GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹春輝 劉鈞濤

(1.石家莊市經(jīng)緯度科技有限公司,河北石家莊 050000;2.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司,河北石家莊 050000)

GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹春輝1劉鈞濤2

(1.石家莊市經(jīng)緯度科技有限公司,河北石家莊 050000;2.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司,河北石家莊 050000)

介紹了GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),根據(jù)GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)頻分多址的特點(diǎn)給出了基帶信號產(chǎn)生和數(shù)字濾波技術(shù)兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案;給出模擬器總體框架設(shè)計(jì),分解主要組成部分,分別予以概要設(shè)計(jì)。完成設(shè)計(jì)后進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,給出了定位結(jié)果,證明該方案合理可行。

GLONASS 頻分 模擬器 基帶

任何接收機(jī)的研制及接收技術(shù)的突破,都離不開信號模擬器。GPS、GLONASS是較成熟的導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著GLONASS星座的日趨完善,及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入,各國越來越重視GLONASS 接收機(jī)和多模GNSS兼容接收機(jī)的研發(fā)。

國外衛(wèi)星信號仿真器的研究較早。英國SPIRENT多年前已完成GLONASS衛(wèi)星信號仿真器的研發(fā),因涉及敏感技術(shù)問題,特別是高動(dòng)態(tài)型號產(chǎn)品對我國禁運(yùn)。國內(nèi)這方面起步較晚,尤其在GLONASS衛(wèi)星信號仿真器的研發(fā)上,相關(guān)研究較少。本文提出的設(shè)計(jì)方案成本低,可實(shí)現(xiàn)用戶任意設(shè)定位置、模擬衛(wèi)星軌跡、模擬多徑功能,并具備較高的動(dòng)態(tài)性能。

1 GLONASS系統(tǒng)簡介

GLONASS空間段由24顆衛(wèi)星組成,工作星21顆,分布在互成120°夾角軌高19100km的3個(gè)軌面上,每軌8顆衛(wèi)星,周期11時(shí)15分,確保任何地點(diǎn)同時(shí)能觀測到4顆衛(wèi)星。GLONASS地面段實(shí)現(xiàn)星座的維護(hù)與控制,由控制中心和分散于俄羅斯領(lǐng)土的指令跟蹤控制站組成。

系統(tǒng)使用頻分多址播發(fā)方式,衛(wèi)星通過其發(fā)送的載波頻率來獲得識別,根據(jù)已發(fā)布的ICD 2008文件,每顆衛(wèi)星發(fā)送L1、L2載波頻率是互不相同的,頻率設(shè)計(jì)如下:

衛(wèi)星發(fā)射兩種測距碼,標(biāo)準(zhǔn)精度碼(C/A碼)和高精度碼(P碼),C/A碼為民用,速率為511kHz,P碼需要授權(quán),速率為5.11MHz,調(diào)制方式均為BPSK,相位調(diào)制偏差0.2弧度。導(dǎo)航信號由測距碼、導(dǎo)航電文、曲折碼三者向加后模二形成。本文只討論C/A碼。

C/A碼是由9級m序列生產(chǎn),生成多項(xiàng)式為:偽碼周期1ms,碼速率511kHz,生成C/A碼的移位寄存器產(chǎn)生結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 C/A碼實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 GLONASS模擬器組成示意圖

導(dǎo)航電文為二進(jìn)制碼超幀(Superframe)結(jié)構(gòu),每超幀5個(gè)幀(Frame),每幀15個(gè)串(String),。每超幀歷時(shí)150秒,數(shù)據(jù)率50bps,編碼后符號率100cps。每個(gè)串歷時(shí)2秒,在每個(gè)串的后300毫秒,為一個(gè)時(shí)間標(biāo)志,接收機(jī)可以用來作為幀鎖定標(biāo)志。

2 模擬器設(shè)計(jì)

GLONASS模擬器總體架構(gòu)類似于其他模擬器,包括數(shù)學(xué)仿真、信號實(shí)現(xiàn)兩部分。模擬器的組成及數(shù)學(xué)仿真、基帶信號產(chǎn)生、時(shí)頻產(chǎn)生、射頻調(diào)制等模塊邏輯關(guān)系如圖2所示。

數(shù)學(xué)仿真由PXI機(jī)箱的零槽模塊充當(dāng)。根據(jù)衛(wèi)星信號的產(chǎn)生原理、傳播途徑、接收原理等,及導(dǎo)航系統(tǒng)星座運(yùn)行情況,仿真生成地面接收機(jī)天線接收到的導(dǎo)航信號。

基帶信號產(chǎn)生是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心,實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)仿真生成的偽距、速度、加速度、多徑等各種物理量的信號層面實(shí)現(xiàn),包括時(shí)延、多普勒頻偏、信號疊加等。這些信號包含了所有需要仿真的物理量,導(dǎo)航模擬器的精度也由基帶信號產(chǎn)生單元來保證。

射頻調(diào)制單元為鏡像抑制上變頻架構(gòu),直接轉(zhuǎn)換為所需的L波段射頻信號,并完成信號電平的粗調(diào),本設(shè)計(jì)沒有鏡像分量,不需要輸出濾波,縮小了設(shè)備體積,提高了可靠性。

