衛(wèi)星導航信號時域波形畸變仿真及FPGA實現(xiàn)

羅顯志,解　劍,高東博,王　垚

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;

2.河北省衛(wèi)星導航技術與裝備工程技術研究中心,河北 石家莊 050081)

衛(wèi)星導航信號時域波形畸變仿真及FPGA實現(xiàn)

羅顯志1,2,解劍1,2,高東博1,2,王垚1,2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;

2.河北省衛(wèi)星導航技術與裝備工程技術研究中心,河北 石家莊 050081)

摘要：介紹了一種被國際民航組織采納的衛(wèi)星導航信號時域碼片波形畸變模型,提出了一種模擬導航信號時域碼片波形畸變的三類故障的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的實現(xiàn)方法,給出導航信號時域碼片波形畸變的MATLAB仿真和FPGA實現(xiàn)結果,并將兩者進行了比較,試驗結果表明：時域碼片波形畸變的FPGA實現(xiàn)結果與MATLAB結果誤差在0.5%范圍內。

關鍵詞：衛(wèi)星導航;信號失真;時域波形畸變;ICAO模型

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.004

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：： 1008-9268(2014)02-0017-04

收稿日期：2014-07-25

作者簡介

Abstract:A waveform distortion model in time domain which has been recognized by International Civil Aviation OrgIniZation (ICAO) is introduced in this paper. Modeling method of three threat signal models of waveform distortion in time domain in FPGA for navigation signals is proposed, too. Matlab-based simulation and FPGA-based implementation for waveform distortion model in time domain is presented, and the two results were compared. Thus, the tests show that the mean relative error not more than 0.5% for the two results.

0引言

衛(wèi)星導航信號質量的優(yōu)劣是衛(wèi)星導航系統(tǒng)最為關鍵的要素,導航信號的質量直接關系到用戶對導航信號進行接收、解調、偽碼測距、載波測量、定位解算的性能,最終影響用戶定位、導航、授時服務的性能體驗。當導航、定位、授時的性能惡化時可最終歸結到導航信號發(fā)生了異常,而導航信號的異常本質上可從導航信號基帶時域上體現(xiàn)。導航信號異常分為衛(wèi)星載荷發(fā)射信號異常、環(huán)境導致的信號畸變,以及接收系統(tǒng)對信號的影響。后兩者也可統(tǒng)一為環(huán)境對導航信號的影響。導航信號異常現(xiàn)象分類及機理特性分析需要在排除測試環(huán)境影響前提下通過提出各種信號異常模型,從而定位系統(tǒng)故障。國外在導航信號異?，F(xiàn)象分類及機理特性分析領域的研究工作已進行了大約10年的時間,提出了各種行之有效的導航信號異常模型,并建立了信號異常與導航衛(wèi)星載荷故障間的映射關系。國際民航組織(ICAO)也將GPS和GLONASS時域異常波形參數(shù)化并寫入了國際民航公約。與國外相比,我國在這一領域還處于空白狀態(tài),有必要開展導航信號時域波形異常的研究。

1衛(wèi)星導航信號時域異常模型

衛(wèi)星信號傳輸鏈路的非線性將會導致信號的碼片波形畸變,最典型的例子是1993年19號衛(wèi)星信號異常事件[1]。為了解釋19號衛(wèi)星信號的異?，F(xiàn)象,研究人員先后提出了三種模型,分別為:簡單模型[2-3]MEWF模型和2OS模型。簡單模型只是在標準信號上疊加了另一個信號,不能完全反映異常信號的所有特征;MEWF模型定義為針對某一特定用戶接收機將會產生最大差分偽距誤差的信號波形。Mitelman[3-4]和Enge[5]等人詳細地推導了其數(shù)學表達式。然而這種模型是非因果的,難以實現(xiàn),ICAO 和航空委員會均不采納該模型。相比之下,2OS模型較全面反映了衛(wèi)星電路故障的所有情況。有效載荷的一般數(shù)學模型如圖1所示。

導航信號產生單元生成導航基帶信號,數(shù)字濾波器的帶寬為信號的發(fā)射帶寬;頻率產生與調制單元把數(shù)字信號轉換為模擬信號,并通過幾級上變頻把信號調制到載波頻率上;高功率放大器完成對信號功率的放大,一般工作在飽合狀態(tài),常用的有行波管放大器(TWTA)和固態(tài)功率放大器(SSPA);輸出多工器(OMUX)完成對頻點相近的各導航信號進行合路,耦合到同一個天線進行輸出。

有效載荷各組成部分出現(xiàn)異常都可能使信號產生畸變。2OS模型根據(jù)有效載荷的各組成部分將信號異常的原因分為三類:數(shù)字電路故障(TMA A)、模擬電路故障(TMB B)以及兩者的組合(T MC C),這三種模型幾乎能夠涵蓋所有可能的信號異常故障。這種模型被ICAO認為是標準的信號異常模型,也稱為ICAO模型,模型中有三個關鍵參數(shù),分別為Δ(碼片)：用于描述擴頻碼下降沿比正常位置的超前或滯后;阻尼振蕩頻率fd(MHz)：描述擴頻碼邊沿振鈴現(xiàn)象的頻率;阻尼系數(shù)σ(MNerpers/s)：描述擴頻碼邊沿振鈴現(xiàn)象的衰減因子,各參數(shù)的含義如圖2所示。

圖1　有效載荷模型示意圖

資助項目： 國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(批準號：2011BAH05B03；2012AA121802)

聯(lián)系人： 羅顯志E-mail: xianzhiluo@tom.com

圖2　ICAO模型參數(shù)

TMA模型可以建模為正常序列與一個Δ序列之和,Δ序列是正常序列與其循環(huán)移位后序列的差值,用公式表示為

xTMA(t)=x(t)+xΔ(t),

(1)

(2)

TMB模型可以用一個二階系統(tǒng)響應表示

xTMB(t)=x(t)·h(σ,fd)(t),

(3)

式中,h(σ,fd)(t)為碼沿的階躍響應,可以表示為

h(σ,fd)(t)=

(4)

式中,ωd=2πfd.

