CN106526624A - 一种卫星导航信号模拟器及其模拟方法 - Google Patents

一种卫星导航信号模拟器及其模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于卫星导航领域，提供了一种卫星导航信号模拟器及其模拟方法。所述卫星导航信号模拟器包括依次连接的处理器、物理通道时分复用模块、数模转换模块、射频上变频模块和信号发射模块。本发明的卫星导航信号模拟器可以充分利用硬件资源、降低开发成本、可移植性强、***易于升级，方便在同一套硬件平台上实现多导航***模拟器的设计，对于卫星导航信号接收机开发、验证、测试具有广泛的应用前景。另外，通过产生连续的多个导航***的卫星信号，可以实现多导航***导航接收机组合定位，并且定位结果可以与模拟器中设定的轨迹进行比对，可用于高端接收机性能测试、研发以及导航信号体制的研究。

Description

一种卫星导航信号模拟器及其模拟方法
技术领域
本发明属于卫星导航领域，尤其涉及一种卫星导航信号模拟器及其模拟方法。
背景技术
目前的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航***)主要包括：美国的GPS(Global Positioning System，全球定位***)、俄罗斯的GLONASS(格洛纳斯卫星导航***)、中国的BD(北斗卫星导航***)和欧洲的Galileo(伽利略卫星定位***)，为了满足更高的导航定位精度要求及性能要求，将多个导航***组合起来使用，这样将增加导航定位的观测量，提高导航定位服务的质量，并可以提高组合导航***的定位性能，扩展卫星导航的应用领域。将BD、GPS、Galileo和GLONASS组合起来的导航***在很大程度上能够克服单一导航***的局限性，使用户能够获得更精确、更可靠的标准定位服务，能承担许多单一导航***所不能完成的任务，但多导航***的卫星导航信号模拟器的融合会占用大量的硬件资源。
卫星导航信号模拟器可以精确生成和复现不同条件下卫星导航接收机射频前端接收到的多路卫星信号，为卫星导航接收机的设计、研制和测试提供一个可靠、稳定、准确和易用的测试环境，从而使卫星导航接收机的研发效率得以保证。在军事领域，卫星导航接收机往往被安装在飞机、导弹和火箭等具有很大速度、加速度和加加速度的载体上，因此卫星导航接收机的测试不可能在实际情况下进行，这种复杂的高动态环境只能借助于具有高动态特性的卫星导航信号模拟器来实现，借助卫星导航信号模拟器可以更加方便、灵活的完成卫星导航接收机测试，并且可以减少卫星导航接收机研发测试费用。随着我国BD2(第二代北斗卫星导航***)的全面组网，具有多***兼容性的高动态卫星导航接收机将迎来新的发展机遇。
然而，现有技术的卫星导航信号模拟器的设计是所有物理通道同时开启，且互不干扰的生成方式，即信号并行产生，这种方式可以运用于单模卫星导航信号模拟器的设计，但在多导航***多频点的卫星导航信号模拟器的设计过程中，如BD2、GPS、Galileo及GLONASS组合的多导航***，每个导航***各有12个物理通道，即共有48个物理通道，过多的物理通道过于冗余，卫星导航信号模拟器结构臃肿，大量占用芯片的面积，消耗芯片的大量硬件资源，在一般的芯片难以实现或不能实现多导航***多频点的卫星导航信号模拟器，且不利于卫星导航信号模拟器的升级，直接提高了设计成本和难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星导航信号模拟器及其模拟方法，旨在解决现有技术的卫星导航信号模拟器结构臃肿，大量占用芯片的面积，消耗芯片的大量硬件资源，且不利于卫星导航信号模拟器的升级，提高了设计成本和难度的问题。
第一方面，本发明提供了一种卫星导航信号模拟器，包括依次连接的处理器、物理通道时分复用模块、数模转换模块、射频上变频模块和信号发射模块；其中，
