基於軟體的導航衛星信號生成系統的製作方法
2024-04-05 13:57:05 1
專利名稱：基於軟體的導航衛星信號生成系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及衛星導航領域，特別是一種基於軟體的導航衛星信號生成系統，該導航衛星信號生成系統是一種研發、測試衛星導航接收機的有效工具，可以應用於任何導航衛星信號的生成，包括美國的GPS系統，俄羅斯的GLONASS系統，歐洲的伽利略系統，中國的北鬥系統，以及以後可能出現的任何新的衛星導航體制。
背景技術：
衛星導航系統是一種通過接收機接收多顆導航衛星信號，接收機根據接收到的導航衛星信號進行運算得到接收機位置的系統。一般衛星導航系統由分布於不同軌道平面的多顆導航衛星組成，以保證在任何時間，應用範圍內的任何地點都可以接收到多顆導航衛星的信號，比如對於現在運行的美國GPS(Global Positioning System全球定位系統)系統的應用範圍是全球，就要保證在任何時間、全球的任何地點可以接收到至少四顆導航衛星的信號。衛星導航接收機就是接收導航衛星信號，並根據接收到的衛星信號經過運算，得到位置、時間、速度的裝置。
圖1是衛星導航系統和衛星導航接收機的原理框圖。衛星導航接收機可以同時收到n顆導航衛星發射的信號，這n顆導航衛星信號之和我們稱之為導航衛星射頻信號SRFSRF=i=1nSRFi...(1)]]>SRFi＝AiCi(t-τi)Di(t)sin(ωi(t-τi)+φi)+ni(t) (2)其中，SRFi為第i顆衛星的射頻信號，Ai為第i顆衛星的信號幅度，Ci(t)為第i顆衛星偽隨機碼，包括各種導航衛星體制中的所有碼，如美國GPS系統中的C/A碼、P碼，歐洲伽利略系統中的各種碼等，Di(t)為第i顆衛星發射的導航電文，包括各種導航衛星體制中的各種電文，ωi為第i顆衛星的載波角頻率，包括各種導航衛星體制中的所有頻率，φi為第i顆衛星的載波相位，τi為第i顆衛星的傳輸延時，ni(t)為噪聲功率。Ai、ωi、φi、τi、ni(t)與導航衛星的運行軌道、導航衛星的時鐘誤差等誤差參數、導航衛星信號傳輸誤差參數(如電離層誤差、對流層誤差)、信道衰減、接收機位置和運動狀態有關，即當接收機處於不同位置和不同運動狀態時，會引起上述變量產生相應變化。
衛星導航接收機通常由硬體和軟體兩部分組成。硬體部分包括天線、射頻部分、基帶處理。天線將空間中的導航衛星電磁波轉變為電信號，得到射頻信號，信號的頻率為衛星信號波段，如GPS系統的L1波段的頻率標稱值為1575.42MHz。射頻部分將導航衛星信號放大、下變頻、濾波、數模變換，最後輸出數字中頻信號。下變頻是指將衛星波段的信號(頻率一般為1GHz到2GHz)降到幾MHz到幾十MHz的模擬中頻信號，即相當於射頻信號的頻率減去一個固定的本振頻率。模擬中頻信號SIFA為SIFA=i=1nSIFAi...(3)]]>SIFAi＝AiCi(t-τi)Di(t-τi)sin((ωi-ω0)(t-τi)+φi)+ni(t)(4)其中，ω0為本振角頻率。數模變換是將經過下變頻後的模擬中頻信號SIFA進行採樣量化，變為數字中頻信號，數字中頻信號SIFD可以被進一步進行數字處理。基帶處理一般是數字電路，處理數字中頻信號，主要功能是去掉直擴序列和中頻載波。軟體部分運行在處理器上，根據基帶處理部分的結果進行運算，同時寫入控制參數到基帶處理部分。軟體部分由信號處理和解算兩部分組成。信號處理軟體主要包括衛星信號捕獲、跟蹤、比特同步、比特信息提取等部分。解算部分主要功能是通過計算得到接收機位置。
