GLONASS衛(wèi)星導航信號模擬器的設計與實現(xiàn)

曹春輝 劉鈞濤

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

GLONASS衛(wèi)星導航信號模擬器的設計與實現(xiàn)

曹春輝1劉鈞濤2

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

介紹了GLONASS衛(wèi)星導航信號模擬源的設計與實現(xiàn),根據(jù)GLONASS導航系統(tǒng)頻分多址的特點給出了基帶信號產生和數(shù)字濾波技術兩項關鍵技術的解決方案;給出模擬器總體框架設計,分解主要組成部分,分別予以概要設計。完成設計后進行了試驗驗證,給出了定位結果,證明該方案合理可行。

GLONASS 頻分 模擬器 基帶

任何接收機的研制及接收技術的突破,都離不開信號模擬器。GPS、GLONASS是較成熟的導航系統(tǒng)。隨著GLONASS星座的日趨完善,及衛(wèi)星導航系統(tǒng)在各個領域應用的不斷深入,各國越來越重視GLONASS 接收機和多模GNSS兼容接收機的研發(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),因涉及敏感技術問題,特別是高動態(tài)型號產品對我國禁運。國內這方面起步較晚,尤其在GLONASS衛(wèi)星信號仿真器的研發(fā)上,相關研究較少。本文提出的設計方案成本低,可實現(xiàn)用戶任意設定位置、模擬衛(wèi)星軌跡、模擬多徑功能,并具備較高的動態(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個軌面上,每軌8顆衛(wèi)星,周期11時15分,確保任何地點同時能觀測到4顆衛(wèi)星。GLONASS地面段實現(xiàn)星座的維護與控制,由控制中心和分散于俄羅斯領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,頻率設計如下:

衛(wèi)星發(fā)射兩種測距碼,標準精度碼(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,速率為5.11MHz,調制方式均為BPSK,相位調制偏差0.2弧度。導航信號由測距碼、導航電文、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,生成多項式為:偽碼周期1ms,碼速率511kHz,生成C/A碼的移位寄存器產生結構如圖1所示。

圖1 C/A碼實現(xiàn)結構示意圖

圖2 GLONASS模擬器組成示意圖

導航電文為二進制碼超幀(Superframe)結構,每超幀5個幀(Frame),每幀15個串(String),。每超幀歷時150秒,數(shù)據(jù)率50bps,編碼后符號率100cps。每個串歷時2秒,在每個串的后300毫秒,為一個時間標志,接收機可以用來作為幀鎖定標志。

2 模擬器設計

GLONASS模擬器總體架構類似于其他模擬器,包括數(shù)學仿真、信號實現(xiàn)兩部分。模擬器的組成及數(shù)學仿真、基帶信號產生、時頻產生、射頻調制等模塊邏輯關系如圖2所示。

數(shù)學仿真由PXI機箱的零槽模塊充當。根據(jù)衛(wèi)星信號的產生原理、傳播途徑、接收原理等,及導航系統(tǒng)星座運行情況,仿真生成地面接收機天線接收到的導航信號。

基帶信號產生是整個設計的核心,實現(xiàn)數(shù)學仿真生成的偽距、速度、加速度、多徑等各種物理量的信號層面實現(xiàn),包括時延、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,導航模擬器的精度也由基帶信號產生單元來保證。

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

基帶單元和射頻單元共同完成GLONASS一個頻點的射頻信號輸出,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 基帶信號產生技術原理

3 關鍵技術及其實現(xiàn)

GLONASS導航信號模擬器,國內研究較少。文獻[1]給出了“正交調制技術”、“多普勒實現(xiàn)技術”等有關技術原理和實現(xiàn)的描述,

圖5 FIR濾波器的頻響特性

圖6 接收機定位截圖

GLONASS導航系統(tǒng)為頻分導航系統(tǒng)，在原理和實現(xiàn)上有其獨特之處，也決定了其不同于其他導航信號模擬器的關鍵技術。

3.1 基帶信號產生技術

對于GLONASS衛(wèi)星導航信號模擬器，基帶信號產生技術是導航信號產生的關鍵核心技術。在原理上，單通道信號的實現(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)星間的相對運動導致了多普勒頻偏，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)星的頻點共有14個取值，步進為幾百kHz。圖4給出了單通道基帶信號產生并合路的示意。

本模擬器即是采用上述方法來實現(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:

結合式4，據(jù)文獻[2]提供的方法可以計算出從fI到硬件實現(xiàn)的計算公式。

3.2 基帶數(shù)字濾波技術

頻分多址信號若直接按文獻[1]提供的方案產生，會造成了比較嚴重的頻譜混疊現(xiàn)象，不符合GLONASS ICD文件中的要求，影響接收機的捕獲，必須進行濾波處理。本方案采用基帶信號合成技術，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)實現(xiàn)低通濾波。圖5給出了FIR濾波器的頻率響應特性圖。

4 試驗驗證

試驗是在數(shù)據(jù)仿真基礎上進行的，零槽完成數(shù)據(jù)仿真的數(shù)學計算，然后將仿真結果下發(fā)，射頻產生通道完成信號轉換，實現(xiàn)L1和L2兩個頻點信號的產生，并進行系列試驗驗證。

試驗場景:用戶位置北緯48度00分00秒、東經110度00分00秒，高程50米，靜止狀態(tài)。使用NovAtel接收機測試，測試時長0.5小時，測試結果截圖如圖6所示。

試驗結果可見，NovAtel接收機解算出的位置與模擬器設定值吻合，誤差控制在4米以內。說明本方案設計合理可靠，成功的實現(xiàn)了GLONASS衛(wèi)星導航信號的模擬。

5 結語

GLONASS衛(wèi)星導航信號模擬器在國內較少研究，本文給出的方案經過驗證可以正確的模擬其信號，達到了預先設計的精度要求。同時在信號模擬精度上仍待進一步提高。

[1]董立橋,周雪娟.基于PXI架構的導航信號模擬器設計.無線電工程,2011年03期.

[2]周雪娟,董立橋.一種產生高精度動態(tài)時鐘的新方法.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.基于二進制偏移載波(BOC)調制方式的衛(wèi)星導航技術研究[J].彈箭與制導學報,2011,31(01):181-184.

[5]戰(zhàn)興文.BOC調制技術研究[J].信息技術,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用微計算機信息 2009年第25期.