CN109613569A - 一种基于cpu+fpga的卫星导航异常信号模拟器及异常信号模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器及异常信号模拟方法，属于无线通信领域。模拟器包括CPU模块，PCIE模块和FPGA模块。所述方法为首先CPU模块进行初始化配置，得到各卫星和用户载体的运动轨迹，计算各可见卫星到用户的传输时间，相对速度和相对加速度；同时对各可见卫星产生的电文比特流数据进行转换，编码和校验。更新可见卫星对应的数据传输到PCIE模块，完成数据的下发与接收和中断的响应与处理；对参数解析后传递给FPGA模块，实现载波，伪码，电文的产生和调制，生成异常数字中频信号并加和，数模转换，得到模拟的导航卫星信号。本发明实现多故障类型的信号输出，具有良好的扩展空间，实现在数字电路上模拟电路可能产生的异常。

Description

一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器及异常信号模 拟方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于CPU(Central Processing Unit,中央处理器)+FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的卫星导航异常信号模拟器及异常信号模拟方法。

背景技术

卫星导航***(Global Navigation Satellite System，GNSS)在全球范围内得到了广泛的应用，其可为用户提供全天候的，高精度的、实时的导航定位和精准的授时，在不同的领域包括星空探测，陆海空导航，地质勘探和定位***等都有广泛应用。

目前各国处于对国家安全等问题的考虑，使得卫星导航***成为继移动通信和全球互联网之后发展最为迅速的信息产业。在卫星导航***中，导航接收机对导航卫星体系的完善和科学性的性能评估发挥着最直接也最重要的作用，为了提高接收机的定位性能，一个可以定量评估、模拟不同环境、并具有高精度的卫星导航信号模拟器是必不可少的。

而随着导航信号接收机的应用向着更精密、更准确、更稳定、更复杂、更多样化的方向发展，模拟器的需求也在不断的提高，从单频单模到多频多模，从单通道到多通道，从简单轨迹到复杂多场景高动态轨迹等，且要求导航信号能够很好的模拟实际环境中的导航信号，如多径信号和干扰信号的掺杂，可能故障的随时发生等。

导航信号是GNSS最核心的组成部分，其质量的优劣直接反映了GNSS定位、授时、测速和卫星工作状态等指标。目前的四大***均不同程度的发生过信号异常的案例，其会造成接收机定位差甚至出现不能定位的情况。总结目前出现的异常信号，主要存在以下特点：卫星信号异常出现但是较少重复，预测性较差；由于预测性较差，所以当卫星信号异常出现时，地面监测设备对异常信号的反应时间较慢。

异常信号检测是导航信号质量监测的重要组成部分，是实现各大导航***故障诊断、信号完好性监测的重要支撑。因此实现GNSS模拟器进行异常信号的注入，通过对其相关性能的检测和分析，有助于及时准确的发现异常并快速告警，从而确保GNSS用户，尤其是航海和航空领域的安全运行。

发明内容

本发明的目的在于：通过设置用户交互的界面实现不同的异常信号的输出，从而实现接收机对卫星导航异常信号的功能测试和精度鉴定等，为实际的异常信号发现及预警提供帮助；具体是一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器及异常信号模拟方法。

所述的卫星导航异常信号模拟器包括CPU模块，PCIE(Peripheral ComponentInterface Express，总线和接口标准)模块和FPGA模块；

其中CPU模块完成对异常参数的初始化配置，并对导航电文异常，信号失锁，信号功率异常等故障进行建模和关键参数的计算；PCIE模块完成异常数据的下发和接收、装帧和解析；FPGA模块完成对载波和伪码的异常处理，并将异常的载波，电文和伪码进行调制，得到异常的卫星数字中频信号。

CPU模块包括：频点及用户参数配置模块，初始化卫星状态模块，初始化用户状态模块，卫星可见性判断模块，传输时间计算模块，电文数据模块以及通道数据模块；

频点及用户参数配置模块，通过可视化界面进行初始化异常参数的配置；参数包括与卫星有关的参数；与用户有关的参数以及与异常信号有关的参数。

初始化卫星状态模块，读取距离当前仿真时间最近的卫星星历，为每颗卫星筛选出有效的星历数据。

初始化用户状态模块，根据频点及用户参数配置模块设置的用户载体类型及状态模型，实时更新用户载体的状态，生成用户载体的运动轨迹。

卫星可见性判断模块，判断各颗卫星对于当前用户的位置是否处于可见状态，同时对信号失锁的状态进行判断和实现；

传输时间计算模块，完成卫星与用户之间的传输时间的计算和相对运动的模拟。

电文数据模块，将正常的卫星星历数据进行格式转换、编码、校验等操作，生成电文比特流；将错误的星历数据进行编写校验，生成异常电文比特流，从而实现异常信号的输出。

通道数据模块将信号生成所需要的NCO(Numerically Controlled Oscillator，数字控制振荡器)参数，电文以及可能生成的异常数据整合到统一的数据结构当中，传递给PCIE模块。

PCIE模块主要实现CPU模块与FPGA模块的数据通信，完成数据的下发与接收和中断的响应与处理。具体包括：数据下发模块，中断模块，数据接收模块以及数据解析存储模块；

CPU模块完成参数的计算后，在数据下发模块将异常数据进行装帧和下发，在数据接收模块通过PCIE模块和内存读取机制将数据接收并读取，然后数据解析存储模块接收***参数和通道参数两种数据，数据为正常数据或异常数据，不同的数据类型根据通信协议进行解帧并传输到FPGA模块；同时在中断信号的控制下，中断模块调控CPU模块完成数据的实时更新。

在数据下发模块针对异常数据的下发，需要在每个更新间隔均检测当前是否有异常信号要生成，若没有，则不需要下发异常数据，生成的依然是正常的卫星信号，若有，则按照设计的异常参数的通信协议进行装帧。

