CN209446772U - 一种北斗三代卫星信号模拟*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种北斗三代卫星信号模拟***，它是利用上位机经RS232串口与FPGA完成实时信息交互，上位机把用户定义的数据发给FPGA，同时，FPGA将自身存储的信息回传给上位机用于显示。FPGA与DSP通过EMIF地址线完成信息的实时交互，在中断到来时，DSP将计算的各种参数传给FPGA，同时，FPGA将存储的特定数据回传给DSP用于校验。之后，FPGA将生成的信号经过DA转换模块后传给上变频模块，最终由发射天线或射频电缆发射出去。本实用新型采用程序模块共用的方法，基带板使用DSP+FPGA组合的方式完成对基带信号的处理，从而有效缩短了研发周期，降低了模拟器硬件成本，方便测试环境构建。

Description

一种北斗三代卫星信号模拟***

技术领域

本实用新型涉及卫星导航定位技术，具体是一种北斗三代卫星信号模拟***。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System)即“全球导航卫星***”，是卫星导航***的统称，包含美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的BDS、欧盟的 Galileo***。迄今为止，能够实现全球覆盖的全球导航定位***只有两个，一个是美国的GPS全球卫星定位***，另一个是俄罗斯的GLONASS***。目前，北斗二代卫星导航***的组建还不够完善，无法实现全球覆盖，服务区域仅仅局限于亚太地区。为了使北斗卫星导航***更好的为全球提供服务，我国将最终发射 35颗北斗导航卫星(5颗静止轨道卫星+3颗倾斜地球同步轨道卫星+27颗中圆轨道卫星)，采用无源与有源导航方式相结合的全球卫星导航***。北斗三代较之前的二代导航***在信号体制(包括频率、信号调制方式、码速率、电文格式等) 和接收机设计上都有很大的调整。所有的这些设计必须要经过不断的验证，找到一种最合理的设计来确定最终的设计。北斗三代卫星导航***在不久的将来就可以为全球提供精确的位置定位服务，特别是对我国军事导航领域更是质的飞跃。北斗三代卫星信号模拟器的研制，对于接收机的发展至关重要，可以在实验室就模拟高动态等复杂环境用于接收机的测试，尤其对军用飞机、导弹及航天器一类的高动态用户来说更是如此。

北斗三代卫星信号模拟器BIC的频率调整为1575.42MHz、信号增加了BOC 调制、在码速率和电文格式上均做了很大的调整，同时又涉及很多高尖精的技术，技术难度很大。但是北斗三代卫星导航***是我国自主研发的导航***，对于军用接收机的终端研发和导航***验证有着很大的意义。因此，突破卫星信号模拟器关键技术，研制出高性能的北斗三代卫星信号模拟器，对于我国军事和民用的发展至关重要。

实用新型内容

本实用新型的目的是要提供一种北斗三代卫星信号模拟***，以实现北斗三代卫星信号的模拟，从而满足北斗三代接收机的研制和测试需求。

为解决上述问题，本实用新型通过以下技术方案来实现：

一种北斗三代卫星信号模拟***，包括顺序连接的DSP核心板、FPGA信号处理模块、上变频模块和发射天线/输出电缆模块，其中：

DSP核心板与上位机连接，将接收到上位机传输的数据进行分类存储，并根据传输过来的数据进行电文编写；

FPGA信号处理模块，对由DSP核心板传输过来的载波NCO值和码NCO值进行累加，同时产生中断计数传送给DSP核心板，用于DSP核心板中电文的编写与传输、NCO值的计算与传输；

上变频模块，将载波调制模块输出的基带信号上变频为射频信号，并送入发射天线；

发射天线，将射频信号发射出去。

所述FPGA信号处理模块，具有与DSP核心板之间的数据交互、载波NCO 和码NCO值的累加计算以及电文等数据的存储和伪码生成、扩频码调制、载波调制等功能，其中：

伪码生成，生成伪码，并将伪码送入扩频调制；

扩频码调制，将电文与伪码进行扩频调制后，送入载波调制；

载波调制，对送入的信号进行载波调制，并生成基带信号；

本实用新型的有益效果是：

1)可控制性：可以人为的选定或去除真实环境中的各类***误差，可以启用或屏蔽任意一种***或一颗导航卫星的信号。

2)可反复性：在相同的测试环境条件下可以进行多次重复的测验，从而对导航终端的定位性能和定位效果进行定量的分析。

3)广泛适用性：可以模拟仿真任何时间，任何地点的导航运动状态，可以仿真静止，低动态和高动态的环境下的导航信号。

4)可用性：卫星导航接收芯片的研发一般都是要先于卫星导航***的筹备，就是说在导航卫星***完成以前，就需要能够取得到相应的导航卫星发射的信号。导航卫星模拟器可以根据需要完全模拟任意种类的导航卫星***，从而使陆地开发与太空卫星可以同时正确的工作。

