專利名稱：一種gps直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器及模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GPS衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，具體涉及一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器及模擬方法。
背景技術(shù)：
在GPS接收機(jī)生產(chǎn)、調(diào)試、研究過(guò)程中，需要測(cè)定接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)接收及定位性能，以及接收機(jī)在彈載等復(fù)雜環(huán)境下的定位可用性，要獲得這樣的統(tǒng)計(jì)特性，不可能進(jìn)行大數(shù)量的實(shí)際飛行驗(yàn)證。為方便地在實(shí)驗(yàn)環(huán)靜態(tài)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)這類測(cè)試，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，不必把接收機(jī)放在導(dǎo)彈、星船等空間設(shè)備上，只需要模擬器模擬出接收機(jī)在這些軌跡下所接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，在室內(nèi)對(duì)靜止接收機(jī)測(cè)試，接收機(jī)的定位結(jié)果就是模擬器所預(yù)先設(shè)定的軌跡，可以方便測(cè)試接收機(jī)在高空、高速運(yùn)動(dòng)條件下定位效果，這樣節(jié)約了接收機(jī)的測(cè)試成本。根據(jù)這樣的應(yīng)用需求，GPS信號(hào)模擬器便應(yīng)運(yùn)而生。GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器就是模擬產(chǎn)生GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，為GPS接收機(jī)的研制開(kāi)發(fā)、測(cè)試提供仿真環(huán)境，它是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和接收機(jī)(尤其是高動(dòng)態(tài)接收機(jī))研制的關(guān)鍵儀器。GPS信號(hào)模擬器所模擬的仿真環(huán)境環(huán)境越逼真，對(duì)于GPS接收機(jī)的性能測(cè)定則越為準(zhǔn)確。在實(shí)際環(huán)境下，接收天線所接收到的信號(hào)，不僅包含有直達(dá)波信號(hào)、而且包含有經(jīng)周圍物體的反射后所產(chǎn)生的鏡面反射信號(hào)和漫散射信號(hào)等反射波信號(hào)。反射波信號(hào)將對(duì)直接來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)(直達(dá)波)產(chǎn)生干擾，從而使觀測(cè)值偏離真值，產(chǎn)生所謂“多徑誤差”?？梢?jiàn)，研究多徑效應(yīng)，對(duì)于分析衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和接收機(jī)的測(cè)量精度而言具有重要的意義。而要研究多徑效應(yīng)，就要求衛(wèi)星信號(hào)模擬器不僅能模擬高精度的衛(wèi)星直達(dá)波信號(hào)，更為主要的是模擬出特定時(shí)間、特定地點(diǎn)的接收機(jī)所接收到的所有衛(wèi)星星座發(fā)射或漫射的信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器及模擬方法， 本發(fā)明以DSP+FPGA數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)為核心，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的衛(wèi)星星歷以及接收機(jī)軌跡等參數(shù)，計(jì)算并產(chǎn)生高精密數(shù)字信號(hào)，高保真模擬用戶所設(shè)定場(chǎng)景的衛(wèi)星直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)，并連接高速數(shù)模轉(zhuǎn)換及上變頻模塊，完成GPS射頻信號(hào)輸出。