数据解析存储模块对于***参数数据，直接使用寄存器存储；对于通道参数数据，使用FIFO存储技术，并结合数据更新标志进行数据的保存与读取。其中在解析***参数和通道参数时可以实现正常数据或异常数据的同步解析。

PCIE模块完成对***和通道参数的解析之后，将参数传递给FPGA模块，最终实现模拟信号的中频输出。

FPGA模块主要实现载波，伪码，电文的产生和调制，接收PCIE模块传递过来的参数，生成异常数字中频信号，并控制DA芯片进行数模转换。

具体包括：异常伪码读取模块，伪码TMB(Threat Model B，伪码模拟模型)产生模块，异常电文模块，异常相位控制模块，异常载波模块，异常中频调制模块，异常幅度控制模块以及异常通道模块。

异常伪码读取模块，根据设置的频点产生该频点下每颗卫星的伪码，同时根据输入的伪码相位数据产生该相位上的伪码码片值，在需要伪码TMA(Threat Model A,TMA)产生时，会在该模块进行相应的处理，实现异常的伪码码片值的输出。

伪码TMB产生模块，在有伪码TMB产生时，将异常伪码读取模块输出的码片值进行处理产生畸变的码片值。

异常电文模块，产生用于调制的数据码值。

异常相位控制模块，产生伪码相位值；具体为：在需要伪码TMA产生时输出异常伪码读取模块需要的异常伪码相位值，在需要伪码相位跳变时产生跳变的伪码相位值。

异常载波模块，根据载波相位值产生对应的载波幅度值，在需要载波相位跳变时产生跳变的载波相位值，在需要载波IQ不正交时产生异常的I路和Q路相位值。

异常中频调制模块，根据伪码值，电文数据值和载波幅度值进行BPSK调制，输出中频的数字信号，在需要载波泄漏时同时生成未经调制的载波中频数字信号。

异常幅度控制模块，对异常中频调制模块输出的中频信号进行幅度的控制，在需要载波泄漏时同时产生幅度可变的载波信号。

异常通道模块，将多颗卫星输出的数字中频信号进行累积加和，输出总的数字信号；在需要频谱不对称时，通过对数字信号处理产生频谱畸变的数字信号。

所述的基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟方法的具体步骤如下：

步骤一、某用户利用频点及用户参数配置模块进行初始化参数的配置；

初始化参数包括：模拟器所仿真的信号频点、仿真时间、用户运动模型以及故障类型等。

步骤二、根据初始化参数中的信号频点，初始化卫星状态模块进行***信息的配置，得到仿真时刻各卫星的三维坐标。

***信息包括调制方式、扩频码速率及码长、载波频率、电文速率、扩频子码的速率和码长、子载波的速率等信息；

步骤三、根据初始化参数中的运动模型，初始化用户状态模块实时更新用户载体的三维坐标并生成用户载体的运动轨迹。

步骤四、根据各卫星和该用户的三维坐标，卫星可见性判断模块判断各卫星是否一直可见，如果是，进入步骤五，否则，将卫星标记为不可见，不予处理。

针对仿真时刻和约为6s之后的时刻，分别计算各卫星相对该用户的仰角，卫星可见性判断模块判断两个时刻的仰角是否都在阈值范围之内，如果是，则认为该卫星一直可见，否则，该卫星不可见。

将可见卫星设置为不可见即为异常状态，满足可见卫星的正常和异常状态的选择输出。

步骤五、将各可见卫星的三维坐标和用户的三维坐标，同时输入到传输时间计算模块，计算各可见卫星到用户的传输时间，相对速度和相对加速度；

步骤六、同时，电文数据模块对各可见卫星产生的正常或者异常的电文比特流数据进行转换，编码和校验。

当某个可见卫星的界面配置为正常的模拟信号，则该可见卫星输出正常的电文比特流数据；若界面配置为异常的模拟信号，则该可见卫星输出异常的电文比特流数据。

步骤七、通道数据模块判断各可见卫星的通道状态是否为可见，如果是，将该可见卫星对应的数据进行更新，并通过可见通道传输到PCIE模块；否则，清空该可见卫星通道内的数据。

对应的数据进行更新是指：针对某可见卫星，利用该卫星到用户的传输时间，相对速度和相对加速度，计算该可见卫星的NCO参数；NCO参数包括载波NCO参数和伪码NCO参数；并将NCO参数以及校验后该卫星输出的正常或者异常的电文比特流数据，通过自身可见的通道状态传输到PCIE模块；

步骤八、针对每个可见卫星，PCIE模块中各个模块完成数据的下发与接收，以及中断的响应与处理；对***和通道参数的解析后传递给FPGA模块；

具体步骤为：

首先，数据下发模块将可见卫星的通道中的NCO参数，以及校验后各卫星输出的正常或者异常的电文比特流数据进行装帧并下发。

然后，数据接收模块进行接收并传输给数据解析存储模块进行解析；

数据解析存储模块针对初始化卫星状态模块配置的***信息，以及通道中的NCO参数，以及校验后各卫星输出的正常或者异常的电文比特流数据，分别进行解析，并按照不同的类型存储在寄存器或FIFO中，同时将解析后的各信号分别传输给FPGA模块的各个模块。

步骤九、FPGA模块接收PCIE模块传递过来的参数，实现载波，伪码，电文的产生和调制，生成异常数字中频信号；

具体步骤为：

步骤901、异常载波模块根据PCIE模块传递过来的载波NCO参数，利用DDS实现载波相位的控制，利用状态机实现载波相位跳变或载波IQ不正交，输出16bits的正常或异常载波信号；

步骤902、异常相位控制模块根据PCIE模块传递过来的伪码NCO参数，利用DDS实现伪码的相位控制，利用状态机实现伪码相位跳变，输出14bit的正常或异常的伪码相位信号；