TMC模型是TMA與TMB的混合模型,可以表示為

xTMC(t)=[x(t)+xΔ(t)]·h(σ,fd)(t).

(5)

ICAO的模型主要由三個參數(shù)建模。TMA 通過超前/滯后參數(shù)Δ建模,改變碼的上升沿或下降沿,使數(shù)字信號的碼寬發(fā)生改變,可以使相關峰出現(xiàn)平頂效應;TMB 通過諧振頻率fd和衰減因子σ建模,用二階震蕩模仿模擬電路故障,調節(jié)兩參數(shù)可使峰值失真或者產生錯誤的相關峰值;TMC是兩者的組合,由Δ、fd和σ共同調節(jié),如圖3所示。

圖3　三類失真的碼片波形 (a)TMA; (b)TMB; (c)TMC

國際民航公約附件6卷10給出了目前已經得到國際民航組織承認的ICAO模型參數(shù),如表1所示。

表1　ICAO模型參數(shù)取值范圍

2時域波形畸變的FPGA模擬方法

上節(jié)給出的導航信號時域異常波形可能出現(xiàn)在有效載荷各個單元,TMA模型一般是數(shù)字基帶電路的基帶擴頻碼“1”、“0”寬度不等導致的,TMB模型一般是衛(wèi)星導航載荷模擬電路導致的,而TMC模型則是兩者綜合作用的結果。但在工程中很難在模擬電路上實現(xiàn)對TMB模型的模擬,本文提出一種在數(shù)字電路上TMB模型建模方法,圖4示出了在衛(wèi)星導航模擬源基帶FPGA上實現(xiàn)的時域波形畸變硬件實現(xiàn)結構,其中白色方框為正常導航信號模擬模塊,帶底影的方框為TMA和TMB模擬模塊。

圖4　時域波形畸變硬件實現(xiàn)結構

TMA模型的數(shù)字基帶電路的基帶擴頻碼“1”或“0”寬度不等導致可通過模擬源基地邏輯的動態(tài)時鐘調整來實現(xiàn),而TMB模型的二階阻尼震蕩模型實質上等效為一個2階S函數(shù)[5]

(6)

ω2=σ2+(2πfd)2,

(7)

圖5　TMA模型時序

圖6　TMB模型濾波器實現(xiàn)

3時域波形畸變的FPGA實現(xiàn)結果

假設GPS C/A碼PRN為12,碼頻率為1.023 MHz,仿真和FPGA實現(xiàn)的采樣率為102.3 MHz,超前/滯后參數(shù)Δ為0.12碼片,諧振頻率fd和衰減因子σ分別為10.0 MHz和4.8 MNepers/sec,根據(jù)式(6)計算得到圖6所示的濾波器參數(shù)b(1)、b(2)、b(3)、a(2)、a(3)分別為0.060 6、0.232 4、0.057 8、-1.559 6、0.910 4.圖6所示的濾波器采用16比特量化。圖7為MATLAB仿真與FPGA實現(xiàn)結果比較圖,經比較MATLAB與FPGA實現(xiàn)的幅度誤差與歸一化幅度比較小于0.5%.

圖7　TMC模型仿真與FPGA實現(xiàn)結果比較

4結束語

本文提出了一種衛(wèi)星導航信號時域波形異常仿真及FPGA實現(xiàn)方案,并將該方案應用于衛(wèi)星導航信號時域波形異常的仿真建模和FGPA實現(xiàn),最后將時域波形畸變模塊加入到實際的衛(wèi)星導航信號模擬源中,產生實際的畸變的導航信號波形,經驗證FPGA畸變波形與MATLAB仿真波形的誤差在0.5%范圍內。

參考文獻

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[5]PHELTS R E,AKOS D M. Effects of signal deformations on modernized GNSS signals[J].Journal of Global Positioning Systems,2006,5(1-2):2-10.

羅顯志(1976-),男,高級工程師,主要研究方向為衛(wèi)星導航。

解劍(1986-),男,工程師,主要研究方向為衛(wèi)星導航。

高東博(1985-),男,工程師,主要研究方向為衛(wèi)星導航。

王垚(1981-),男，高級工程師,主要研究方向為衛(wèi)星導航。

Simulation and FPGA-Implementation of Waveform Distortion in

Time Domain for Satellite Navigation Signals

LUO Xianzhi1,2,XIE Jian1,2,GAO Dongbo1,2,WANG Yao1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China;

2.HebeiSatelliteNavigationTechnologyandEquipmentTechnology

ResearchCenter,Shijiazhuang050081,China)

Key words: Satellite navigation; signal distortion; waveform distortion in time domain; ICAO threat model