基于PXI架構(gòu)的導(dǎo)航信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)

董立橋,周雪娟

(1.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,河北石家莊050081;2.武漢大學(xué),湖北武漢430072)

0 引言

任何接收機(jī)的研制,接收技術(shù)的突破都離不開信號(hào)模擬源的建設(shè)。美國(guó)的GPS和俄羅斯的GLONASS是較成熟的導(dǎo)航系統(tǒng),歐洲Galileo系統(tǒng)推進(jìn)了導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)代化進(jìn)程。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)Compass系統(tǒng)正在加緊建設(shè)中,衛(wèi)星星座的建立正在按部就班地進(jìn)行,Compass終端在國(guó)內(nèi)乃至全球的廣泛應(yīng)用將成為必然。Compass導(dǎo)航信號(hào)模擬器和多模導(dǎo)航信號(hào)模擬器的研制必須走在前面,這對(duì)于我國(guó)單模、多模接收機(jī)研制是強(qiáng)有力的支持。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)多種導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)體制仿真、研究、接收機(jī)開發(fā)等目的,導(dǎo)航信號(hào)模擬器必須具有足夠的靈活性,對(duì)各種仿真任務(wù)具有充分的可擴(kuò)充性,需要完成對(duì)干擾環(huán)境和高動(dòng)態(tài)等特性等的仿真,具有一定的擴(kuò)展能力。

1 組成

1.1 總體構(gòu)架

通用導(dǎo)航信號(hào)模擬器采用軟件無線電設(shè)計(jì)思想來構(gòu)建,結(jié)構(gòu)上采用PXI標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了板卡的通用化、模塊化,使之更加靈活和易于擴(kuò)充配置。設(shè)計(jì)基于“上位機(jī)—PCI總線—DSP—FPGA—DAC—正交上變頻—射頻合路”的體系結(jié)構(gòu),在一個(gè)PXI機(jī)箱中完成數(shù)據(jù)仿真、電文生成和信號(hào)產(chǎn)生等功能。通用導(dǎo)航信號(hào)模擬器組成如圖1所示。

模擬器由上位機(jī)子系統(tǒng)和射頻信號(hào)產(chǎn)生子系統(tǒng)組成。上位機(jī)子系統(tǒng)為軟件應(yīng)用程序,運(yùn)行于PXI機(jī)箱的零槽CPU模塊;射頻信號(hào)產(chǎn)生子系統(tǒng)為硬件電路,板卡式結(jié)構(gòu),包括射頻信號(hào)產(chǎn)生板卡、射頻信號(hào)合路板卡和時(shí)頻信號(hào)分路板卡等。

圖1 通用導(dǎo)航信號(hào)模擬器組成

1.2 上位機(jī)子系統(tǒng)

上位機(jī)子系統(tǒng)主要完成的功能有:衛(wèi)星星座運(yùn)行模擬;接收機(jī)(用戶)動(dòng)態(tài)軌跡的生成模擬;衛(wèi)星各種誤差建模;空間環(huán)境模擬;根據(jù)衛(wèi)星星座的選擇,推算可見星的導(dǎo)航電文和星歷;仿真數(shù)據(jù)的分析存儲(chǔ)與處理;衛(wèi)星星座星空視圖、可見星狀態(tài)參數(shù)、用戶GDOP數(shù)值和用戶實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡等的實(shí)時(shí)顯示。由于篇幅限制,不再給出流程圖和代碼模塊簡(jiǎn)介。

零槽模塊可以根據(jù)模擬星座和動(dòng)態(tài)要求需要的運(yùn)算量來進(jìn)行配置,對(duì)于普通目的的模擬器現(xiàn)在商用的零槽板卡基本上就能滿足要求,操作系統(tǒng)選擇WINDOWS XP。

1.3 射頻信號(hào)產(chǎn)生子系統(tǒng)

射頻信號(hào)產(chǎn)生板卡是射頻信號(hào)產(chǎn)生子系統(tǒng)的重要組成部分,一般配置3～6塊。在一塊板卡上完成了基帶信號(hào)產(chǎn)生功能和本振頻綜功能和正交上變頻功能,其功能邏輯關(guān)系如圖2所示。

圖2 射頻信號(hào)產(chǎn)生板卡結(jié)構(gòu)

