GPS L5模拟器基带信号的生成

穆 雪,张 波,杨东凯,李社军

(1.北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191;2.中国伽利略卫星导航有限公司,北京 100191;3.63600部队,甘肃 酒泉 732750)

0 引 言

自1995年美国宣告GPS进入全面运行状态以来,GPS充分显示了其在导航、定位中的领先地位,许多领域也由于GPS的出现发生了革命性的变化。为使GPS更好地满足军事、民间和商业用户不断增长的应用需求,美国决定采用先进技术改进和完善GPS.增发与生命安全有关的L5载频(1 176.45 MHz)信号是GPS现代化的一项重要内容[1]。

2005-2010年,GPS Block IIR卫星和更前一批卫星逐渐退役,美国提出要陆续更换新一代的Block IIF卫星,同时决定在此卫星上播发L5频段卫星信号。美军计划一共要发射12颗GPS IIF卫星,截止到2014年3月,只有五颗Block IIF卫星在轨运行,这就限制了新型接收机的研制与测试[2-3]。卫星信号模拟器可以模拟不同条件下接收机天线前端接收到的卫星信号,能够实现对接收机的性能评测,鉴定其捕获、跟踪能力和定位测量精度[4]。国内由于对信号模拟器的研究起步比较晚,且国外对技术进行封锁,对L5频段模拟器的研究相对较少。国内论文大部分只是对L5信号体制的研究并没有关于L5信号模拟器的叙述。鉴于此,本文在研究GPS L5信号结构的基础上,简要介绍了GPS L5模拟器的整体架构,重点介绍了上位机信号生成部分导航参数计算模块,最后使用清华大学自行研制的GNSS接收机对生成的信号进行验证。

1 L5信号结构特点

L5信号生成原理[5-6]如图1所示,两路幅度相等、相位正交的载波调制形成L5信号。其中一路被称作同相(I)支路,调制有扩频码、导航电文、同步序列,另一路被称作正交(Q)支路,调制有扩频码、同步序列,两路信号经过四相调制(QPSK)形成L5信号。L5导航电文的一个基本帧(数据块形式)为300 比特,该300比特由276比特的电文数据加上24位的冗余校验(CRC)编码形成,速率为50 bit/s.基本帧首先经过1/2比率,K=7的前向纠错卷积编码(FEC),编码后的符号速率变为100符号/秒(sps),再经过10 bit的纽曼-霍夫曼(Neuman-HofmanNH)编码,“1”变为“1111001010”,“0”变为“0000110101”。经过NH编码后的数据流与10.23 Mbps/s速率的扩频码调制,形成数据通道I.Q支路中,扩频码与20 bit的同步序列(00000100110101001110)调制。I、Q支路序列以1 176.54 MHz的频率进行QPSK调制,形成L5信号。

图1 L5信号生成原理

2 GPS L5模拟信号生成整体方案

本文所设计的GPS L5模拟器信号生成整体流程如图2所示,用户通过人机交互界面输入用户配置信息,上位机软件根据用户输入的信息产生载体目标的运动状态,在目标运动状态生成的同时,上位机分线程启动,读入星历文件,生成导航参数。上位机根据生成的导航参数以及目标的运动状态,计算当前仿真时刻的可见星状态(可见星的计算采用二分法[7]),生成可见星的导航电文以及各种控制字状态,通过数据装帧模块打包成数据帧。上位机通过网线与硬件部分的NI机箱进行连接。NI机箱的作用是将接收到的数据包进行转发,转发到中频板卡上,同时辨别接收到的数据包属于哪个频点,将之转发到相应的板卡上并使用Windriver驱动开发工具生成PCIE驱动程序。经NI机箱转发到中频板卡与射频板卡上的信号经过调制与上变频,产生L5射频信号。

图2 GPS L5模拟器信号生成流程图

3 L5上位机基带信号生成

目前在轨运行的Block IIF卫星只有五颗,尚未得到L5的星历数据文件,本文暂时使用L1的星历文件代替L5星历文件。表1是GPS L1与L5导航电文参数的对比分析,通过对比可以得知 L1的16个星历参数演变成L5的18个参数,L5增加了GGTO(GPS/GNSS 时间偏差)和地球定向参数(GGTO参数可以实现与不同GNSS之间的兼容和互操作,地球定向参数可以方便用户实现地心地固坐标系与地心惯性坐标系之间的转换,提高接收机的解算效率),L5信号历书被分成中等精度历书和简化历书,L1的导航信息修正表被L5的差分修正参数取代,卫星健康状况由信号健康状况取代,专用电文变成了文本信息[8]。

表1 GPS信号导航电文参数的对比分析

图3 导航电文生成流程图

由GPS L1星历文件(RINEX格式)内容说明[9]可以得知,星历文件中主要播发时钟参数以及星历参数。由表(1)可知,L5信号的18个星历参数的变化主要体现在半长轴、轨道平均速率、升交点赤经的算法不同。下面具体说明如何由L1的星历参数计算L5的星历参数。

依据文献[5],L1半长轴A的计算方法为

(1)

轨道平均速率n计算方法为

n=n0+Δn,

(2)

(3)

式中:Δn为L1星历文件参数;u=3.986 005×1014.

