一種衛星導航信號模擬器的層次化結構及實現方法
2023-04-24 03:37:46
專利名稱：一種衛星導航信號模擬器的層次化結構及實現方法
技術領域：
本發明涉及衛星導航儀器領域，主要是導航信號模擬器設計和生產領域，涉及一種衛星導航信號模擬器的層次化結構及實現。該發明可應用於衛星導航信號模擬器的設計與實現。
背景技術：
衛星導航信號模擬器是衛星導航系統和各種接收設備(尤其是高動態接收機)研製的關鍵儀器，一直受到軍事和工業部門的關注。使用衛星導航信號模擬器進行檢測和標校已成為國際公認的最佳方法，衛星導航信號模擬器已經廣泛地用於學術和工業領域中，並且進入了許多不同的應用領域，其中包括軍用或民用目的的導航、定位、電信、航空、汽車和航天。使用衛星導航信號模擬器可以促進研究和產品開發過程的多個階段，包括需求分析、設計和開發、集成、生產、維護和支持等。衛星導航信號模擬器可以出色地替代在實際環境中使用真實GNSS信號的測試。與實際測試不同的是，使用星導航信號模擬器測試時，測試者可以完全控制模擬衛星信號和模擬的環境條件，針對不同類型的測試很輕鬆地生成多種不同的場景。衛星導航信號模擬器可以產生多種場景下的衛星導航信號，使得在實驗室即能對衛星導航產品進行測試或進行設備檢測，不受外部環境的影響，大大降低了費用高昂和耗費時間的現場測試的必要性，極大提高了衛星導航應用產品的測試效率。目前高端的衛星導航信號模擬器可以模擬GPSL1、L2頻率上的C/A碼和P碼，部分型號還可以模擬俄羅斯GL0NASS系統的衛星信號。這些模擬器有單通道和多通道之分，結構上多採用計算機加獨立儀器機箱或計算機加插卡板的形式，具有交互式的圖形界面，允許用戶對仿真中使用的各種參數進行設置和修改，有的模擬器還能專門模擬各種環境和人為的幹擾。經過幾代產品更新，國際上GPS衛星導航信號模擬器功能和性能更加先進和完善，其他導航系統如GLONASS、GALILEO和北鬥的衛星導航信號模擬器，也有一些相關產品，但是數量不多，也不夠成熟。隨著GPS現代化、GLONASS振興計劃、GALILEO系統和中國北鬥全球系統(COMPASS)的建設，用戶將可以同時利用多個全球衛星導航系統(GNSS，Global NavigationSatellite System)以提高精度和其他指標，多體制兼容已成為未來GNSS發展的主要方向。多導航系統兼容與互操作技術的發展對高性能衛星導航信號模擬器研究提出了新需求。為此，必須設計一套具有多種導航信號體制，可以靈活配置，支持混合星座仿真能力的衛星導航信號模擬器。同時，要求衛星導航信號模擬器具有統一設計架構，能夠適應未來十年多類信號體制，具有高度靈活性，具備系統級可重構和可配置能力。
發明內容
為構造具有統一設計架構，能夠兼容和適應未來十年多類GNSS信號體制的衛星導航信號模擬器，同時提高衛星導航信號模擬器的批量生產能力、快速維修能力和可靠性，本發明提出一種衛星導航信號模擬器的層次化結構及其實現方法。
本發明的技術方案是在系統架構設計上採用「系統一組件一單元」三層次結構，其中，若干硬體結構完全相同的數字合成信號模擬單元(DNSU, Digital NavigationSimulator Unit)構成導航射頻信號模擬組件的功能核心，若干硬體結構完全相同的導航射頻信號模擬組件構成導航信號模擬器系統的功能核心。在具體實現上，將系統按功能模塊劃分併集成在不同的板卡上實現，插入VXI總線機箱，構成導航信號模擬器。它由多個導航射頻信號模擬核心組件和基礎組件(包括C尺寸13槽VXI機箱、I個零槽控制卡、I個光纖接口卡、I個時頻組件、2個信號合成與功率控制組件)構成。所述導航射頻信號模擬組件實際上是一個VME板卡，它由多個DNSU及其它單元(包括接口橋接單元、射頻調製單元等模塊)組成。DNSU是導航射頻信號模擬組件的核心單元。DNSU採用全數字基帶合成，零中頻正交調製方案，經過優化設計可以在一個DNSU中完成任意一個導航系統任意頻點某類信號體制視場內可見衛星信號的數字基帶合成(典型情況12顆衛星)。所述零槽控制卡通過光纖接口卡接收來自數學仿真系統的觀測數據、導航電文，接收來自管理與控制系統的控制與配置命令，對系統中各導航信號模擬組件的任務進行分配和控制，協調各組件共同完成對用戶所需導航衛星射頻信號的模擬，並由時頻組件提供穩定的時鐘和頻率信號，信號合成與功率控制組件調整射頻信號的輸出增益，最終高質量地生成導航系統各頻點射頻信號。本發明的有益效果是採用層次化結構的衛星導航信號模擬器具有結構清晰，接口統一，配置靈活的特點，可以提高衛星導航信號模擬器批量化生產的效率，降低產品的設計升級周期，對產品可靠性和可維護性的提高有積極效果。