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)下述方案實(shí)現(xiàn)的一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器，包括DSP信息處理模塊、FPGA信號(hào)處理模塊、D/ A轉(zhuǎn)換模塊、上變頻模塊、以及發(fā)射天線或輸出電纜；DSP信息處理模塊與FPGA信號(hào)處理模塊相連；FPGA信號(hào)處理模塊輸出接D/A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)上變頻模塊與發(fā)射天線或輸出電纜連接；其中FPGA信號(hào)處理模塊內(nèi)設(shè)有時(shí)間延遲單元和信號(hào)合成單元；DSP信息處理模塊根據(jù)用戶需求，設(shè)定所模擬的GPS接收機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡；星歷參數(shù)提取并編碼為導(dǎo)航電文；根據(jù)用戶設(shè)定仿真時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡和衛(wèi)星星座，預(yù)測(cè)GPS衛(wèi)星是否可見(jiàn)；對(duì)于可見(jiàn)星，計(jì)算相應(yīng)仿真時(shí)刻的延遲相位、和信號(hào)頻率，并把所有可見(jiàn)星的電文、相位信息和頻率信息發(fā)給FPGA信號(hào)處理模塊；
FPGA信號(hào)處理模塊根據(jù)DSP信息處理模塊傳輸?shù)男l(wèi)星狀態(tài)，把可見(jiàn)星分配到相應(yīng)的信號(hào)生成通道；根據(jù)DSP信息處理模塊傳遞的參數(shù)，設(shè)定每個(gè)衛(wèi)星的初始載波相位、碼相位、導(dǎo)航電文選擇相位，再根據(jù)頻率信息生成相應(yīng)的電文、碼、載波信號(hào)，并完成三者的擴(kuò)頻、調(diào)制，得到GPS直達(dá)信號(hào)；時(shí)間延遲單元復(fù)制所產(chǎn)生的GPS直達(dá)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的延遲后得到多徑信號(hào)分量；GPS直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)分量在信號(hào)合成單元中進(jìn)行迭加數(shù)字合成輸出給后端的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA信號(hào)處理模塊傳來(lái)的中頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，送至上變頻模塊；上變頻模塊對(duì)D/A轉(zhuǎn)換模塊輸入的中頻模擬信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波，并上變頻到GPS 的標(biāo)稱射頻頻率后經(jīng)由發(fā)射天線或輸出電纜輸出。上述方案中，時(shí)間延遲單元延遲的時(shí)間量是模擬器工作時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。上述方案中，DSP信息處理模塊還設(shè)有各類誤差源的誤差模型，DSP信息處理模塊根據(jù)各類誤差源，由誤差模型生成相應(yīng)的誤差仿真信號(hào)。上述方案所述GPS的標(biāo)稱射頻頻率為1575. 42MHz。上述方案所述發(fā)射天線為L(zhǎng)波段右旋圓極化全向天線。一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬方法，包括如下步驟①DSP信息處理模塊根據(jù)用戶需求，設(shè)定所模擬的GPS接收機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡；星歷參數(shù)提取并編碼為導(dǎo)航電文；根據(jù)用戶設(shè)定仿真時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡和衛(wèi)星星座，預(yù)測(cè)GPS衛(wèi)星是否可見(jiàn)；對(duì)于可見(jiàn)星，計(jì)算相應(yīng)仿真時(shí)刻的延遲相位、和信號(hào)頻率，并把所有可見(jiàn)星的電文、 相位信息和頻率信息發(fā)給FPGA信號(hào)處理模塊；②FPGA信號(hào)處理模塊根據(jù)DSP傳輸?shù)男l(wèi)星狀態(tài)，把可見(jiàn)星分配到相應(yīng)的信號(hào)生成通道；根據(jù)DSP信息處理模塊傳遞的參數(shù)，設(shè)定每個(gè)衛(wèi)星的初始載波相位、碼相位、導(dǎo)航電文選擇相位，再根據(jù)頻率信息生成相應(yīng)的電文、碼、載波信號(hào)，并完成三者的擴(kuò)頻、調(diào)制，得到GPS直達(dá)信號(hào)；FPGA信號(hào)處理模塊的時(shí)間延遲單元復(fù)制所產(chǎn)生的GPS直達(dá)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的延遲后得到多徑信號(hào)分量；GPS直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)分量在信號(hào)合成單元中進(jìn)行迭加數(shù)字合成輸出給后端的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；③D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA信號(hào)處理模塊傳來(lái)的中頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，送至上變頻模塊；④上變頻模塊對(duì)D/A轉(zhuǎn)換模塊輸入的中頻模擬信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波，并上變頻到 