目前，開發、研製衛星導航接收機是比較費時、費力的事情，為了全面研究衛星導航接收機的算法和測試其性能，需要接收機可以處於任意位置和任意的運動狀態，以及需要任意時間、任意信號強度、任意傳輸誤差等各種條件。然而，在實際開發和測試過程中，使接收機真實處於這些條件下(特別是一些極端環境)是不可能的。因此，需要導航衛星信號生成系統(或叫導航衛星信號模擬器)人為產生導航衛星射頻信號SRF，使公式(1)和(2)中的各種參數對應於各種條件，如時間、信道衰減、接收機位置和運動狀態、信道傳輸延時等，這樣就可以在實驗室的靜態條件下模擬各種環境條件，從而達到驗證、測試導航衛星接收機的目的。如圖2為現有的導航衛星信號生成系統的原理框圖，用戶可以任意設置接收機的位置和運動軌跡、時間、誤差參數、信道衰減等各種參數，該信號生成系統計算出各導航衛星報文，以及接收機應收到的各導航衛星的載波頻率、載波頻率變化率、載波相位、延時等觀測量，產生控制命令，控制硬體部分進行直擴序列產生、直擴序列擴頻、載波生成、載波調製、調整增益，最終生成導航衛星射頻信號SRF。系統的軟體部分一般是在專用的計算機系統中運行。上述結構雖然被目前所有市場上的導航衛星信號生成系統所採用，但其存在如下不足之處1、主要功能(如直擴序列產生、直擴序列擴頻、載波生成、載波調整等)是通過硬體實現，設備複雜、成本高；2、設備的硬體一旦做好，難以改變，靈活性差，難以升級、改造，如一旦出現新的導航衛星體制或新的衛星信號，就需要新的設備；3、輸出單一，只有射頻信號，無法得到模擬中頻信號、數字中頻信號；4、無法得到數字中頻信號數據，該數據可以被計算機軟體處理，進行數據分析和軟體仿真；5、採用專用計算機系統成本高，靈活性差；6、由於硬體實現過於複雜，不便於設計多種衛星導航體制、多種碼、多種頻點的混合導航衛星信號生成系統；7、難以擴展功能，用戶無法在輸出信號中加入自定義信號，如單頻幹擾信號等。
發明內容
本發明針對現有技術中存在的缺陷或不足，提供一種能夠只需較少的硬體，從而成本降低、但靈活性增加的基於軟體的導航衛星信號生成系統。
本發明的技術構思為，在計算機中通過軟體生成導航衛星的數字中頻信號數據，從而在硬體構成中能夠減少直擴序列擴頻、載波生成和載波調製等單元，實現成本低、靈活性高的基於軟體的導航衛星信號生成系統。
本發明技術方案如下基於軟體的導航衛星信號生成系統，包括通過計算機數據接口連接的軟體部分和硬體部分，其特徵在於所述軟體部分運行於計算機中，並在計算機中由該軟體生成導航衛星的數字中頻信號數據。
所述數字中頻信號數據通過計算機數據接口傳送到硬體部分，得到數字中頻信號；該數字中頻信號經過數模變換和濾波得到模擬中頻信號；該模擬中頻信號經上變頻得到導航衛星的射頻信號。
所述計算機數據接口為標準計算機數據接口，包括USB接口或PCI接口等。
所述硬體部分主要包括數模變換裝置、濾波裝置、上變頻裝置和增益控制裝置，而不再包括直擴序列擴頻裝置、載波生成裝置和載波調製裝置。
所述數模變換、濾波、上變頻為多個並行通道，以便分別得到各種導航衛星體制、各種碼、各種頻率的導航衛星信號，最後將所有通道的射頻信號合併，就可以得到最終的射頻信號。
