CN202794536U - 三模卫星信号模拟器 - Google Patents

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孙希延
邓洪高
纪元法
王守华
符强
吴孙勇
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Abstract

本实用新型公开一种三模卫星信号模拟器，上位机经串口与FPGA相连，来自上位机的数据经FPGA分发给FPGA本身和DSP；FPGA与DSP相连，DSP计算完的数据在每个中断传给FPGA，FPGA生成的信号经3个DA后分别至3个上变频模块，3路射频信号经合路器合为一路，最后由发射天线或射频电缆发射出去。本实用新型核心技术为BD/GPS/GLONASS三***的时间和空间的统一；由于BD/GPS/GLONASS卫星信号生成有很多相同点，采用程序模块共用的方法，使得在1片DSP芯片+1片FPGA芯片搭建的基带板上完成基带信号处理；利用BD/GPS/GLONASS频点相近特点，生成的3路射频信号经合路器合为1路输出；从而有效缩短了研发周期、降低了模拟器硬件成本。

Description

三模卫星信号模拟器
技术领域
本实用新型涉及卫星导航领域，具体涉及一种兼容BD/GPS/GLONASS卫星导航***的三模卫星信号模拟器。
背景技术
目前，世界已经建成两大全球卫星导航***，即美国的GPS和俄罗斯的GLONASS，其次，还有两个正在加紧建设的卫星导航***，即欧盟的GALILEO和中国的BD。其中，GPS和GLONASS是相对比较成熟的卫星导航***，但是，BD作为一个新的卫星导航***，其信号体制（包括：频率、信号带宽、信号调制方式、码速率、信息速率、电文格式等）、星座设计、地面站设计、接收机设计都是全新的，而且在建设过程中可能存在调整，所有这些设计过程中均需经过科学验证，特别是协议层格式设计，必须经过合理、充分的验证。未来的卫星导航***是多***、多体制同时存在，***间的兼容性和互操作性将是卫星导航***发展的重要方向，因此，验证***之间的兼容性和互操作性将变得非常重要。随着卫星导航接收机在国内军事和民用导航领域的作用变得越来越重要，对接收机用户，特别是对军用飞机、导弹及航天器一类的高动态用户来说，拥有测试接收机性能的卫星信号模拟器变得十分必要。
多体制高性能卫星信号模拟器研制涉及伪码扩频调制与载波相位精确控制、误差模型、多***时空统一等许多高精尖技术，技术难度很大。由于涉及军事目的，卫星导航信号模拟器研究领域国外公开发表的技术文献很少，进口的卫星信号模拟器的载体运动类型也有严格限制。但是，卫星信号模拟器又是接收机终端研发和导航***验证必要的手段，因此，突破高动态卫星信号模拟器关键技术，研制具有自主知识产权的多体制高性能卫星导航信号模拟器，推动BD卫星导航***发展势在必行。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种三模卫星信号模拟器，其能够兼容多种体制的卫星导航***。
为解决上述问题，本实用新型所是通过以下技术方案实现的：
本实用新型一种三模卫星信号模拟器，主要由上位机、DSP信息处理模块、FPGA信号处理模块、3个D/A转换模块、3个上变频模块、合路器、以及发射天线或输出电缆组成；上位机与FPGA信号处理模块相互连接，DSP信息处理模块和FPGA信号处理模块相互连接，FPGA信号处理模块的3个输出端分别经由3个D/A转换模块连接至3个上变频模块的输入端，3个上变频模块的输出端共同连接至合路器的输入端，合路器的输出端上连接有发射天线或输出电缆；其中
上位机，读取内部预存的BD星历和历书参数、GPS星历和历书参数、GLONASS星历和历书参数，并由用户设定接收机运动轨迹和***模拟时间，并把上述这些参数打包发给FPGA信号处理模块，FPGA信号处理模块再发送给DSP信息处理模块；
DSP信息处理模块，接收由FPGA信号处理模块转发的上位机参数，
