劉德智,陳晨,李建文,潘林,張倫東

(信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450001)

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源可以根據(jù)載體的運(yùn)動(dòng)特性,精確地控制信號(hào)的各項(xiàng)誤差,生成實(shí)際環(huán)境中接收機(jī)接收到的導(dǎo)航信號(hào),從而可在實(shí)驗(yàn)室等室內(nèi)環(huán)境中對(duì)用戶終端設(shè)備進(jìn)行測(cè)試、評(píng)估或?qū)υO(shè)備進(jìn)行檢測(cè)[1].衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源仿真生成的信號(hào)具有可控性、可重復(fù)性,且不受外部環(huán)境的影響,可以極大地減少現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所帶來的高昂費(fèi)用以及時(shí)耗,極大地提高導(dǎo)航終端產(chǎn)品的測(cè)試效率[2],因此,一直備受軍事和工業(yè)部門的關(guān)注[3].

最早研制的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源以模擬技術(shù)為主,采用射頻合成的技術(shù)方案,把每顆衛(wèi)星的信號(hào)獨(dú)立調(diào)制到射頻后再進(jìn)行信號(hào)合成[4],該方法產(chǎn)生的導(dǎo)航信號(hào),精度和通道一致性較差;隨后出現(xiàn)的模擬中頻合成技術(shù)中由于每個(gè)衛(wèi)星通道都需要一個(gè)單獨(dú)的中頻載波產(chǎn)生模塊,因此最終生成的信號(hào)會(huì)存在通道間偏差的問題[5].

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字芯片如數(shù)字信號(hào)處理(DSP)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的功能越來越強(qiáng)大,基于數(shù)字技術(shù)的模擬源逐漸流行起來.目前大部分模擬源均不同程度地采用了大規(guī)模DSP/FPGA技術(shù),在數(shù)字域進(jìn)行信號(hào)的合成,再把多顆衛(wèi)星的數(shù)字合成信號(hào)用一個(gè)射頻通道輸出,以提高信號(hào)精度和通道間的一致性[6].其中,數(shù)字中頻合成技術(shù)是將多顆衛(wèi)星的數(shù)字中頻信號(hào)在數(shù)字域合成后,經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換、上變頻、濾波和功率控制后輸出射頻信號(hào).該技術(shù)中數(shù)控振蕩器(NCO)的使用可使模擬源的頻率分辨率和準(zhǔn)確度更高,但同時(shí)也有更高的雜散[7],且偽碼初始相位的控制精度受到NCO工作時(shí)鐘頻率限制,碼NCO的相位截?cái)嘈?yīng)會(huì)產(chǎn)生相位抖動(dòng)問題[8];而數(shù)字基帶合成技術(shù)則將多顆衛(wèi)星生成的零中頻的數(shù)字基帶信號(hào),在數(shù)字域進(jìn)行合成后,經(jīng)直接正交上變頻、濾波和功率控制后產(chǎn)生所期望的射頻信號(hào),該方法可以解決NCO的相位抖動(dòng)問題,實(shí)現(xiàn)偽碼初始相位的精確控制,保證系統(tǒng)通道一致性及零值穩(wěn)定性[9].

鑒于以上因素,本文引入了基于PXIe總線的軟件無線電架構(gòu)[10],設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了采用數(shù)字基帶合成技術(shù)的軟硬件結(jié)合的GPS導(dǎo)航信號(hào)模擬源.該模擬源采用數(shù)字基帶合成技術(shù),在上位機(jī)數(shù)學(xué)仿真軟件中產(chǎn)生數(shù)字基帶合成信號(hào),經(jīng)硬件直接正交上變頻、濾波和功率控制后輸出GPS射頻信號(hào).其中,上位機(jī)數(shù)學(xué)仿真軟件采用圖形化編程語言LABVIEW進(jìn)行開發(fā),操作簡單且能夠多線程并行,開發(fā)效率高;硬件選用NI公司PXIe總線結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)備,實(shí)現(xiàn)簡單,兼容性、擴(kuò)展性、可控性好,便于模擬源的后期維護(hù)和升級(jí).