处理器，用于接收用户设置的一个或多个导航***的参数，根据每个导航***的参数计算每个导航***的原始信息，并根据每个导航***的原始信息分别得到每个导航***的可见星的初始信息，将所有导航***的可见星的初始信息发送给物理通道时分复用模块；
物理通道时分复用模块，用于根据处理器发送的所有导航***的可见星的初始信息，采用时分复用的方式将每个导航***的实际物理通道分时复用等效成多个物理通道，生成与每个导航***对应的多个并行数字中频信号；
数模转换模块，用于将物理通道时分复用模块输出的并行的数字中频信号转换为模拟中频信号，并将模拟中频信号放大后发送至射频上变频模块；
射频上变频模块，用于将数模转换模块发送的模拟中频信号转换为符合卫星信号所要求的频率的射频信号；
信号发射模块，用于发射经射频上变频模块处理后的射频信号。
第二方面，本发明提供了一种卫星导航信号模拟器的模拟方法，所述方法包括：
处理器接收用户设置的一个或多个导航***的参数，根据每个导航***的参数计算每个导航***的原始信息，并根据每个导航***的原始信息分别得到每个导航***的可见星的初始信息，将所有导航***的可见星的初始信息发送给物理通道时分复用模块；
物理通道时分复用模块根据处理器发送的所有导航***的可见星的初始信息，采用时分复用的方式将每个导航***的实际物理通道分时复用等效成多个物理通道，生成与每个导航***对应的多个并行数字中频信号；
数模转换模块将物理通道时分复用模块输出的并行的数字中频信号转换为模拟中频信号，并将模拟中频信号放大后发送至射频上变频模块；
射频上变频模块将数模转换模块发送的模拟中频信号转换为符合卫星信号所要求的频率的射频信号；
信号发射模块发射经射频上变频模块处理后的射频信号。
在本发明中，由于卫星导航信号模拟器包括物理通道时分复用模块，物理通道时分复用模块采用时分复用的方式将每个导航***的实际物理通道分时复用等效成多个物理通道，生成与每个导航***对应的多个并行数字中频信号。因此可以充分利用硬件资源、降低开发成本、可移植性强、***易于升级，方便在同一套硬件平台上实现多导航***模拟器的设计，对于卫星导航信号接收机开发、验证、测试具有广泛的应用前景。另外，通过产生连续的多个导航***的卫星信号，可以实现多导航***导航接收机组合定位，并且定位结果可以与模拟器中设定的轨迹进行比对，可用于高端接收机性能测试、研发以及导航信号体制的研究。
附图说明
图1是本发明实施例提供的卫星导航信号模拟器的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的卫星导航信号模拟器中的物理通道时分复用模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
请参阅图1，本发明实施例提供的卫星导航信号模拟器包括依次连接的处理器11、物理通道时分复用模块12、数模转换模块13、射频上变频模块14和信号发射模块15；其中，
处理器11，用于接收用户设置的一个或多个导航***的参数，根据每个导航***的参数计算每个导航***的原始信息，并根据每个导航***的原始信息分别得到每个导航***的可见星的初始信息，将所有导航***的可见星的初始信息发送给物理通道时分复用模块12。
在本发明实施例中，所述一个或多个导航***可以是BD、GPS、GLONASS、Galileo中的一个或任意组合；参数可以包括星历、用户运动场景、用户轨迹信息等；用户设置的一个或多个导航***的参数可以是通过上位机设置的，也可以是直接在卫星导航信号模拟器中设置的。每个导航***的参数可以包括星历、用户运动场景、用户轨迹信息及相应的***仿真起始时间等。每个导航***的可见星的初始信息可以包括每个导航***的相应可见卫星号、可见卫星相应的初始整数码相位、初始小数码相位、初始载波相位、码频率控制字、载波频率控制字以及导航电文等。处理器11具体可以是DSP信号处理模块。