所述數字中頻信號可以被直接輸入到衛星導航接收機的基帶部分，用於調試和測試，數字中頻信號的時鐘頻率可以被任意設置，即該時鐘頻率可以與實際的採樣率不一至；所述模擬中頻信號可以被輸入至衛星導航接收機的模數變換部分之前，用於調試和測試；所述射頻信號的功率可以被增益控制裝置調節，所述射頻信號可以被輸入到完整的衛星導航接收機，用於調試和測試。
所述軟體生成的數字中頻信號數據中的中頻頻率，採樣率，以及樣點比特數可以通過軟體設置。
所述軟體部分還包括自定義信號模塊，能夠被用戶擴展應用，即用戶可加入自定義的信號。
本發明技術效果如下本發明提出一種新的基於軟體的導航衛星信號生成系統，只具有最少、最基本的硬體，成本低、靈活性高。本系統主要通過普通的計算機生成數字中頻信號數據，再通過標準計算機數據接口，如USB接口(速率可達480Mb/s)、PCI接口等，傳送到硬體部分，得到數字中頻信號，再經過數模變換得到模擬中頻信號，最後經上變頻得到射頻信號。本系統可以得到數字中頻信號數據、數字中頻信號、模擬中頻信號、射頻信號等多種輸出形式。
導航衛星信號生成系統是一種研發衛星導航接收機的有效工具。與目前基於硬體的導航衛星信號生成系統不同，本發明是基於軟體的導航衛星信號生成系統，在計算機中通過軟體生成導航衛星的數字中頻信號數據，硬體部分只保留最少的部分，即主要只有模數變換、帶通濾波和上變頻部分。數字中頻信號數據通過標準的計算機數據接口，從計算機傳送到硬體設備上，從而可以得到導航衛星的數字中頻信號，經過數模轉換，可以得到模擬中頻信號，再經過上變頻，就可以得到導航衛星的射頻信號，這與實際情況下導航衛星信號完全一樣。本系統結構靈活、擴展性強、成本低，可以產生導航衛星的射頻信號、模擬中頻信號、數字中頻信號、數字中頻信號數據，開發者可以利用這些信號研究、驗證、測試衛星導航接收機的算法、程序和性能。
圖1是衛星導航系統和衛星導航接收機的原理框圖。
圖2是現有的導航衛星信號生成系統的原理框圖。
圖3是本發明的基於軟體的導航衛星信號生成系統的原理框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
圖3為本發明的基於軟體的導航衛星信號生成系統的原理框圖，主要分為軟體部分和硬體部分。
導航衛星信號生成系統的軟體部分運行在普通的計算機上，用戶通過人機界面可以任意設置接收機的位置和運動軌跡，以及時間、誤差參數、信道衰減等各種參數，經計算可得到參數和誤差，包括導航衛星軌道參數、導航衛星時鐘誤差參數、電離層參數、對流層參數等。通過這些參數，可以得到導航電文。利用這些參數和接收機運動軌跡，可以得到接收機應收到的各導航衛星的觀測量，包括中頻載波頻率、載波頻率變化率、載波相位、碼時鐘頻率、碼相位、信號幅度噪聲功率等參數，即前述背景技術式(4)中的各參數。利用式(4)，通過軟體最終得到數字中頻信號SIFD數據，通過軟體設置，該數據可以包括任何導航衛星體制、任何碼、任何頻率的衛星信號，也可以生成廣域增強衛星信號，如WAAS、EGNOS信號等。其中，中頻頻率、採樣時鐘頻率、每個採樣點的比特數都可以通過軟體設置。另外，可以具有擴展功能，用戶可以在數字中頻信號中加入自定義信號，如單頻幹擾信號等等，以便於幹擾、抗幹擾研究。此前所有功能都是通過軟體實現的。數字中頻信號數據也可以被用戶使用，做數據分析和軟體仿真。