圖I為本發明涉及的導航信號模擬器的三層次結構圖；圖2為本發明的衛星導航信號模擬器的系統組成結構示意圖；圖3為本發明的導航射頻信號模擬組件的結構組成圖；圖4為本發明時頻組件結構組成及功能。
具體實施例方式以下將結合具體實施案例和說明書附圖對本發明做進一步詳細說明。圖I為導航信號模擬器的三層次結構圖，採用「系統一組件一單元」三層次結構，其中，若干硬體結構完全相同的核心單元構成核心組件的功能核心，若干硬體結構完全相同的核心組件構成衛星導航信號模擬器系統的功能核心。圖2為系統組成結構示意圖，VXI機箱是系統的硬體平臺，提供各個板卡模塊所需電源管理以及地板交換總線，與零槽板卡一起完成對各個板卡模塊的管理和控制。VXI總線技術是從VME基礎上發展起來的，尺寸比VME大，電磁兼容環境比VME、CPCI更優異的VXI總線機箱作為系統硬體平臺。在VXI總線中提供了嚴格同步的10M、100M的同步信號，還提供了 12路觸發信號，比較適合有嚴格時間同步的系統。VXI總線為了得到良好的電磁兼容環境，板卡間距增加到30. 48mm (CPCI為20. 32mm)，一個機箱內允許插入13塊插卡。一臺全配置的衛星導航信號模擬源最多可接入8個核心組件(Al)，分別完成COMPASS、GPS、GLONASS、GALILEO系統衛星導航信號的模擬以及多徑信號的模擬，也可配置成其他場景的衛星導航信號模擬功能。零槽控制卡包括有諸如背板時鐘(Backplane clock)、配置信號(configurationsignals)、同步與觸發信號(synchronization and trigger signals)等系統資源。VXI 資源管理器(RM)與0槽模塊一起進行系統中每個模塊的識別、邏輯地址的分配、內存配置，並用字符串協議建立命令者/從者之間的層次體制。從而達到對系統中各模塊任務的分配和控制的目的，使各模塊相互協調，共同完成衛星信號的模擬過程。光纖接口卡是多體制高性能導航信號模擬源高速大容量接收接口，它接收來自數學仿真系統產生的導航電文和觀測數據，是保證實現高動態目標實時仿真數據傳輸的關鍵問題。系統設計上採用成熟的2. 5G光信號接入技術，設計專門兼容VXI的光纖接口卡，用於數學仿真系統與導航信號仿真系統之間數據傳輸。在導航信號仿真系統的VXI機箱內採用高速總線設計，由FPGA分配到各個導航射頻信號模擬組件，完成實時仿真數據的可靠傳輸。圖3為本發明的導航射頻信號模擬組件的結構組成圖，如圖所示，本發明的導航射頻信號模擬組件包括時頻組件、信號合成與功率控制組件。所述時頻組件負責提供系統各模塊所需穩定準確的時鐘。時頻組件由一個高穩定度時鐘源產生IOMHz時鐘信號，驅動和分頻產生各模塊所需的頻標信號。時頻組件作為時間頻率基準源，以高精度、高穩定度時鐘源為基準通過分頻和驅動，產生系統所需的各種時鐘基準。根據系統提出的短穩和相噪要求，一般選擇超穩恆溫晶振。因此，本系統設計中選用超穩恆溫晶振MV180輸出的IOMHz時鐘信號來作為時間基準，並且把時間基準經過倍頻、分頻和驅動後產生系統所需的lpps、10. 23MHz,5. 115MHz,40. 92MHz、163. 68MHz等同源時鐘，其中IOMHz時鐘頻率基準源也可以來自於外部時鐘源，可由用戶根據要求自由選擇原子頻標。所述信號合成與功率控制組件完成多個導航射頻信號模擬組件輸出的射頻導航信號的合成，同時對各路信號進行功率控制。多體制高性能導航信號模擬源的信號功率控制包括數字功率控制和射頻模擬信號功率控制兩個部分。其中數字功率控制是在導航射頻信號模擬組件內完成，數字功率控制主要任務是根據軟體界面設定的衛星功率，在數字基帶部分完成衛星信號功率的控制，從而滿足用戶對衛星功率進行指定的測試需求。射頻模擬信號功率控制主要任務是完成各個通道射頻信號的功率衰減和幹擾信號的功率衰減。所述導航射頻信號模擬組件是多體制高性能導航信號模擬源的核心組件，主要任務是把仿真的導航數據精確地生成射頻模擬信號。射頻模擬信號應真實仿真衛星信號，考慮多譜勒效應時，載波相位與偽碼相位始終保持相關。導航信號模擬需要支持多星座、多頻點、多通道同時進行仿真，而且各個通道的信號功率以及相位等能夠可控。一個導航射頻信號模擬組件實際上是一個VME板卡，導航射頻信號模擬組件是由多個DSNU構成的，DNSU是導航射頻信號模擬組件的核心部件。