多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)分析與設計

桑 峻，陳明銳

（1.海南政法職業(yè)學院，海南 571100；2.海南大學 信息科學技術學院，海南 571100）

1 引言

目前市場上已經出現了針對射頻信號的采集回放產品，但是這些產品側重于對射頻信號進行采集后的大容量、長時間存儲，在需要時恢復信號。而轉發(fā)式欺騙干擾需要實驗平臺對衛(wèi)星導航信號實時采集后進行可控的短時間延時，再進行回放。由此可以看出，轉發(fā)式欺騙干擾所需的實驗平臺對實時性要求較高，目前市場上的相關產品其實并不完全符合轉發(fā)式欺騙干擾對實驗平臺的需求。因此，基于轉發(fā)式欺騙干擾研究的需求，設計了多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)，實現對衛(wèi)星導航信號的實時采集和可控延時轉發(fā)。

2 原理分析

衛(wèi)星導航接收機定位大多采用的是TOA測距法，即利用衛(wèi)星導航信號到達時間和發(fā)射時間差測量用戶到衛(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）—各個衛(wèi)星的位置坐標，可由導航電文解算得出；x，y，z—接收機的三維坐標；cδtr—接收機鐘和衛(wèi)星鐘之間的不同步對應的距離誤差。

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

圖1 單站式轉發(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)星導航信號通過多通道實時轉發(fā)系統(tǒng)的可調延時對應的距離。可見通過對各路衛(wèi)星導航信號的可調延時量δti進行合適的調整，可以誘騙接收機解算出錯誤的位置，達到欺騙干擾的目的，這就是多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)所要實現的基本功能。

3 系統(tǒng)設計

3.1 設計要求

目前應用廣泛的導航定位系統(tǒng)有GPS、GLONASS和BD2，它們的廣播導航信號頻率分布，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)星導航信號大多集中在L波段，如果對衛(wèi)星導航信號直接進行采集，那么對D/A、A/D和中間過程的信號處理帶來較大壓力，現有芯片難以滿足要求。因此，現在大多采用下變頻法進行射頻信號的采集，即首先將射頻信號下變頻到中頻段再進行數字化[5-6]。

在教學的過程中，教師除了應該鼓勵學生進行教材內容的閱讀之外，還應該促使學生進行課外閱讀，不斷提升語言組織和表達能力[4]。在閱讀過后，也應該進行寫作，不斷提升寫作技巧。實現語言體系的構建和語言運用能力的提升。比如在進行李白《蜀道難》的教學過程中，可以鼓勵學生閱讀李白的其他作品，通過詩朗誦的形式，提高學生的文言文運用能力。

根據奈奎斯特采樣原理，模數轉換器的采樣頻率必須達到中頻信號的兩倍以上才能夠不失真的對信號進行采樣和恢復，然而對于多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)而言，不僅僅要求對信號進行完整的采樣和回放，還要滿足實時性的要求，因為轉發(fā)信號的延時如果超出接收機的一個定位周期就很有可能被接收機發(fā)現剔除。目前國內外性能較好的導航接收機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)星導航信號在接收機的一個定位解算周期內轉發(fā)到接收機中，就必須確保信號經過系統(tǒng)的時間在10ms以內，顯然除了人為延時時間，對衛(wèi)星導航信號在系統(tǒng)內停留時間影響較大的就是D/A、A/D的轉換時間和數據存儲、讀取的時間，因此在D/A、A/D和內存的挑選上必須滿足實時性要求。

由式（1）可以知道，除了人為加入的延時外，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)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)進行設計時要將多通道信號的同步考慮在內，體現在系統(tǒng)中則包含兩個方面的含義：（1）D/A、A/D的采樣和恢復同步，一般可以通過共用同一觸發(fā)時鐘實現；（2）數據存取的同步，由于數據量較大，一次采集的信號難以同時存取，但是要保證存取的時間基準是一樣的，這可以通過存取邏輯進行控制。

3.2 方案設計

多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(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)星導航信號進行不同的延時后轉發(fā)出去。整個系統(tǒng)的工作原理為：多天線陣列接收各路衛(wèi)星導航信號后，采用具有自動控制增益（AGC）功能的下變頻模塊將處于射頻段的衛(wèi)星導航信號下變頻至中頻信號，送入A/D模塊轉換為數字信號，再對各通道信號進行不同的延時，爾后送入D/A模塊恢復為模擬信號，經上變頻模塊調制到射頻段，合為一路信號后發(fā)射出去。所以，多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)應該主要包括信號調理模塊、上/下變頻模塊、A/D模塊、延時模塊、控制器、D/A模塊和AGC模塊。由于轉發(fā)系統(tǒng)對實時性要求較高，因此采用嵌入式結構，系統(tǒng)原理圖，如圖2所示。

