一種海洋反射射頻信號生成系統的製作方法

2023-05-04 08:44:51

專利名稱：一種海洋反射射頻信號生成系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於衛星導航技術領域，涉及一種海洋反射射頻信號生成系統。
背景技術：
GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)技術作為一個新的研究領域，可以看作是GNSS(Global Navigation Satellite System)應用的一個擴展。它利用衛星海面反射信號，結合雷達探測原理，為海洋遙感技術帶來了新的手段。目前GNSS-R 技術已經成功地應用於海面風場、海面高度、海面粗糙度、有效波高、海水鹽度、冰層厚度以及土壤溼度的反演等。對於海洋反射信號仿真技術的研究，可以分為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。對於純軟體仿真，根據外場實驗積累的大量觀測數據建立數學模型，通過軟體編程的方式進行海洋反射信號的仿真，主要供非實時軟體接收機的研究開發使用。而射頻信號仿真，依據海洋反射信號的數學仿真模型，模擬真實海洋環境反射信號，實時的生成物理海洋反射射頻信號，可供各種類型海洋反射接收機的研究開發。目前真正能夠將導航衛星海洋反射信號用作物理射頻輸出的，國內的研究尚屬於起步階段，國外未見公開文獻發表。且目前對導航信號的仿真都是針對偽碼偏移和功率衰減的二維仿真。

發明內容
本發明的技術解決問題的目的在於針對現有技術的不足，提供了一種海洋反射射頻信號生成系統。採用本系統可以仿真出導航衛星海洋反射射頻信號，實現了對各種海面環境的偽碼偏移、功率衰減和都卜勒頻偏三維相關波形的物理射頻信號模擬。本發明的技術解決方案是一種海洋反射射頻信號生成系統，可分別將直達星和海洋反射觀測數據進行處理後模擬仿真出直達星和海洋反射射頻信號，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。其中，參數計算與實時更新模塊接收輸入的直達星和海洋反射觀測數據，並分別生成對應於直達星和海洋反射觀測數據的累加參數和功率控制碼後輸出給中頻導航信號生成模塊。並包括系統建立模塊、系統初始化模塊和系統維護模塊；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海洋反射射頻信號生成系統通道仿真數量確定直達星和海洋反射通道的開啟/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，海洋反射仿真最多可以仿真32個通道的海洋反射信號；累加參數/功率計算模塊接收輸入的直達星和海洋反射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，產生直達星和海洋反射觀測數據的累加參數、功率控制碼並輸出；其中所述的直達星和海洋反射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。中頻導航信號生成模塊利用輸入的累加參數、功率控制碼生成直達星和海洋反射的數字中頻仿真信號後輸出到DAC模塊。而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海洋反射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)本發明建立了一種海洋反射射頻信號生成系統。該系統通過對外部輸入的直達星/海洋反射觀測數據得到直達星/海洋反射射頻信號，這種方法能夠實現海洋反射信號的物理仿真。仿真出的海洋反射射頻信號可以滿足海洋反射接收機的研究開發要求，並支持海洋反射接收機的全面指標測試。(2)本發明通過參數計算與實時更新模塊中的累加參數/功率計算模塊可以對偽碼偏移、都卜勒頻偏和功率衰減這三個參數進行模擬和計算，並將結果疊加到偽碼和載波的累加參數和功率控制碼中；偽碼偏移、都卜勒頻偏和功率衰減這三個參數是獨立計算和疊加的，這樣可以對三個參數分別進行控制，以實現靈活配置。從而實現了對海面環境三維相關波形的調整和仿真。(3)本發明對直達星可以最多仿真12個直達星通道的信號，對海洋反射可以最多仿真32個通道的海洋反射信號。通過參數計算與實時更新模塊中的通道管理模塊可以實現對各個通道的獨立控制，可以設置單顆衛星的32個海洋反射路徑，也可以設置多顆星對應的多個海洋反射路徑，這樣不僅能夠對海洋反射信號進行偽碼和功率的二維射頻信號進行仿真，還能夠對包括都卜勒頻偏在內的海洋反射信號進行三維射頻信號仿真。


