减输出，供基站同步授时使用。包括：导航电文模块131、中频信号模块133和射频信号模块135，其中：

导航电文模块131，用于产生可见GPS卫星的导航电文以及可见GPS卫星的信息，并传输到中频信号模块133包括：选星模块1311、模型计算模块1315和导航电文产生模块1313。

选星模块1311，用于根据基站本地时间信息、基站本地位置信息以及卫星历书选择可见卫星，包括：

接收模块13111，用于接收输入的基站本地时间信息以及本地位置信息，将基站本地时间信息传输到卫星速度和位置计算模块13113，将基站本地位置信息传输到卫星俯仰角计算模块13115；

卫星速度和位置计算模块13113，与接收模块13111相连，根据基站本地时间信息，计算空中所有卫星的位置和速度，输出卫星的速度信息到模型计算模块1315，输出卫星的位置信息到卫星俯仰角计算模块13115和模型计算模块1315；

卫星俯仰角计算模块13115，与接收模块13111、卫星速度和位置计算模块13113相连。根据基站本地位置信息和卫星的位置信息，计算空中所有卫星的俯仰角，并传输给卫星确定模块13117；

卫星确定模块13117，与卫星俯仰角计算模块13115相连，根据每个卫星的俯仰角，通过设定的俯仰角门限，确定可见卫星，并输出可见卫星的编号到模型计算模块1315和导航电文产生模块1313。

需要说明的是，上述俯仰角门限一般设定为5°，从而保证可以在80％以上的时间内，至少有7颗可见卫星。上述GPS卫星的位置、速度和俯仰角计算方法为本领域技术人员熟知的内容。

模型计算模块1315，与选星模块1311相连，计算每颗可见的GPS卫星信号的多普勒频率、传输时延和功率。利用每颗卫星的运行速度，可以计算其卫星信号的多普勒频率；利用每颗卫星的位置和本地位置信息，可以计算其卫星信号的传输时延和功率。

需要说明的是，可见GPS卫星信号的时延的更新时间为1ms；可见GPS卫星信号的多普勒和功率的更新时间为6s；可见GPS卫星的更新时间为12.5min。上述的多普勒信息、时延和功率计算方法为本领域技术人员熟知的内容。

导航电文产生模块1313与选星模块1311相连，根据下载的GPS卫星历书、可见GPS卫星的编号，按照GPS导航电文的帧格式，产生每颗可见GPS卫星的导航电文。

需要说明的是，上述卫星历书和GPS导航电文的帧格式为公开的内容。

中频信号产生模块133，用于产生中频信号，包括：时钟同步模块1331、至少4个中频I/O信号产生模块1333和数模转换模块1335。

时钟同步模块1331，与中心控制模块相连，利用1pps、TOD状态信息和2MHz的同步时钟对本地时钟进行同步，产生本地同步采样时钟，并输出到中频I/Q信号产生模块1333和数模转换模块1335。

需要说明的是，本例中采样频率为32.736MHz。上述时钟同步技术为本领域技术人员熟知的技术。

中频I/Q信号产生模块1333，与时钟同步模块、导航电文模块131相连，每个中频I/Q产生信号模块结构相同，负责产生一颗可见卫星的中频I/Q数字信号，共有N个中频I/Q信号产生模块。

需要说明的是，N≥4，因为要有至少4颗GPS卫星才能进行定位和授时。

根据本地同步采样时钟、中频频率5MHz、可见GPS卫星的多普勒频率和时延，计算中频信号NCO(Numerical Controlled oscillator，数字控制振荡器)的频率控制字和相位控制字；通过中频信号NCO产生I路和Q路的中频采样信号；根据本地同步采样时钟、C/A码率1.023Mbps、多普勒频率和时延信息，计算C/A码NCO的频率和相位调整控制字；然后，利用C/A码NCO产生C/A码采样信号，其中的比例因子等于1.023/1575.42＝1/1540；根据本地同步采样时钟、导航电文码率50bps、多普勒频率和时延信息，计算导航电文NCO的频率和相位控制字；根据导航电文NCO产生导航电文的采样信号，其中的比例因子等于0.00005/1575.42＝1/31508400≈0。导航电文采样信号和C/A码采样信号进行模2加，即将两路信号整合一起，为最后转化为射频信号做准备；再将上述整合过的信号分别和I路、Q路中频采样信号相乘，结合功率信息，产生该可见GPS卫星的中频I/Q数字信号。