步骤903、异常电文模块根据PCIE模块传递过来的正常或异常的电文比特流数据实时更新电文信号；

步骤904、14bit的正常或异常的伪码相位信号被异常伪码读取模块读取，并传输给伪码TMB产生模块，产生正常或具有TMA，TMB异常的伪码码片值。

步骤905、异常中频调制模块同时接收16bits的正常或异常载波信号，正常或具有TMA，TMB异常的伪码码片值，以及更新的电文信号进行调制；

步骤906、异常幅度模块对调制后的综合信号进行幅度控制，并传输给异常通道模块；

步骤907、异常通道模块对幅度控制的信号进行判断，是否为异常信号，如果是，将该信号通过FIR滤波器，并输出频谱不对称的异常信号；否则，直接输出正常信号。

步骤十、将每个可见卫星输出频谱不对称的异常信号或正常信号进行加和处理，送入DAC芯片中进行数模转换，最终得到模拟的导航卫星信号。

本发明的优点在于：

(1)一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，通过交互界面的设置，可以实现多故障类型的信号输出，适用于接收机异常信号测试的研究。

(2)一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，异常信号输出的模拟平台基于模块化的开发，各模块之间相互独立，通过接口实现模块之间的调用，具有良好的扩展空间，为后续功能的添加提供了可能。

(3)一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟方法，通过相关算法的设计，完成在数字电路上实现模拟电路可能产生的异常，且对各种异常均有较好的设计与实现，很好的节省了在研究卫星导航异常信号时的开销。

附图说明

图1是本发明一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器的结构示意图；

图2是本发明伪码模拟模型TMA产生模块放入实现示意图；

图3是本发明伪码TMB产生模块实现框图；

图4是本发明一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟方法的流程图；

图5是本发明FPGA模块接收参数生成异常数字中频信号的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和L1CA频点实施实例对本发明做进一步的详细说明。

本发明一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，采用软硬件结合的架构，如图1所示，包括CPU模块，PCIE模块和FPGA模块；通过PCIE模块完成数据的传输及CPU模块与FPGA模块间的通信，CPU模块负责卫星电文等故障参数的编码，完成对异常参数的初始化配置，并对导航电文异常，信号失锁，信号功率异常等故障进行建模和关键参数的计算；PCIE模块完成异常数据的下发和接收、编码、装帧和解析；FPGA模块完成对载波和伪码的异常处理，并将异常的载波，电文和伪码进行调制，得到异常的卫星数字中频信号。最后通过DAC进行数模转换，实现卫星导航异常模拟信号的实时产生。

CPU模块与FPGA模块的协同工作，实现信号多异常类型的输出。通过PCIE模块完成数据交互，具体涉及卫星导航异常信号的关键参数的计算，数据传输和信号产生的方法。

如图1所示，CPU模块包括参数的初始化和参数的计算，具体有频点及用户参数配置模块1，初始化卫星状态模块2，初始化用户状态模块3，卫星可见性判断模块4，传输时间计算模块5，电文数据模块6以及通道数据模块7；

频点及用户参数配置模块1是模拟平台的入口，通过可视化界面进行初始化异常参数的配置；参数包括(1)与卫星有关的参数，包括GNSS***及频点、仿真时间以及信号的中频；(2)与用户有关的参数，包括用户载体的运动模型以初始状态参数(位置、速度、加速度)；以及(3)与异常信号有关的参数，包括电文，伪码，载波等数据的配置。

在初始化配置完成之后，模拟平台就已经获取了信号产生的基本信息，接下来其它模块会根据配置的参数进行计算。

关于异常信号的数据结构是本发明的重点，首先设计了一个异常信号参数的全局变量Fault，如表1所示；然后为每种异常信号都设计了单独的结构体，如表2，表3，表4和表5所示，这些参数均通过配置界面获得，再进行相应的处理生成对应的异常信号。

表1

表2

表3

表4

表5

初始化卫星状态模块，选取读取某一天的卫星星历，为每颗卫星筛选出有效的星历数据，所依据的准则是距离当前仿真时间最近。

初始化用户状态模块，根据频点及用户参数配置模块设置的用户载体类型及状态模型，实时更新用户载体的状态，生成用户载体的运动轨迹。

卫星可见性判断模块，判断各颗卫星对于当前用户的位置是否处于可见状态，同时对信号失锁的状态进行判断和实现；具体为：根据卫星星历提供的参数计算的卫星位置与用户位置来计算仰角，将仰角与设置的阈值进行比较，如果仰角在阈值范围内，则认为卫星在当前时刻对于用户是可见的。对于模拟平台来讲，是否产生某颗卫星的信号取决于该卫星对于用户是否可见。如果可见，就应该生成该卫星的信号，否则不生成。

对于信号失锁的故障模型，需要根据界面的设置将原来可见的卫星直接转换为不可见，因此对于模拟平台，此时产生的信号就不再包含失锁的卫星信号，从而实现异常信号的输出。

传输时间计算模块，完成卫星与用户之间的传输时间的计算和相对运动的模拟。

电文数据模块，根据不同频点信号的接口控制文件中的规定，将正常的卫星星历数据进行格式转换、编码、校验等操作，生成电文比特流；对于电文异常，则是根据界面的设置，将错误的星历数据进行编写校验，生成异常电文比特流，从而实现异常信号的输出。

通道数据模块将信号生成所需要的NCO参数，电文以及可能生成的异常数据整合到统一的数据结构当中，传递给PCIE模块。

每个通道结构体中包含了一颗卫星与信号生成相关的所有数据，包括：卫星的PRN号、电文数据、传输时间、接收时间、扩频码长度和速率、多普勒频移、扩频码NCO参数(相位、频率、频率变化率)、载波NCO参数(相位、频率、频率变化率)，卫星功率等。

对于故障卫星的功率突变或渐变，则是根据界面的设定，对通道结构体里的功率值进行修改，从而使得该颗故障卫星的信号功率发生变化，实现异常信号的输出。

PCIE模块即数据通信部分，主要实现CPU模块与FPGA模块的数据通信，完成数据的下发与接收和中断的响应与处理。具体包括：数据下发模块8，中断模块9，数据接收模块10以及数据解析存储模块11；