首先，把***模拟时间认定为GPS***时间GPST，并根据设定的接收机运动轨迹、GPS星历参数以及上述所得GPS***时间GPST计算GPS的卫星位置、伪距、导航电文、初始码相位、初始载波相位、初始码频率控制字、及初始载波频率控制字；
其次，根据GPS时间***与BD时间***的转换公式即公式（1）把***模拟时间转换为BD***时间BDT，并根据设定的接收机运动轨迹、BD星历参数以及上述所得BD***时间BDT计算BD的卫星位置、伪距、导航电文、初始码相位、初始载波相位、初始码频率控制字、及初始载波频率控制字；其中GPS时间***与BD时间***的转换公式为
GPST-BDT=-A0GPS-A1GPS×BDT    （1）
式中，GPST是指GPS***时间；BDT是BD***时间；A0GPS为BDT相对GPST***时间的钟差；A1GPS为BDT相对GPST***时间的钟速；其中A0GPS和A1GPS均在BD的导航电文中播发。
同理，根据GPS时间***与GLONASS时间***的转换公式即公式（2）把***模拟时间转换为GLONASS***时间GLST，并根据设定的接收机运动轨迹、GLONASS星历参数以及上述所得GLONASS***时间GLST计算GLONASS的卫星位置、伪距、导航电文、初始码相位、初始载波相位、初始码频率控制字、及初始载波频率控制字；其中GPS时间***与GLONASS时间***的转换公式为
GPST-GLST=15+(tutc-gls-tutc-gps)（2）
式中，GPST是指GPS***时间；GLST是GLONASS***时间；Δutc-gps为GPST与UTC在小数秒的差异，GPS在导航电文中播发了GPS与UTC的闰秒差和小数秒差，用于将GPST转换为UTC时间；Δtutc-gls为GLST与UTC在小数秒的差异，GLONASS在导航电文中播发了GLONASS与UTC的小数秒差，用于将GLST转换为UTC时间。
最后，将上述所有计算结果一并送入FPGA信号处理模块的寄存器中进行存储；
FPGA信号处理模块，在同步时钟信号控制下，同步启动FPGA信号处理模块中的BD、GPS和GLONASS通道，让BD、GPS和GLONASS通道分别首先根据卫星号、生成相应频率的载波信号和伪码信号，然后将生成的伪码信号与导航电文模二加、再调制到生成的载波信号上生成数字中频信号，最后将多颗卫星的数字中频信号进行数字叠加后分别输出给相对应的3个D/A转换模块；
3个D/A转换模块，分别完成BD、GPS和GLONASS基带信号的数字量到模拟量的转换后，分别送至相对应的3个上变频模块；
3个上变频模块，分别将对应的D/A转换模块送来的中频信号变频到BD、GPS和GLONASS标称射频频率；
合路器，将3个上变频模块送来的3路射频信号合为一路，由发射天线或输出电缆输出。
与现有技术相比，本实用新型能够将BD/GPS/GLONASS三***的时间和空间进行统一，并利用BD/GPS/GLONASS卫星信号生成有很多相同点，采用程序模块共用的方法，使得在1片DSP芯片＋1片FPGA芯片搭建的基带板上完成基带信号处理；此外，还利用BD/GPS/GLONASS频点相近的特点，生成的3路射频信号经合路器合为1路输出；从而有效缩短了研发周期、降低了模拟器硬件成本。对卫星导航***而言，本实用新型为***工程建设中信号体制验证和评估提供了手段，降低***建设风险。对接收机用户而言，本实用新型提供了一个可靠、稳定、准确、及易用的室内仿真和测试环境。
附图说明
图1为一种三模卫星信号模拟器的组成原理图；
图2为DSP信息处理模块原理图；
图3为FPGA信号处理模块原理图。
具体实施方式
一种三模卫星信号模拟器如图1所示，其主要由上位机、DSP信息处理模块、FPGA信号处理模块、3个D/A转换模块、3个上变频模块、合路器、以及发射天线或输出电缆组成；上位机与FPGA信号处理模块相互连接，DSP信息处理模块和FPGA信号处理模块相互连接，FPGA信号处理模块的3个输出端分别经由3个D/A转换模块连接至3个上变频模块的输入端，3个上变频模块的输出端共同连接至合路器的输入端，合路器的输出端上连接有发射天线或输出电缆。
上述各个主要功能模块的主要功能如下：
