GLONASS卫星导航信号模拟器的设计与实现

曹春辉 刘钧涛

(1.石家庄市经纬度科技有限公司,河北石家庄 050000;2.河北远东通信系统工程有限公司,河北石家庄 050000)

GLONASS卫星导航信号模拟器的设计与实现

曹春辉1刘钧涛2

(1.石家庄市经纬度科技有限公司,河北石家庄 050000;2.河北远东通信系统工程有限公司,河北石家庄 050000)

介绍了GLONASS卫星导航信号模拟源的设计与实现,根据GLONASS导航系统频分多址的特点给出了基带信号产生和数字滤波技术两项关键技术的解决方案;给出模拟器总体框架设计,分解主要组成部分,分别予以概要设计。完成设计后进行了试验验证,给出了定位结果,证明该方案合理可行。

GLONASS 频分 模拟器 基带

任何接收机的研制及接收技术的突破,都离不开信号模拟器。GPS、GLONASS是较成熟的导航系统。随着GLONASS星座的日趋完善,及卫星导航系统在各个领域应用的不断深入,各国越来越重视GLONASS 接收机和多模GNSS兼容接收机的研发。

国外卫星信号仿真器的研究较早。英国SPIRENT多年前已完成GLONASS卫星信号仿真器的研发,因涉及敏感技术问题,特别是高动态型号产品对我国禁运。国内这方面起步较晚,尤其在GLONASS卫星信号仿真器的研发上,相关研究较少。本文提出的设计方案成本低,可实现用户任意设定位置、模拟卫星轨迹、模拟多径功能,并具备较高的动态性能。

1 GLONASS系统简介

GLONASS空间段由24颗卫星组成,工作星21颗,分布在互成120°夹角轨高19100km的3个轨面上,每轨8颗卫星,周期11时15分,确保任何地点同时能观测到4颗卫星。GLONASS地面段实现星座的维护与控制,由控制中心和分散于俄罗斯领土的指令跟踪控制站组成。

系统使用频分多址播发方式,卫星通过其发送的载波频率来获得识别,根据已发布的ICD 2008文件,每颗卫星发送L1、L2载波频率是互不相同的,频率设计如下:

卫星发射两种测距码,标准精度码(C/A码)和高精度码(P码),C/A码为民用,速率为511kHz,P码需要授权,速率为5.11MHz,调制方式均为BPSK,相位调制偏差0.2弧度。导航信号由测距码、导航电文、曲折码三者向加后模二形成。本文只讨论C/A码。

C/A码是由9级m序列生产,生成多项式为:伪码周期1ms,码速率511kHz,生成C/A码的移位寄存器产生结构如图1所示。

图1 C/A码实现结构示意图

图2 GLONASS模拟器组成示意图

导航电文为二进制码超帧(Superframe)结构,每超帧5个帧(Frame),每帧15个串(String),。每超帧历时150秒,数据率50bps,编码后符号率100cps。每个串历时2秒,在每个串的后300毫秒,为一个时间标志,接收机可以用来作为帧锁定标志。

2 模拟器设计

GLONASS模拟器总体架构类似于其他模拟器,包括数学仿真、信号实现两部分。模拟器的组成及数学仿真、基带信号产生、时频产生、射频调制等模块逻辑关系如图2所示。

数学仿真由PXI机箱的零槽模块充当。根据卫星信号的产生原理、传播途径、接收原理等,及导航系统星座运行情况,仿真生成地面接收机天线接收到的导航信号。

基带信号产生是整个设计的核心,实现数学仿真生成的伪距、速度、加速度、多径等各种物理量的信号层面实现,包括时延、多普勒频偏、信号叠加等。这些信号包含了所有需要仿真的物理量,导航模拟器的精度也由基带信号产生单元来保证。

