一種衛星導航掩星信號生成系統的製作方法
2023-07-26 06:04:51 1
專利名稱：一種衛星導航掩星信號生成系統的製作方法
技術領域：
本發明提供了一種衛星導航掩星信號生成系統，屬於衛星導航技術領域。
背景技術：
掩星探測技術是GNSS (Global Navigation Satellite System)在大氣觀測領域的擴展應用，它利用GNSS信號在傳播媒介(電離層和中性大氣)傳播時發生的折射率變化進而產生的相位延遲和幅度信息，反演出電離層電子密度隨時間、季節、地理位置、太陽活動水平(空間環境)變化以及中性大氣逆溫層、大氣重力波、鋒面的變化，目前，掩星探測技術已發展成為氣象學研究的有力手段。目前國內外對掩星探測技術的研究主要體現在掩星接收機研究和掩星接收數據反演算法研究上，這兩方面的研究都需要大量的外場試驗，對試驗地點(主要是高度)、試驗條件都有嚴格的限制，因易受到幹擾，試驗的可控性、可重複性都很差，在這種背景下誕生的掩星信號仿真技術研究，可以分為兩種純軟體仿真和射頻信號仿真。目前國內外的研究主要集中在純軟體仿真階段，主要通過3D射線追蹤前向模擬技術來實現對相位延遲、幅度變換的模擬，用於對掩星接收數據反演算法的研究，但是這種方式無法滿足掩星接收機、 掩星天線等設備試驗、測試需求，因此發展掩星信號的射頻仿真技術成為必然的選擇。掩星信號的射頻仿真不僅仿真掩星信號，還包括對直達星信號的仿真，模擬了掩星事件從出現到消失的全過程，可實現對掩星接收機的掩星預報、高速採集、開環跟蹤以及接收數據的事後反演功能進行全閉環測試。目前真正能夠將掩星前向模擬技術應用於物理射頻仿真的， 國內外的研究尚屬於起步階段，未見公開文獻發表。
發明內容
本發明的技術解決問題是針對現有技術的不足，提供了一種衛星導航掩星信號生成系統，該系統在三階DDS信號發生技術的基礎上，提高信號偽距、載波相位的仿真精度，模擬產生直達星信號和與其對應的掩星信號。本發明的技術解決方案是一種衛星導航掩星信號生成系統，可分別將直達星觀測數據和掩星觀測數據進行處理後模擬仿真出直達星射頻信號和掩星射頻信號，包括參數計算與實時更新模塊、中頻導航信號生成模塊、DAC模塊和上變頻模塊；所述參數計算與實時更新模塊接收輸入的直達星觀測數據和掩星觀測數據，並分別生成對應於直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數和功率控制碼，之後對所述直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數進行補償，並將所述功率控制碼和補償後的累加參數輸出給中頻導航信號生成模塊；所述中頻導航信號生成模塊根據輸入的功率控制碼和補償後的累加參數生成直達星數字中頻仿真信號和掩星數字中頻仿真信號，之後輸出到DAC模塊；所述DAC模塊將輸入的數字中頻仿真信號轉換為模擬中頻仿真信號；
所述上變頻模塊將DAC模塊產生的模擬中頻仿真信號上變頻到射頻頻段。所述參數計算與實時更新模塊包括系統建立模塊、系統初始化模塊和系統維護模塊；其中，系統建立模塊負責為整個信號生成系統建立開始仿真的啟動時間，並將啟動時間輸出給系統維護模塊；系統初始化模塊負責對參數計算和實時更新模塊的外部設備進行初始化以及對中頻導航信號生成模塊進行復位，所述外部設備包括PCI總線和SDRAM ；系統維護模塊包括仿真通道管理模塊和累加參數/功率計算模塊，其中，仿真通道管理模塊根據掩星射頻信號生成系統通道仿真數量確定直達星和掩星通道的開啟/關斷狀態，直達星仿真最多可以仿真12個直達星通道的信號，掩星仿真最多可以仿真4個通道的掩星信號；累加參數/功率計算模塊接收輸入的直達星和掩星觀測數據以及啟動時間，計算偽碼和載波的累加參數以及功率，產生直達星和掩星觀測數據的累加參數和功率控制碼，並對產生的直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數進行補償之後輸出；其中所述的直達星和掩星觀測數據包括時間信息、衛星編號、偽距、速度、加速度、加加速度、功率和載波相位。