多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

桑 峻，陳明銳

（1.海南政法職業(yè)學(xué)院，海南 571100；2.海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 571100）

1 引言

目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了針對射頻信號的采集回放產(chǎn)品，但是這些產(chǎn)品側(cè)重于對射頻信號進(jìn)行采集后的大容量、長時(shí)間存儲，在需要時(shí)恢復(fù)信號。而轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾需要實(shí)驗(yàn)平臺對衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)采集后進(jìn)行可控的短時(shí)間延時(shí)，再進(jìn)行回放。由此可以看出，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾所需的實(shí)驗(yàn)平臺對實(shí)時(shí)性要求較高，目前市場上的相關(guān)產(chǎn)品其實(shí)并不完全符合轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾對實(shí)驗(yàn)平臺的需求。因此，基于轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾研究的需求，設(shè)計(jì)了多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的實(shí)時(shí)采集和可控延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)。

2 原理分析

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)定位大多采用的是TOA測距法，即利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號到達(dá)時(shí)間和發(fā)射時(shí)間差測量用戶到衛(wèi)星的偽距，利用四顆衛(wèi)星的偽距消去鐘差的影響后解算用戶位置，其定位解算方程如式（1）：

式中：xi，yi，zi（i=1，2，3，4）—各個(gè)衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，可由導(dǎo)航電文解算得出；x，y，z—接收機(jī)的三維坐標(biāo)；cδtr—接收機(jī)鐘和衛(wèi)星鐘之間的不同步對應(yīng)的距離誤差。

多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的主要功能就是將接收到的各路衛(wèi)星導(dǎo)航信號根據(jù)欺騙目的，進(jìn)行不同的延時(shí)，然后轉(zhuǎn)發(fā)出去，轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號被接收機(jī)鎖定并參與定位解算時(shí)，由于延時(shí)而導(dǎo)致的偽距變化會使用戶接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的位置，單站式衛(wèi)星導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾原理，如圖1所示。轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾方程如式（2）所示。

圖1 單站式轉(zhuǎn)發(fā)欺騙干擾原理圖Fig.1 of Single Station Retransmitted Jamming

式中：cδti（i=1，2，3，4）—各路衛(wèi)星導(dǎo)航信號通過多通道實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的可調(diào)延時(shí)對應(yīng)的距離。可見通過對各路衛(wèi)星導(dǎo)航信號的可調(diào)延時(shí)量δti進(jìn)行合適的調(diào)整，可以誘騙接收機(jī)解算出錯(cuò)誤的位置，達(dá)到欺騙干擾的目的，這就是多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的基本功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

目前應(yīng)用廣泛的導(dǎo)航定位系統(tǒng)有GPS、GLONASS和BD2，它們的廣播導(dǎo)航信號頻率分布，如表1所示。

表1 GPS/GLONASS/BD2信號頻率Tab.1 Signal Frequence of GPS/GLONASS/BD2

由表可知，衛(wèi)星導(dǎo)航信號大多集中在L波段，如果對衛(wèi)星導(dǎo)航信號直接進(jìn)行采集，那么對D/A、A/D和中間過程的信號處理帶來較大壓力，現(xiàn)有芯片難以滿足要求。因此，現(xiàn)在大多采用下變頻法進(jìn)行射頻信號的采集，即首先將射頻信號下變頻到中頻段再進(jìn)行數(shù)字化[5-6]。

在教學(xué)的過程中，教師除了應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行教材內(nèi)容的閱讀之外，還應(yīng)該促使學(xué)生進(jìn)行課外閱讀，不斷提升語言組織和表達(dá)能力[4]。在閱讀過后，也應(yīng)該進(jìn)行寫作，不斷提升寫作技巧。實(shí)現(xiàn)語言體系的構(gòu)建和語言運(yùn)用能力的提升。比如在進(jìn)行李白《蜀道難》的教學(xué)過程中，可以鼓勵(lì)學(xué)生閱讀李白的其他作品，通過詩朗誦的形式，提高學(xué)生的文言文運(yùn)用能力。

根據(jù)奈奎斯特采樣原理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率必須達(dá)到中頻信號的兩倍以上才能夠不失真的對信號進(jìn)行采樣和恢復(fù)，然而對于多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)而言，不僅僅要求對信號進(jìn)行完整的采樣和回放，還要滿足實(shí)時(shí)性的要求，因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)信號的延時(shí)如果超出接收機(jī)的一個(gè)定位周期就很有可能被接收機(jī)發(fā)現(xiàn)剔除。目前國內(nèi)外性能較好的導(dǎo)航接收機(jī)的定位更新頻率一般都在10Hz左右，最多也不會超過100Hz，那么為了將接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號在接收機(jī)的一個(gè)定位解算周期內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)到接收機(jī)中，就必須確保信號經(jīng)過系統(tǒng)的時(shí)間在10ms以內(nèi)，顯然除了人為延時(shí)時(shí)間，對衛(wèi)星導(dǎo)航信號在系統(tǒng)內(nèi)停留時(shí)間影響較大的就是D/A、A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間和數(shù)據(jù)存儲、讀取的時(shí)間，因此在D/A、A/D和內(nèi)存的挑選上必須滿足實(shí)時(shí)性要求。