GPS的標(biāo)稱射頻頻率后經(jīng)由發(fā)射天線或輸出電纜輸出。上述步驟②中，時(shí)間延遲單元延遲的時(shí)間量是模擬器工作時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。上述步驟①的還包括有根據(jù)DSP信息處理模塊內(nèi)部建立的各類誤差源的誤差模型生成相應(yīng)的誤差仿真信號(hào)的步驟。上述步驟④所述的GPS的標(biāo)稱射頻頻率為1575. 42MHz。上述步驟④所述的發(fā)射天線為L(zhǎng)波段右旋圓極化全向天線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)便的多徑信號(hào)模擬方法，在FPGA信號(hào)處理模塊中，復(fù)制所生產(chǎn)的直達(dá)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的延遲，就得到了一個(gè)多徑信號(hào)分量。因?yàn)镕PGA是按照工作時(shí)鐘的時(shí)序進(jìn)行工作的，可以按照工作時(shí)鐘頻率對(duì)復(fù)制的直達(dá)信號(hào)延遲一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間在輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多徑信號(hào)，依次類推，多徑分量也可以延遲2個(gè)至任意個(gè)時(shí)鐘周期，可以供接收機(jī)端測(cè)試多徑抑制算法效果。本發(fā)明使得多徑信號(hào)相對(duì)直達(dá)信號(hào)的時(shí)間時(shí)間量與系統(tǒng)工作時(shí)鐘聯(lián)系起來(lái)，更易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，而模擬輸出的衛(wèi)星信號(hào)為全數(shù)字實(shí)現(xiàn)，直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)參數(shù)可調(diào)可控，十分精確，儀器使用方便，可廣泛應(yīng)用于GPS領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器的原理示意圖如圖1所示，其硬件平臺(tái)主要由DSP信息處理模塊、FPGA信號(hào)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、上變頻模塊、以及發(fā)射天線或輸出電纜構(gòu)成。DSP信息處理模塊與FPGA信號(hào)處理模塊相連；FPGA信號(hào)處理模塊輸出接D/A 轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)上變頻模塊與發(fā)射天線或輸出電纜連接；其中FPGA信號(hào)處理模塊內(nèi)設(shè)有時(shí)間延遲單元和信號(hào)合成單元。DSP信息處理模塊完成參數(shù)設(shè)定和信號(hào)頻率、相位等數(shù)值計(jì)算，相應(yīng)的控制字送給FPGA信號(hào)處理模塊，完成相應(yīng)頻率的GPS載波信號(hào)、偽隨機(jī)碼信號(hào)和導(dǎo)航電文的模擬、調(diào)制，多顆衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行數(shù)字疊加，輸出給D/A轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換，最后送到上變頻模塊，把中頻信號(hào)變?yōu)镚PS的射頻頻率信號(hào)，并輸出給發(fā)射天線或輸出電纜，以供接收機(jī)測(cè)試。根據(jù)測(cè)試環(huán)境，模擬器提供精確的多徑信號(hào)， 根據(jù)已經(jīng)計(jì)算好的直達(dá)信號(hào)，F(xiàn)PGA信號(hào)處理模塊內(nèi)的時(shí)間延遲單元延遲相應(yīng)的工作時(shí)鐘， 就可以得到多徑信號(hào)，而不必重新計(jì)算信號(hào)，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間和電路功耗，延遲時(shí)間最短為一個(gè)時(shí)鐘周期。