所述對產生的直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數進行補償通過如下步驟進行(3. 1)參數計算與實時更新模塊從直達星和掩星觀測數據中讀取偽距、載波相位以及偽距和載波相位各自的一階、二階、三階觀測量數據，計算出偽距和載波相位各自的一階累加器參數、二階累加器參數和三階累加器參數，並寫入中頻導航信號生成模塊；(3. 2)中頻導航信號生成模塊根據偽距和載波相位各自的各階累加器參數進行累加，即根據三階累加器參數累加獲得二階累加器結果，之後根據二階累加器結果和二階累加器參數累加獲得一階累加器結果，之後根據一階累加器結果和修正後的一階累加器參數累加獲得零階累加器結果，這樣就完成當前仿真計算周期，下一個仿真計算周期再從參數計算與實時更新模塊讀取觀測量數據開始啟動；所述仿真計算周期是指參數計算與實時更新模塊相鄰兩次讀取觀測量數據的間隔時間所述修正後的一階累加器參數按照以下方法得到參數計算與實時更新模塊在上一個仿真計算周期內從中頻導航信號生成模塊中讀取偽距、載波相位的零階累加器結果，與直達星、掩星觀測數據中的直接讀取到的偽距、 載波相位值做差，然後除以仿真計算周期，得到一階的載波相位修正量和偽距修正量，並將所述的一階的載波相位修正量和偽距修正量分別加到載波相位與偽距各自的一階累加器參數上，獲得修正後的一階累加器參數。所述中頻導航信號生成模塊包括用於生成數字中頻仿真信號的信號生成通道；所述信號生成通道接收輸入的直達星和掩星累加參數和功率控制碼，所述累加參數包括偽碼碼環參數和載波環參數；並根據累加參數計算得到載波表和碼錶的相位，根據計算得到的相位在偽碼碼表和載波表中查表得到載波和碼；利用得到的載波和偽碼進行調製、濾波、合路之後，與功率控制碼相乘進行功率調整得到數字中頻仿真信號。本發明與現有技術相比具有如下優點(1)本發明提供了一種掩星射頻信號生成系統。該系統採用三階累加器模擬產生高精度射頻信號的方法，將傳統的純軟體掩星事件仿真轉換為掩星射頻信號仿真，既繼承了純軟體仿真場景可控、可重複的優點，又以射頻信號仿真的方式實現了對掩星天線、掩星接收機、掩星後處理算法進行全鏈路的測試驗證，有效解決了外場試驗成本高、易受幹擾、 仿真場景不可控、不可重複的問題。(2)本發明對於三階累加器仿真射頻信號的處理為將低階累加器結果進行回讀，計算出修正量後補償到高階累加器參數中，這樣有效避免了累加過程中產生的截斷誤差累積效應，確保了仿真產生的射頻信號與理論數據的一致性，仿真產生的射頻信號質量滿足掩星探測設備的要求。
圖1為掩星接收機信號處理流程圖；圖2為本發明系統結構圖；圖3為參數計算與實時更新模塊結構圖；圖4為中頻導航信號生成模塊結構圖；圖5為中頻信號生成模塊處理流程圖；圖6為碼環、載波環三階累加器結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明具體實施方式
做進一步介紹。掩星探測系統的信號處理流程如圖1所示，首先處理直達星射頻信號，進行定位並解出曆書，根據定位信息和曆書中的導航星軌道信息計算導航星的切點高度，以切點高度為判據(山基掩星事件的判據為仰角大小)來預報掩星事件，當預報到要發生掩星事件時將觸發掩星接收機中的高速採樣處理設備以IOOHz的速率採集載波相位信息，直到掩星事件消失，最後將收集到的載波相位信息傳送給後處理單元。因此本發明需要同時包含直達星信號生成和掩星信號生成兩個部分，並要求具備高質量的載波相位仿真精度。衛星導航信號一般採用QPSK調製，包括載波、偽隨機測距碼和數據碼三種信息分量，直達星信號生成的表達式如下Szm (0 = AcmCit — T(O)Dc (t - T(O) C0S(2< (t - T(O) + <^CJ (1)