上位机主要完成BD星历和历书、GPS星历和历书、GLONASS星历和历书、接收机的运动轨迹、***模拟时间等参数设定，并把上述这些参数通过串口发给FPGA信号处理模块，FPGA信号处理模块再发送给DSP信息处理模块。在上位机界面上，BD、GPS和GLONASS三个***的***时间都统一到本地的UTC时间，BD、GPS和GLONASS三个***的***坐标系都转换为WGS-84坐标系。
DSP信息处理模块接收机上位机的发来的数据，并把***模拟时间认为为GPS***时间GPST，进而根据GPS时间***与BD时间***的转换公式和GPS时间***与GLONASS时间***的转换公式推算出BD和GLONASS***时间BDT和GLST。
上述GPS时间***与BD时间***的转换公式为
GPST-BDT=-A0GPS-A1GPS×BDT    （1）
式中，GPST是指GPS***时间；BDT是BD***时间；A0GPS为BDT相对GPST***时间的钟差；A1GPS为BDT相对GPST***时间的钟速，其中A0GPS和A1GPS均在BD导航电文中播发。
上述GPS时间***与GLONASS时间***的转换公式为
GPST-GLST=15+(Δtutc-gls-Δtutc-gps)（2）
式中，GPST是指GPS***时间；GLST是GLONASS***时间；Δutc-gps为GPST与UTC在小数秒的差异，GPS在导航电文中播发了GPS与UTC的闰秒差和小数秒差，用于将GPST转换为UTC时间；Δtutc-gls为GLST与UTC在小数秒的差异，GLONASS在导航电文中播发了GLONASS与UTC的小数秒差，用于将GLST转换为UTC时间。
在GPS***时间GPST、BD***时间BDT和GLONASS***时间GLST的驱动下DSP信息处理模块完成BD、GPS和GLONASS导航电文解码和星历参数提取；并根据载体运动位置、速度和时间信息，模拟BD、GPS和GLONASS卫星的位置和速度，进而推算出BD、GPS和GLONASS卫星信号传播延迟和多普勒频移等基本信息；建立各种误差模型，主要包括多路径误差、原子钟误差、电离层误差、对流层误差、地球自转误差等，根据模型计算误差，生成修正和改变卫星信号状态的参数；根据上位机提供的载体运动轨迹参数，进行高动态NCO模拟；DPS信息处理模块和FPGA信号处理模块的NCO模拟误差的实时校正。
FPGA信号处理模块接收DSP信息处理模块的导航电文、相位延迟、码和载波的NCO等数据，完成导航卫星信号的伪码和载波产生、高动态信号码NCO和载波NCO的产生、完成导航电文的伪码调制与载波调制和完成模拟源各通道数字中频信号的调制；并接收上位机发送的功率控制指令，实现调制信号的功率控制、完成D/A数模转换芯片的初始和控制寄存器设置、完成***间的数据通信，包括串口驱动设计，读写数据的发送、接收和缓存。
3个D/A转换模块分别把FPGA信号处理模块输出的3路BD、GPS和GLONASS数字信号变为模拟信号；
3个上变频模块主要用于完成BD、GPA和GLONASS三路上变频和输出功率的产生，***的设计需要满足信号幅度（模拟源输出信号幅度精度、准确性、变化范围）、相噪指标、频率稳定度，信号带宽等指标要求，射频模块均是通过模拟源件实现的。
合路器模块主要是把三路射频信号合为一路输出，由于BD、GPS和GLONASS的射频信号相近，故可以三路合为一路，由一个发射天线发射或一条射频电缆输出出去。

Claims (1)

1.一种三模卫星信号模拟器，其特征是：主要由上位机、DSP信息处理模块、FPGA信号处理模块、3个D/A转换模块、3个上变频模块、合路器、以及发射天线或输出电缆组成；上位机与FPGA信号处理模块相互连接，DSP信息处理模块和FPGA信号处理模块相互连接，FPGA信号处理模块的3个输出端分别经由3个D/A转换模块连接至3个上变频模块的输入端，3个上变频模块的输出端共同连接至合路器的输入端，合路器的输出端上连接有发射天线或输出电缆。
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