5)节约成本：利用导航卫星模拟器进行实验，可以在实验过程中节省大量人力和设备成本，在确保产品可靠质量的前提下不断提高效率，节约开发和测试周期。

附图说明

图1为本实用新型实施例北斗三代卫星信息模拟***的结构框图；

图2为本实用新型实施例DSP信息处理模块的原理图；

图3为本实用新型实施例FPGA单路信号生成原理图；

图4为本实用新型实施例BOC导航信号的调制过程图；

图5为本实用新型实施例BOC导航信号的实现方式示意图。

具体实施方式

实施例：

一种北斗三代新体制卫星信号模拟器***，主要由上位机和硬件平台构成。***如图1所示，硬件平台包括DSP信号处理模块、FPGA信号处理模块、D/A 转换模块、上变频模块和天线。

用户可以通过上位机输入自定义的全球任意位置的经纬度、时间、星历文件。上位机根据用户所输入的文件进行转换，之后把数据传输给硬件平台。同时上位机也有一定的计算功能，根据接收到的星历文件、经纬度和时间等信息来计算卫星的方位角和仰角。

DSP信号处理模块与FPGA信号处理模块通过EMIF连接，接收上位机通过 FPGA信号处理模块传输过来的信息，包括星历参数、模拟时刻、用户位置等。 DSP信号处理模块根据这些参数进行电文编写和卫星位置的计算。之后，通过计算得到的卫星位置计算出伪距、码相位、载波相位、码频率控制字及载波频率控制字。

FPGA信号处理模块与上位机相连完成数据实时的传输与接收。上位机将用户自定义的仿真时刻、用户位置、星历参数等信息通过处理后发给DSP，FPGA 信号处理模块与DSP信号处理模块通过EMIF相连，将DSP传过来的实时用户坐标、时间等信息传给上位机显示。FPGA与DSP之间通过中断，完成信息的实时交互。FPGA信号处理模块将DSP计算出的电文信息、载波频率控制字和码频率控制字的信息存储到寄存器中。将生成的伪码信号与导航电文模二加，BPSK调制后，再采用BOC调制，之后生成数字中频信号，最后将多颗卫星的数字中频信号进行数字叠加后输出给D/A转换模块。

上述BOC导航信号的调制功率谱具有裂谱性质，其主瓣***到了中心频率的两侧。这样，当BOC信号和传统BPSK信号共用频带时，它们的功率谱重叠度很低，有效降低了信号间的互干扰，提高了导航***的兼容性。再者，在相同码速率的前提下，BOC导航信号相关函数的主峰比传统BPSK信号的要陡峭，能为导航***提供更为良好的定位精度和抑制多径性能。

D/A转换模块将FPGA信号处理模块生成的数字中频信号转换成模拟中频信号，之后经过放大后传输给上变频模块；

上变频模块将D/A转换模块传输过来的模拟中频信号与本振信号混频，转变成北斗三代的射频信号的频率，最终通过发射天线或者输出电缆输出。

上述***所实现的一种北斗三代新体制卫星信号模拟器设计方法，包括如下步骤：

步骤1，北斗三代卫星信号模拟器，主要由上位机和硬件平台组成。硬件平台包括DSP核心板、FPGA基带板、上变频模块以及发射天线或输出电缆；

步骤2，上位机可由用户主观设置全球任意位置的经纬度、时间、运动轨迹、星历等信息。上位机将这些信息进行整合处理，生成一定格式的场景文件。之后通过串口工具，将这些数据发送至DSP核心板进行处理；

步骤3，DSP核心板把接收到上位机传输的数据进行分类存储。根据传输过来的星历数据进行电文编写，根据用户位置、时间、星历等信息计算出伪距、码相位、载波相位、码频率控制字及载波频率控制字等信息；

步骤4，每8ms中断到来，DSP将载波NCO值和码NCO值等信息通过EMIF 传输给FPGA，FPGA对传输过来的NCO值进行累加处理，通过累加器处理生成载波和伪码；

步骤5，调制器将传输过来的电文、载波、伪码进行调制，先将伪码和导航电文进行BPSK调制，之后进行BOC调制；

图4显示了BOC导航信号的调制过程，导航电文首先和PRN码(即伪随机码) 进行乘法运算完成扩频，然后再与一个具有更高码速率的方波副载波相乘，得到基带BOC信号。最后，将基带BOC信号调制到载波上得到用于发射的射频信号。基带BOC信号的频谱***成两个部分，相当于两个BPSK信号频谱左右搬移后的叠加，其左右搬移的值等于副载波的频率值。基带BOC信号的数学表达式如下：