+ Apm P{t - T(t))Dp {t - τ{ )) sin(2< (t - τ(φ + φρηι)其中&表示直達星信號，m表示衛星號，A表示振幅，C、P分別表示測距碼和精密測距碼，D表示數據碼，乙表示載波頻率…表示初相，τ (t)表示衛星信號到接收機的信號傳輸延遲。由於掩星信號是通過對載波的時間延遲和信號功率進行測量，因此掩星信號的表達式是在直達星表達式的基礎上附加相位延遲和功率衰減，掩星信號生成的表達式如下Sy(0 = (Acm + SpoJdt -τ(0 + δ)cos(2^m(t - τ( ) + δ) + 9cm)⑵
+ + δρο. )P(t~T(t) + S) sin(2^m (t -τ( ) + δ) + cppm)其中Sy表示掩星信號，δ P0W表示掩星信號的功率衰減量，δ表示空間環境傳播引起的附加時間延遲量。衛星導航掩星信號生成系統結構如圖2所示，掩星信號生成方法包括直達星信號仿真和掩星信號仿真兩部分組成。通過數學仿真生成的直達星觀測數據經過DSP進行處理，並將實時更新的直達星累加器參數、功率控制碼和導航電文傳送給FPGA生成中頻信號，通過DAC生成模擬信號，上變頻後模擬仿真出12顆直達星射頻信號；通過3D射線追蹤算法生成的掩星觀測數據經過DSP進行處理，並將實時更新的掩星累加參數、功率控制碼傳送給FPGA生成中頻信號，通過DAC生成模擬信號，上變頻後模擬仿真4個通道的掩星射頻信號。本信號生成系統可分別將直達星觀測數據和掩星觀測數據進行處理後模擬仿真出直達星射頻信號和掩星射頻信號，包括參數計算與實時更新模塊、中頻導航信號生成模塊、DAC模塊和上變頻模塊；所述參數計算與實時更新模塊接收輸入的直達星觀測數據和掩星觀測數據，並分別生成對應於直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數和功率控制碼，之後對所述直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數進行補償，並將所述功率控制碼和補償後的累加參數輸出給中頻導航信號生成模塊；所述中頻導航信號生成模塊根據輸入的功率控制碼和補償後的累加參數生成直達星數字中頻仿真信號和掩星數字中頻仿真信號，之後輸出到DAC模塊；所述DAC模塊將輸入的數字中頻仿真信號轉換為模擬中頻仿真信號；所述上變頻模塊將DAC模塊產生的模擬中頻仿真信號上變頻到射頻頻段。所述參數計算與實時更新模塊包括系統建立模塊、系統初始化模塊和系統維護模塊；其中，系統建立模塊負責為整個信號生成系統建立開始仿真的啟動時間，並將啟動時間輸出給系統維護模塊；系統初始化模塊負責對參數計算和實時更新模塊的外部設備進行初始化以及對中頻導航信號生成模塊進行復位，所述外部設備包括PCI總線和SDRAM ；系統維護模塊包括仿真通道管理模塊和累加參數/功率計算模塊，其中，仿真通道管理模塊根據掩星射頻信號生成系統通道仿真數量確定直達星和掩星通道的開啟/關斷狀態，直達星仿真最多可以仿真12個直達星通道的信號，掩星仿真最多可以仿真4個通道的掩星信號；累加參數/功率計算模塊接收輸入的直達星和掩星觀測數據以及啟動時間，計算偽碼和載波的累加參數以及功率，產生直達星和掩星觀測數據的累加參數和功率控制碼，並對產生的直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數進行補償之後輸出；其中所述的直達星和掩星觀測數據包括時間信息、衛星編號、偽距、速度、加速度、加加速度、功率和載波相位。所述對產生的直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數進行補償通過如下步驟進行(a)參數計算與實時更新模塊從直達星和掩星觀測數據中讀取偽距、載波相位以及偽距和載波相位各自的一階、二階、三階觀測量數據，計算出偽距和載波相位各自的一階累加器參數、二階累加器參數和三階累加器參數，並寫入中頻導航信號生成模塊；(b)中頻導航信號生成模塊根據偽距和載波相位各自的各階累加器參數進行累加，即根據三階累加器參數累加獲得二階累加器結果，之後根據二階累加器結果和二階累加器參數累加獲得一階累加器結果，之後根據一階累加器結果和修正後的一階累加器參數累加獲得零階累加器結果，這樣就完成當前仿真計算周期，下一個仿真計算周期再從參數計算與實時更新模塊讀取觀測量數據開始啟動；所述仿真計算周期是指參數計算與實時更新模塊相鄰兩次讀取觀測量數據的間隔時間所述修正後的一階累加器參數按照以下方法得到參數計算與實時更新模塊在上一個仿真計算周期內從中頻導航信號生成模塊中讀取偽距、載波相位的零階累加器結果，與直達星、掩星觀測數據中的直接讀取到的偽距、 