圖2 轉發(fā)系統(tǒng)原理圖Fig.2 of Retransmitting System

3.2.1 衛(wèi)星導航信號采集電路

衛(wèi)星導航信號的采集部分包括接收天線，前端信號調理模塊，下變頻模塊和A/D模塊。天上衛(wèi)星導航信號被接收下來后，信號基本被淹沒在噪聲信號當中，而且電平范圍不一定滿足A/D轉換的輸入電壓要求，需要經過相應的低噪放和濾波器進行調理以提高信噪比，并使模擬信號在進入A/D轉換前滿足轉換電壓要求。下變頻模塊則將處于L波段的衛(wèi)星導航信號下變頻到中頻信號，再送入A/D進行數字化采樣。數字化采樣過程中，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因素[7]。首先，采樣精度過低，則恢復出來的衛(wèi)星導航信號的質量較差，影響轉發(fā)信號的欺騙效果，采樣精度過高又會增大數據量，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，實際工程中會取（3～5）倍。另外，現在大多數的多通道信號采樣是在A/D轉換器前加一個多路復用裝置實現的，并不是嚴格意義上的多通道絕對同步采樣，而且轉換時間較長，為了保證系統(tǒng)對實時性和同步性的要求，為每路信號配置單獨的A/D和D/A轉換芯片[8-9]。

3.2.2 延時電路

延時電路的作用是將各路衛(wèi)星導航信號根據欺騙要求進行不同的延時，現在較為常用的方法是利用FIFO的先進先出特點，通過設置其偏置量OFFSET實現延時控制，但是FIFO的容量比較小，因此方案采用容量更大的雙口RAM來實現延時控制。雙口RAM是共享式多端口存儲器，配備兩套獨立的地址、數據和控制線，能對數字化衛(wèi)星導航信號同時存儲和讀取[10]，可通過對讀寫命令的控制來實現延時。

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

雙端口RAM實現延時的電路原理圖，如圖3所示。首先衛(wèi)星導航信號經A/D轉換為數字信號后，由控制器進行控制寫入雙端口RAM中，然后根據各路衛(wèi)星導航信號所需延時的時間對雙端口RAM輸出端的WR命令進行鎖存控制，當延時時間到達時再由控制器給輸出端的WR一個輸出信號，數字信號被送入D/A中恢復為模擬信號。

3.2.3 衛(wèi)星導航信號回放電路

衛(wèi)星導航信號的回放部分包括D/A模塊，上變頻模塊，后端信號調理模塊，發(fā)射天線。經過延時處理后的數字化衛(wèi)星導航信號從雙口RAM被讀出后首先經過D/A恢復為模擬信號，此時信號中會引入噪聲，所以要先通過濾波器，再送入上變頻模塊調制到相應衛(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

為了與真實衛(wèi)星導航信號進行競爭，轉發(fā)信號的輸出功率要稍微高于真實信號，因此需要通過AGC模塊對功率進行調整。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行調整，動態(tài)調節(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功能在射頻段上實現，滿足了大動態(tài)調節(jié)增益范圍的要求。

3.2.5 控制器

控制器采用“FPGA+DSP”的方案，FPGA算法完全由硬件實現，并行處理能力較強，而DSP的運算速度較高，綜合二者的優(yōu)點可以極大提高系統(tǒng)的處理速度。系統(tǒng)中FPGA主要負責對衛(wèi)星導航信號的采集和回放進行時序控制，DSP主要負責延時量的計算和數據的傳送分發(fā)。

4 方案驗證與結果分析

為了對多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)的方案設計進行初步的驗證，根據多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)的設計原理，利用NI公司的相關數據采集板卡構建了信號采集回放平臺，該采集回放平臺的結構完全符合設計方案。板卡及相關測試設備連接示意圖，如圖4所示。

圖4 NI驗證平臺連接示意圖Fig．4 of NI Verification Platform

由任意波形發(fā)生器板卡PXI-5441產生50MHZ的正弦信號，信號經過功分器一路送入示波器，另一路經過下變頻板卡NI PXI-5600下變頻到15MHZ，再經過中頻信號收發(fā)板卡NI PXIe-5641R對信號進行接收，并通過設置FIFO的存儲深度對信號進行一定的延時，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行比較。

延時 0．22ms、0．26ms、0．32ms和 0．38ms的波形圖，如圖 5～圖8所示?？梢园l(fā)現，恢復出來的信號要比直接送入示波器的信號有一定的延時，但是信號的平滑度不如原信號。由結果可知，信號經過NI驗證平臺采樣后可被恢復出來，并實現一定的延時，但是由于采樣和恢復時引入了器件噪聲和采樣精度的限制，信號質量有所下降。實驗初步驗證了多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)設計的可行性。

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

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

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

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

5 結論

（1）基于衛(wèi)星導航轉發(fā)式欺騙干擾的基本原理和衛(wèi)星導航信號的特點，提出了多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)的設計要求，尤其是在衛(wèi)星導航信號轉發(fā)的實時性和多通道之間的同步性上進行了嚴格的控制；

（2）提出了多通道衛(wèi)星導航信號實時轉發(fā)系統(tǒng)的設計方案，即在現有射頻信號采集回放系統(tǒng)基礎上進行擴充設計，系統(tǒng)由下變頻（包含自動增益控制）、模數轉換、可控延時、數模轉換和上變頻等幾個模塊組成，其中衛(wèi)星導航信號的可控延時通過設置雙端口RAM的存儲時間來實現；

（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)器等組成的驗證平臺，通過設置不同試驗條件和重復試驗，驗證了設計方案的可行性。