多级输出BD2/GPS/Galileo导航信号模拟器

摘要

本发明提供了一种多级输出BD2/GPS/Galileo导航信号模拟器。该模拟器由上位机子系统、中频调制子系统、射频子系统组成；上位机子系统根据设定的卫星星座、载体运动状态、传播误差和环境干扰等仿真计算各种信号状态参数和导航电文，产生基带级数据输出；中频调制子系统完成信号的扩频和载波调制，实现多普勒、码相位、载波相位和相对电平的精确控制，完成干扰信号的调制和控制，合路生成模拟中频级信号输出；射频子系统将信号和干扰上变频到指定的频点，进行功率控制，经射频开关矩阵合路后由同轴电缆或天线输出。本发明提供的模拟器能够兼容BD2/GPS/Galileo多个频点、多种信号形式、具备多通道多级输出测试能力以及多种高动态和干扰信号表示能力。

主权项

一种多级输出BD2/GPS/Galileo卫星导航信号模拟器，其特征在于，包括：上位机子系统，用于提供良好的人机交互图形界面，并根据用户设置的信号结构、星座轨道、载体运动状态、传播误差和环境干扰，计算目标接收机接收的各种卫星导航信号状态参数、导航电文、多径信号状态参数和干扰信号状态参数，产生基带级测量域数据输出；同时实时控制硬件信号发生器产生相应的中频/射频信号输出；中频调制子系统，用于根据上位机子系统计算出的电文数据和信号状态参数流完成各通道的扩频调制、副载波调制和载波调制，实现不同通道信号的多普勒、码相位、载波相位和相对电平的精确控制；完成各种多径与干扰信号的调制和控制；并经数字合路、数字上变频、数模转换、放大和滤波生成指定的模拟中频级信号输出；射频子系统，用于将接收到的模拟中频/低中频/基带信号和干扰上变频到指定的频点，进行功率控制，并经射频开关矩阵将多种载频和信号结构的射频信号以及干扰信号合路输出；其中，所述的上位机子系统与中频调制子系统之间采用标准的PCI‑E总线接口实现高速数据传输；由中频调制子系统的时基电路通过PCI‑E接口向上位机子系统产生中断，上位机子系统响应中断，将计算出的信号状态参数、电文比特流和控制命令数据按照规定的通信报文帧格式通过PCI‑E接口传输到中频调制子系统，并接收中频调制子系统返回的状态信息；所述的中频调制子系统与射频子系统之间采用正交的I、Q模拟中频信号连接，同时还通过I2C接口相连接，以控制射频输出信号的频点和功率；另外提供可外接频标的专门的多输出时钟驱动电路供各块中频调制板卡和各频点的射频上变频电路使用，以保证所有中频与射频电路的时钟同源性；所述的上位机子系统包括：人机交互图形界面模块，用于接收用户的配置与数据输入，以数据和图形方式显示输出后台软件模块的处理结果，并提供与硬件信号产生器的通信控制功能；时间坐标系统转换模块，用于进行常用时间、坐标系统之间转换的操作，包括各导航系统时与UTC时之间的转换，大地坐标与地心地固坐标系之间的转换、地心地固坐标与地平/地理坐标系之间的转换、WGS84与CGS2000之间协议坐标系的转换，北京54与CGS2000之间协议坐标系的转换，其中所述导航系统时包括：BD2系统时、GPS系统时、Galileo系统时；载体运动轨迹计算模块，用于根据典型的载体运动模型生成载体运动轨迹，且允许用户自行配置载体运动轨迹或提供轨迹文件；卫星位置计算与可见卫星时刻表生成模块，用于根据所定义星座内正常工作的导航卫星状况选择要模拟的卫星，由星历/历书文件或上行注入信息源文件推算仿真时刻的卫星位置；根据载体位置选取仰角大于最小遮蔽角的卫星，生成可见卫星时刻表；该表中对应于载体运动数据的时间更新率，给出每一仿真接收历元时刻每一颗可见卫星的PRN号，以及相应发射时刻各可见星天线相位中心的位置；导航电文配置和生成模块，用于根据所选择导航系统的空间段/用户接口控制文件以及用户在图形界面上对导航电文帧结构的再配置信息生成所仿真时段内各可见卫星的导航电文比特流；误差和信号状态计算模块，用于根据每一仿真历元时刻的用户位置与包含星历误差的卫星位置计算真空中的传播延迟，仿真计算包含相对论效应误差的星钟误差和地球旋转误差，仿真计算空间传播中信号幅度衰落和包括电离层延迟、对流层延迟、多径误差的延迟误差，进而得到对应的信号发射时刻的信号状态，包括信号功率、伪码相位、码速率、载波相位、载波多普勒频率及其变化率；干扰仿真模块，用于根据用户在界面上选择配置的干扰类型和参数，计算生成干扰信号状态控制参数；数据装帧与调制卡通信模块，用于按照规定的通信协议将计算好的导航电文、信号状态参数以及各种控制参数打包成帧，通过PCI‑E接口向调制卡发送，并接收调制卡返回的状态信息；基带数据生成模块，用于将导航电文配置和生成模块产生的导航电文以及误差和信号状态计算模块产生的信号状态参数，按照规定的格式写入文件，形成基带数据文件；测量结果记录与分析模块，用于记录上位机软件仿真产生的数据，包括一定更新速率下的载体运动状态，卫星运动状态，卫星信号状态，各仿真模型训练验证用数据，该数据供事后的分析处理和回放，同时支持测试环境的完全再现，接收被测接收机回馈的数据，与记录的相应数据进行比较分析，从而给出对整个闭环测量效果的评价；所述的中频调制子系统采用三块PCI‑E板卡的形式，三块板卡的结构和功能相同，每块板卡至少可产生两个频点的I、Q正交模拟中频信号，或至少一个频点的I、Q正交模拟中频信号加上一路干扰的I、Q正交模拟中频信号，每块板卡上的电路包括一个PCI‑E桥接芯片，一个DSP，一个FPGA，一个SRAM，一个FLASH，两个数字上变频器DUC，两个数模转换器DAC，两个信号调理模块、一个PRM模块；所述的PCI‑E板卡由FPGA中的状态机控制其工作时序；使用PCI‑E桥接芯片实现PCI‑E总线与本地总线的桥接；上位机子系统发送的数据存储在SRAM中，由DSP读取并解析控制命令、电文和信号状态参数，计算信号状态控制字并存储在SRAM中；FPGA从SRAM中读取控制参数并完成扩频调制、适用于Galileo E1B信号的副载波调制、正交载波调制、多通道数字合路，其中BD2各频点Q支路的P码由对应的专用PRM模块产生；数字上变频器完成从低中频到中频的数字上变频，数模转换器完成数模转换，信号调理模块由低通滤波器、放大器与功分器组成，完成输出模拟中频信号的调理。