載波相位值做差，然後除以仿真計算周期，得到一階的載波相位修正量和偽距修正量，並將所述的一階的載波相位修正量和偽距修正量分別加到載波相位與偽距各自的一階累加器參數上，獲得修正後的一階累加器參數。所述中頻導航信號生成模塊包括用於生成數字中頻仿真信號的信號生成通道；所述信號生成通道接收輸入的直達星和掩星累加參數和功率控制碼，所述累加參數包括偽碼碼環參數和載波環參數；並根據累加參數計算得到載波表和碼錶的相位，根據計算得到的相位在偽碼碼表和載波表中查表得到載波和碼；利用得到的載波和偽碼進行調製、濾波、合路之後，與功率控制碼相乘進行功率調整得到數字中頻仿真信號。參數計算與實時更新模塊的結構如圖3所示，主要包括系統建立、系統初始化和系統維護三個功能模塊。其中系統建立模塊主要負責為整個信號生成系統建立啟動時間。 系統初始化模塊負責在系統仿真前對系統進行初始化，通過EMIF(外部存儲器接口)為 FPGA提供復位信號。系統維護模塊是DSP部分的主要功能模塊，直達星和掩星信號的通道配置以及偽碼偏移、功率衰減的靈活配置都是通過這個模塊實現的。系統維護模塊通過PCI (外圍部件互聯總線)總線讀取直達星觀測數據和掩星觀測數據，分別通過直達星累加參數/功率計算模塊和掩星累加參數/功率計算模塊進行偽碼和電文的累加參數計算以及功率的計算，並將計算結果通過EMIF實時的下寫給FPGA，另外還會實時下寫直達星導航電文。同時，直達星累加參數/功率計算模塊和掩星累加參數 /功率計算模塊還將系統的狀態信息實時的通過PCI總線上傳給上位機。直達星和掩星信號的通道配置功能是通過直達星仿真通道管理模塊和掩星仿真通道管理模塊實現的。對於直達星的12個通道，DSP可以建立任意不多於12顆的衛星並進行保持，並可以任意撤銷其中某顆衛星而建立和保持另外一顆衛星，即換星；對於掩星的 4個通道，DSP根據掩星預報的結果(同時不會超過兩次)將出現的掩星在掩星通道建立起來，同時也可進行換星處理。為保證射頻信號與直達星/掩星仿真數據的一致性，在參數計算與實時更新模塊中增加了累加器截斷誤差修正。具體方法說明如下累加器參數的計算包括偽碼碼環和載波環累加器參數的計算兩部分。計算偽碼碼環參數通過如下公式進行
權利要求
1.一種衛星導航掩星信號生成系統，可分別將直達星觀測數據和掩星觀測數據進行處理後模擬仿真出直達星射頻信號和掩星射頻信號，其特徵在於包括參數計算與實時更新模塊、中頻導航信號生成模塊、DAC模塊和上變頻模塊；所述參數計算與實時更新模塊接收輸入的直達星觀測數據和掩星觀測數據，並分別生成對應於直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數和功率控制碼，之後對所述直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數進行補償，並將所述功率控制碼和補償後的累加參數輸出給中頻導航信號生成模塊；所述中頻導航信號生成模塊根據輸入的功率控制碼和補償後的累加參數生成直達星數字中頻仿真信號和掩星數字中頻仿真信號，之後輸出到DAC模塊；所述DAC模塊將輸入的數字中頻仿真信號轉換為模擬中頻仿真信號；所述上變頻模塊將DAC模塊產生的模擬中頻仿真信號上變頻到射頻頻段。