CPU模块完成参数的计算后，在数据下发模块将异常数据进行装帧和下发，在数据接收模块通过PCIE模块和内存读取机制DMA(Directional Memory Access，直接内存读取)将数据接收并读取，然后数据解析存储模块根据通信协议将数据进行解析，得到***参数和通道参数两种数据，数据为正常数据或异常数据，并传输到FPGA模块；同时在中断信号的控制下，中断模块调控CPU模块完成数据的实时更新。

数据下发模块在将下发的参数根据通信协议进行装帧的同时，还需要控制数据的下发过程，其中***初始化数据和***启动标志只下发一次；通道更新数据的更新频率会因为参数类型的不同而不同，通道初始化参数只有出现新的通道时下发，NCO参数每个更新间隔都需要下发，而电文则需要根据不同频点的电文速率以不同的频率下发；每当有通道更新参数下发时，都需要同步下发数据更新标志。最后，数据下发模块需要调用驱动程序通知数据接收模块进行数据的接收。

在数据下发模块针对异常数据的下发，需要在每个更新间隔均检测当前是否有异常信号要生成，若没有，则不需要下发异常数据，生成的依然是正常的卫星信号，若有，则按照设计的异常参数的通信协议进行装帧。

数据解析存储模块接收数据接收模块的数据，有***参数和通道参数两种类型，根据不同的数据类型进行解帧。数据以128bit为基准进行解析，对于***参数数据，直接使用寄存器存储，使其在模拟平台运行期间一直保持原值不变。对于通道参数数据，使用FIFO存储技术，并结合数据更新标志进行数据的保存与读取。其中在解析***参数和通道参数时可以实现正常数据或异常数据的同步解析。

因为异常信号一旦配置之后便不再更改，所以异常信号数据只下发一次，若界面设置异常信号下发结束时，则再次下发异常信号数据即可，所以一般异常信号从开始到结束只下发两次，那么对于异常信号数据的解析，就直接使用寄存器存储，然后在异常数据输出阶段不再更改，直到异常信号结束生成，改为正常的卫星导航信号的生成，此时再次下发异常数据以完成对下位机的控制。其中码故障需要下发的数据包括通道号，故障卫星号，故障类型标识，码异常类型标识，TMA下降沿延迟或提前标识，TMA下降沿延迟或提前相位，码异常整数相位跳变延迟或提前标志，码异常整数相位跳变延迟或提前数值，码异常小数相位跳变延迟或提前标志，码异常小数相位跳变延迟或提前数值，TMB的IIR滤波器系数等，载波异常需要下发的数据包括通道号，故障卫星号，故障类型标识，载波异常类型标识，载波异常相位跳变延迟或提前数值，载波异常相位跳变延迟或提前标志，载波泄漏的幅度，IQ载波相位不正交的设置数值等。

数据解析模块包括如表6所示的异常***参数接收模块，和如表7所示的异常通道参数接收模块；主要是对正常数据的解析，但同时也包含有异常数据的解析，因为平台包含异常信号产生和正常信号产生两种状态。

表6

表7

如表6和表7所示，由数据解析模块获取了***参数和通道参数，这些参数将会传递给信号生成部分完成信号的生成和调制。

中断模块的输入输出接口如表8所示，以固定的间隔时间产生中断信号，并控制整个模拟平台的更新。初始化完毕后，在中断计数开始标志的控制下，中断产生模块开始计数，在满足更新周期的条件时，产生中断信号并控制模拟平台的更新，然后计数重新开始并重复此过程。因为中断产生模块使用硬件实现中断，可以实现较为准确的中断控制，保证了模拟平台信号的实时性和连续性。

表8

PCIE模块完成对***和通道参数的解析之后，将参数传递给FPGA模块，最终实现模拟信号的中频输出。

FPGA模块也就是信号生成部分，其接收来自数据通信部分传递过来的参数，主要实现载波，伪码，电文的产生和调制，接收PCIE模块传递过来的参数，生成异常数字中频信号，并控制DA芯片进行数模转换。

具体包括：异常伪码读取模块12，伪码TMB产生模块13，异常电文模块14，异常相位控制模块15，异常载波模块16，异常中频调制模块17，异常幅度控制模块18以及异常通道模块19。

每个频点的信号生成模块包含16个通道模块，每个通道模块对应当前***时间的一颗可见卫星状态，16个通道模块的输出将在信号生成模块完成合成；每个通道模块包含异常电文模块，异常相位控制模块，异常载波模块，异常中频调制模块，异常幅度控制模块等五个模块，异常载波模块在载波初始码相位和载波NCO参数的控制下输出载波信号的采样，异常相位控制模块在码初始相位和码NCO参数的控制下输出扩频码码片，异常电文模块逐比特地输出下发的电文参数，异常中频调制模块最终将信号的各部分进行调制，异常幅度控制模块将调制信号乘以一定的幅度，以实现信号功率的可控性。每个通道生成的信号通过加和后送入DAC芯片中完成数模转换，得到模拟中频信号。

异常伪码读取模块，根据设置的频点产生该频点下每颗卫星的伪码，同时根据输入的伪码相位数据产生该相位上的伪码码片值，在需要伪码TMA(Threat Model A,TMA)产生时，会在该模块进行相应的处理，实现异常的伪码码片值的输出；

异常伪码读取模块的输入输出接口如表15所示，该模块会根据上位机设置的不同频点的及卫星星号产生对应卫星的扩频码值并以RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)的形式存储，输入相应的扩频码相位就会得到对应的扩频码信号。此时额外为故障卫星添加一个RAM，使得从异常相位控制模块输出具有延时的码计数相位，从该RAM中取得具有延时的伪码信号，再通过与该卫星的正常伪码信号相减等一系列处理，从而得到固有TMA异常的伪码信号的输出。