1、DSP信息處理模塊DSP信息處理模塊在模擬器中完成參數(shù)初始化及控制、計(jì)算等大部分工作，包括 根據(jù)用戶需求，設(shè)定所模擬的GPS接收機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡(時(shí)間、位置、速度、加速度等)；星歷參數(shù)提取并編碼為導(dǎo)航電文；根據(jù)用戶設(shè)定仿真時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡和衛(wèi)星星座，預(yù)測(cè)GPS衛(wèi)星是否可見(jiàn)；對(duì)于可見(jiàn)星，計(jì)算相應(yīng)仿真時(shí)刻的延遲相位、和信號(hào)頻率，并把所有可見(jiàn)星的電文、相位信息和頻率信息發(fā)給FPGA信號(hào)處理模塊。在此過(guò)程中DSP信息處理模塊還建立各類誤差源的誤差模型，根據(jù)各類誤差源，由誤差模型生成相應(yīng)的誤差仿真信號(hào)。2、FPGA信號(hào)處理模塊FPGA信號(hào)處理模塊根據(jù)DSP信息處理模塊傳輸?shù)男l(wèi)星狀態(tài)，把可見(jiàn)星分配到相應(yīng)的信號(hào)生成通道；根據(jù)DSP信息處理模塊傳遞的參數(shù)，設(shè)定每個(gè)衛(wèi)星的初始載波相位、碼相位、導(dǎo)航電文選擇相位，再根據(jù)頻率信息生成相應(yīng)的電文、碼、載波信號(hào)，并完成三者的擴(kuò)頻、調(diào)制，得到GPS直達(dá)信號(hào)；時(shí)間延遲單元復(fù)制所產(chǎn)生的GPS直達(dá)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的延遲后得到多徑信號(hào)分量；GPS直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)分量在信號(hào)合成單元中進(jìn)行迭加數(shù)字合成輸出給后端的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。本發(fā)明所述的一定頻率的信號(hào)生成，均采用高精度數(shù)字頻率合成(NCO)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)頻率精確模擬，輸出高精度數(shù)字中頻GPS模擬信號(hào)。GPS接收機(jī)接收到的是衛(wèi)星直射信號(hào)和接收機(jī)周圍物體的反射多徑信號(hào)的合成信號(hào)，因此往往需要在模擬器中產(chǎn)生多徑信號(hào)。GPS信號(hào)是典型的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，接收機(jī)天線接收到的直達(dá)信號(hào)可以表示為x(t) = Ad(t)c(t)cos(co0t)(1)多徑信號(hào)都是滯后于直達(dá)信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的，而且幅度一般是衰減的，因此相對(duì)此直達(dá)信號(hào)的多徑信號(hào)可以表示為m(t) = α jAcKt-τ i)c(t-τ ^οοβ ω^ -τ j)](2)相位延遲一般仍表示成相位，因此多徑信號(hào)的表達(dá)式可以表示為m(t) = α jAcKt-τ i)c(t-τ ^οοβ ω^+Φ^ )](3)多個(gè)多徑信號(hào)和直達(dá)信號(hào)一起可以表示為
Ms{t) = Y (XiAd (t - τ, )c{t - Xi) cos[a0t + φι ⑴]
'=O(4)其中，i = 0表示該信號(hào)為衛(wèi)星直達(dá)信號(hào)，其它為M-I個(gè)多路徑信號(hào)；A表示載波幅度；α i表示信號(hào)幅度衰落系數(shù)，α 0對(duì)應(yīng)直達(dá)信號(hào)；d(t)表示導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息；c (t- τ》表示不同時(shí)延的GPS偽隨機(jī)碼(因民用碼為C/A碼，因此用c(t)來(lái)表示)；Wtl表示衛(wèi)星信號(hào)的中頻頻率(這里假設(shè)了直達(dá)信號(hào)和多路徑信號(hào)具有相同的頻率)表示第i個(gè)信號(hào)的相位。在模擬器中，當(dāng)產(chǎn)生了直達(dá)信號(hào)以后，往往需要產(chǎn)生多徑信號(hào)，以便接收機(jī)進(jìn)行抗多徑環(huán)境測(cè)試。本發(fā)明根據(jù)以上公式，發(fā)明了一種簡(jiǎn)便的多徑信號(hào)生成方法。因?yàn)樵谀M器中的每一個(gè)信號(hào)都是根據(jù)模擬器的主工作時(shí)鐘產(chǎn)生的，在產(chǎn)生了直達(dá)信號(hào)基礎(chǔ)上，若通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘延遲單元，再輸出該信號(hào)，就可以很方便地產(chǎn)生時(shí)間上延遲了一個(gè)時(shí)鐘的多徑信號(hào)，并對(duì)此信號(hào)幅度按要求進(jìn)行衰減，即可產(chǎn)生所需要的任意多徑信號(hào)。