計算機讀取數字中頻信號數據，通過標準的計算機數據接口傳送到導航衛星信號生成系統的硬體部分中，此標準計算機數據接口的傳輸比特速率應大於數字中頻信號的採樣率×每個採樣點的比特數，該數據接口包括USB、PCI接口等。在硬體部分中，經過計算機數據接口的解碼，得到數字中頻信號。該數字中頻信號可以被直接輸入到衛星導航接收機的基帶部分，用於調試和測試，數字中頻信號的時鐘頻率可以被任意設置，即該時鐘頻率可以與實際的採樣率不一至。例如，為了做實驗驗證，衛星導航接收機要進行FPGA實驗，該接收機的運行速度低於實際情況，這就可以通過輸入低頻率的數字中頻信號來進行實驗。數字中頻信號經數模變換、濾波後得到模擬中頻信號，模擬中頻信號也可以被輸入至衛星導航接收機的模數變換部分之前，用於調試和測試。模擬中頻信號再經上變頻就可以得到導航衛星的射頻信號，射頻信號的功率可以被增益控制部分調節。其中，數模變換、濾波、上變頻也可以是多個並行通道，以便分別得到各種導航衛星體制、各種碼、各種頻率的導航衛星信號，最後將所有通道的射頻信號合併，就可以得到最終的射頻信號。該射頻信號可以被輸入到完整的衛星導航接收機，用於調試和測試。
本發明適用於各種導航衛星體制的信號生成，包括美國的GPS系統、歐洲的伽利略系統、俄羅斯的GLONASS系統、中國的北鬥系統等，以及未來可能出現的新的衛星導航體制和新的衛星信號，只需要一臺普通計算機和少量的硬體。設備硬體簡單(主要只包括計算機數據接口電路、模數變換、濾波器、上變頻和增益控制)、成本低、靈活性高、升級容易，可以單獨或混合輸出各種導航衛星體制、各種碼、各種頻率的導航衛星信號。輸出形式多樣化，可以得到數字中頻信號數據、數字中頻信號、模擬中頻信號、射頻信號等，是研究、驗證、開發、測試衛星導航接收機和衛星導航軟體接收機的有效工具。
本發明的基於軟體的導航衛星信號生成系統具有以下特點1.本發明中的導航衛星信號生成系統可以應用於任何導航衛星信號的生成，包括美國的GPS系統，俄羅斯的GLONASS系統，歐洲的伽利略系統，中國的北鬥系統，以及以後可能出現的任何新的衛星導航體制。
2.如圖3所示，是導航衛星信號生成系統的主要組成框圖。主要特點是主要功能由軟體實現，硬體部分只保留最少部分；數字中頻信號數據在普通計算機中由軟體生成；採用標準計算機數據接口，可以連續、實時的傳送信號，標準計算機數據接口包括USB等一切標準的計算機數據接口，只要數據接口的傳輸比特速率大於數字中頻信號的採樣率×每個採樣點的比特數即可；硬體部分主要只有數模變換、濾波、上變頻、增益控制。
3.輸出形式多樣，可以得到數字中頻信號數據、數字中頻信號、模擬中頻信號、射頻信號，也可以只包括數字中頻信號數據、數字中頻信號、模擬中頻信號、射頻信號中的一種或幾種。
4.硬體部分中，可以包括2中列的全部或部分，也可以根據功能需求進行增減組合。
5.硬體部分中，數模變換、濾波、上變頻也可以是多個並行通道，以便得到各種導航衛星體制、各種碼、各種頻率的導航衛星信號，最後將所有通道的射頻信號合併，就可以得到最終的射頻信號。
6.軟體生成的數字中頻信號數據中的中頻頻率，採樣率，樣點比特數可以通過軟體設置。
7.在硬體部分中，計算機傳送過來的數字中頻信號數據變為數字中頻信號時，數字中頻信號的時鐘頻率可以被任意設置。
8.本系統可以產生多個頻率的導航衛星信號。
9.本系統可以產生各種衛星導航體制、多種碼的單獨或混合導航衛星信號。
10.可以被用戶擴展應用，用戶可加入自定義的信號。
11.本系統也可以生成廣域增強衛星信號，如WAAS、EGNOS信號等應當指出，以上所述具體實施方式