物理通道时分复用模块12，用于根据处理器11发送的所有导航***的可见星的初始信息，采用时分复用的方式将每个导航***的实际物理通道分时复用等效成多个物理通道，生成与每个导航***对应的多个并行数字中频信号。
请参阅图2，在本发明实施例中，物理通道时分复用模块12具体可以包括依次连接的多个存储模块121(图2中以2个为例)、时隙切换与控制模块122、与每个实际物理通道对应的中频信号生成模块123(图2中以6个为例)、存储器阵列124和串并同步转换器125，时隙切换与控制模块122分别与每个中频信号生成模块123的输入端连接，每个中频信号生成模块123的输出端分别与存储器阵列124连接。其中，所述每个存储模块可以是独立的存储器，或者，所述多个存储模块是位于同一个存储器中的存储模块。
每个存储模块121分别存储处理器11发送的一个导航***的可见星的初始信息；
时隙切换与控制模块122，用于分别将每个导航***的所有可见星的初始信息分成N个部分，N是大于或等于2的自然数，采用N个时隙作为一个时分复用周期，(N越大，复用度越高，占用资源越少)，针对每个导航***，在每个时隙分别从相应存储模块121提取一个部分的可见星的初始信息发送给相应的中频信号生成模块123，由中频信号生成模块123生成相应时隙的数字中频信号，并存储至存储器阵列124中，当每个时隙结束后，将该时隙断点数据保存至相应存储模块121，等下一周期到来后通过时隙切换与控制模块122将从相应存储模块121中提取的可见星的初始信息中的对应信息替换成该断点数据发送给相应的中频信号生成模块123，当第N个时隙结束后，由串并同步转换器125将存储器阵列124的相应导航***的串行数字中频信号转换成并行的数字中频信号发送至数模转换模块13。
其中，断点数据具体可以包括导航***的整数码相位、载波频率数控振荡器累加值，测距码频率数控振荡器累加值，以及导航电文比特数。可见星的初始信息中的初始整数码相位替换成断点数据中的整数码相位，可见星的初始信息中的初始载波相位替换成载波频率数控振荡器累加值，可见星的初始信息中的初始小数码相位替换成测距码频率数控振荡器累加值。物理通道时分复用模块12具体可以是FPGA信号处理模块。
数模转换模块13，用于将物理通道时分复用模块12输出的并行的数字中频信号转换为模拟中频信号，并将模拟中频信号放大后发送至射频上变频模块。
射频上变频模块14，用于将数模转换模块发送的模拟中频信号转换为符合卫星信号所要求的频率的射频信号。
信号发射模块15，用于发射经射频上变频模块处理后的射频信号。
本发明实施例提供的卫星导航信号模拟器的模拟方法包括以下步骤：
步骤一、处理器接收用户设置的一个或多个导航***的参数，根据每个导航***的参数计算每个导航***的原始信息，并根据每个导航***的原始信息分别得到每个导航***的可见星的初始信息，将所有导航***的可见星的初始信息发送给物理通道时分复用模块；
步骤二、物理通道时分复用模块根据处理器发送的所有导航***的可见星的初始信息，采用时分复用的方式将每个导航***的实际物理通道分时复用等效成多个物理通道，生成与每个导航***对应的多个并行数字中频信号；
在本发明实施例中，步骤二具体包括以下步骤：
每个存储模块分别存储处理器发送的一个导航***的可见星的初始信息；
时隙切换与控制模块分别将每个导航***的所有可见星的初始信息分成N个部分，N是大于或等于2的自然数，采用N个时隙作为一个时分复用周期，(N越大，复用度越高，占用资源越少)，针对每个导航***，在每个时隙分别从相应存储模块提取一个部分的可见星的初始信息发送给相应的中频信号生成模块，由中频信号生成模块生成相应时隙的数字中频信号，并存储至存储器阵列中，当每个时隙结束后，将该时隙断点数据保存至相应存储模块，等下一周期到来后通过时隙切换与控制模块将从相应存储模块中提取的可见星的初始信息中的对应信息替换成该断点数据发送给相应的中频信号生成模块，当第N个时隙结束后，由串并同步转换器将存储器阵列的相应导航***的串行数字中频信号转换成并行的数字中频信号发送至数模转换模块。