由式（1）可以知道，除了人為加入的延時(shí)外，各路信號的不同步同樣會引起定位解算的偏差，這直接會影響到欺騙干擾的效果，因此在對多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要將多通道信號的同步考慮在內(nèi)，體現(xiàn)在系統(tǒng)中則包含兩個(gè)方面的含義：（1）D/A、A/D的采樣和恢復(fù)同步，一般可以通過共用同一觸發(fā)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)；（2）數(shù)據(jù)存取的同步，由于數(shù)據(jù)量較大，一次采集的信號難以同時(shí)存取，但是要保證存取的時(shí)間基準(zhǔn)是一樣的，這可以通過存取邏輯進(jìn)行控制。

3.2 方案設(shè)計(jì)

多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)主要功能是分別接收天上不同可見星的信號，將接收到的各路衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行不同的延時(shí)后轉(zhuǎn)發(fā)出去。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理為：多天線陣列接收各路衛(wèi)星導(dǎo)航信號后，采用具有自動(dòng)控制增益（AGC）功能的下變頻模塊將處于射頻段的衛(wèi)星導(dǎo)航信號下變頻至中頻信號，送入A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再對各通道信號進(jìn)行不同的延時(shí)，爾后送入D/A模塊恢復(fù)為模擬信號，經(jīng)上變頻模塊調(diào)制到射頻段，合為一路信號后發(fā)射出去。所以，多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)應(yīng)該主要包括信號調(diào)理模塊、上/下變頻模塊、A/D模塊、延時(shí)模塊、控制器、D/A模塊和AGC模塊。由于轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求較高，因此采用嵌入式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)原理圖Fig.2 of Retransmitting System

3.2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號采集電路

衛(wèi)星導(dǎo)航信號的采集部分包括接收天線，前端信號調(diào)理模塊，下變頻模塊和A/D模塊。天上衛(wèi)星導(dǎo)航信號被接收下來后，信號基本被淹沒在噪聲信號當(dāng)中，而且電平范圍不一定滿足A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓要求，需要經(jīng)過相應(yīng)的低噪放和濾波器進(jìn)行調(diào)理以提高信噪比，并使模擬信號在進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換前滿足轉(zhuǎn)換電壓要求。下變頻模塊則將處于L波段的衛(wèi)星導(dǎo)航信號下變頻到中頻信號，再送入A/D進(jìn)行數(shù)字化采樣。數(shù)字化采樣過程中，A/D芯片的采樣精度、采樣速率和采樣的同步性是我們著重要考慮的幾個(gè)因素[7]。首先，采樣精度過低，則恢復(fù)出來的衛(wèi)星導(dǎo)航信號的質(zhì)量較差，影響轉(zhuǎn)發(fā)信號的欺騙效果，采樣精度過高又會增大數(shù)據(jù)量，不便于后續(xù)的信號處理。其次，奈奎斯特采樣定律要求采樣速率要至少大于中頻信號的兩倍，實(shí)際工程中會取（3～5）倍。另外，現(xiàn)在大多數(shù)的多通道信號采樣是在A/D轉(zhuǎn)換器前加一個(gè)多路復(fù)用裝置實(shí)現(xiàn)的，并不是嚴(yán)格意義上的多通道絕對同步采樣，而且轉(zhuǎn)換時(shí)間較長，為了保證系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性和同步性的要求，為每路信號配置單獨(dú)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片[8-9]。

3.2.2 延時(shí)電路

延時(shí)電路的作用是將各路衛(wèi)星導(dǎo)航信號根據(jù)欺騙要求進(jìn)行不同的延時(shí)，現(xiàn)在較為常用的方法是利用FIFO的先進(jìn)先出特點(diǎn)，通過設(shè)置其偏置量OFFSET實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制，但是FIFO的容量比較小，因此方案采用容量更大的雙口RAM來實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制。雙口RAM是共享式多端口存儲器，配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，能對數(shù)字化衛(wèi)星導(dǎo)航信號同時(shí)存儲和讀取[10]，可通過對讀寫命令的控制來實(shí)現(xiàn)延時(shí)。

圖3 雙端口RAM延時(shí)電路原理圖Fig．3 of Double Port RAM Delay Circuit

雙端口RAM實(shí)現(xiàn)延時(shí)的電路原理圖，如圖3所示。首先衛(wèi)星導(dǎo)航信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，由控制器進(jìn)行控制寫入雙端口RAM中，然后根據(jù)各路衛(wèi)星導(dǎo)航信號所需延時(shí)的時(shí)間對雙端口RAM輸出端的WR命令進(jìn)行鎖存控制，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)再由控制器給輸出端的WR一個(gè)輸出信號，數(shù)字信號被送入D/A中恢復(fù)為模擬信號。