需要说明的是，上述的频率、相位控制字计算方法，NCO原理，C/A码发生器均为本领域技术人员熟知的技术。

数模转换模块1335，与每个中频I/O信号产生模块相连，将各可见GPS卫星产生的中频I/Q数字信号分别叠加起来，再将叠加后的数字信号送入数模转换器DAC，在本地采样时钟的控制下，得到中频I/O模拟信号，包括I路中频模拟信号和Q路中频模拟信号。

射频信号产生模块135，与中频信号模块133相连，用于将中频I/Q模拟信号转化为GPS卫星导航信号，包括：正交调制模块1351和多级衰减模块1353。

正交调制模块1351和数模转换模块1353相连，在本地振荡电路和参考时钟32.736MHz的控制下，将数模转换模块输出的中频I/O模拟信号转换为GPS L1射频信号，频点为1575.42MHz。

需要说明的是，上述本地振荡电路和正交调制电路为本领域技术人员熟知的技术。

多级衰减模块1353和正交调制模块1351相连，由三级衰减电路构成，将正交调制模块输出的GPS L1射频信号衰减至-130dBm左右，输出给基站的GPS L1接收设备使用。

需要说明的是，上述的衰减电路技术为本领域技术人员熟知的技术。

利用基站中的GPS LI接收及授时定位设备，对本装置产生的GPS L1信号进行捕获、跟踪、定位、时间校正等处理，最终产生和中心控制模块同步的秒脉冲，以此进行时间同步，从而为多个分布式基站提供同步授时服务。

需要说明的是，以上处理技术均为本领域技术人员熟知的技术。

本实用新型实施例通过提供一种基于中心控制模块的分布式卫星导航信号模拟装置，可以在卫星导航信号接收装置无需架设天线的情况下，为多个卫星导航信号接收装置提供同步授时所需的卫星导航信号，解决了现有技术存在的问题。

虽然通过实施例描绘了本实用新型，本领域普通技术人员知道，本实用新型有许多变形和变化而不脱离本实用新型的精神，本实用新型的申请文件的权利要求包括这些变形和变化。

Claims (7)

1.一种卫星导航信号模拟装置，用于为卫星导航信号接收装置产生卫星导航模拟信号，其特征在于，所述装置包括：

中心控制模块，与卫星导航信号接收天线相连，用于处理所述接收天线接收到的卫星导航信号，产生UTC秒脉冲、TOD状态信息和同步时钟信号，并将所述UTC秒脉冲、TOD状态信息和同步时钟信号发送到卫星导航信号实时模拟模块；

至少一个所述卫星导航信号实时模拟模块，与所述中心控制模块相连，根据所述UTC秒脉冲、TOD状态信息、同步时钟信号、所述卫星导航信号接收装置的本地时间信息及本地位置信息、以及卫星历书产生卫星导航模拟信号。

2.根据权利要求1所述的卫星导航信号模拟装置，其特征在于，所述卫星导航信号实时模拟模块具体包括：

导航电文模块，根据所述卫星导航信号接收装置的本地时间信息及本地位置信息、卫星历书选择可见卫星，产生可见卫星的导航电文和可见卫星的信息，并将所述可见卫星的导航电文和可见卫星的信息传输到中频信号产生模块；

所述可见卫星的信息，包括可见卫星导航信号的多普勒信息、可见卫星导航信号的功率、可见卫星导航信号的时延以及可见卫星的编号；

所述中频信号产生模块，与所述导航电文模块相连，根据UTC秒脉冲、TOD状态信息和同步时钟信号产生本地同步采样时钟；根据所述可见卫星的信息、中频频率、C/A码、导航电文、导航电文码率以及所述本地同步采样时钟产生中频数字信号；并根据所述中频数字信号、本地同步采样时钟，经过数模转换，产生中频模拟信号；所述中频模拟信号包括I路中频模拟信号和Q路中频模拟信号，并将所述中频模拟信号传输到射频信号产生模块；