DNSU採用全數字基帶合成，零中頻正交調製方案，經過優化設計可以在一個DSNU內完成任意一個導航系統任意頻點某類信號體制視場內可見衛星信號的數字基帶合成(典型情況12顆衛星)。導航射頻信號模擬組件的結構組成如圖4所示,該核心組件包括最多8個DNSU及接口橋接單元、射頻調製單元、若干PRM模塊。其中，接口橋接單元用於通過底板與數仿板卡和主控板卡交換數據和指令，包括導航電文、觀測數據、狀態控制和參數設置等，同時接入外部時頻基準信號，並分路向基帶單元提供同源時鐘信號。DNSU時鐘均由外部時頻基準提供，溯源到統一的時間基準。由於系統採用數位訊號處理技術實現了數位訊號的碼相位精密延遲控制和都卜勒補償，因此系統設計上無需改變時鐘頻率即可實現高動態信號的模擬。DNSU時鐘採用數位訊號處理技術完成，結構上由I片FPGA和I片DAC組成，共同完成數字基帶信號的精密延遲控制和碼、載波相位控制。由於採用零中頻數字基帶直接合成技術實現射頻信號仿真，其優點是不僅從根本上保證了通道間相位一致性，而且能夠實現多頻點的復用(在同一頻點模塊可以直接用於產生其他頻點射頻信號)。
權利要求
1.一種衛星導航信號模擬器的層次化實現方法，其特徵在於，在系統架構設計上採用「系統一組件一單元」三層次結構，其中，若干硬體結構完全相同的數字合成信號模擬單元(DNSU,Digital Navigation Simulator Unit)構成導航射頻信號模擬組件的功能核心,若干硬體結構完全相同的導航射頻信號模擬組件構成導航信號模擬器系統的功能核心；在具體實現上，將系統按功能模塊劃分併集成在不同的板卡上實現，插入VXI總線機箱，構成導航信號模擬器，包括導航射頻信號模擬核心組件和基礎組件； 所述基礎組件，包括C尺寸13槽VXI機箱、I個零槽控制卡、I個光纖接口卡、I個時頻組件、2個信號合成與功率控制組件； 所述導航射頻信號模擬組件是一個VME板卡，由多個DNSU及其它單元組成，DNSU是導航射頻信號模擬組件的核心單元，採用全數字基帶合成。
2.根據權利要求I所述的一種衛星導航信號模擬器的層次化實現方法，其特徵在於，導航射頻信號模擬組件中的其它單元為接口橋接單元、射頻調製單元模塊。
3.根據權利要求I所述的一種衛星導航信號模擬器的層次化實現方法，其特徵在於，所述零槽控制卡通過光纖接口卡接收來自數學仿真系統的觀測數據、導航電文，接收來自管理與控制系統的控制與配置命令，對系統中各導航信號模擬組件的任務進行分配和控制，協調各組件共同完成對用戶所需導航衛星射頻信號的模擬，並由時頻組件提供穩定的時鐘和頻率信號，信號合成與功率控制組件調整射頻信號的輸出增益，最終高質量地生成導航系統各頻點射頻信號。
4.一種衛星導航信號模擬器的層次化結構，包括時頻組件、信號合成與功率控制組件，其特徵在於，該模擬器組件包括最多8個DNSU及接口橋接單元、射頻調製單元、若干PRM模塊，其中，接口橋接單元用於通過底板與數仿板卡和主控板卡交換數據和指令，包括導航電文、觀測數據、狀態控制和參數設置，同時接入外部時頻基準信號，並分路向基帶單元提供同源時鐘信號；DNSU時鐘由外部時頻基準提供，溯源到統一的時間基準，DNSU時鐘採用數位訊號處理技術完成，結構上由I片FPGA和I片DAC組成，共同完成數字基帶信號的精密延遲控制和碼、載波相位控制；由於採用零中頻數字基帶直接合成技術實現射頻信號仿真，保證了通道間相位一致性，而且能夠實現多頻點的復用。
全文摘要
本發明提出一種衛星導航信號模擬器的層次化結構及其實現方法。將導航信號模擬器結構劃分為「系統—組件—單元」三個層次，其中系統的功能核心由若干結構相同的核心組件構成，各核心組件的功能核心則由若干結構相同的核心單元構成。具體實現上，將系統按功能模塊劃分併集成在不同的板卡上實現，插入VXI總線機箱，構成導航信號模擬器。它由多個導航射頻信號模擬核心組件和基礎組件(包括C尺寸13槽VXI機箱、1個零槽控制卡、1個光纖接口卡、1個時頻組件、2個信號合成與功率控制組件)構成。
文檔編號G01S19/23GK102981169SQ201210467969
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月19日 優先權日2012年11月19日
發明者鍾小鵬, 陳建雲, 周永彬, 明德祥, 楊俊 , 邢克飛, 馮旭哲, 王躍科, 張傳勝, 胡助理, 單慶曉, 楊建偉, 胡梅, 郭熙業, 孟志軍 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學