步骤三、数模转换模块将物理通道时分复用模块输出的并行的数字中频信号转换为模拟中频信号，并将模拟中频信号放大后发送至射频上变频模块；
步骤四、射频上变频模块将数模转换模块发送的模拟中频信号转换为符合卫星信号所要求的频率的射频信号；
步骤五、信号发射模块发射经射频上变频模块处理后的射频信号。
在本发明实施例中，假设卫星导航信号模拟器中的处理器接收了4个导航***的参数，例如BD、GPS、GLONASS和Galileo，每个导航***有12颗可见星，将每个导航***的所有可见星的初始信息分成4个部分，采用4个时隙作为一个时分复用周期，则针对每个导航***，每三颗可见星的初始信息作为一个部分，在每个时隙分别从相应存储模块提取一个部分的可见星的初始信息发送给相应的中频信号生成模块，即，每个导航***共采用3个中频信号生成模块，由中频信号生成模块生成相应时隙的数字中频信号，并存储至存储器阵列中，当第4个时隙结束后，由串并同步转换器将存储器阵列的相应导航***的3个串行数字中频信号转换成12个并行的数字中频信号，最终通过信号发射模块发射。即本发明实施例的卫星导航信号模拟器采用12个中频信号生成模块来生成48个信号。然而，如果采用现有技术的卫星导航信号模拟器，每个导航***需采用12个中频信号生成模块，则共需要48个中频信号生成模块。通过比较可知，采用本发明实施例的卫星导航信号模拟器，可以充分利用硬件资源、降低开发成本、可移植性强、***易于升级，方便在同一套硬件平台上实现多导航***模拟器的设计，对于卫星导航信号接收机开发、验证、测试具有广泛的应用前景。另外，通过产生连续的BD2/GPS/GLONASS/Galileo四个导航***的卫星信号，可以实现BD2/GPS/GLONASS/Galileo四导航***导航接收机组合定位，并且定位结果可以与模拟器中设定的轨迹进行比对，可用于高端接收机性能测试、研发以及导航信号体制的研究。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卫星导航信号模拟器，其特征在于，包括依次连接的处理器、物理通道时分复用模块、数模转换模块、射频上变频模块和信号发射模块；其中，
处理器，用于接收用户设置的一个或多个导航***的参数，根据每个导航***的参数计算每个导航***的原始信息，并根据每个导航***的原始信息分别得到每个导航***的可见星的初始信息，将所有导航***的可见星的初始信息发送给物理通道时分复用模块；
物理通道时分复用模块，用于根据处理器发送的所有导航***的可见星的初始信息，采用时分复用的方式将每个导航***的实际物理通道分时复用等效成多个物理通道，生成与每个导航***对应的多个并行数字中频信号；
数模转换模块，用于将物理通道时分复用模块输出的并行的数字中频信号转换为模拟中频信号，并将模拟中频信号放大后发送至射频上变频模块；
射频上变频模块，用于将数模转换模块发送的模拟中频信号转换为符合卫星信号所要求的频率的射频信号；
信号发射模块，用于发射经射频上变频模块处理后的射频信号。
2.如权利要求1所述的卫星导航信号模拟器，其特征在于，所述一个或多个导航***是BD、GPS、GLONASS、Galileo中的一个或任意组合。
3.如权利要求1所述的卫星导航信号模拟器，其特征在于，所述用户设置的一个或多个导航***的参数是通过上位机设置的，或者是直接在卫星导航信号模拟器中设置的。
4.如权利要求1所述的卫星导航信号模拟器，其特征在于，所述参数包括星历、用户运动场景和用户轨迹信息，所述每个导航***的参数包括星历、用户运动场景、用户轨迹信息及相应的***仿真起始时间。
5.如权利要求4所述的卫星导航信号模拟器，其特征在于，所述每个导航***的可见星的初始信息包括每个导航***的相应可见卫星号、可见卫星相应的初始整数码相位、初始小数码相位、初始载波相位、码频率控制字、载波频率控制字以及导航电文。
