基于PXIe總線架構的GPS導航信號模擬源設計及實現(xiàn)

劉德智,陳晨,李建文,潘林,張倫東

(信息工程大學 地理空間信息學院,河南 鄭州 450001)

0 引 言

衛(wèi)星導航信號模擬源可以根據(jù)載體的運動特性,精確地控制信號的各項誤差,生成實際環(huán)境中接收機接收到的導航信號,從而可在實驗室等室內環(huán)境中對用戶終端設備進行測試、評估或對設備進行檢測[1].衛(wèi)星導航信號模擬源仿真生成的信號具有可控性、可重復性,且不受外部環(huán)境的影響,可以極大地減少現(xiàn)場測試所帶來的高昂費用以及時耗,極大地提高導航終端產(chǎn)品的測試效率[2],因此,一直備受軍事和工業(yè)部門的關注[3].

最早研制的衛(wèi)星導航信號模擬源以模擬技術為主,采用射頻合成的技術方案,把每顆衛(wèi)星的信號獨立調制到射頻后再進行信號合成[4],該方法產(chǎn)生的導航信號,精度和通道一致性較差;隨后出現(xiàn)的模擬中頻合成技術中由于每個衛(wèi)星通道都需要一個單獨的中頻載波產(chǎn)生模塊,因此最終生成的信號會存在通道間偏差的問題[5].

隨著數(shù)字技術的發(fā)展,數(shù)字芯片如數(shù)字信號處理(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的功能越來越強大,基于數(shù)字技術的模擬源逐漸流行起來.目前大部分模擬源均不同程度地采用了大規(guī)模DSP/FPGA技術,在數(shù)字域進行信號的合成,再把多顆衛(wèi)星的數(shù)字合成信號用一個射頻通道輸出,以提高信號精度和通道間的一致性[6].其中,數(shù)字中頻合成技術是將多顆衛(wèi)星的數(shù)字中頻信號在數(shù)字域合成后,經(jīng)數(shù)/模轉換、上變頻、濾波和功率控制后輸出射頻信號.該技術中數(shù)控振蕩器(NCO)的使用可使模擬源的頻率分辨率和準確度更高,但同時也有更高的雜散[7],且偽碼初始相位的控制精度受到NCO工作時鐘頻率限制,碼NCO的相位截斷效應會產(chǎn)生相位抖動問題[8];而數(shù)字基帶合成技術則將多顆衛(wèi)星生成的零中頻的數(shù)字基帶信號,在數(shù)字域進行合成后,經(jīng)直接正交上變頻、濾波和功率控制后產(chǎn)生所期望的射頻信號,該方法可以解決NCO的相位抖動問題,實現(xiàn)偽碼初始相位的精確控制,保證系統(tǒng)通道一致性及零值穩(wěn)定性[9].

鑒于以上因素,本文引入了基于PXIe總線的軟件無線電架構[10],設計并實現(xiàn)了采用數(shù)字基帶合成技術的軟硬件結合的GPS導航信號模擬源.該模擬源采用數(shù)字基帶合成技術,在上位機數(shù)學仿真軟件中產(chǎn)生數(shù)字基帶合成信號,經(jīng)硬件直接正交上變頻、濾波和功率控制后輸出GPS射頻信號.其中,上位機數(shù)學仿真軟件采用圖形化編程語言LABVIEW進行開發(fā),操作簡單且能夠多線程并行,開發(fā)效率高;硬件選用NI公司PXIe總線結構的模塊化設備,實現(xiàn)簡單,兼容性、擴展性、可控性好,便于模擬源的后期維護和升級.

1 GPS信號結構和信號模型

1.1 GPS信號結構

GPS信號由測距碼、導航電文和載波三個分量組成.GPS衛(wèi)星在產(chǎn)生導航信號時,首先將導航電文和測距碼進行直接序列擴頻調制(DSSS),再用擴頻調制后的數(shù)據(jù)碼對載波進行調制,得到最終的發(fā)射信號.

1.1.1 測距碼

GPS L1載波上同時調制有C/A碼和P(Y)碼,L2載波上調制有P(Y)碼,但是P(Y)碼經(jīng)過加密,只有授權用戶才能使用,因此本文主要研究公開的C/A碼信號.