依据文献[6],L5半长轴A的计算方法:

A0=AREF+ΔA,

(4)

(5)

轨道平均速率n计算方法为

(6)

n=n0+Δn,

(7)

(8)

升交点赤经变化率计算方法:

(9)

L5信号总共有64种类型(type0-type63)的导航电文。如图4所示,L5导航电文的基本帧包含8比特的同步码“10001011”,6比特的卫星PRN号,6比特的帧类型号0(000000)-63(111111),17比特的周内秒计数(TOW),239比特的电文数据,24位的冗余校验。十进制转二进制后形成的数据按图4所示的基本帧结构装帧、存储,以便其它程序调用。

图4 L5基本帧结构

GPS L5信号导航电文的基本类型Type1-Type5在2002年10月2号的ICD-GPS-705 的版本中定义。Type10-Type15,30-37在2011年9月21日的IS-GPS-705B 版本中定义。目前GPS L5卫星只播发type10-Type15,Type30-Type37类型的信号,之前定义的信号已经停止播发。所以本论文中只编写了最新的导航电文类型Type10-Type11,Type30-Type37.

4 生成信号的测试

图5 信号测试流程图

本测试采用模拟器-接收机闭环测试验证信号正确性。信号测试流程如图5所示,上位机产生的基带信号经过中频与射频板的调制与变频产生L5射频信号,接入接收机进行定位解算。测试所采用的接收机为清华大学研发的GNSS软件接收机。接收机的工作流程为射频采集卡采集的模拟器产生的GPS L5射频信号经下变频和D/A转换形成数字中频信号;相关器在跟踪环路的控制下完成信号的载波剥离、伪随机码解扩和积分累加;跟踪环路完成码跟踪、载波跟踪;软件实现位同步和帧同步,导航解算完成电文的解码和定位解算。图6表示的是模拟器硬件设备连接图,硬件设备包括上位机、NI机箱、中频电路板、射频信号源。

图6 设备硬件连接图

测试结果如图7、8,图7表示上位机发送的可见星界面图,图8表示接收机解算的可见星信息。对比两幅图,可以看出接收机收到的卫星号与模拟器发送的可见星星号一致。图7(b)中的CCBF表示L5信号通过了捕获、跟踪,实现位同步与帧同步,TransmitTime是接收机解算出的导航电文中的信号发射时间,Doppler是解算出的卫星的多普勒频移。通过接收机的验证,可以实现L5信号的定位(由于定位精度有待提高,未附定位结果),验证了生成的L5信号的正确性。

图7 模拟器运行界面

图8 接收机显示界面

5 结束语

GPS L5信号模拟器的研制对新型接收机的研制、测试具有重要意义。上位机生成正确的基带信号是模拟器能够正常工作的前提。本文在研究GPS L5信号结构特点,对比L1与L5导航电文的基础上,生成了L5上位机信号并通过接收机验证了其正确性。但由于设备资源等条件的限制,仍有许多需要提高和完善的方面。下一步将继续研究、修改软件中的算法,以进一步提高L5模拟器产生信号的定位精度。

[1]谢 钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社,2009:1-3.

[2]李 跃,邱致和.导航与定位——信息化战争的北斗星[M].2版.北京:国防工业出版社,2008:197-300.

[3]北斗官网.美国:发射第五颗GPS IIF卫星 新一代导航卫星在研[EB/OL].[2014-02-26].http://www.beidou.gov.cn/2014/02/26/20140226afe622d4b41e4394abd13b119937453d.html.

[4]李保柱,张其善,杨东凯.GPS卫星信号模拟器载波和码NCO研究与实现[J].测试技术学报,2006,20(6):518-522.

[5]DOD.Golbal positioning system directorate systems engineering & integration interface specification IS-GPS-200G[R].2012.

[6]DOD.Golbal positioning system directorate systems engineering & integration interface specification IS-GPS-200G[R].2011.

[7]颜庆津.数值分析.[M]北京:北京航空航天大学出版社,1999.

[8]张 冰.GPS L2C信号仿真和分析研究[D].上海:上海交通大学,2012.

[9]都欣欣.GNSS信号模拟器导航电文及状态参数产生方法的研究与实现[D].北京:北京航空航天大学,2006.