最后通過(guò)加法器可以把多徑信號(hào)和直達(dá)信號(hào)相加再進(jìn)行輸出，就完成了直達(dá)信號(hào)和任意延遲的多徑信號(hào)輸出。時(shí)鐘延遲單元可以延遲一個(gè)時(shí)鐘，也可以延遲多個(gè)時(shí)鐘，延遲的時(shí)間是時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，非常精確，這樣可以方便對(duì)比接收機(jī)的抗多徑測(cè)試結(jié)果。因?yàn)镕PGA信號(hào)處理模塊是按照工作時(shí)鐘的時(shí)序進(jìn)行工作的，可以按照工作時(shí)鐘頻率對(duì)復(fù)制的直達(dá)信號(hào)延遲一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間在輸出，即經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間延遲單元，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多徑信號(hào)，依次類推，多徑分量也可以延遲2個(gè)至任意個(gè)時(shí)鐘周期，可以供接收機(jī)端測(cè)試多徑抑制算法效果。假定模擬器的工作時(shí)鐘為68MHz，多徑信號(hào)的延遲時(shí)間最小分辨率就為1/68000000秒，非常精確。3、D/A轉(zhuǎn)換模塊D/A轉(zhuǎn)換模塊實(shí)行數(shù)字中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。所述發(fā)明使用DAC5687芯片，該芯片是美國(guó)TI公司推出的一款高速、高性能、雙通道16位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，其最高采樣速率可達(dá)500MSPS。DAC5687主要有6個(gè)信號(hào)處理模塊固定插值濾波器FIR1、HR2、FIR3和帶有32位數(shù)控振蕩器的精混頻器、正交調(diào)制校正模塊和粗混頻器。DAC5687可以通過(guò)微控制器進(jìn)行靈活的配置，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換，并具有變頻功能。4、上變頻模塊在上變頻模塊，對(duì)輸入的標(biāo)稱中頻模擬信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波，上變頻到GPS的標(biāo)稱射頻頻率1575. 42MHz，與實(shí)際環(huán)境的GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)一致。最后的射頻信號(hào)接到發(fā)射天線發(fā)射出去，供接收機(jī)測(cè)試。
5、發(fā)射天線或輸出電纜在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，選用L波段右旋圓極化全向天線來(lái)作為模擬器的輸出。利用上述GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器所實(shí)現(xiàn)的一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬方法，包括如下步驟①DSP信息處理模塊根據(jù)用戶需求，設(shè)定所模擬的GPS接收機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡；星歷參數(shù)提取并編碼為導(dǎo)航電文；根據(jù)用戶設(shè)定仿真時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡和衛(wèi)星星座，預(yù)測(cè)GPS衛(wèi)星是否可見(jiàn)；對(duì)于可見(jiàn)星，計(jì)算相應(yīng)仿真時(shí)刻的延遲相位、和信號(hào)頻率，并把所有可見(jiàn)星的電文、 相位信息和頻率信息發(fā)給FPGA信號(hào)處理模塊；在此過(guò)程中DSP信息處理模塊還建立有各類誤差源的誤差模型，根據(jù)各類誤差源，由誤差模型生成相應(yīng)的誤差仿真信號(hào)。