其中，P为信号功率，c_i为PRN码(伪随机码)，p_a(t)为单位矩形脉冲，d_i(t) 为导航电文，T_c为PRN码的码片周期，s_i(t)为方波副载波，且其数学模型如下：

其中，N为副载波的脉冲数量，h_l为第1个脉冲的符号(其取值为-1,1)，T_s为副载波脉冲宽度，且T_s＝T_c/N。

BOC导航信号一般记为BOC(M,N)，其中M表示子载波与基准频率的比值， N表示伪随机码速率和基准频率的比值，即满足f_sc＝M*f_ref和f_prn＝N*f_ref。其中，f_ref表示基准频率，通常取值1.023MHz。此外，可以通过增添下标的方式来区分正弦和余弦BOC调制方式，即正弦和余弦BOC调制分别可以表示为 BOC_S(M,N)和BOC_C(M,N)。

在北斗三代卫星信号模拟器中，BOC调制后的信号与载波进行调制生成中频信号；信号的复包络可以表示为

s_B1C(t)＝s_{B1C_data}(t)+js_{B1C_pilot}(t)

其中，s_{B1C_data}(t)为数据分量，由导航电文数据D_{B1C_data}(t)和测距码 C_{B1C_data}(t)经子载波SC_{B1C_data}(t)调制产生，采用正弦BOC(1,1)调制方式； s_{B1C_pilot}(t)为导频分量，由测距码C_{B1C_pilot}(t)经子载波SC_{B1C_pilot}(t)调制产生，采用QMBOC(6,1,4/33)调制方式；数据分量与导频分量的功率比为1:3。两个分量的表达式如下：

步骤6，生成的中频信号经过混频生成射频信号，通过天线发射出去。

本实用新型涉及的关键技术为：

1、北斗三代测距码结构

B1C信号测距码采用分层码结构，由主码和子码相异或构成。子码的码片宽度与主码的周期相同，子码码片起始时刻与主码第一个码片的起始时刻严格对齐。B1C信号主码由Weil码通过截断产生，一个码长为N的Weil码序列可定义为

W(k；w)＝L((k+w)modN),k＝0,1,2....N-1

式中，L(k)是码长为N的legendre序列；w表示两个legendre序列之间的相位差。码长为N的legendre序列L(k)可根据下式定义产生：

且存在整数x，使得k＝x²modN

其中，mod表示模除运算。

通过对上述码长为N的weil码序列进行循环截取，可得到码长为N₀的测距码，即截断序列为：

c(n；w；p)＝W((n+p-1)modN；w),n＝0,1,2...N₀-1

式中，p为截取点，表示从weil码的第p位开始截取，取值范围为1～N。

B1C信号主码的码速率为1.023Mcps，码长为10230，由长度为10243的Weil 码通过截断产生，w取值范围为1～5121。

2、北斗三代导航电文结构

子帧1在纠错编码前的长度为14比特，包括PRN号和小时内秒计数 (SOH)。采用BCH(21,6)+BCH(51,8)编码后，长度为72符号位。

g_21,6(x)＝x⁶+x⁴+x²+x+1

g_51,8(x)＝x⁸+x⁷+x⁴+x³+x²+x+1。

Claims (2)

1.一种北斗三代卫星信号模拟***，其特征是：包括顺序连接的DSP核心板、FPGA信号处理模块、上变频模块和发射天线/输出电缆模块，其中：

DSP核心板与上位机连接，将接收到上位机传输的数据进行分类存储，并根据传输过来的数据进行电文编写；

FPGA信号处理模块，对由DSP核心板传输过来的载波NCO值和码NCO值进行累加，同时产生中断计数传送给DSP核心板，用于DSP核心板中电文的编写与传输、NCO值的计算与传输；

上变频模块，将载波调制模块输出的基带信号上变频为射频信号，并送入发射天线；

发射天线，将射频信号发射出去。

2.根据权利要求1所述的北斗三代卫星信号模拟***，其特征是：所述FPGA信号处理模块，具有与DSP核心板之间的数据交互、载波NCO和码NCO值的累加计算以及电文等数据的存储和伪码生成、扩频码调制、载波调制功能，其中：

伪码生成，生成伪码，并将伪码送入扩频调制；

扩频码调制，将电文与伪码进行扩频调制后，送入载波调制；

载波调制，对送入的信号进行载波调制，并生成基带信号。