穆 雪,張 波,楊東凱,李社軍

(1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191;2.中國(guó)伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航有限公司,北京 100191;3.63600部隊(duì),甘肅 酒泉 732750)

0 引 言

自1995年美國(guó)宣告GPS進(jìn)入全面運(yùn)行狀態(tài)以來,GPS充分顯示了其在導(dǎo)航、定位中的領(lǐng)先地位,許多領(lǐng)域也由于GPS的出現(xiàn)發(fā)生了革命性的變化。為使GPS更好地滿足軍事、民間和商業(yè)用戶不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用需求,美國(guó)決定采用先進(jìn)技術(shù)改進(jìn)和完善GPS.增發(fā)與生命安全有關(guān)的L5載頻(1 176.45 MHz)信號(hào)是GPS現(xiàn)代化的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1]。

2005-2010年,GPS Block IIR衛(wèi)星和更前一批衛(wèi)星逐漸退役,美國(guó)提出要陸續(xù)更換新一代的Block IIF衛(wèi)星,同時(shí)決定在此衛(wèi)星上播發(fā)L5頻段衛(wèi)星信號(hào)。美軍計(jì)劃一共要發(fā)射12顆GPS IIF衛(wèi)星,截止到2014年3月,只有五顆Block IIF衛(wèi)星在軌運(yùn)行,這就限制了新型接收機(jī)的研制與測(cè)試[2-3]。衛(wèi)星信號(hào)模擬器可以模擬不同條件下接收機(jī)天線前端接收到的衛(wèi)星信號(hào),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接收機(jī)的性能評(píng)測(cè),鑒定其捕獲、跟蹤能力和定位測(cè)量精度[4]。國(guó)內(nèi)由于對(duì)信號(hào)模擬器的研究起步比較晚,且國(guó)外對(duì)技術(shù)進(jìn)行封鎖,對(duì)L5頻段模擬器的研究相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)論文大部分只是對(duì)L5信號(hào)體制的研究并沒有關(guān)于L5信號(hào)模擬器的敘述。鑒于此,本文在研究GPS L5信號(hào)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,簡(jiǎn)要介紹了GPS L5模擬器的整體架構(gòu),重點(diǎn)介紹了上位機(jī)信號(hào)生成部分導(dǎo)航參數(shù)計(jì)算模塊,最后使用清華大學(xué)自行研制的GNSS接收機(jī)對(duì)生成的信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 L5信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

L5信號(hào)生成原理[5-6]如圖1所示,兩路幅度相等、相位正交的載波調(diào)制形成L5信號(hào)。其中一路被稱作同相(I)支路,調(diào)制有擴(kuò)頻碼、導(dǎo)航電文、同步序列,另一路被稱作正交(Q)支路,調(diào)制有擴(kuò)頻碼、同步序列,兩路信號(hào)經(jīng)過四相調(diào)制(QPSK)形成L5信號(hào)。L5導(dǎo)航電文的一個(gè)基本幀(數(shù)據(jù)塊形式)為300 比特,該300比特由276比特的電文數(shù)據(jù)加上24位的冗余校驗(yàn)(CRC)編碼形成,速率為50 bit/s.基本幀首先經(jīng)過1/2比率,K=7的前向糾錯(cuò)卷積編碼(FEC),編碼后的符號(hào)速率變?yōu)?00符號(hào)/秒(sps),再經(jīng)過10 bit的紐曼-霍夫曼(Neuman-HofmanNH)編碼,“1”變?yōu)椤?111001010”,“0”變?yōu)椤?000110101”。經(jīng)過NH編碼后的數(shù)據(jù)流與10.23 Mbps/s速率的擴(kuò)頻碼調(diào)制,形成數(shù)據(jù)通道I.Q支路中,擴(kuò)頻碼與20 bit的同步序列(00000100110101001110)調(diào)制。I、Q支路序列以1 176.54 MHz的頻率進(jìn)行QPSK調(diào)制,形成L5信號(hào)。

