GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)

曹春輝+劉鈞濤

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

【關(guān)鍵詞】 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)計方案成本低，可實現(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(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)計如下：

（式1）

（式2）

其中k為衛(wèi)星頻率通道號，，，

，，且，根據(jù)ICD規(guī)定衛(wèi)星所用的頻道號K=-7～+6，根據(jù)不同的k值的可計算出其載波頻率。

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)，生成多項式為：

（式3）

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。

導(dǎo)航電文為二進(jìn)制碼超幀（Superframe）結(jié)構(gòu)，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(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

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)生是整個設(shè)計的核心，實現(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(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。

3 關(guān)鍵技術(shù)及其實現(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)”、“多普勒實現(xiàn)技術(shù)”等有關(guān)技術(shù)原理和實現(xiàn)的描述，endprint

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

【關(guān)鍵詞】 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)計方案成本低，可實現(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(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)計如下：

（式1）

（式2）

其中k為衛(wèi)星頻率通道號，，，

，，且，根據(jù)ICD規(guī)定衛(wèi)星所用的頻道號K=-7～+6，根據(jù)不同的k值的可計算出其載波頻率。

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)，生成多項式為：

（式3）

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。

導(dǎo)航電文為二進(jìn)制碼超幀（Superframe）結(jié)構(gòu)，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(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

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)生是整個設(shè)計的核心，實現(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(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。

3 關(guān)鍵技術(shù)及其實現(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)”、“多普勒實現(xiàn)技術(shù)”等有關(guān)技術(shù)原理和實現(xiàn)的描述，endprint

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

【關(guān)鍵詞】 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)計方案成本低，可實現(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(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)計如下：

（式1）

（式2）

其中k為衛(wèi)星頻率通道號，，，

，，且，根據(jù)ICD規(guī)定衛(wèi)星所用的頻道號K=-7～+6，根據(jù)不同的k值的可計算出其載波頻率。

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)，生成多項式為：

（式3）

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。

導(dǎo)航電文為二進(jìn)制碼超幀（Superframe）結(jié)構(gòu)，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(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

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)生是整個設(shè)計的核心，實現(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(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。

3 關(guān)鍵技術(shù)及其實現(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)”、“多普勒實現(xiàn)技術(shù)”等有關(guān)技術(shù)原理和實現(xiàn)的描述，endprint