可以使本領域的技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。因此，儘管本說明書參照附圖和實施方式對本發明已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或者等同替換；而一切不脫離本發明的精神和技術實質的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明專利的保護範圍當中。
權利要求
1.基於軟體的導航衛星信號生成系統，包括通過計算機數據接口連接的軟體部分和硬體部分，其特徵在於所述軟體部分運行於計算機中，並在計算機中由該軟體生成導航衛星的數字中頻信號數據。
2.根據權利要求1所述的基於軟體的導航衛星信號生成系統，其特徵在於所述數字中頻信號數據通過計算機數據接口傳送到硬體部分，得到數字中頻信號；該數字中頻信號經過數模變換和濾波得到模擬中頻信號；該模擬中頻信號經上變頻得到導航衛星的射頻信號。
3.根據權利要求1所述的基於軟體的導航衛星信號生成系統，其特徵在於所述計算機數據接口為標準計算機接口，包括USB接口或PCI接口。
4.根據權利要求1所述的基於軟體的導航衛星信號生成系統，其特徵在於所述硬體部分主要包括數模變換裝置、濾波裝置、上變頻裝置和增益控制裝置，而不再包括直擴序列擴頻裝置、載波生成裝置和載波調製裝置。
5.根據權利要求4所述的基於軟體的導航衛星信號生成系統，其特徵在於所述數模變換、濾波、上變頻為多個並行通道，以便分別得到各種導航衛星體制、各種碼、各種頻率的導航衛星信號，最後將所有通道的射頻信號合併，就可以得到最終的射頻信號。
6.根據權利要求2所述的基於軟體的導航衛星信號生成系統，其特徵在於所述數字中頻信號可以被直接輸入到衛星導航接收機的基帶部分，用於調試和測試，數字中頻信號的時鐘頻率可以被任意設置，即該時鐘頻率可以與實際的採樣率不一至；所述模擬中頻信號可以被輸入至衛星導航接收機的模數變換部分之前，用於調試和測試；所述射頻信號的功率可以被增益控制裝置調節，所述射頻信號可以被輸入到完整的衛星導航接收機，用於調試和測試。
7.根據權利要求1所述的基於軟體的導航衛星信號生成系統，其特徵在於所述軟體生成的數字中頻信號數據中的中頻頻率，採樣率，以及樣點比特數可以通過軟體設置。
8.根據權利要求1所述的基於軟體的導航衛星信號生成系統，其特徵在於所述軟體部分還包括自定義信號模塊，能夠被用戶擴展應用，即用戶可加入自定義的信號。
全文摘要
本發明提供一種能夠只需較少的硬體，從而成本降低、但靈活性增加的基於軟體的導航衛星信號生成系統，包括通過計算機數據接口連接的軟體部分和硬體部分，其特徵在於所述軟體部分運行於計算機中，並在計算機中由該軟體生成導航衛星的數字中頻信號數據。所述數字中頻信號數據通過計算機數據接口傳送到硬體部分，得到數字中頻信號；該數字中頻信號經過數模變換和濾波得到模擬中頻信號；該模擬中頻信號經上變頻得到導航衛星的射頻信號。所述計算機數據接口為USB接口或PCI接口。所述硬體部分主要包括數模變換裝置、濾波裝置、上變頻裝置和增益控制裝置，而不再包括直擴序列擴頻裝置、載波生成裝置和載波調製裝置。
文檔編號G01C21/20GK101033974SQ20071006289
公開日2007年9月12日 申請日期2007年1月19日 優先權日2007年1月19日
發明者王瀚晟, 張峻林 申請人:北京東方聯星科技有限公司