1 GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)和信號(hào)模型

1.1 GPS信號(hào)結(jié)構(gòu)

GPS信號(hào)由測(cè)距碼、導(dǎo)航電文和載波三個(gè)分量組成.GPS衛(wèi)星在產(chǎn)生導(dǎo)航信號(hào)時(shí),首先將導(dǎo)航電文和測(cè)距碼進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻調(diào)制(DSSS),再用擴(kuò)頻調(diào)制后的數(shù)據(jù)碼對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制,得到最終的發(fā)射信號(hào).

1.1.1 測(cè)距碼

GPS L1載波上同時(shí)調(diào)制有C/A碼和P(Y)碼,L2載波上調(diào)制有P(Y)碼,但是P(Y)碼經(jīng)過加密,只有授權(quán)用戶才能使用,因此本文主要研究公開的C/A碼信號(hào).

C/A碼是由兩個(gè)周期性的二進(jìn)制序列G1和G2進(jìn)行模二相加后形成的平衡Gold碼,碼速率為1.023 Mbps,碼長為1 023 bit,周期為1 ms.G1和G2序列各由一個(gè)10級(jí)移位寄存器產(chǎn)生,寄存器初始狀態(tài)均置為1,每個(gè)周期含有1 023個(gè)碼元,G1和G2序列的生成多項(xiàng)式為

G1(X)=1+X3+X10,

(1)

G2(X)=1+X2+X3+X6+X8+X9+X10.

(2)

C/A碼發(fā)生器如圖1所示.G1序列由第十級(jí)移位寄存器輸出,而G2序列由相位選擇器選擇兩個(gè)不同的寄存器抽頭進(jìn)行模二相加產(chǎn)生,不同的衛(wèi)星對(duì)應(yīng)不同的寄存器抽頭;然后將得到的G1序列與G2序列模二相加生成C/A碼.每個(gè)衛(wèi)星所生成的C/A碼皆不相同,且相互正交.

圖1 C/A碼發(fā)生器示意圖

1.1.2 導(dǎo)航電文

導(dǎo)航電文是衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組反映衛(wèi)星在空間的運(yùn)行軌道、衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)、電離層延遲修正參數(shù)及衛(wèi)星的工作狀態(tài)等信息的二進(jìn)制代碼,又稱數(shù)據(jù)碼(D碼)[11].GPS導(dǎo)航電文以“幀”為基本單位,其幀結(jié)構(gòu)如圖2所示.每個(gè)主幀包含5個(gè)子幀,共1 500 bit;每個(gè)子幀包含10個(gè)字,共300 bit;每個(gè)字包含30bit.GPS導(dǎo)航電文播發(fā)速率為50 bps,所以每個(gè)比特持續(xù)0.02 s,每個(gè)字持續(xù)0.6 s,每個(gè)子幀持續(xù)6 s,每個(gè)主幀持續(xù)30 s.子幀4和子幀5各有25個(gè)不同的頁面,每30 s翻轉(zhuǎn)一頁,而前3個(gè)子幀則重復(fù)原來的內(nèi)容,所以完整的導(dǎo)航電文包含25個(gè)主幀,共37 500 bit,持續(xù)時(shí)間為12.5 min.子幀1主要播發(fā)衛(wèi)星鐘的改正數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期,子幀2、3主要播發(fā)衛(wèi)星星歷信息,子幀4、5主要播發(fā)衛(wèi)星歷書信息,子幀1、2、3的內(nèi)容每小時(shí)更新一次,子幀4、5的內(nèi)容則要等衛(wèi)星注入新的歷書數(shù)據(jù)后才更換.

圖2 GPS導(dǎo)航電文結(jié)構(gòu)

1.2 GPS信號(hào)模型[3]

假設(shè)第j顆GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)的時(shí)刻為t,則該衛(wèi)星發(fā)射的射頻信號(hào)中L1 C/A信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

Sj(t)=AjCj(t)Dj(t)Dj(t)cos(2πfL1t+φj0),

(3)

式中:Aj為射頻信號(hào)幅度;Cj為進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制的偽隨機(jī)序列C/A碼;Dj為導(dǎo)航電文,即數(shù)據(jù)碼;fL1為L1載波頻率;φj0為載波初始相位.

衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過一定時(shí)間的空間傳播后,到達(dá)接收機(jī)射頻前端電路,再由接收機(jī)進(jìn)行捕獲、跟蹤并進(jìn)行定位解算.由于衛(wèi)星和用戶間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、傳輸功率衰減、電離層、對(duì)流層、多路徑、衛(wèi)星時(shí)鐘、天線以及其他噪聲和干擾的影響,信號(hào)將發(fā)生功率、頻率、相位、時(shí)延等參數(shù)的改變,其信號(hào)模型可以表示為:

(4)

一般來說,模擬源可以仿真產(chǎn)生多顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào),所以衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源產(chǎn)生的信號(hào)模型為

(5)

式中:S(t)為模擬源生成的多顆衛(wèi)星的合成信號(hào);N為模擬的衛(wèi)星數(shù),其他參數(shù)含義如前所述.

2 模擬源硬件構(gòu)成

面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展(PXI)是一種由美國國家儀器公司發(fā)布的基于PC的測(cè)量和自動(dòng)化平臺(tái),其結(jié)合了PCI總線的高吞吐量、低延時(shí)與CompactPCI的模塊化堅(jiān)固封裝形式.PXI采用模塊化的架構(gòu),可根據(jù)系統(tǒng)的具體要求選擇不同的模塊化儀器,便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí).PXI系統(tǒng)由機(jī)箱、系統(tǒng)控制器和外設(shè)模塊三個(gè)基本部分組成.PXI Express 是PXI的改進(jìn)和升級(jí),其融入了PCI Express的特點(diǎn),采用串行傳輸,點(diǎn)到點(diǎn)的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),將PXI中可用帶寬提高了45倍多,即從132 MB/s提高到6 GB/s;不同于PXI在所有總線設(shè)備間分享帶寬,PXI Express為每一個(gè)設(shè)備提供單獨(dú)的傳輸通道;同時(shí)它所增加的時(shí)鐘和同步觸發(fā)信號(hào)以及擁有特殊的接口物理特性使得其在測(cè)量、通信、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域擁有更大的技術(shù)優(yōu)勢(shì).

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于PXIe總線架構(gòu)的GPS導(dǎo)航信號(hào)模擬源,該模擬源由NI PXIe-1075機(jī)箱[12]、NI PXIe-8135嵌入式控制器[13]、NI PXIe-5673E矢量信號(hào)發(fā)生器[14]和NI HDD-8265大容量存儲(chǔ)模塊[15]構(gòu)成,各模塊通過機(jī)箱中的背板總線相連，如圖3所示.

圖3 PXI架構(gòu)的模擬源實(shí)物圖

NI PXIe-1075機(jī)箱具有PCI Express帶寬特性,該機(jī)箱包含18個(gè)插槽,每個(gè)插槽高達(dá)1 GB/s的可用帶寬和4 GB/s的系統(tǒng)總帶寬.NI PXIe-8135高性能嵌入式控制器與PXI Express兼容機(jī)箱(如PXIe-1075)結(jié)合在一起,可實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全兼容PC的計(jì)算機(jī),結(jié)構(gòu)緊湊,堅(jiān)固耐用.NI HDD-8265大容量存儲(chǔ)模塊是一個(gè)750 MB/s磁盤陣列,可支持PXI數(shù)據(jù)流系統(tǒng)的持續(xù)數(shù)據(jù)流盤速率.

NI PXIe-5673E是一款高帶寬的6.6 GHz的射頻矢量信號(hào)發(fā)生器模塊,瞬時(shí)帶寬高達(dá)100 MHz,該模塊由NI PXIe-5450任意波形發(fā)生器模塊、NI PXIe-5611 I/Q矢量調(diào)制模塊和NI PXIe-5652本地振蕩器模塊通過SMA通信電纜連接合成的模塊化設(shè)備,各模塊間的連接關(guān)系如圖4所示.