所述射频信号产生模块，与所述中频模拟信号模块相连，用于将所述I路中频模拟信号和Q路中频模拟信号进行正交调制以及多级衰减，产生卫星导航模拟信号；

3.根据权利要求2所述的卫星导航信号模拟装置，其特征在于，所述导航电文模块具体包括：

选星模块，根据所述卫星导航信号接收装置的本地时间信息和本地位置信息，计算可见卫星的速度信息、位置信息，选择可见卫星；并将确定的所述可见卫星的速度信息、位置信息、可见卫星的编号发送给模型计算模块；以及将所述可见卫星的编号发送给导航电文产生模块以及中频模拟信号模块；

所述模型计算模块，与所述选星模块相连，根据所述卫星的速度信息、位置信息、可见卫星的编号计算并输出所述可见卫星的信息；

所述导航电文产生模块，与所述选星模块相连，根据卫星历书、所述可见卫星的编号产生可见卫星的导航电文。

4.根据权利要求3所述的卫星导航信号模拟装置，其特征在于，所述选星模块具体包括：

接收模块，用于接收卫星导航信号接收装置的本地时间信息及本地位置信息，将所述卫星导航信号接收装置本地时间信息传输到卫星速度和位置计算模块，将所述卫星导航信号接收装置本地位置信息传输到卫星俯仰角计算模块；

所述卫星速度和位置计算模块，与所述接收模块相连，根据所述卫星导航信号接收装置的本地时间信息，计算空中每颗卫星的位置和速度，输出每颗卫星的速度信息和位置信息，将所述每颗卫星的位置信息传输到所述卫星俯仰角计算模块；

所述卫星俯仰角计算模块，与所述接收模块、所述卫星速度和位置计算模块相连，根据所述卫星导航信号接收装置的本地位置信息和所述每颗卫星的位置信息，计算空中每颗卫星的俯仰角，将所述每颗卫星的俯仰角传输给卫星确定模块；

所述卫星确定模块，与所述卫星俯仰角计算模块相连，根据所述的每颗卫星的俯仰角，确定可见卫星，输出可见卫星的编号。

5.根据权利要求2所述的卫星导航信号模拟装置，其特征在于，所述中频信号产生模块，具体包括：

时钟同步模块，根据卫星的UTC秒脉冲、TOD状态信息和同步时钟信号产生本地同步采样时钟，并将所述本地采样时钟传输到中频I/Q信号产生模块和数模转换模块；

所述中频I/Q信号产生模块，与所述时钟同步模块相连，用于产生I路中频数字信号和Q路中频数字信号，并传送到所述数模转换模块；

所述数模转换模块，与所述时钟同步模块、中频I/Q信号产生模块相连，用于将所述I路中频数字信号和Q路中频数字信号转换成I路中频模拟信号和Q路中频模拟信号。

6.根据权利要求4所述的卫星导航信号模拟装置，其特征在于，当所述中频模拟信号模块至少有4个，产生至少4路I路中频数字信号和Q路中频数字信号，所述数模转换模块将所述至少4路I路中频数字信号和至少4路Q路中频数字信号进行叠加，产生I路中频叠加数字信号和Q路中频叠加数字信号，将所述I路中频叠加数字信号和所述Q路中频叠加数字信号转换成所述I路中频模拟信号和Q路中频模拟信号。

7.根据权利要求2所述的卫星导航信号模拟装置，其特征在于，所述射频信号产生模块，包括：

正交调制模块，在本地振荡电路和所述本地同步采样时钟的控制下，将所述I路中频模拟信号和Q路中频模拟信号转换为射频信号，并输出到多级衰减模块；

所述多级衰减模块，将所述射频信号经过三级衰减，产生卫星导航模拟信号。

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