圖1為海面信號反射示意圖；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。直達星信號和海洋反射信號之間最主要的區別是它們的相關函數波形不同。直達星信號不經海面反射，波形幾乎沒有畸變，相關波形是一個三角形。而海洋反射信號波形依賴於衛星幾何位置、海面粗糙度、電波入射角度等因素，波形隨之改變。海洋反射信號來自於大面積海面所反射的直達星信號，這個反射面稱之為反射區。反射區內不同位置的反射信號到達接收點時，具有不同的延時和都卜勒頻偏，且根據海面粗糙度和海面風場的不同， 反射信號的功率也會有區別，海洋反射信號的仿真就是要完成對偽碼、都卜勒頻偏和功率這三個因素影響下的信號仿真。圖1是海面信號反射示意圖。圖1的右邊表示導航衛星的偽隨機碼入射到海面，由於直達星信號到達接收機的最短距離是由它們之間的鏡反射點0決定的，而且首先到的是第一個碼片偏移信號，成為反射波形的前沿。隨後是第二個碼片偏移反射區信號、第三個碼
片偏移反射區信號......處於同一個碼片偏移反射區的信號到達接收機的反射波形是一
致的；圖1中所示的都卜勒線是以鏡反射點為軸對稱的，處在同一條都卜勒線上的信號其都卜勒頻偏是一致的。這樣碼片偏移反射區和都卜勒線將這片反射區分成了很多小區域， 且區域劃分越精細，仿真的精度越高；另外根據導航衛星的高度、接收機的位置以及海面風場和粗糙度的影響，各個反射點的功率也不同。這樣就能繪出如圖1左下角所示的反射信號相關波形。本發明中碼片偏移反射區以半個碼片進行劃分，都卜勒線以200HZ進行劃分。衛星導航信號一般採用QPSK調製，包括載波、偽碼和導航電文三種信息分量，直達星信號生成的表達式如下SZm{t) = AcmCit-T(O)Dc(t-T(O)008(2^,(t-T(O) + φ^) (1)
+ ApmPit — T(t))Dp(t — r(0) sm(2nfm {t - v(t)) + cppm)其中&表示直達星信號，A表示振幅，C、P分別表示測距碼和精密測距碼(即通常所說的偽碼)，D表示導航電文，fm表示載波頻率4表示初相，τ (t)表示衛星信號到接收機的信號傳輸延遲，下標m表示衛星號，下標C、ρ分別表示測距碼和精密測距碼的相應量。根據上面的分析，海洋反射信號是通過對偽碼的時間延遲和相關波形特性進行測量分析的，因此海洋反射部分的處理不需要使用導航電文信息，即偽碼可以直接調製到載波上生成中頻信號。另外考慮到上面所述的功率、偽碼偏移和都卜勒頻偏三個因素，海洋反射信號生成的表達式如下SHm(t) ^ (Acm + Spow)C(t-τ(0 + Sc)cos(2^fm (t-T(O) + 9cm +Sdopp)⑵
+ (Apm + SpoJPit - r(0 + Sc)srn(2nfm (t - r(t)) + φρηι +Sdopp)其中&表示海洋反射信號，δ p。w表示海洋反射信號的功率衰減量，δ。表示海洋反射信號的偽碼偏移量，即仿真點處於第幾個碼片偏移反射區，δ dopp表示海洋反射信號的都卜勒偏移量，即仿真點處於哪條都卜勒線上。衛星導航海洋反射信號生成系統結構如圖2所示，由於海洋反射接收機需要同時對直達星信號和海洋反射信號進行搜索捕獲，並將直達星信號和海洋反射信號分別與偽碼進行相關，才能得到如圖1所示的海洋反射信號相關波形，因此海洋反射信號生成方法需要同時仿真直達星信號和海洋反射信號。本發明建立了一種海洋反射射頻信號生成系統，該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，可分別實現對直達星信號和海洋反射信號的仿真。
通過數學仿真生成的直達星觀測數據經過由DSP實現的參數計算與實時更新模塊進行處理，並將實時更新的直達星累加參數、功率控制碼和導航電文傳送給由FPGA實現的中頻導航信號生成模塊生成中頻信號，通過DAC模塊生成模擬信號，上變頻後模擬仿真出12顆直達星射頻信號；通過數學仿真生成的海洋反射觀測數據同樣經過參數計算與實時更新模塊進行處理，並將實時更新的海洋反射累加參數、功率控制碼傳送給中頻導航信號生成模塊生成中頻信號，通過DAC生成模擬信號，上變頻後模擬仿真出32個通道的海洋反射射頻信號。參數計算與實時更新模塊由DSP構建的對直達星和海洋反射觀測數據進行實時處理的參數計算與實時更新模塊結構如圖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並輸出給系統維護模塊。所述的系統啟動時間是指系統模擬仿真輸出仿真信號所具有的具體日期和時間。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)為中頻導航信號生成模塊提供復位信號。同時，系統初始化模塊還負責在系統仿真前對系統的外部設備進行初始化，包括對PCI (外圍部件互聯總線)總線和SDRAM的初始化， 並且對中頻導航信號生成模塊進行復位。所述的PCI總線是負責進行DSP和上位機之間的數據交互的，包括觀測數據、啟動時間的下寫以及通道狀態的上傳等；所述的SDRAM是DSP 在運算時對電文等大數據量進行臨時緩存的。