圖4 NI PXIe-5673E射頻矢量信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖

其中NI PXIe-5450任意波形發(fā)生器(AWG)模塊將上位機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字基帶合成信號(hào)經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換,生成I、Q兩路模擬基帶信號(hào);NI PXIe-5652本地振蕩器(LO)模塊產(chǎn)生GPS信號(hào)調(diào)制所需頻率的射頻載波信號(hào);NI PXIe-5611 I/Q矢量調(diào)制模塊是射頻矢量信號(hào)發(fā)生器的核心模塊,其將AWG模塊產(chǎn)生的I、Q兩路模擬基帶信號(hào)和LO模塊產(chǎn)生的本振信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后進(jìn)行直接正交上變頻調(diào)制,上變頻到所需的射頻頻率;再經(jīng)射頻濾波和功率控制后輸出所期望的射頻導(dǎo)航信號(hào).I/Q矢量調(diào)制器的內(nèi)部框圖如圖5所示.

圖5 NI PXIe-5611矢量調(diào)制器內(nèi)部框圖

3 模擬源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GPS導(dǎo)航信號(hào)模擬源由數(shù)學(xué)仿真子系統(tǒng)和射頻信號(hào)生成子系統(tǒng)兩部分組成,其中,數(shù)學(xué)仿真子系統(tǒng)在上位機(jī)中編程實(shí)現(xiàn),包括衛(wèi)星軌道仿真,空間環(huán)境誤差仿真,多普勒頻移仿真以及接收機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真,其產(chǎn)生零中頻的數(shù)字基帶信號(hào),然后采用數(shù)字基帶合成技術(shù),生成多顆衛(wèi)星的數(shù)字基帶合成信號(hào);射頻信號(hào)生成子系統(tǒng)則負(fù)責(zé)接收并處理上位機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字基帶合成信號(hào),經(jīng)直接正交上變頻調(diào)制,濾波和功率控制后,最終產(chǎn)生用戶終端設(shè)備能夠接收的GPS射頻導(dǎo)航信號(hào).GPS導(dǎo)航信號(hào)模擬源的具體仿真流程如圖6所示.

圖6 模擬源仿真流程圖

4 模擬源驗(yàn)證

4.1 信號(hào)頻譜測(cè)試

將頻譜分析儀連接至GPS導(dǎo)航信號(hào)模擬源的射頻輸出端口,觀察輸出信號(hào)的頻譜.

圖7 GPS仿真信號(hào)頻譜圖

由圖7可知,模擬源仿真產(chǎn)生的GPS信號(hào),其中心頻率在1575.42 MHz左右,主瓣帶寬約為2 MHz,與GPS中心頻率理論值1575.42 MHz和GPS帶寬理論值2.046 MHz相吻合,從而說明模擬源仿真信號(hào)的正確性.

4.2 靜態(tài)定位測(cè)試

靜態(tài)定位測(cè)試中,本文選擇2018年9月20日(即年積日第263天)的廣播星歷文件和歷書文件,設(shè)置仿真開始時(shí)間為2018年9月20日0時(shí)(GPS時(shí)),仿真起始位置為30°N,120°E,海拔為2 000 m,接收機(jī)為靜止?fàn)顟B(tài).使用司南M300 Pro接收機(jī)對(duì)模擬源靜態(tài)場(chǎng)景下的仿真信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證,定位結(jié)果如圖8所示.

圖8 接收機(jī)靜態(tài)定位結(jié)果

根據(jù)接收機(jī)的定位結(jié)果及模擬源設(shè)定的仿真位置,計(jì)算出接收機(jī)在WGS坐標(biāo)系下X、Y、Z三軸定位誤差.本文選擇第10—25 min的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果如圖9所示.

圖9 靜態(tài)測(cè)試X、Y、Z三軸定位誤差

由圖9可以看出,X、Y、Z三軸定位誤差均在8 m以內(nèi),且除了Z軸的少部分歷元外,X、Y、Z三軸的定位誤差均在6 m以內(nèi),從而說明模擬源仿真信號(hào)的準(zhǔn)確性及有效性.

為了更好地比較靜態(tài)定位測(cè)試中X、Y、Z三軸定位誤差,本文統(tǒng)計(jì)了仿真時(shí)間內(nèi)(第10～25 min)接收機(jī)定位誤差的均值及標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果如表1所示.