②FPGA信號(hào)處理模塊根據(jù)DSP信息處理模塊傳輸?shù)男l(wèi)星狀態(tài)，把可見(jiàn)星分配到相應(yīng)的信號(hào)生成通道；根據(jù)DSP信息處理模塊傳遞的參數(shù)，設(shè)定每個(gè)衛(wèi)星的初始載波相位、碼相位、導(dǎo)航電文選擇相位，再根據(jù)頻率信息生成相應(yīng)的電文、碼、載波信號(hào)，并完成三者的擴(kuò)頻、調(diào)制，得到GPS直達(dá)信號(hào)；FPGA信號(hào)處理模塊的時(shí)間延遲單元復(fù)制所產(chǎn)生的GPS直達(dá)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的延遲后得到多徑信號(hào)分量；GPS直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)分量在信號(hào)合成單元中進(jìn)行迭加數(shù)字合成輸出給后端的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；GPS接收機(jī)接收到的是衛(wèi)星直射信號(hào)和接收機(jī)周圍物體的反射多徑信號(hào)的合成信號(hào)，因此往往需要在模擬器中產(chǎn)生多徑信號(hào)。GPS信號(hào)是典型的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，接收機(jī)天線接收到的直達(dá)信號(hào)可以表示為x(t) = Ad(t)c(t)cos(co0t)(1)多徑信號(hào)都是滯后于直達(dá)信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的，而且幅度一般是衰減的，因此相對(duì)此直達(dá)信號(hào)的多徑信號(hào)可以表示為m(t) = α jAcKt-τ i)c(t-τ ^οοβ ω^ -τ j)] (2)相位延遲一般仍表示成相位，因此多徑信號(hào)的表達(dá)式可以表示為m(t) = α jAcKt-τ i)c(t-τ ^οοβ ω^+Φ^ )] (3)多個(gè)多徑信號(hào)和直達(dá)信號(hào)一起可以表示為
Ms{t) = Y^alAdit- Ti )c(t — T1) cos[6y + φ, (/)]
,=0(4)其中，i = 0表示該信號(hào)為衛(wèi)星直達(dá)信號(hào)，其它為M-I個(gè)多路徑信號(hào)；A表示載波幅度；α i表示信號(hào)幅度衰落系數(shù)，α 0對(duì)應(yīng)直達(dá)信號(hào)；d(t)表示導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息；c (t- τ》表示不同時(shí)延的GPS偽隨機(jī)碼(因民用碼為C/A碼，因此用c(t)來(lái)表示)；Wtl表示衛(wèi)星信號(hào)的中頻頻率(這里假設(shè)了直達(dá)信號(hào)和多路徑信號(hào)具有相同的頻率)表示第i個(gè)信號(hào)的相位。在模擬器中，當(dāng)產(chǎn)生了直達(dá)信號(hào)以后，往往需要產(chǎn)生多徑信號(hào)，以便接收機(jī)進(jìn)行抗多徑環(huán)境測(cè)試。本發(fā)明根據(jù)以上公式，發(fā)明了一種簡(jiǎn)便的多徑信號(hào)生成方法。因?yàn)樵谀M器中的每一個(gè)信號(hào)都是根據(jù)模擬器的主工作時(shí)鐘產(chǎn)生的，在產(chǎn)生了直達(dá)信號(hào)基礎(chǔ)上，若通過(guò)一個(gè)時(shí)鐘延遲單元，再輸出該信號(hào)，就可以很方便地產(chǎn)生時(shí)間上延遲了一個(gè)時(shí)鐘的多徑信號(hào)，并對(duì)此信號(hào)幅度按要求進(jìn)行衰減，即可產(chǎn)生所需要的任意多徑信號(hào)。最后通過(guò)加法器可以把多徑信號(hào)和直達(dá)信號(hào)相加再進(jìn)行輸出，就完成了直達(dá)信號(hào)和任意延遲的多徑信號(hào)輸出。時(shí)鐘延遲單元可以延遲一個(gè)時(shí)鐘，也可以延遲多個(gè)時(shí)鐘，延遲的時(shí)間是時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，非常精確，這樣可以方便對(duì)比接收機(jī)的抗多徑測(cè)試結(jié)果。因?yàn)镕PGA信號(hào)處理模塊是按照工作時(shí)鐘的時(shí)序進(jìn)行工作的，可以按照工作時(shí)鐘頻率對(duì)復(fù)制的直達(dá)信號(hào)延遲一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間在輸出，即經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間延遲單元，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多徑信號(hào)，依次類推，多徑分量也可以延遲2個(gè)至任意個(gè)時(shí)鐘周期，可以供接收機(jī)端測(cè)試多徑抑制算法效果。假定模擬器的工作時(shí)鐘為68MHz，多徑信號(hào)的延遲時(shí)間最小分辨率就為1/68000000秒，非常精確。③D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA信號(hào)處理模塊傳來(lái)的中頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，送至上變頻模塊；④上變頻模塊對(duì)D/A轉(zhuǎn)換模塊輸入的中頻模擬信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波，并上變頻到 GPS的標(biāo)稱射頻頻率，S卩1575. 42MHz后經(jīng)由發(fā)射天線或輸出電纜輸出。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，選用L波段右旋圓極化全向天線作為模擬的輸出。