表15

伪码TMB产生模块，在有伪码TMB产生时，将异常伪码读取模块输出的码片值进行处理产生畸变的码片值，输入输出接口如表16所示，该模块的实现框图如图3所示。取得输入的故障卫星号的伪码信号，将其看做x(n)作为IIR滤波器的输入。IIR滤波器的实现主要包括乘法累加模块和延时模块。乘法累加模块实现了不同时刻的输入和反馈分别与对应的系数相乘，并把相乘结果全部累加。本模块采用FPGA乘法IP核和加法IP核来实现，虽然会比直接使用“+”和“*”需要更长的时间，但是能更好的节省***的资源。经测算，乘法IP核会延时3个时钟，加法IP核会延时2个时钟，所以从输入到输出的乘法累加模块会延时9个FPGA的时钟周期。而对输出数据的截短等处理需要额外的2个时钟周期，所以从当前时刻数据的输入到对应该时刻的数据的输出需要11个时钟周期，因此对于输入x(n)及其延时信号x(n-1)，x(n-2)和反馈输入y(n-1)，y(n-2)，每11个时钟进行一次输入更新。延时模块主要包括输入更新时钟和IP核输入时钟，在当前板卡的时钟下驱动IP核进行乘法和累加计算，然后在该时钟的驱动下，再加入一个计数时钟，每11个时钟对乘法IP核的输入进行更新。最后将IIR滤波器的输出y(n)量化为1比特从该模块输出。

表16

异常电文模块，产生用于调制的数据码值。输入输出接口如表10所示，电文模块接收电文、电文速率参数和来自扩频码生成模块的电文比特更新脉冲。输入一子帧的电文，然后在电文比特更新脉冲和电文速率参数的控制下逐比特输出电文信号。

表10

异常相位控制模块，产生伪码相位值；具体为：在需要伪码TMA产生时输出异常伪码读取模块需要的异常伪码相位值，在需要伪码相位跳变时产生跳变的伪码相位值。

输入输出接口如表11所示，扩频码生成模块一方面完成扩频码的生成，另一方面产生电文更新信号控制电文生成模块的电文更新。扩频码的生成主要通过DDS控制扩频码的相位来实现，DDS输出相位的最高位每溢出一位，对应扩频码在初始的码相位i_Code_Count_ini的基础上加1，以记录一个周期每个时刻的码片数，每经过一个扩频码周期，会产生一个扩频码周期脉冲，电文生成模块接收此脉冲信号控制电文的更新。

在该模块会输出码相位跳变异常，当码相位有小数跳变时，控制DDS输出的相位额外增加跳变的相位值，当码相位整数跳变时，在当前扩频码码片数的基础上额外增加跳变的整数值。因为每次跳变只加一次，所以当判断有异常信号需要产生时，通过状态机实现码相位的一次性跳变，另外当该故障注入结束时，需要将码相位回归到正确的值，所以仍通过状态机完成一次性的减去在注入时加上去的跳变值。

另外，由于对于TMA的实现方案如图2所示，可通过将正常的码相位通过延迟deta值，此时伪码的上升沿和下降沿均有延时，然后将具有延时的伪码与正常的伪码进行相减，得到的差值码片只取大于0的部分，小于0的部分默认取值为0，再将处理后的该差值码片与正常码片相加，即可实现正常码片下降沿的延迟，因此在该模块会额外的输出具有延时的码计数值o_CodeFault_TMA_count，其与正常的码相位计数o_Code_count在异常伪码读取模块共同作用，从而实现TMA异常信号的输出。

表11

异常载波模块，根据载波相位值产生对应的载波幅度值，在需要载波相位跳变时产生跳变的载波相位值，在需要载波IQ不正交时产生异常的I路和Q路相位值。

异常载波模块的输入输出接口如表12所示，接收载波初始相位和载波NCO参数，利用DDS进行载波相位的控制，最后输出16比特的载波信号。模块内使用ROM(Read OnlyMemory image，只读存储器镜像)存储16比特量化的载波幅值查找表，将DDS输出的相位控制字进行截取作为查找表的地址，根据此地址的变化得到对应的载波信号，截取DDS输出控制字的高14位后可得到亚毫米级别的伪距测量精度。载波生成模块输出正弦载波和余弦载波两路载波信号。可以满足对导频路和数据路有不同要求的频点信号的调制，其中正弦波从0地址处开始读取，二余弦波从π/2所对应的地址处开始进行读取。

在该模块会输出载波相位跳变和载波IQ不正交的异常载波值，当检测到载波相位跳变时，同样通过状态机控制DDS的输出值额外增加跳变的载波相位值，这里需要控制正弦载波和余弦载波均需加上跳变的载波相位；对于载波IQ两路不正交，也就是正弦载波和余弦载波的相位差值不是π/2，通过状态机只对正弦载波的相位添加跳变的相位值，也就实现了数据路和导频路的相位不正交。

表12

异常中频调制模块的输入输出接口如表13所示，其接收载波、伪码和电文，完成数据路信号的调制和信号幅度的控制。对于数据通道，模块首先需要将电文、扩频码进行同或操作，然后根据此值判断载波信号是否进行反相，如果此值为1则载波信号保持当前相位，如果此值为0则需要对载波信号进行反相操作。

为了实现载波泄漏，需要输出不经过调制的载波值，即o_IF_signal_leak。因为载波泄漏即为在信号的频谱中心出现小尖峰，也就是信号的中心载波值的幅度太大而出现的一种异常现象。

表13

异常幅度控制模块输入输出接口如表14所示，调制的载波信号和未经调制的载波信号分别通过乘法器实现对信号幅度的控制，再相加后，取高16位作为中频异常信号的输出。若不存在载波泄漏时，此时会将未经调制的载波信号乘以0，因此其不会对正常的卫星信号产生影响。

表14

异常通道模块的输入输出接口如表15所示，在通道模块中完成对一颗可见卫星的正常卫星信号或故障卫星信号的生成工作，最终得到调制后的16比特的数字信号。同时在该模块实现将输出的中频信号o_IF_signal通过设计的FIR滤波器，该滤波器为通过Matlab软件的fdatool工具得到的滤波器参数，并通过coe文件输入，实现输出信号的的频谱不对称。