板卡可以產(chǎn)生單頻點(diǎn)至少12顆衛(wèi)星的射頻信號(hào),模擬了衛(wèi)星和用戶的相對(duì)運(yùn)動(dòng),每顆衛(wèi)星最多3條多徑信號(hào),可以累加各種因素對(duì)信號(hào)的干擾。射頻板卡通過配置內(nèi)置軟件可以實(shí)現(xiàn)GPS、Galileo或Compass系統(tǒng)的各種調(diào)制模式信號(hào),射頻產(chǎn)生板卡可以根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行裁剪和配置,若只需單個(gè)星座,僅3塊板卡就可完成全頻點(diǎn)全功能模擬。

射頻信號(hào)合路器為亦為板卡式結(jié)構(gòu),無源設(shè)計(jì),設(shè)置有7路(按照2個(gè)完整星座系統(tǒng)配置)L波段信號(hào)輸入,其中6路為來自射頻信號(hào)產(chǎn)生板卡(2個(gè)完整星座系統(tǒng)),為衛(wèi)星模擬射頻信號(hào),1路為預(yù)留,用戶可以根據(jù)需要外接自己的信號(hào)源或干擾源。

時(shí)頻信號(hào)分路板卡,功能較為單一,完成外來時(shí)頻的分路,供多路射頻信號(hào)產(chǎn)生板卡使用。

2 關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)航模擬器是一個(gè)全新的課題,涉及到正交調(diào)制、多星座模擬、多徑模擬和多種調(diào)制方式生成等關(guān)鍵技術(shù),下面就部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2.1 正交調(diào)制技術(shù)

以QPSK信號(hào)產(chǎn)生為例,功率平衡QPSK信號(hào)可理解為二路載波正交的BPSK之和:

式中,I(n),Q(n)=±1;φ為初相;ω為載波角頻率,則

I、Q的4種組合分別對(duì)應(yīng)4種相位,從而實(shí)現(xiàn)四相調(diào)制。

當(dāng)已調(diào)信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)小于調(diào)制載波頻率時(shí),對(duì)于任意已調(diào)信號(hào)來說,都可以用S(t)=R(t)cos[ωct+θ(t)]來表示,其中幅度R(t)和相位θ(t)表征了基帶信號(hào)的全部特征,R(t)表示該信號(hào)的幅度調(diào)制信息,θ(t)表示該信號(hào)的相位調(diào)制信息,將上式展開后有:

式中 ,I(t)=R(t)cosθ(t);Q(t)=R(t)sinθ(t),分別為I、Q 分量 。

由上式可知,通過調(diào)整I和Q的權(quán)值可以達(dá)到調(diào)整PSK調(diào)制信號(hào)的相位 θ和幅度R(t)的目的。調(diào)制的方法是根據(jù)該通道的相位參數(shù) θ和幅度參數(shù)R(t)先求出I(t)、Q(t),然后分別與2個(gè)正交本振cosωct和sinωct相乘并求和,即可得到PSK調(diào)制信號(hào)S(t)。

由以上分析得知,要使用正交調(diào)制方案生成需要的信號(hào),只需在基帶產(chǎn)生上述信號(hào)中的I(t)、Q(t),只要與正交本振信號(hào)去乘就能完成幾乎所有導(dǎo)航所需信號(hào)的調(diào)制。而且正交調(diào)制的好處是所有的射頻特征都在基帶得以體現(xiàn),也就是說所需的射頻信號(hào)的幅度相位的模擬都可以在基帶完成,這樣為模擬器的實(shí)現(xiàn)提供了有力支持。

2.2 多普勒實(shí)現(xiàn)技術(shù)

當(dāng)衛(wèi)星和用戶發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng),多普勒頻移就產(chǎn)生了。多普勒頻移遵循公式,其中 Δf為當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)附加在頻率量f上的多普勒頻移,v為衛(wèi)星和用戶的相對(duì)速度,c為光速。

參照式(1)可推出,射頻信號(hào)多普勒頻移由碼多普勒和載波多普勒2部分組成。

與碼多普勒不同,載波多普勒是累加在射頻本振頻率上的頻率偏移,很難實(shí)現(xiàn),所以需要進(jìn)行一定的變換,思路是在較低的頻率上實(shí)現(xiàn)多普勒頻疑和相移。重寫式(1)為:

式中,I、Q為基帶正交信號(hào);fs為最終的頻率;φ為初始相位偏移。為了把射頻頻率分開,這里擬在基帶實(shí)現(xiàn)一個(gè)小中頻頻率的調(diào)制,中頻頻率選擇較小值,以便在FPGA內(nèi)部可以很容易的實(shí)現(xiàn),以GPS的L1頻點(diǎn)為例,射頻頻率為1 575.42,中頻頻率選擇其小數(shù)部分:1.42 MHz,則后端的正交調(diào)制本振為1 574 MHz,令fR=1 574 MHz,FI=1.42 MHz,則式(2)為:

由上述分析可知,射頻已調(diào)信號(hào)的多普勒頻偏和相位偏移都可以反映在小中頻上。碼多普勒和載波多普勒均可在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn),其原理框圖如圖3所示。

圖3 基帶信號(hào)生成框圖

在基帶完成碼擴(kuò)頻,小中頻調(diào)制,輸出正交的調(diào)制信號(hào),送DA轉(zhuǎn)換器,DA后的工作僅為和正交的射頻本振相乘。以GPS L1為例,本振可以選取1 574 MHz。需要補(bǔ)充說明的是設(shè)計(jì)中的多星信號(hào)合成就是在如圖3所示產(chǎn)生的I′和Q′,送DA之前相加來實(shí)現(xiàn)的。

至于2個(gè)多普勒量的實(shí)現(xiàn),該方案采取多級(jí)DDS調(diào)整方案,碼多普勒實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖4所示。載波DDS的實(shí)現(xiàn)原理類似,不再給出。

圖4 碼鐘方案原理

方案中使用了3級(jí)DDS,其中偽距控制字對(duì)應(yīng)于偽距,1次量控制字對(duì)應(yīng)于相對(duì)速度,2次量控制字對(duì)應(yīng)相對(duì)加速度,3次量對(duì)應(yīng)相對(duì)加加速度。所有這些量的計(jì)算可以由上位機(jī)來完成,射頻信號(hào)產(chǎn)生板卡上由DSP來完成控制字的計(jì)算和更新。

2.3 多徑模擬技術(shù)

多徑模擬是導(dǎo)航信號(hào)模擬器必不可少的功能,是模擬用戶周圍的反射物對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的反射,經(jīng)延遲和衰減后再到達(dá)用戶機(jī),與直達(dá)信號(hào)疊加的一種現(xiàn)象。

多徑實(shí)現(xiàn)起來有2種方案:①就像同頻點(diǎn)多衛(wèi)星信號(hào)合成一樣,使用單獨(dú)的信號(hào)產(chǎn)生電路,控制其延遲和幅度,在輸出時(shí)和主徑信號(hào)取和;②基于多徑信號(hào)是主徑信號(hào)反射原理,在生成主徑信號(hào)后,將其處理,完成延遲和衰減,然后在和主徑信號(hào)相加。這2種方案原理上都是可操作和實(shí)現(xiàn)的,區(qū)別是前者使用了更多的軟硬件資源,精度更高一些,而后者節(jié)省了大量的資源開銷,能滿足一般的需求。

2.4 導(dǎo)航電文的生成

導(dǎo)航電文提供衛(wèi)星的軌道位置、健康狀況和誤差等信息。導(dǎo)航電文的生成一般是以星歷文件為數(shù)據(jù)源,經(jīng)過推算來獲得。

以GPS系統(tǒng)為例,讀取Rinex文件,獲得電離層延遲改正參數(shù)、與UTC時(shí)間同步參數(shù)、衛(wèi)星鐘差參數(shù)以及星歷參數(shù)等,將獲得的這些數(shù)據(jù)保存在星歷參數(shù)結(jié)構(gòu)體和歷書參數(shù)結(jié)構(gòu)體中。

比較用戶設(shè)置的仿真起始時(shí)刻與星歷參數(shù)參考時(shí)刻,如果二者相差超過規(guī)定時(shí)間(一般取1小時(shí)),則進(jìn)行星歷外推,在現(xiàn)有星歷參數(shù)的基礎(chǔ)上,外推得到一組與用戶設(shè)置的仿真起始時(shí)刻的整點(diǎn)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的星歷參數(shù);反之,如果二者之差在規(guī)定時(shí)間之內(nèi),則不需要做星歷外推。