C/A碼是由兩個周期性的二進制序列G1和G2進行模二相加后形成的平衡Gold碼,碼速率為1.023 Mbps,碼長為1 023 bit,周期為1 ms.G1和G2序列各由一個10級移位寄存器產(chǎn)生,寄存器初始狀態(tài)均置為1,每個周期含有1 023個碼元,G1和G2序列的生成多項式為

G1(X)=1+X3+X10,

(1)

G2(X)=1+X2+X3+X6+X8+X9+X10.

(2)

C/A碼發(fā)生器如圖1所示.G1序列由第十級移位寄存器輸出,而G2序列由相位選擇器選擇兩個不同的寄存器抽頭進行模二相加產(chǎn)生,不同的衛(wèi)星對應不同的寄存器抽頭;然后將得到的G1序列與G2序列模二相加生成C/A碼.每個衛(wèi)星所生成的C/A碼皆不相同,且相互正交.

圖1 C/A碼發(fā)生器示意圖

1.1.2 導航電文

導航電文是衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組反映衛(wèi)星在空間的運行軌道、衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)、電離層延遲修正參數(shù)及衛(wèi)星的工作狀態(tài)等信息的二進制代碼,又稱數(shù)據(jù)碼(D碼)[11].GPS導航電文以“幀”為基本單位,其幀結構如圖2所示.每個主幀包含5個子幀,共1 500 bit;每個子幀包含10個字,共300 bit;每個字包含30bit.GPS導航電文播發(fā)速率為50 bps,所以每個比特持續(xù)0.02 s,每個字持續(xù)0.6 s,每個子幀持續(xù)6 s,每個主幀持續(xù)30 s.子幀4和子幀5各有25個不同的頁面,每30 s翻轉一頁,而前3個子幀則重復原來的內容,所以完整的導航電文包含25個主幀,共37 500 bit,持續(xù)時間為12.5 min.子幀1主要播發(fā)衛(wèi)星鐘的改正數(shù)及其數(shù)據(jù)齡期,子幀2、3主要播發(fā)衛(wèi)星星歷信息,子幀4、5主要播發(fā)衛(wèi)星歷書信息,子幀1、2、3的內容每小時更新一次,子幀4、5的內容則要等衛(wèi)星注入新的歷書數(shù)據(jù)后才更換.

圖2 GPS導航電文結構

1.2 GPS信號模型[3]

假設第j顆GPS衛(wèi)星發(fā)射信號的時刻為t,則該衛(wèi)星發(fā)射的射頻信號中L1 C/A信號的數(shù)學表達式為：

Sj(t)=AjCj(t)Dj(t)Dj(t)cos(2πfL1t+φj0),

(3)

式中:Aj為射頻信號幅度;Cj為進行擴頻調制的偽隨機序列C/A碼;Dj為導航電文,即數(shù)據(jù)碼;fL1為L1載波頻率;φj0為載波初始相位.

衛(wèi)星發(fā)射的導航信號經(jīng)過一定時間的空間傳播后,到達接收機射頻前端電路,再由接收機進行捕獲、跟蹤并進行定位解算.由于衛(wèi)星和用戶間的相對運動、傳輸功率衰減、電離層、對流層、多路徑、衛(wèi)星時鐘、天線以及其他噪聲和干擾的影響,信號將發(fā)生功率、頻率、相位、時延等參數(shù)的改變,其信號模型可以表示為:

(4)

一般來說,模擬源可以仿真產(chǎn)生多顆衛(wèi)星的導航信號,所以衛(wèi)星導航信號模擬源產(chǎn)生的信號模型為

(5)

式中:S(t)為模擬源生成的多顆衛(wèi)星的合成信號;N為模擬的衛(wèi)星數(shù),其他參數(shù)含義如前所述.

2 模擬源硬件構成

面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展(PXI)是一種由美國國家儀器公司發(fā)布的基于PC的測量和自動化平臺,其結合了PCI總線的高吞吐量、低延時與CompactPCI的模塊化堅固封裝形式.PXI采用模塊化的架構,可根據(jù)系統(tǒng)的具體要求選擇不同的模塊化儀器,便于系統(tǒng)的維護和升級.PXI系統(tǒng)由機箱、系統(tǒng)控制器和外設模塊三個基本部分組成.PXI Express 是PXI的改進和升級,其融入了PCI Express的特點,采用串行傳輸,點到點的總線拓撲結構,將PXI中可用帶寬提高了45倍多,即從132 MB/s提高到6 GB/s;不同于PXI在所有總線設備間分享帶寬,PXI Express為每一個設備提供單獨的傳輸通道;同時它所增加的時鐘和同步觸發(fā)信號以及擁有特殊的接口物理特性使得其在測量、通信、工業(yè)自動化等領域擁有更大的技術優(yōu)勢.