射频调制单元为镜像抑制上变频架构,直接转换为所需的L波段射频信号,并完成信号电平的粗调,本设计没有镜像分量,不需要输出滤波,缩小了设备体积,提高了可靠性。

基带单元和射频单元共同完成GLONASS一个频点的射频信号输出,L1和L2硬件配置相同,通过不同的板载程序完成不同频点的信号模拟,基带和射频合称射频信号模拟通道。

图3给出了射频信号模拟通道的逻辑示意。

图3 射频信号模拟通道的逻辑示意

图4 基带信号产生技术原理

3 关键技术及其实现

GLONASS导航信号模拟器,国内研究较少。文献[1]给出了“正交调制技术”、“多普勒实现技术”等有关技术原理和实现的描述,

图5 FIR滤波器的频响特性

图6 接收机定位截图

GLONASS导航系统为频分导航系统，在原理和实现上有其独特之处，也决定了其不同于其他导航信号模拟器的关键技术。

3.1 基带信号产生技术

对于GLONASS卫星导航信号模拟器，基带信号产生技术是导航信号产生的关键核心技术。在原理上，单通道信号的实现与其他系统模拟器相同，但GLONASS系统采用频分方式实现多址与其他系统相区别。用户和卫星间的相对运动导致了多普勒频偏，包括码钟多普勒和载波多普勒。本模拟器不同卫星载波频率不同因此需要在载波DDS上做一定的处理，即图中的DDS1～DDSn参数计算是不同的。根据通道号k值的取值范围，GLONASS卫星的频点共有14个取值，步进为几百kHz。图4给出了单通道基带信号产生并合路的示意。

本模拟器即是采用上述方法来实现载波多普勒模拟，具体以L1信号为例，本振载波频率选取1402MHz，小中频频偏由基带信号来实现，通道号为k的卫星频率如式1所示，基带小中频的静态频率取:

结合式4，据文献[2]提供的方法可以计算出从fI到硬件实现的计算公式。

3.2 基带数字滤波技术

频分多址信号若直接按文献[1]提供的方案产生，会造成了比较严重的频谱混叠现象，不符合GLONASS ICD文件中的要求，影响接收机的捕获，必须进行滤波处理。本方案采用基带信号合成技术，射频后端滤波只限制合路带宽，所以必须在基带完成滤波处理。

基带滤波选择FIR滤波器方案，选取合适的参数实现低通滤波。图5给出了FIR滤波器的频率响应特性图。

4 试验验证

试验是在数据仿真基础上进行的，零槽完成数据仿真的数学计算，然后将仿真结果下发，射频产生通道完成信号转换，实现L1和L2两个频点信号的产生，并进行系列试验验证。

试验场景:用户位置北纬48度00分00秒、东经110度00分00秒，高程50米，静止状态。使用NovAtel接收机测试，测试时长0.5小时，测试结果截图如图6所示。

试验结果可见，NovAtel接收机解算出的位置与模拟器设定值吻合，误差控制在4米以内。说明本方案设计合理可靠，成功的实现了GLONASS卫星导航信号的模拟。

5 结语

GLONASS卫星导航信号模拟器在国内较少研究，本文给出的方案经过验证可以正确的模拟其信号，达到了预先设计的精度要求。同时在信号模拟精度上仍待进一步提高。

[1]董立桥,周雪娟.基于PXI架构的导航信号模拟器设计.无线电工程,2011年03期.

[2]周雪娟,董立桥.一种产生高精度动态时钟的新方法.无线电工程,2011年11期.

[2]樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2009.

[3]聂俊伟,李峥嵘,芈小龙,王飞雪.伽利略系统信号调制体制研究[J].全球定位系统,2006,06:1-5.

[4]张怡,张西凯,陈利民.基于二进制偏移载波(BOC)调制方式的卫星导航技术研究[J].弹箭与制导学报,2011,31(01):181-184.

[5]战兴文.BOC调制技术研究[J].信息技术,2006,06:119-120.

[6]范志良,刘光斌.基带滤波在GLONASS 卫星信号仿真器中的应用微计算机信息 2009年第25期.