表1 GPS仿真信號(hào)靜態(tài)定位結(jié)果

根據(jù)表1可得,X軸定位誤差的均值明顯小于Y軸和Z軸,為-0.494 3 m,說明X軸的平均定位結(jié)果非常接近理論值;X、Y、Z軸定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差相近,均在2.5 m左右,說明三軸的定位結(jié)果相對(duì)于理論值的離散度相同.

4.3 動(dòng)態(tài)定位測(cè)試

動(dòng)態(tài)定位測(cè)試中設(shè)置接收機(jī)為勻速直線運(yùn)動(dòng),模擬車輛等物體的勻速直線運(yùn)動(dòng)情況.設(shè)置仿真開始時(shí)間為2018年9月20日0時(shí)(GPS時(shí)),仿真起始位置為30°N,120°E,海拔2 000 m,仿真速度為北向速度Vn=6 m/s,東向速度Ve=8 m/s,天向速度Vu=0 m/s.動(dòng)態(tài)定位測(cè)試結(jié)果如圖10～12所示.

圖10 接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位結(jié)果

圖11 衛(wèi)星載噪比圖

由圖11可以看出,可視衛(wèi)星G7、G11、G18、G19、G22、G28的載噪比值均在50 dB/Hz左右,說明模擬源仿真信號(hào)質(zhì)量較好.

圖12 動(dòng)態(tài)測(cè)試X、Y、Z三軸定位誤差

由圖12可以看出,動(dòng)態(tài)測(cè)試中X、Y、Z三軸定位誤差均在15 m以內(nèi),且除了Y軸的部分歷元外,X、Y、Z三軸的定位誤差均在10 m以內(nèi).動(dòng)態(tài)測(cè)試中三軸定位誤差比靜態(tài)測(cè)試中三軸定位誤差值更大,但仍在誤差范圍值之內(nèi),說明模擬源能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信號(hào)的仿真且接收機(jī)能夠捕獲、跟蹤其產(chǎn)生的仿真信號(hào)并實(shí)現(xiàn)定位解算.

為了比較動(dòng)態(tài)測(cè)試中X、Y、Z三軸定位誤差,本文統(tǒng)計(jì)了仿真時(shí)間內(nèi)(第10～25 min)接收機(jī)定位誤差的均值及標(biāo)準(zhǔn)差,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.

表2 GPS仿真信號(hào)動(dòng)態(tài)定位結(jié)果

由表2可以看出,動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果與靜態(tài)測(cè)試結(jié)果相似,X軸定位誤差的均值小于Y軸和Z軸定位誤差的均值,其值在1.5 m左右,Z軸定位誤差的均值最大,其值在4 m左右;但Y軸定位誤差標(biāo)準(zhǔn)差大于X軸和Z軸,說明Y軸的定位結(jié)果相對(duì)于理論值的離散度更大.

5 結(jié)束語

本文采用PXIe總線技術(shù)的無線電思想,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了PXI架構(gòu)的GPS導(dǎo)航信號(hào)模擬源,該模擬源使用圖形化編程語言LABVIEW開發(fā)上位機(jī)數(shù)學(xué)仿真軟件,并采用數(shù)字基帶合成技術(shù),在數(shù)字域生成多顆衛(wèi)星的數(shù)字基帶合成信號(hào);再使用NI模塊化設(shè)備經(jīng)直接正交上變頻、濾波和功率控制后,最終產(chǎn)生用戶終端設(shè)備可以接收的GPS射頻導(dǎo)航信號(hào).經(jīng)頻譜分析儀的信號(hào)頻譜測(cè)試和商用接收機(jī)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試驗(yàn)證,表明了模擬源仿真信號(hào)的正確性及有效性.GPS導(dǎo)航信號(hào)模擬源的成功研制,將為下一步研制北斗二號(hào)、北斗三號(hào)導(dǎo)航信號(hào)模擬源提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn).

致謝:感謝全球連續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)iGMAS信息工程大學(xué)分析中心(LSN)給予的幫助和支持.