本文設計并實現(xiàn)了基于PXIe總線架構的GPS導航信號模擬源,該模擬源由NI PXIe-1075機箱[12]、NI PXIe-8135嵌入式控制器[13]、NI PXIe-5673E矢量信號發(fā)生器[14]和NI HDD-8265大容量存儲模塊[15]構成,各模塊通過機箱中的背板總線相連，如圖3所示.

圖3 PXI架構的模擬源實物圖

NI PXIe-1075機箱具有PCI Express帶寬特性,該機箱包含18個插槽,每個插槽高達1 GB/s的可用帶寬和4 GB/s的系統(tǒng)總帶寬.NI PXIe-8135高性能嵌入式控制器與PXI Express兼容機箱(如PXIe-1075)結合在一起,可實現(xiàn)一個完全兼容PC的計算機,結構緊湊,堅固耐用.NI HDD-8265大容量存儲模塊是一個750 MB/s磁盤陣列,可支持PXI數(shù)據(jù)流系統(tǒng)的持續(xù)數(shù)據(jù)流盤速率.

NI PXIe-5673E是一款高帶寬的6.6 GHz的射頻矢量信號發(fā)生器模塊,瞬時帶寬高達100 MHz,該模塊由NI PXIe-5450任意波形發(fā)生器模塊、NI PXIe-5611 I/Q矢量調制模塊和NI PXIe-5652本地振蕩器模塊通過SMA通信電纜連接合成的模塊化設備,各模塊間的連接關系如圖4所示.

圖4 NI PXIe-5673E射頻矢量信號發(fā)生器結構框圖

其中NI PXIe-5450任意波形發(fā)生器(AWG)模塊將上位機產(chǎn)生的數(shù)字基帶合成信號經(jīng)過數(shù)/模轉換,生成I、Q兩路模擬基帶信號;NI PXIe-5652本地振蕩器(LO)模塊產(chǎn)生GPS信號調制所需頻率的射頻載波信號;NI PXIe-5611 I/Q矢量調制模塊是射頻矢量信號發(fā)生器的核心模塊,其將AWG模塊產(chǎn)生的I、Q兩路模擬基帶信號和LO模塊產(chǎn)生的本振信號經(jīng)信號調理電路后進行直接正交上變頻調制,上變頻到所需的射頻頻率;再經(jīng)射頻濾波和功率控制后輸出所期望的射頻導航信號.I/Q矢量調制器的內部框圖如圖5所示.

圖5 NI PXIe-5611矢量調制器內部框圖

3 模擬源系統(tǒng)設計

GPS導航信號模擬源由數(shù)學仿真子系統(tǒng)和射頻信號生成子系統(tǒng)兩部分組成,其中,數(shù)學仿真子系統(tǒng)在上位機中編程實現(xiàn),包括衛(wèi)星軌道仿真,空間環(huán)境誤差仿真,多普勒頻移仿真以及接收機運動軌跡仿真,其產(chǎn)生零中頻的數(shù)字基帶信號,然后采用數(shù)字基帶合成技術,生成多顆衛(wèi)星的數(shù)字基帶合成信號;射頻信號生成子系統(tǒng)則負責接收并處理上位機產(chǎn)生的數(shù)字基帶合成信號,經(jīng)直接正交上變頻調制,濾波和功率控制后,最終產(chǎn)生用戶終端設備能夠接收的GPS射頻導航信號.GPS導航信號模擬源的具體仿真流程如圖6所示.

圖6 模擬源仿真流程圖

4 模擬源驗證

4.1 信號頻譜測試

將頻譜分析儀連接至GPS導航信號模擬源的射頻輸出端口,觀察輸出信號的頻譜.

圖7 GPS仿真信號頻譜圖

由圖7可知,模擬源仿真產(chǎn)生的GPS信號,其中心頻率在1575.42 MHz左右,主瓣帶寬約為2 MHz,與GPS中心頻率理論值1575.42 MHz和GPS帶寬理論值2.046 MHz相吻合,從而說明模擬源仿真信號的正確性.