表15

卫星导航异常信号模拟平台的实现过程中，关键在于对各种故障类型的分别建模以及与CPU模块和FPGA模块的结合实现，完成了实际工程中异常信号的输出。

首先，信号失锁主要是人为的选定某一颗或某几颗可见星为不可见，当数据可见性判断模块检测到某几颗可见星设置为不可见时，将对其可见性的标志强制更改为不可见标志，因此后续不再对设置的卫星进行处理，从而完成可见星到不可见星的信号失锁的故障注入。导航电文异常主要包括的是时钟校正参数中的钟差，卫星的健康状况，电离层参数以及连续比特位翻转，用户可以根据某颗卫星实际的对应参数的量级来设置异常参数。在电文数据模块编码时，当检测到异常电文数据的输入时，完成对异常电文的编码，从而实现该种类型故障的注入。信号功率异常主要包括功率值在某时刻的突变和功率值按一定的变化率递增或递减，用户可以设置功率的跳变或递增递减的参数，在通道数据模块生成通道数据时，当检测到功率异常数据的输入时，完成对原有卫星信号功率量化值的更改，从而实现功率异常的注入。

CPU模块只能实现部分异常类型的注入，因此需要在CPU完成了全部的异常参数的配置并进行处理，通过PCIE模块的通信链路下发给FPGA模块，在FPGA模块实现载波异常和伪码异常的注入。在数据下发模块中，首先需要设计异常数据的传输通信协议，当检测到有异常数据需要下发，即按照设计的协议模式进行数据的下发；同样，当检测到异常信号停止产生的标志时，就在此下发异常数据，使FPGA模块开始正常的信号的输出。在数据解析模块，当检测到有异常数据的下发时，就会按照其通信协议对里面的数据进行提取。通过数据通信链路，完成了CPU模块对FPGA模块故障注入的控制。

FPGA模块主要实现的是伪码异常和载波异常，其中伪码异常包括数字模型(TMA)，模拟模型(TMB)，混合模型(TMC，为TMA和TMB的简单加和)和伪码相位跳变，TMA异常的输出通过异常伪码读取模块和异常相位控制模块的联合控制实现伪码下降沿的提前或延迟处理；TMB异常的输出通过伪码模拟模型产生模块的二阶IIR滤波器实现对伪码的振荡处理；TMC异常的输出通过将以上TMA和TMB实现过程共同进行处理来实现的；伪码相位跳变的输出通过异常相位控制模块的状态机完成对伪码相位的一次跳变。载波异常包括载波相位跳变，载波IQ不正交，载波泄漏和频谱不对称，其中载波相位跳变和载波IQ不正交均通过异常载波模块编写的状态机完成对载波相位的一次跳变；载波泄漏通过异常中频调制模块和异常幅度控制模块，使得调制后的载波信号加上一定幅度的未调制的载波信号，从而实现其异常信号的输出；频谱不对称通过异常通道模块设计的FIR滤波器使得输出信号的频谱出现不对称。

所述的基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟方法，如图4所示，具体步骤如下：

步骤一、某用户利用频点及用户参数配置模块进行初始化参数的配置；

初始化参数包括：模拟器所仿真的信号频点、仿真时间、用户运动模型以及故障类型等。

步骤二、根据初始化参数中的信号频点，初始化卫星状态模块进行***信息的配置，得到仿真时刻各卫星的三维坐标。

需要进行初始化的***信息包括调制方式、扩频码速率及码长、载波频率、电文速率、扩频子码的速率和码长、子载波的速率等信息；并从相应的星历文件和历书文件中读取星历，根据仿真时间和读取的星历数据，为每颗卫星筛选出有效的星历数据，依据准则为距离当前仿真时间最近原则，最终得到仿真时刻卫星位置的三维坐标。

步骤三、根据初始化参数中的用户运动模型，初始化用户状态模块实时更新用户载体的三维坐标并生成用户载体的运动轨迹。

步骤四、根据各卫星和该用户的三维坐标，卫星可见性判断模块判断各卫星是否一直可见，如果是，进入步骤五，否则，将卫星标记为不可见，不予处理。

针对仿真时刻和约为6s之后的时刻，分别计算各卫星相对该用户的仰角，卫星可见性判断模块判断两个时刻的仰角是否都在阈值范围之内，如果是，则认为该卫星一直可见，否则，该卫星不可见。

从可见星里面可选择性的将可见卫星设置为不可见即为异常状态，满足可见卫星的正常和异常状态的选择输出，该模块输出卫星是否可见的判断结果。

步骤五、将各可见卫星的三维坐标和用户的三维坐标，同时输入到传输时间计算模块，计算各可见卫星到用户的传输时间，相对速度和相对加速度；

传输时间计算模块通过迭代，首先设定传输时间初始值，然后利用用户的位置坐标和仿真时间作为已知数据进行时间上的迭代，逐渐趋近于真实的导航信号传输时间。在得到传输时间参数之后，根据卫星与用户之间的相对速度和相对加速度对NCO参数进行计算。

步骤六、同时，电文数据模块根据接口控制文件中的规定，对各可见卫星产生的正常或者异常的电文比特流数据进行转换，编码和校验。

当某个可见卫星的界面配置为正常的模拟信号，则该可见卫星输出正常的电文比特流数据；若界面配置为异常的模拟信号，则该可见卫星输出异常的电文比特流数据。

步骤七、通道数据模块判断各可见卫星的通道状态是否为可见，如果是，将该可见卫星对应的数据进行更新，并通过可见通道传输到PCIE模块；否则，清空该可见卫星通道内的数据。

对应的数据进行更新是指：针对某可见卫星，利用该卫星到用户的传输时间，相对速度和相对加速度，计算该可见卫星的NCO参数；NCO参数包括载波NCO参数和伪码NCO参数；并将NCO参数以及校验后该卫星输出的正常或者异常的电文比特流数据，通过自身可见的通道状态传输到PCIE模块；