系統維護模塊是參數計算與實時更新模塊的主要功能模塊，直達星和海洋反射信號的通道配置以及偽碼偏移、功率衰減和都卜勒頻偏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總線讀取直達星觀測數據和海洋反射觀測數據，分別通過直達星累加參數/功率計算模塊和海洋反射累加參數/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實時的下寫給中頻導航信號生成模塊，另外還會實時下寫直達星導航電文。同時，直達星累加參數/功率計算模塊和海洋反射累加參數/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。海洋反射的觀測數據包括對32個海洋反射點的理論偽距參數，即偽距初值R0,偽距速度V，偽距加速度a，偽距加加速度b。對於海洋反射信號功率衰減量δρ。ψ的模擬是在海洋反射功率計算模塊中完成的，將觀測數據分離出的海洋反射信號的功率衰減零值分別疊加到每一個通道所對應的直達星功率值上，最終得出各個通道的功率碼下寫到FPGA中進行後續處理；對於海洋反射信號偽碼偏移量S。和都卜勒頻偏量Sd。pp&模擬是在海洋反射累加參數計算模塊中完成的，將某一反射點反射信號的偽距(可以直接從海洋反射觀測量中獲得)分別疊加到偽碼和載波的偽距初值Rtl上，將該反射點的都卜勒頻偏量分別疊加到偽碼和載波的偽距速度ν分量上，經過計算得出偽碼和載波的三階累加器係數下寫到 FPGA中進行後續處理。通過海洋反射累加參數/功率計算模塊對功率衰減、偽碼偏移和都卜勒頻偏的計算疊加，從而實現了對海面反射區域的三維模擬仿真。直達星和海洋反射信號的通道配置功能是通過仿真通道管理模塊實現的。對於直達星的12個通道，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；對於海洋反射的32個通道，既可以進行相同都卜勒頻偏的二維仿真，也可以進行不同都卜勒頻偏的三維仿真，既可以設置單顆衛星的32 個海洋反射路徑，也可以設置多顆星對應的多個海洋反射路徑，只要所仿真的海洋反射路徑數量總和為32路即可。同時也可以隨意進行換星處理。這樣，直達星和海洋反射信號的每個通道都能夠實現獨立的控制。累加參數的計算包括偽碼碼環和載波環三階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
1.一種海洋反射射頻信號生成系統，可分別將直達星和海洋反射觀測數據進行處理後模擬仿真出直達星和海洋反射射頻信號，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，其特徵在於所述參數計算與實時更新模塊和中頻導航信號生成模塊，參數計算與實時更新模塊接收輸入的直達星和海洋反射觀測數據，並分別生成對應於直達星和海洋反射觀測數據的累加參數和功率控制碼後輸出給中頻導航信號生成模塊；中頻導航信號生成模塊利用輸入的累加參數、功率控制碼生成直達星和海洋反射的數字中頻仿真信號後輸出到DAC模塊。
2.根據權利要求1所述的一種海洋反射射頻信號生成系統，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海洋反射射頻信號生成系統通道仿真數量確定直達星和海洋反射通道的開啟/ 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，海洋反射仿真最多可以仿真 32個通道的海洋反射信號；累加參數/功率計算模塊接收輸入的直達星和海洋反射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，產生直達星和海洋反射觀測數據的累加參數、功率控制碼並輸出；其中所述的直達星和海洋反射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所述的一種海洋反射射頻信號生成系統，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海洋反射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
本發明公開了一種海洋反射射頻信號生成系統，涉及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。其中，參數計算與實時更新模塊用於生成對應於直達星和海洋反射觀測數據的累加參數和功率控制碼；中頻導航信號生成模塊利用輸入的累加參數、功率控制碼生成直達星和海洋反射的數字中頻仿真信號；DAC模塊和上變頻模塊將數字中頻仿真信號轉換為射頻信號輸出。本發明可以仿真出導航衛星海洋反射射頻信號，實現了對各種海面環境的偽碼偏移、功率衰減和都卜勒頻偏三維相關波形的物理射頻信號模擬。
文檔編號G01S19/13GK102213765SQ20111006048
公開日2011年10月12日 申請日期2011年3月14日 優先權日2011年3月14日
發明者劉紅軒, 孫昊婧, 孟斌, 畢亮, 王宏偉, 王曄, 王玲, 陳瀟 申請人:航天恆星科技有限公司