得到的星歷參數(shù)一方面用于衛(wèi)星位置的計(jì)算,另一方面用于生成導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)超幀的下行電文。下行電文中的周內(nèi)秒計(jì)數(shù),通過計(jì)算得到:根據(jù)用戶設(shè)置的仿真起始時(shí)刻,估算出衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻,與衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻對(duì)應(yīng),首先得到一個(gè)超幀中第一個(gè)子幀的周內(nèi)秒計(jì)數(shù),后面子幀的周內(nèi)秒計(jì)數(shù)在其上一子幀的周內(nèi)秒基礎(chǔ)上加上一個(gè)子幀持續(xù)的時(shí)間。然后將上面得到的各個(gè)參數(shù)值除以ICD中指定的每個(gè)參數(shù)的量化單位,得到量化后的參數(shù)值。按照下行電文格式,將量化后的參數(shù)值賦值給下行電文中的各個(gè)比特。

2.5 時(shí)間同步的實(shí)現(xiàn)

無論是單模模擬器還是雙模,只要存在多頻點(diǎn),都需要實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。該設(shè)計(jì)需要的時(shí)間頻率信號(hào)有10 MHz和1 pps信號(hào),為了實(shí)現(xiàn)至少6塊板卡的同步,考慮引入一個(gè)時(shí)間頻率分路板卡,實(shí)現(xiàn)多路驅(qū)動(dòng)輸出,保證了系統(tǒng)中的多路射頻信號(hào)產(chǎn)生板卡工作在統(tǒng)一的時(shí)頻下。

另外一個(gè)需要注意的是,由于上位機(jī)子系統(tǒng)是軟件系統(tǒng),定時(shí)是靠計(jì)算機(jī)來完成的,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足導(dǎo)航系統(tǒng)所需要的時(shí)間精度。而軟件系統(tǒng)計(jì)算的仿真數(shù)據(jù)又需要按照固定的節(jié)拍發(fā)送給射頻信號(hào)產(chǎn)生板卡,這里要求所有的時(shí)間節(jié)奏由射頻信號(hào)產(chǎn)生板卡來產(chǎn)生,在固定時(shí)刻通過PCI總線發(fā)送中斷給上位機(jī),上位機(jī)響應(yīng)中斷后只要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成發(fā)送就可以做到軟件和硬件的同步。

3 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)推動(dòng)了國(guó)內(nèi)導(dǎo)航信號(hào)模擬器的研究。但雙?；蚨嗄５膶?dǎo)航信號(hào)模擬器還沒有能夠提供市場(chǎng)的產(chǎn)品,這也就決定了我國(guó)的多模接收機(jī)和芯片的研發(fā)水平還落后于國(guó)外。自主導(dǎo)航信號(hào)模擬器在市場(chǎng)上的推廣,將提供各接收機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)廠商一個(gè)廉價(jià)的開發(fā)、測(cè)試和試驗(yàn)環(huán)境,加速我國(guó)的多模接收機(jī)研究進(jìn)程,提高我國(guó)在高端接收機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)能力。

自主導(dǎo)航信號(hào)模擬器可為衛(wèi)星導(dǎo)航在中國(guó)的推廣應(yīng)用提供必要的支撐條件。同時(shí)也為GPS/GALILEO/Compass導(dǎo)航系統(tǒng)的組合應(yīng)用提供一種開發(fā)手段,它的批量生產(chǎn)必將推動(dòng)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,也將使我國(guó)的接收機(jī)制造產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高端產(chǎn)品領(lǐng)域。

[1]趙少松,董立橋.通用導(dǎo)航信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[C].第十一屆全國(guó)遙感遙測(cè)遙控學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集,2008:192-194.

[2]李 雋.衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器體系結(jié)構(gòu)分析[J].無線電工程,2006,36(8)30-39.

[3]李征航,黃勁松.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005.

[4]劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2003:164-204.

[5]王 莉.區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的星座設(shè)計(jì)與比較[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),1999,18(4):1-8.