權(quán)利要求
1.一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器，其特征在于包括DSP信息處理模塊、FPGA信號(hào)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、上變頻模塊、以及發(fā)射天線或輸出電纜；DSP信息處理模塊與FPGA信號(hào)處理模塊相連；FPGA信號(hào)處理模塊輸出接D/A轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)上變頻模塊與發(fā)射天線或輸出電纜連接；其中FPGA信號(hào)處理模塊內(nèi)設(shè)有時(shí)間延遲單元和信號(hào)合成單元；DSP信息處理模塊根據(jù)用戶需求，設(shè)定所模擬的GPS接收機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡；星歷參數(shù)提取并編碼為導(dǎo)航電文；根據(jù)用戶設(shè)定仿真時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡和衛(wèi)星星座，預(yù)測(cè)GPS衛(wèi)星是否可見(jiàn)； 對(duì)于可見(jiàn)星，計(jì)算相應(yīng)仿真時(shí)刻的延遲相位、和信號(hào)頻率，并把所有可見(jiàn)星的電文、相位信息和頻率信息發(fā)給FPGA信號(hào)處理模塊；FPGA信號(hào)處理模塊根據(jù)DSP信息處理模塊傳輸?shù)男l(wèi)星狀態(tài)，把可見(jiàn)星分配到相應(yīng)的信號(hào)生成通道；根據(jù)DSP信息處理模塊傳遞的參數(shù)，設(shè)定每個(gè)衛(wèi)星的初始載波相位、碼相位、 導(dǎo)航電文選擇相位，再根據(jù)頻率信息生成相應(yīng)的電文、碼、載波信號(hào)，并完成三者的擴(kuò)頻、調(diào)制，得到GPS直達(dá)信號(hào)；時(shí)間延遲單元復(fù)制所產(chǎn)生的GPS直達(dá)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的延遲后得到多徑信號(hào)分量；GPS直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)分量在信號(hào)合成單元中進(jìn)行迭加數(shù)字合成輸出給后端的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA信號(hào)處理模塊傳來(lái)的中頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，送至上變頻模塊；上變頻模塊對(duì)D/A轉(zhuǎn)換模塊輸入的中頻模擬信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波，并上變頻到GPS的標(biāo)稱射頻頻率后經(jīng)由發(fā)射天線或輸出電纜輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器，其特征在于時(shí)間延遲單元延遲的時(shí)間量是模擬器工作時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器，其特征在于DSP信息處理模塊還設(shè)有各類誤差源的誤差模型，DSP信息處理模塊根據(jù)各類誤差源，由誤差模型生成相應(yīng)的誤差仿真信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器，其特征在于GPS的標(biāo)稱射頻頻率為1575. 42MHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器，其特征在于發(fā)射天線為L(zhǎng) 波段右旋圓極化全向天線。