圖1 L5信號(hào)生成原理

2 GPS L5模擬信號(hào)生成整體方案

本文所設(shè)計(jì)的GPS L5模擬器信號(hào)生成整體流程如圖2所示,用戶通過人機(jī)交互界面輸入用戶配置信息,上位機(jī)軟件根據(jù)用戶輸入的信息產(chǎn)生載體目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)生成的同時(shí),上位機(jī)分線程啟動(dòng),讀入星歷文件,生成導(dǎo)航參數(shù)。上位機(jī)根據(jù)生成的導(dǎo)航參數(shù)以及目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),計(jì)算當(dāng)前仿真時(shí)刻的可見星狀態(tài)(可見星的計(jì)算采用二分法[7]),生成可見星的導(dǎo)航電文以及各種控制字狀態(tài),通過數(shù)據(jù)裝幀模塊打包成數(shù)據(jù)幀。上位機(jī)通過網(wǎng)線與硬件部分的NI機(jī)箱進(jìn)行連接。NI機(jī)箱的作用是將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),轉(zhuǎn)發(fā)到中頻板卡上,同時(shí)辨別接收到的數(shù)據(jù)包屬于哪個(gè)頻點(diǎn),將之轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的板卡上并使用Windriver驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具生成PCIE驅(qū)動(dòng)程序。經(jīng)NI機(jī)箱轉(zhuǎn)發(fā)到中頻板卡與射頻板卡上的信號(hào)經(jīng)過調(diào)制與上變頻,產(chǎn)生L5射頻信號(hào)。

圖2 GPS L5模擬器信號(hào)生成流程圖

3 L5上位機(jī)基帶信號(hào)生成

目前在軌運(yùn)行的Block IIF衛(wèi)星只有五顆,尚未得到L5的星歷數(shù)據(jù)文件,本文暫時(shí)使用L1的星歷文件代替L5星歷文件。表1是GPS L1與L5導(dǎo)航電文參數(shù)的對(duì)比分析,通過對(duì)比可以得知 L1的16個(gè)星歷參數(shù)演變成L5的18個(gè)參數(shù),L5增加了GGTO(GPS/GNSS 時(shí)間偏差)和地球定向參數(shù)(GGTO參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)與不同GNSS之間的兼容和互操作,地球定向參數(shù)可以方便用戶實(shí)現(xiàn)地心地固坐標(biāo)系與地心慣性坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,提高接收機(jī)的解算效率),L5信號(hào)歷書被分成中等精度歷書和簡(jiǎn)化歷書,L1的導(dǎo)航信息修正表被L5的差分修正參數(shù)取代,衛(wèi)星健康狀況由信號(hào)健康狀況取代,專用電文變成了文本信息[8]。

表1 GPS信號(hào)導(dǎo)航電文參數(shù)的對(duì)比分析

圖3 導(dǎo)航電文生成流程圖

由GPS L1星歷文件(RINEX格式)內(nèi)容說明[9]可以得知,星歷文件中主要播發(fā)時(shí)鐘參數(shù)以及星歷參數(shù)。由表(1)可知,L5信號(hào)的18個(gè)星歷參數(shù)的變化主要體現(xiàn)在半長(zhǎng)軸、軌道平均速率、升交點(diǎn)赤經(jīng)的算法不同。下面具體說明如何由L1的星歷參數(shù)計(jì)算L5的星歷參數(shù)。

依據(jù)文獻(xiàn)[5],L1半長(zhǎng)軸A的計(jì)算方法為

(1)

軌道平均速率n計(jì)算方法為

n=n0+Δn,

(2)

(3)

式中:Δn為L(zhǎng)1星歷文件參數(shù);u=3.986 005×1014.

