GPS 信號模擬源在GPS 接收機(jī)研發(fā)生產(chǎn)和測試中具有重要的作用。見諸文獻(xiàn)的最早的衛(wèi)星導(dǎo)航信號仿真系統(tǒng)是1977 年報(bào)道的Texas Instruments 公司開發(fā)的GPS 模擬器[1]。從那時(shí)開始, 伴隨著GPS 衛(wèi)星星座的建立、GPS 體制的更新、GLONASS 系統(tǒng)的出現(xiàn), 衛(wèi)星導(dǎo)航信號精密模擬源也從單通道發(fā)展到多通道, 模擬合成發(fā)展到數(shù)字合成, 從中頻數(shù)字合成發(fā)展到基帶數(shù)字合成, 由單一系統(tǒng)仿真發(fā)展到多系統(tǒng)混合仿真, 由專用向通用方向發(fā)展, 由系統(tǒng)仿真向片上(onchip)仿真發(fā)展[2]。

第一代衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器以模擬技術(shù)為主,采用射頻合成的技術(shù)方案, 即把每顆星的信號獨(dú)立調(diào)制到射頻然后進(jìn)行合成[3]。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,以及對模擬器信號精度和通道一致性要求的提高,導(dǎo)航信號模擬器開始應(yīng)用數(shù)字技術(shù), 并在中頻進(jìn)行模擬信號合成。目前國外市場上最新的GPS 仿真系統(tǒng)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)行直接信號合成, 把多顆衛(wèi)星的數(shù)字合成信號用一個(gè)射頻通道輸出, 以提高其信號精度和通道間的一致性。英國、美國、瑞典、挪威、德國等,都已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品[4-5]。其中, Spirent 公司、Aeroflex 公司等公司生產(chǎn)的GPS 模擬器最具代表性。

GPS 信號模擬器目前主要用于GPS 接收機(jī)的生產(chǎn)廠家和研究單位。對于大多數(shù)需求單位而言, 對于信號模擬的要求并不高, 需要一種能產(chǎn)生固定的GPS 射頻信號的設(shè)備, 在這個(gè)固定的模擬信號里,星座已知, 用戶軌跡已知, 不需要長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。然而市場上的GPS 信號模擬器功能全面, 可設(shè)置衛(wèi)星的星座、電離層參數(shù)、用戶軌跡可設(shè)置。需要采用上位機(jī)+下位機(jī)結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 導(dǎo)致GPS 信號模擬源價(jià)格昂貴, 不能為廠家接受。

文獻(xiàn)[6]提出了一種嵌入式的GPS 模擬信號源的結(jié)構(gòu), 采用ARM 作為控制單元, 原始電文保存在ARM 存儲器中, 采用FPGA 用于偽碼產(chǎn)生和擴(kuò)頻處理, 采用AD9854 作為DDS 芯片。文獻(xiàn)[7]提出了一種十二通道GPS信號模擬器方案, 采用了PC機(jī)+PCI板卡技術(shù), 采用雙口RAM 作為PC 機(jī)和DSP 的數(shù)據(jù)緩沖區(qū), DSP 實(shí)現(xiàn)參數(shù)讀入, 產(chǎn)生C/A 碼并擴(kuò)頻調(diào)制。碼延遲、數(shù)字載波調(diào)制及數(shù)字增益控制由FPGA控制。這些方法都采用了上位機(jī)+下位機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式。

提出了一種簡易的GPS 信號模擬方法, 將GPS導(dǎo)航電文和觀測數(shù)據(jù)按一定的格式存儲為文件, 通過讀取文件產(chǎn)生GPS 信號。在單片F(xiàn)PGA 上實(shí)現(xiàn)了GPS 信號基帶處理的所有過程, 采用正交射頻調(diào)制方法直接產(chǎn)生L1 頻點(diǎn)信號。采用不同的文件實(shí)現(xiàn)不同的測試場景, 利用該方法構(gòu)建的GPS 信號模擬源成本低、體積小, 可滿足大部分GPS 接收機(jī)的測試需求。

GPS 信號模擬源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)
根據(jù)廠家的需求, 確定GPS 信號模擬源的技術(shù)指標(biāo)如下:
仿真衛(wèi)星總星數(shù): 12 顆
連續(xù)輸出模擬信號時(shí)間: 2 h
偽距控制精度: 0.027 m
偽距變化率精度: 優(yōu)于0.05 m/s
用戶動態(tài)范圍: 速度: 0~5 000 m/s; 速度分辨率: 10 mm/s
通道間一致性: <1 m(碼) <0.005 m(載波)
載波與偽碼相干性: <1 度(包含隨機(jī)抖動和不確定性)
I、Q 相位正交性: <1°

GPS 信號模擬源的總體方案

由于只需產(chǎn)生固定場景的GPS 信號, 因此GPS導(dǎo)航電文是固定的, 采用離線產(chǎn)生即可。此外還需要觀測數(shù)據(jù)文件, 觀測數(shù)據(jù)主要描述了偽距的變化情況, 模擬器根據(jù)觀測數(shù)據(jù)文件對導(dǎo)航電文進(jìn)行處理。為了描述偽距的連續(xù)變化, 觀測數(shù)據(jù)中還包含了偽距的一階、二階變化率, 這樣通過插值就可獲得高密度的偽距變化值。

真實(shí)的 GPS 衛(wèi)星射頻信號產(chǎn)生流程如下: 偽碼發(fā)生器產(chǎn)生1.023 MHz 的C/A偽隨機(jī)碼, GPS 的導(dǎo)航電文速率為50 bps, 導(dǎo)航電文首先與該C/A 碼疊加,產(chǎn)生了基帶信號; 在GPS 衛(wèi)星上, 基帶信號被調(diào)制到L1 載頻, 然后通過天線釋放。接收機(jī)接收到的射頻信號與衛(wèi)星發(fā)送的射頻信號對比, 其接收到的信號是經(jīng)過傳輸延遲的信號; 此外由于衛(wèi)星的運(yùn)動,衛(wèi)星與接收機(jī)之間具有相對運(yùn)動, 由于多普勒效應(yīng),接收機(jī)接收到的射頻信號頻率產(chǎn)生了變化。

射頻信號模擬過程中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是模擬信號的傳輸延遲和多普勒效應(yīng)。其傳輸延遲用偽距來表示, 考慮到偽距的連續(xù)性, 觀測數(shù)據(jù)中包含偽距的速度、加速度, 利用差補(bǔ)的方法可獲得高精度的連續(xù)的偽距變化。獲得采用延遲濾波器的方法實(shí)現(xiàn)基帶信號的延遲, 采用多階數(shù)字濾波器的方法, 利用高性能數(shù)字信號處理芯片實(shí)現(xiàn), 可獲得精度為ns 級的延遲精度; 同樣采用數(shù)字信號處理的方法對基帶信號實(shí)現(xiàn)多普勒處理, 可獲得1Hz 的頻率分辨率。

單顆 GPS 衛(wèi)星信號仿真流程如圖3 所示, 數(shù)學(xué)仿真產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)包括偽距和一階、二階量。數(shù)學(xué)仿真產(chǎn)生的導(dǎo)航電文以50 bps 的速率被I 路偽碼調(diào)制。調(diào)制后的信號則為數(shù)字基帶信號, 該信號經(jīng)過多階延遲濾波器進(jìn)行延遲處理, 模擬GPS 信號在空間的傳遞時(shí)間; 經(jīng)過基帶處理的信號通過正交調(diào)制變?yōu)長1 載頻的信號。