3.2.3 衛(wèi)星導(dǎo)航信號回放電路

衛(wèi)星導(dǎo)航信號的回放部分包括D/A模塊，上變頻模塊，后端信號調(diào)理模塊，發(fā)射天線。經(jīng)過延時(shí)處理后的數(shù)字化衛(wèi)星導(dǎo)航信號從雙口RAM被讀出后首先經(jīng)過D/A恢復(fù)為模擬信號，此時(shí)信號中會引入噪聲，所以要先通過濾波器，再送入上變頻模塊調(diào)制到相應(yīng)衛(wèi)星廣播信號的上行頻率，最后合為一路信號后發(fā)射出去。

3.2.4 AGC模塊

為了與真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行競爭，轉(zhuǎn)發(fā)信號的輸出功率要稍微高于真實(shí)信號，因此需要通過AGC模塊對功率進(jìn)行調(diào)整。傳統(tǒng)AGC與下變頻模塊是分開的，是在中頻上對信號增益進(jìn)行調(diào)整，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍較小[11]。針對這一問題，系統(tǒng)采用具有AGC功能的下變頻模塊，即把AGC功能在射頻段上實(shí)現(xiàn)，滿足了大動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)增益范圍的要求。

3.2.5 控制器

控制器采用“FPGA+DSP”的方案，F(xiàn)PGA算法完全由硬件實(shí)現(xiàn)，并行處理能力較強(qiáng)，而DSP的運(yùn)算速度較高，綜合二者的優(yōu)點(diǎn)可以極大提高系統(tǒng)的處理速度。系統(tǒng)中FPGA主要負(fù)責(zé)對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的采集和回放進(jìn)行時(shí)序控制，DSP主要負(fù)責(zé)延時(shí)量的計(jì)算和數(shù)據(jù)的傳送分發(fā)。

4 方案驗(yàn)證與結(jié)果分析

為了對多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行初步的驗(yàn)證，根據(jù)多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，利用NI公司的相關(guān)數(shù)據(jù)采集板卡構(gòu)建了信號采集回放平臺，該采集回放平臺的結(jié)構(gòu)完全符合設(shè)計(jì)方案。板卡及相關(guān)測試設(shè)備連接示意圖，如圖4所示。

圖4 NI驗(yàn)證平臺連接示意圖Fig．4 of NI Verification Platform

由任意波形發(fā)生器板卡PXI-5441產(chǎn)生50MHZ的正弦信號，信號經(jīng)過功分器一路送入示波器，另一路經(jīng)過下變頻板卡NI PXI-5600下變頻到15MHZ，再經(jīng)過中頻信號收發(fā)板卡NI PXIe-5641R對信號進(jìn)行接收，并通過設(shè)置FIFO的存儲深度對信號進(jìn)行一定的延時(shí)，然后將信號發(fā)送到上變頻板卡NI PXI-5610上變頻到50MHz，最后送入示波器與原信號進(jìn)行比較。

延時(shí) 0．22ms、0．26ms、0．32ms和 0．38ms的波形圖，如圖 5～圖8所示。可以發(fā)現(xiàn)，恢復(fù)出來的信號要比直接送入示波器的信號有一定的延時(shí)，但是信號的平滑度不如原信號。由結(jié)果可知，信號經(jīng)過NI驗(yàn)證平臺采樣后可被恢復(fù)出來，并實(shí)現(xiàn)一定的延時(shí)，但是由于采樣和恢復(fù)時(shí)引入了器件噪聲和采樣精度的限制，信號質(zhì)量有所下降。實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證了多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

圖5 延時(shí)0．22ms波形圖Fig．5 Waveform of 0．22ms Delay

圖6 延時(shí)0.26ms波形圖Fig.6 Waveform of 0.26ms Delay

圖7 延時(shí)0.32ms波形圖Fig.7 Waveform of 0.32ms Delay

圖8 延時(shí)0.38ms波形圖Fig.8 Waveform of 0.38ms Delay

5 結(jié)論

（1）基于衛(wèi)星導(dǎo)航轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾的基本原理和衛(wèi)星導(dǎo)航信號的特點(diǎn)，提出了多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，尤其是在衛(wèi)星導(dǎo)航信號轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時(shí)性和多通道之間的同步性上進(jìn)行了嚴(yán)格的控制；

（2）提出了多通道衛(wèi)星導(dǎo)航信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，即在現(xiàn)有射頻信號采集回放系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由下變頻（包含自動(dòng)增益控制）、模數(shù)轉(zhuǎn)換、可控延時(shí)、數(shù)模轉(zhuǎn)換和上變頻等幾個(gè)模塊組成，其中衛(wèi)星導(dǎo)航信號的可控延時(shí)通過設(shè)置雙端口RAM的存儲時(shí)間來實(shí)現(xiàn)；

（3）利用NI板卡搭建了由信號發(fā)生器、上/下變頻器，中頻信號收發(fā)器等組成的驗(yàn)證平臺，通過設(shè)置不同試驗(yàn)條件和重復(fù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。