而且可选择某颗星的功率参数进行修改，使得功率大于或者小于正常值而影响接收机对信号的接收，实现正常和异常状态功率值的可选择输出。

步骤八、针对每个可见卫星，PCIE模块中各个模块完成数据的下发与接收，以及中断的响应与处理；对***和通道参数的解析后传递给FPGA模块；

具体步骤为：

首先，数据下发模块将可见卫星的通道中的NCO参数，以及校验后各卫星输出的正常或者异常的电文比特流数据进行装帧，并依据不同的数据类型以不同的更新频率调用硬件设备的驱动程序进行数据的下发控制。

然后，数据接收模块进行接收并传输给数据解析存储模块进行解析；

数据解析存储模块针对初始化卫星状态模块配置的***信息，以及通道中的NCO参数，以及校验后各卫星输出的正常或者异常的电文比特流数据，分别进行解析，并按照不同的类型存储在寄存器或FIFO中，同时将解析后的各信号分别传输给FPGA模块的各个模块。

步骤九、FPGA模块接收PCIE模块传递过来的参数，实现载波，伪码，电文的产生和调制，生成异常数字中频信号；

如图5所示，具体步骤为：

步骤901、异常载波模块根据PCIE模块传递过来的载波NCO参数，利用DDS实现载波相位的控制，利用状态机实现载波相位跳变或载波IQ不正交，输出16bits的正常或异常载波信号；

步骤902、异常相位控制模块根据PCIE模块传递过来的伪码NCO参数，利用DDS实现伪码的相位控制，利用状态机实现伪码相位跳变，输出14bit的正常或异常的伪码相位信号；

步骤903、异常电文模块根据PCIE模块传递过来的正常或异常的电文比特流数据实时更新电文信号；

步骤904、14bit的正常或异常的伪码相位信号被异常伪码读取模块读取，并传输给伪码TMB产生模块，产生正常或具有TMA，TMB异常的伪码码片值。

步骤905、异常中频调制模块同时接收16bits的正常或异常载波信号，正常或具有TMA，TMB异常的伪码码片值，以及更新的电文信号进行调制；

步骤906、异常幅度模块对调制后的综合信号进行幅度控制，并传输给异常通道模块；

步骤907、异常通道模块对幅度控制的信号进行判断，是否为异常信号，如果是，将该信号通过FIR滤波器，并输出频谱不对称的异常信号；否则，直接输出正常信号。

步骤十、将每个可见卫星输出频谱不对称的异常信号或正常信号进行加和处理，送入DAC芯片中进行数模转换，最终得到模拟的导航卫星信号。

Claims (9)

1.一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，其特征在于，包括CPU模块，PCIE模块和FPGA模块；

CPU模块完成对异常参数的初始化配置，并对导航电文异常，信号失锁，信号功率异常的故障进行建模和关键参数的计算；PCIE模块主要实现CPU模块与FPGA模块的数据通信，完成异常数据的下发，接收，装帧，解析以及中断的响应与处理；FPGA模块完成对载波和伪码的异常处理，并将异常的载波，电文和伪码进行调制，得到异常的卫星数字中频信号；

CPU模块包括：频点及用户参数配置模块，初始化卫星状态模块，初始化用户状态模块，卫星可见性判断模块，传输时间计算模块，电文数据模块以及通道数据模块；

PCIE模块包括：数据下发模块，中断模块，数据接收模块以及数据解析存储模块；

CPU模块完成参数的计算后，在数据下发模块将异常数据进行装帧和下发，在数据接收模块通过PCIE模块和内存读取机制将数据接收并读取，然后数据解析存储模块接收***参数和通道参数两种数据，数据为正常数据或异常数据，不同的数据类型根据通信协议进行解帧并传输到FPGA模块；同时在中断信号的控制下，中断模块调控CPU模块完成数据的实时更新；

FPGA模块包括：异常伪码读取模块，伪码TMB产生模块，异常电文模块，异常相位控制模块，异常载波模块，异常中频调制模块，异常幅度控制模块以及异常通道模块。

2.如权利要求1所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，其特征在于，所述的频点及用户参数配置模块，通过可视化界面进行初始化异常参数的配置；参数包括与卫星有关的参数；与用户有关的参数以及与异常信号有关的参数；

初始化卫星状态模块，读取距离当前仿真时间最近的卫星星历，为每颗卫星筛选出有效的星历数据；

初始化用户状态模块，根据频点及用户参数配置模块设置的用户载体类型及状态模型，实时更新用户载体的状态，生成用户载体的运动轨迹；

卫星可见性判断模块，判断各颗卫星对于当前用户的位置是否处于可见状态，同时对信号失锁的状态进行判断和实现；

传输时间计算模块，完成卫星与用户之间的传输时间的计算和相对运动的模拟；

电文数据模块，将正常的卫星星历数据进行格式转换、编码、校验等操作，生成电文比特流；将错误的星历数据进行编写校验，生成异常电文比特流，从而实现异常信号的输出；

通道数据模块将信号生成所需要的NCO参数，电文以及可能生成的异常数据整合到统一的数据结构当中，传递给PCIE模块。

3.如权利要求1所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，其特征在于，所述的数据下发模块针对异常数据的下发，需要在每个更新间隔均检测当前是否有异常信号要生成，若没有，则不需要下发异常数据，生成的依然是正常的卫星信号，若有，则按照设计的异常参数的通信协议进行装帧；

数据解析存储模块对于***参数数据，直接使用寄存器存储；对于通道参数数据，使用FIFO存储技术，并结合数据更新标志进行数据的保存与读取；其中在解析***参数和通道参数时可以实现正常数据或异常数据的同步解析。

4.如权利要求1所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，其特征在于，所述的异常伪码读取模块，根据设置的频点产生该频点下每颗卫星的伪码，同时根据输入的伪码相位数据产生该相位上的伪码码片值，在需要伪码TMA(Threat Model A,TMA)产生时，会在该模块进行相应的处理，实现异常的伪码码片值的输出；