2.根據權利要求1所述的一種衛星導航掩星信號生成系統，其特徵在於所述參數計算與實時更新模塊包括系統建立模塊、系統初始化模塊和系統維護模塊；其中，系統建立模塊負責為整個信號生成系統建立開始仿真的啟動時間，並將啟動時間輸出給系統維護模塊；系統初始化模塊負責對參數計算和實時更新模塊的外部設備進行初始化以及對中頻導航信號生成模塊進行復位，所述外部設備包括PCI總線和SDRAM ；系統維護模塊包括仿真通道管理模塊和累加參數/功率計算模塊，其中，仿真通道管理模塊根據掩星射頻信號生成系統通道仿真數量確定直達星和掩星通道的開啟/關斷狀態，直達星仿真最多可以仿真12個直達星通道的信號，掩星仿真最多可以仿真4個通道的掩星信號；累加參數/功率計算模塊接收輸入的直達星和掩星觀測數據以及啟動時間， 計算偽碼和載波的累加參數以及功率，產生直達星和掩星觀測數據的累加參數和功率控制碼，並對產生的直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數進行補償之後輸出；其中所述的直達星和掩星觀測數據包括時間信息、衛星編號、偽距、速度、加速度、加加速度、功率和載波相位。
3.根據權利要求1或2所述的一種衛星導航掩星信號生成系統，其特徵在於所述對產生的直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數進行補償通過如下步驟進行(3. 1)參數計算與實時更新模塊從直達星和掩星觀測數據中讀取偽距、載波相位以及偽距和載波相位各自的一階、二階、三階觀測量數據，計算出偽距和載波相位各自的一階累加器參數、二階累加器參數和三階累加器參數，並寫入中頻導航信號生成模塊；(3. 2)中頻導航信號生成模塊根據偽距和載波相位各自的各階累加器參數進行累加， 即根據三階累加器參數累加獲得二階累加器結果，之後根據二階累加器結果和二階累加器參數累加獲得一階累加器結果，之後根據一階累加器結果和修正後的一階累加器參數累加獲得零階累加器結果，這樣就完成當前仿真計算周期，下一個仿真計算周期再從參數計算與實時更新模塊讀取觀測量數據開始啟動；所述仿真計算周期是指參數計算與實時更新模塊相鄰兩次讀取觀測量數據的間隔時間所述修正後的一階累加器參數按照以下方法得到參數計算與實時更新模塊在上一個仿真計算周期內從中頻導航信號生成模塊中讀取偽距、載波相位的零階累加器結果，與直達星、掩星觀測數據中的直接讀取到的偽距、載波相位值做差，然後除以仿真計算周期，得到一階的載波相位修正量和偽距修正量，並將所述的一階的載波相位修正量和偽距修正量分別加到載波相位與偽距各自的一階累加器參數上，獲得修正後的一階累加器參數。
4.根據權利要求1所述的一種衛星導航掩星信號生成系統，其特徵在於所述中頻導航信號生成模塊包括用於生成數字中頻仿真信號的信號生成通道；所述信號生成通道接收輸入的直達星和掩星累加參數和功率控制碼，所述累加參數包括偽碼碼環參數和載波環參數；並根據累加參數計算得到載波表和碼錶的相位，根據計算得到的相位在偽碼碼表和載波表中查表得到載波和碼；利用得到的載波和偽碼進行調製、濾波、合路之後，與功率控制碼相乘進行功率調整得到數字中頻仿真信號。
全文摘要
一種衛星導航掩星信號生成系統，包括參數計算與實時更新模塊、中頻導航信號生成模塊、DAC模塊和上變頻模塊；參數計算與實時更新模塊接收輸入的直達星觀測數據和掩星觀測數據，並分別生成對應於直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數和功率控制碼，之後對所述直達星觀測數據和掩星觀測數據的累加參數進行補償，並將所述功率控制碼和補償後的累加參數輸出給中頻導航信號生成模塊；中頻導航信號生成模塊根據輸入的功率控制碼和補償後的累加參數生成直達星數字中頻仿真信號和掩星數字中頻仿真信號，之後輸出到DAC模塊；本發明有效解決了外場試驗成本高、易受幹擾、仿真場景不可控、不可重複的問題。
文檔編號G01S19/23GK102288974SQ20111012027
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月10日 優先權日2011年5月10日
發明者孫昊婧, 孟斌, 王宏偉, 王曄, 王玲, 陳瀟 申請人:航天恆星科技有限公司