4.2 靜態(tài)定位測試

靜態(tài)定位測試中,本文選擇2018年9月20日(即年積日第263天)的廣播星歷文件和歷書文件,設置仿真開始時間為2018年9月20日0時(GPS時),仿真起始位置為30°N,120°E,海拔為2 000 m,接收機為靜止狀態(tài).使用司南M300 Pro接收機對模擬源靜態(tài)場景下的仿真信號進行驗證,定位結果如圖8所示.

圖8 接收機靜態(tài)定位結果

根據(jù)接收機的定位結果及模擬源設定的仿真位置,計算出接收機在WGS坐標系下X、Y、Z三軸定位誤差.本文選擇第10—25 min的數(shù)據(jù)進行計算分析,計算結果如圖9所示.

圖9 靜態(tài)測試X、Y、Z三軸定位誤差

由圖9可以看出,X、Y、Z三軸定位誤差均在8 m以內,且除了Z軸的少部分歷元外,X、Y、Z三軸的定位誤差均在6 m以內,從而說明模擬源仿真信號的準確性及有效性.

為了更好地比較靜態(tài)定位測試中X、Y、Z三軸定位誤差,本文統(tǒng)計了仿真時間內(第10～25 min)接收機定位誤差的均值及標準差,結果如表1所示.

表1 GPS仿真信號靜態(tài)定位結果

根據(jù)表1可得,X軸定位誤差的均值明顯小于Y軸和Z軸,為-0.494 3 m,說明X軸的平均定位結果非常接近理論值;X、Y、Z軸定位誤差的標準差相近,均在2.5 m左右,說明三軸的定位結果相對于理論值的離散度相同.

4.3 動態(tài)定位測試

動態(tài)定位測試中設置接收機為勻速直線運動,模擬車輛等物體的勻速直線運動情況.設置仿真開始時間為2018年9月20日0時(GPS時),仿真起始位置為30°N,120°E,海拔2 000 m,仿真速度為北向速度Vn=6 m/s,東向速度Ve=8 m/s,天向速度Vu=0 m/s.動態(tài)定位測試結果如圖10～12所示.

圖10 接收機動態(tài)定位結果

圖11 衛(wèi)星載噪比圖

由圖11可以看出,可視衛(wèi)星G7、G11、G18、G19、G22、G28的載噪比值均在50 dB/Hz左右,說明模擬源仿真信號質量較好.

圖12 動態(tài)測試X、Y、Z三軸定位誤差

由圖12可以看出,動態(tài)測試中X、Y、Z三軸定位誤差均在15 m以內,且除了Y軸的部分歷元外,X、Y、Z三軸的定位誤差均在10 m以內.動態(tài)測試中三軸定位誤差比靜態(tài)測試中三軸定位誤差值更大,但仍在誤差范圍值之內,說明模擬源能實現(xiàn)動態(tài)信號的仿真且接收機能夠捕獲、跟蹤其產(chǎn)生的仿真信號并實現(xiàn)定位解算.

為了比較動態(tài)測試中X、Y、Z三軸定位誤差,本文統(tǒng)計了仿真時間內(第10～25 min)接收機定位誤差的均值及標準差,統(tǒng)計結果如表2所示.

表2 GPS仿真信號動態(tài)定位結果

由表2可以看出,動態(tài)測試結果與靜態(tài)測試結果相似,X軸定位誤差的均值小于Y軸和Z軸定位誤差的均值,其值在1.5 m左右,Z軸定位誤差的均值最大,其值在4 m左右;但Y軸定位誤差標準差大于X軸和Z軸,說明Y軸的定位結果相對于理論值的離散度更大.

5 結束語

本文采用PXIe總線技術的無線電思想,設計并實現(xiàn)了PXI架構的GPS導航信號模擬源,該模擬源使用圖形化編程語言LABVIEW開發(fā)上位機數(shù)學仿真軟件,并采用數(shù)字基帶合成技術,在數(shù)字域生成多顆衛(wèi)星的數(shù)字基帶合成信號;再使用NI模塊化設備經(jīng)直接正交上變頻、濾波和功率控制后,最終產(chǎn)生用戶終端設備可以接收的GPS射頻導航信號.經(jīng)頻譜分析儀的信號頻譜測試和商用接收機的靜態(tài)、動態(tài)測試驗證,表明了模擬源仿真信號的正確性及有效性.GPS導航信號模擬源的成功研制,將為下一步研制北斗二號、北斗三號導航信號模擬源提供一定的借鑒經(jīng)驗.

致謝:感謝全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)iGMAS信息工程大學分析中心(LSN)給予的幫助和支持.