伪码TMB产生模块，在有伪码TMB产生时，将异常伪码读取模块输出的码片值进行处理产生畸变的码片值；

异常电文模块，产生用于调制的数据码值；

异常相位控制模块，产生伪码相位值；具体为：在需要伪码TMA产生时输出异常伪码读取模块需要的异常伪码相位值，在需要伪码相位跳变时产生跳变的伪码相位值；

异常载波模块，根据载波相位值产生对应的载波幅度值，在需要载波相位跳变时产生跳变的载波相位值，在需要载波IQ不正交时产生异常的I路和Q路相位值；

异常中频调制模块，根据伪码值，电文数据值和载波幅度值进行BPSK调制，输出中频的数字信号，在需要载波泄漏时同时生成未经调制的载波中频数字信号；

异常幅度控制模块，对异常中频调制模块输出的中频信号进行幅度的控制，在需要载波泄漏时同时产生幅度可变的载波信号；

异常通道模块，将多颗卫星输出的数字中频信号进行累积加和，输出总的数字信号；在需要频谱不对称时，通过对数字信号处理产生频谱畸变的数字信号。

5.基于权利要求1所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器的异常信号模拟方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、某用户利用频点及用户参数配置模块进行初始化参数的配置；

步骤二、根据初始化参数中的信号频点，初始化卫星状态模块进行***信息的配置，得到仿真时刻各卫星的三维坐标；

步骤三、根据初始化参数中的运动模型，初始化用户状态模块实时更新用户载体的三维坐标并生成用户载体的运动轨迹；

步骤四、根据各卫星和该用户的三维坐标，卫星可见性判断模块判断各卫星是否一直可见，如果是，进入步骤五，否则，将卫星标记为不可见，不予处理；

针对仿真时刻和6s之后的时刻，分别计算各卫星相对该用户的仰角，卫星可见性判断模块判断两个时刻的仰角是否都在阈值范围之内，如果是，则认为该卫星一直可见，否则，该卫星不可见；

将可见卫星设置为不可见即为异常状态，满足可见卫星的正常和异常状态的选择输出；

步骤五、将各可见卫星的三维坐标和用户的三维坐标，同时输入到传输时间计算模块，计算各可见卫星到用户的传输时间，相对速度和相对加速度；

步骤六、同时，电文数据模块对各可见卫星产生的正常或者异常的电文比特流数据进行转换，编码和校验；

当某个可见卫星的界面配置为正常的模拟信号，则该可见卫星输出正常的电文比特流数据；若界面配置为异常的模拟信号，则该可见卫星输出异常的电文比特流数据；

步骤七、通道数据模块判断各可见卫星的通道状态是否为可见，如果是，将该可见卫星对应的数据进行更新，并通过可见通道传输到PCIE模块；否则，清空该可见卫星通道内的数据；

步骤八、针对每个可见卫星，PCIE模块中各个模块完成数据的下发与接收，以及中断的响应与处理；对***和通道参数的解析后传递给FPGA模块；

步骤九、FPGA模块接收PCIE模块传递过来的参数，实现载波，伪码，电文的产生和调制，生成异常数字中频信号；

具体步骤为：

步骤901、异常载波模块根据PCIE模块传递过来的载波NCO参数，利用DDS实现载波相位的控制，利用状态机实现载波相位跳变或载波IQ不正交，输出16bits的正常或异常载波信号；

步骤902、异常相位控制模块根据PCIE模块传递过来的伪码NCO参数，利用DDS实现伪码的相位控制，利用状态机实现伪码相位跳变，输出14bit的正常或异常的伪码相位信号；

步骤903、异常电文模块根据PCIE模块传递过来的正常或异常的电文比特流数据实时更新电文信号；

步骤904、14bit的正常或异常的伪码相位信号被异常伪码读取模块读取，并传输给伪码TMB产生模块，产生正常或具有TMA，TMB异常的伪码码片值；

步骤905、异常中频调制模块同时接收16bits的正常或异常载波信号，正常或具有TMA，TMB异常的伪码码片值，以及更新的电文信号进行调制；

步骤906、异常幅度模块对调制后的综合信号进行幅度控制，并传输给异常通道模块；

步骤907、异常通道模块对幅度控制的信号进行判断，是否为异常信号，如果是，将该信号通过FIR滤波器，并输出频谱不对称的异常信号；否则，直接输出正常信号；

步骤十、将每个可见卫星输出频谱不对称的异常信号或正常信号进行加和处理，送入DAC芯片中进行数模转换，最终得到模拟的导航卫星信号。

6.如权利要求5所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟方法，其特征在于，步骤一中所述的初始化参数包括：模拟器所仿真的信号频点、仿真时间、用户运动模型以及故障类型。

7.如权利要求5所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟方法，其特征在于，步骤二中所述的***信息包括调制方式、扩频码速率及码长、载波频率、电文速率、扩频子码的速率和码长、子载波的速率。

8.如权利要求5所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟方法，其特征在于，步骤七中所述的对应的数据进行更新是指：针对某可见卫星，利用该卫星到用户的传输时间，相对速度和相对加速度，计算该可见卫星的NCO参数；NCO参数包括载波NCO参数和伪码NCO参数；并将NCO参数以及校验后该卫星输出的正常或者异常的电文比特流数据，通过自身可见的通道状态传输到PCIE模块。

9.如权利要求5所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟方法，其特征在于，所述的步骤八具体步骤为：

首先，数据下发模块将可见卫星的通道中的NCO参数，以及校验后各卫星输出的正常或者异常的电文比特流数据进行装帧并下发；

然后，数据接收模块进行接收并传输给数据解析存储模块进行解析；

数据解析存储模块针对初始化卫星状态模块配置的***信息，以及通道中的NCO参数，以及校验后各卫星输出的正常或者异常的电文比特流数据，分别进行解析，并按照不同的类型存储在寄存器或FIFO中，同时将解析后的各信号分别传输给FPGA模块的各个模块。