基帶單元和射頻單元共同完成GLONASS一個(gè)頻點(diǎn)的射頻信號輸出,L1和L2硬件配置相同,通過不同的板載程序完成不同頻點(diǎn)的信號模擬,基帶和射頻合稱射頻信號模擬通道。

圖3給出了射頻信號模擬通道的邏輯示意。

圖3 射頻信號模擬通道的邏輯示意

圖4 基帶信號產(chǎn)生技術(shù)原理

3 關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

GLONASS導(dǎo)航信號模擬器,國內(nèi)研究較少。文獻(xiàn)[1]給出了“正交調(diào)制技術(shù)”、“多普勒實(shí)現(xiàn)技術(shù)”等有關(guān)技術(shù)原理和實(shí)現(xiàn)的描述,

圖5 FIR濾波器的頻響特性

圖6 接收機(jī)定位截圖

GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)為頻分導(dǎo)航系統(tǒng)，在原理和實(shí)現(xiàn)上有其獨(dú)特之處，也決定了其不同于其他導(dǎo)航信號模擬器的關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 基帶信號產(chǎn)生技術(shù)

對于GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器，基帶信號產(chǎn)生技術(shù)是導(dǎo)航信號產(chǎn)生的關(guān)鍵核心技術(shù)。在原理上，單通道信號的實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)模擬器相同，但GLONASS系統(tǒng)采用頻分方式實(shí)現(xiàn)多址與其他系統(tǒng)相區(qū)別。用戶和衛(wèi)星間的相對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了多普勒頻偏，包括碼鐘多普勒和載波多普勒。本模擬器不同衛(wèi)星載波頻率不同因此需要在載波DDS上做一定的處理，即圖中的DDS1～DDSn參數(shù)計(jì)算是不同的。根據(jù)通道號k值的取值范圍，GLONASS衛(wèi)星的頻點(diǎn)共有14個(gè)取值，步進(jìn)為幾百kHz。圖4給出了單通道基帶信號產(chǎn)生并合路的示意。

本模擬器即是采用上述方法來實(shí)現(xiàn)載波多普勒模擬，具體以L1信號為例，本振載波頻率選取1402MHz，小中頻頻偏由基帶信號來實(shí)現(xiàn)，通道號為k的衛(wèi)星頻率如式1所示，基帶小中頻的靜態(tài)頻率取:

結(jié)合式4，據(jù)文獻(xiàn)[2]提供的方法可以計(jì)算出從fI到硬件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算公式。

3.2 基帶數(shù)字濾波技術(shù)

頻分多址信號若直接按文獻(xiàn)[1]提供的方案產(chǎn)生，會(huì)造成了比較嚴(yán)重的頻譜混疊現(xiàn)象，不符合GLONASS ICD文件中的要求，影響接收機(jī)的捕獲，必須進(jìn)行濾波處理。本方案采用基帶信號合成技術(shù)，射頻后端濾波只限制合路帶寬，所以必須在基帶完成濾波處理。

基帶濾波選擇FIR濾波器方案，選取合適的參數(shù)實(shí)現(xiàn)低通濾波。圖5給出了FIR濾波器的頻率響應(yīng)特性圖。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)是在數(shù)據(jù)仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行的，零槽完成數(shù)據(jù)仿真的數(shù)學(xué)計(jì)算，然后將仿真結(jié)果下發(fā)，射頻產(chǎn)生通道完成信號轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)L1和L2兩個(gè)頻點(diǎn)信號的產(chǎn)生，并進(jìn)行系列試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)場景:用戶位置北緯48度00分00秒、東經(jīng)110度00分00秒，高程50米，靜止?fàn)顟B(tài)。使用NovAtel接收機(jī)測試，測試時(shí)長0.5小時(shí)，測試結(jié)果截圖如圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)果可見，NovAtel接收機(jī)解算出的位置與模擬器設(shè)定值吻合，誤差控制在4米以內(nèi)。說明本方案設(shè)計(jì)合理可靠，成功的實(shí)現(xiàn)了GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航信號的模擬。

5 結(jié)語

GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器在國內(nèi)較少研究，本文給出的方案經(jīng)過驗(yàn)證可以正確的模擬其信號，達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)的精度要求。同時(shí)在信號模擬精度上仍待進(jìn)一步提高。

[1]董立橋,周雪娟.基于PXI架構(gòu)的導(dǎo)航信號模擬器設(shè)計(jì).無線電工程,2011年03期.

[2]周雪娟,董立橋.一種產(chǎn)生高精度動(dòng)態(tài)時(shí)鐘的新方法.無線電工程,2011年11期.

[2]樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

[3]聶俊偉,李崢嶸,羋小龍,王飛雪.伽利略系統(tǒng)信號調(diào)制體制研究[J].全球定位系統(tǒng),2006,06:1-5.

[4]張怡,張西凱,陳利民.基于二進(jìn)制偏移載波(BOC)調(diào)制方式的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2011,31(01):181-184.

[5]戰(zhàn)興文.BOC調(diào)制技術(shù)研究[J].信息技術(shù),2006,06:119-120.

[6]范志良,劉光斌.基帶濾波在GLONASS 衛(wèi)星信號仿真器中的應(yīng)用微計(jì)算機(jī)信息 2009年第25期.