6.一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬方法，其特征是包括如下步驟①DSP信息處理模塊根據(jù)用戶需求，設(shè)定所模擬的GPS接收機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡；星歷參數(shù)提取并編碼為導(dǎo)航電文；根據(jù)用戶設(shè)定仿真時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡和衛(wèi)星星座，預(yù)測(cè)GPS衛(wèi)星是否可見(jiàn)；對(duì)于可見(jiàn)星，計(jì)算相應(yīng)仿真時(shí)刻的延遲相位、和信號(hào)頻率，并把所有可見(jiàn)星的電文、相位信息和頻率信息發(fā)給FPGA信號(hào)處理模塊；②FPGA信號(hào)處理模塊根據(jù)DSP信息處理模塊傳輸?shù)男l(wèi)星狀態(tài)，把可見(jiàn)星分配到相應(yīng)的信號(hào)生成通道；根據(jù)DSP信息處理模塊傳遞的參數(shù)，設(shè)定每個(gè)衛(wèi)星的初始載波相位、碼相位、導(dǎo)航電文選擇相位，再根據(jù)頻率信息生成相應(yīng)的電文、碼、載波信號(hào)，并完成三者的擴(kuò)頻、調(diào)制，得到GPS直達(dá)信號(hào)；FPGA信號(hào)處理模塊的時(shí)間延遲單元復(fù)制所產(chǎn)生的GPS直達(dá)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的延遲后得到多徑信號(hào)分量；GPS直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)分量在信號(hào)合成單元中進(jìn)行迭加數(shù)字合成輸出給后端的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；③D/A轉(zhuǎn)換模塊將FPGA信號(hào)處理模塊傳來(lái)的中頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，送至上變頻模塊；④上變頻模塊對(duì)D/A轉(zhuǎn)換模塊輸入的中頻模擬信號(hào)進(jìn)行混頻、濾波，并上變頻到GPS的標(biāo)稱射頻頻率后經(jīng)由發(fā)射天線或輸出電纜輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬方法，其特征在于步驟②中， 時(shí)間延遲單元延遲的時(shí)間量是模擬器工作時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬方法，其特征在于步驟①還包括有根據(jù)DSP信息處理模塊內(nèi)部建立的各類誤差源的誤差模型生成相應(yīng)的誤差仿真信號(hào)的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬方法，其特征在于步驟④所述的GPS的標(biāo)稱射頻頻率為1575. 42MHz。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬方法，其特征在于步驟④所述的發(fā)射天線為L(zhǎng)波段右旋圓極化全向天線。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種GPS直達(dá)與多徑信號(hào)模擬器及模擬方法，其硬件平臺(tái)主要由DSP信息處理模塊、FPGA信號(hào)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、上變頻模塊、以及發(fā)射天線或輸出電纜構(gòu)成；其中FPGA信號(hào)處理模塊內(nèi)設(shè)有時(shí)間延遲單元和信號(hào)合成單元。其中時(shí)間延遲單元復(fù)制所產(chǎn)生的GPS直達(dá)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的延遲后得到多徑信號(hào)分量；GPS直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)分量在信號(hào)合成單元中進(jìn)行迭加數(shù)字合成輸出給后端的D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。本發(fā)明使得多徑信號(hào)相對(duì)直達(dá)信號(hào)的時(shí)間時(shí)間量與系統(tǒng)工作時(shí)鐘聯(lián)系起來(lái)，更易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，而模擬輸出的衛(wèi)星信號(hào)為全數(shù)字實(shí)現(xiàn)，直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)參數(shù)可調(diào)可控，十分精確，儀器使用方便，可廣泛應(yīng)用于GPS領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01S19/23GK102176029SQ201010620200
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者劉雋, 孫希延, 張瑞霞, 張順嵐, 施滸立, 紀(jì)元法 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)