依據(jù)文獻(xiàn)[6],L5半長(zhǎng)軸A的計(jì)算方法:

A0=AREF+ΔA,

(4)

(5)

軌道平均速率n計(jì)算方法為

(6)

n=n0+Δn,

(7)

(8)

升交點(diǎn)赤經(jīng)變化率計(jì)算方法:

(9)

L5信號(hào)總共有64種類型(type0-type63)的導(dǎo)航電文。如圖4所示,L5導(dǎo)航電文的基本幀包含8比特的同步碼“10001011”,6比特的衛(wèi)星PRN號(hào),6比特的幀類型號(hào)0(000000)-63(111111),17比特的周內(nèi)秒計(jì)數(shù)(TOW),239比特的電文數(shù)據(jù),24位的冗余校驗(yàn)。十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制后形成的數(shù)據(jù)按圖4所示的基本幀結(jié)構(gòu)裝幀、存儲(chǔ),以便其它程序調(diào)用。

圖4 L5基本幀結(jié)構(gòu)

GPS L5信號(hào)導(dǎo)航電文的基本類型Type1-Type5在2002年10月2號(hào)的ICD-GPS-705 的版本中定義。Type10-Type15,30-37在2011年9月21日的IS-GPS-705B 版本中定義。目前GPS L5衛(wèi)星只播發(fā)type10-Type15,Type30-Type37類型的信號(hào),之前定義的信號(hào)已經(jīng)停止播發(fā)。所以本論文中只編寫了最新的導(dǎo)航電文類型Type10-Type11,Type30-Type37.

4 生成信號(hào)的測(cè)試

圖5 信號(hào)測(cè)試流程圖

本測(cè)試采用模擬器-接收機(jī)閉環(huán)測(cè)試驗(yàn)證信號(hào)正確性。信號(hào)測(cè)試流程如圖5所示,上位機(jī)產(chǎn)生的基帶信號(hào)經(jīng)過中頻與射頻板的調(diào)制與變頻產(chǎn)生L5射頻信號(hào),接入接收機(jī)進(jìn)行定位解算。測(cè)試所采用的接收機(jī)為清華大學(xué)研發(fā)的GNSS軟件接收機(jī)。接收機(jī)的工作流程為射頻采集卡采集的模擬器產(chǎn)生的GPS L5射頻信號(hào)經(jīng)下變頻和D/A轉(zhuǎn)換形成數(shù)字中頻信號(hào);相關(guān)器在跟蹤環(huán)路的控制下完成信號(hào)的載波剝離、偽隨機(jī)碼解擴(kuò)和積分累加;跟蹤環(huán)路完成碼跟蹤、載波跟蹤;軟件實(shí)現(xiàn)位同步和幀同步,導(dǎo)航解算完成電文的解碼和定位解算。圖6表示的是模擬器硬件設(shè)備連接圖,硬件設(shè)備包括上位機(jī)、NI機(jī)箱、中頻電路板、射頻信號(hào)源。

圖6 設(shè)備硬件連接圖

測(cè)試結(jié)果如圖7、8,圖7表示上位機(jī)發(fā)送的可見星界面圖,圖8表示接收機(jī)解算的可見星信息。對(duì)比兩幅圖,可以看出接收機(jī)收到的衛(wèi)星號(hào)與模擬器發(fā)送的可見星星號(hào)一致。圖7(b)中的CCBF表示L5信號(hào)通過了捕獲、跟蹤,實(shí)現(xiàn)位同步與幀同步,TransmitTime是接收機(jī)解算出的導(dǎo)航電文中的信號(hào)發(fā)射時(shí)間,Doppler是解算出的衛(wèi)星的多普勒頻移。通過接收機(jī)的驗(yàn)證,可以實(shí)現(xiàn)L5信號(hào)的定位(由于定位精度有待提高,未附定位結(jié)果),驗(yàn)證了生成的L5信號(hào)的正確性。

圖7 模擬器運(yùn)行界面

圖8 接收機(jī)顯示界面

5 結(jié)束語

GPS L5信號(hào)模擬器的研制對(duì)新型接收機(jī)的研制、測(cè)試具有重要意義。上位機(jī)生成正確的基帶信號(hào)是模擬器能夠正常工作的前提。本文在研究GPS L5信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)比L1與L5導(dǎo)航電文的基礎(chǔ)上,生成了L5上位機(jī)信號(hào)并通過接收機(jī)驗(yàn)證了其正確性。但由于設(shè)備資源等條件的限制,仍有許多需要提高和完善的方面。下一步將繼續(xù)研究、修改軟件中的算法,以進(jìn)一步提高L5模擬器產(chǎn)生信號(hào)的定位精度。

[1]謝 鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:1-3.

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