6.如权利要求1所述的卫星导航信号模拟器，其特征在于，所述物理通道时分复用模块具体包括依次连接的多个存储模块、时隙切换与控制模块、与每个实际物理通道对应的中频信号生成模块、存储器阵列和串并同步转换器，时隙切换与控制模块分别与每个中频信号生成模块的输入端连接，每个中频信号生成模块的输出端分别与存储器阵列连接；
每个存储模块分别存储处理器发送的一个导航***的可见星的初始信息；
时隙切换与控制模块分别将每个导航***的所有可见星的初始信息分成N个部分，N是大于或等于2的自然数，采用N个时隙作为一个时分复用周期，针对每个导航***，在每个时隙分别从相应存储模块提取一个部分的可见星的初始信息发送给相应的中频信号生成模块，由中频信号生成模块生成相应时隙的数字中频信号，并存储至存储器阵列中，当每个时隙结束后，将该时隙断点数据保存至相应存储模块，等下一周期到来后通过时隙切换与控制模块将从相应存储模块中提取的可见星的初始信息中的对应信息替换成该断点数据发送给相应的中频信号生成模块，当第N个时隙结束后，由串并同步转换器将存储器阵列的相应导航***的串行数字中频信号转换成并行的数字中频信号发送至数模转换模块。
7.如权利要求6所述的卫星导航信号模拟器，其特征在于，所述断点数据包括导航***的整数码相位、载波频率数控振荡器累加值、测距码频率数控振荡器累加值以及导航电文比特数。
8.如权利要求7所述的卫星导航信号模拟器，其特征在于，所述可见星的初始信息中的对应信息替换成该断点数据具体为：可见星的初始信息中的初始整数码相位替换成断点数据中的整数码相位，可见星的初始信息中的初始载波相位替换成载波频率数控振荡器累加值，可见星的初始信息中的初始小数码相位替换成测距码频率数控振荡器累加值。
9.一种如权利要求1至8任一项所述的卫星导航信号模拟器的模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
处理器接收用户设置的一个或多个导航***的参数，根据每个导航***的参数计算每个导航***的原始信息，并根据每个导航***的原始信息分别得到每个导航***的可见星的初始信息，将所有导航***的可见星的初始信息发送给物理通道时分复用模块；
物理通道时分复用模块根据处理器发送的所有导航***的可见星的初始信息，采用时分复用的方式将每个导航***的实际物理通道分时复用等效成多个物理通道，生成与每个导航***对应的多个并行数字中频信号；
数模转换模块将物理通道时分复用模块输出的并行的数字中频信号转换为模拟中频信号，并将模拟中频信号放大后发送至射频上变频模块；
射频上变频模块将数模转换模块发送的模拟中频信号转换为符合卫星信号所要求的频率的射频信号；
信号发射模块发射经射频上变频模块处理后的射频信号。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述物理通道时分复用模块执行的步骤具体包括：
每个存储模块分别存储处理器发送的一个导航***的可见星的初始信息；
时隙切换与控制模块分别将每个导航***的所有可见星的初始信息分成N个部分，N是大于或等于2的自然数，采用N个时隙作为一个时分复用周期，针对每个导航***，在每个时隙分别从相应存储模块提取一个部分的可见星的初始信息发送给相应的中频信号生成模块，由中频信号生成模块生成相应时隙的数字中频信号，并存储至存储器阵列中，当每个时隙结束后，将该时隙断点数据保存至相应存储模块，等下一周期到来后通过时隙切换与控制模块将从相应存储模块中提取的可见星的初始信息中的对应信息替换成该断点数据发送给相应的中频信号生成模块，当第N个时隙结束后，由串并同步转换器将存储器阵列的相应导航***的串行数字中频信号转换成并行的数字中频信号发送至数模转换模块。
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