实时闭环GNSS卫星导航信号模拟器

1 作 品创意随着美国GPS现代化计划实施、俄罗斯GLONASS星座补充和欧盟Ga lileo建设障碍的清除，世界卫星导航领域竞争日趋激烈。卫星导航系统作为重要的空间基础设施和战略资源，已与国家经济发展、军事进步乃至战略安全息息相关。然而，卫星导航系统布满星座和具备运行能力都需要较长时间，导致相应导航接收机研发测试急需信号源作为验证手段。接收机研发和生产的滞后必然导致整个卫星导航产业发展的滞后。美国GPS的建设经验表明，接收机和相关应用产业建设必须与系统建设同步进行，这就需要相应的地面测试工具。卫星信号模拟器能够产生任意时空、任意载体动态场景下的仿真导航卫星信号，对接收机的灵敏度、首次定位时间、定位和跟踪精度等性能进行验证，具体表现在以下方面：（1）星座可控，卫星通道数量、信号强度可任意配置；（2）环境条件完全可控，不存在不确知的干扰信号，不存在不需要的信号效应，例如遮挡、信号多径和电离层异常等；（3）仿真载体轨迹可控，能够模拟任意时刻、任意地点的静态、动态、高动态场景信号，且仿真信号均可完全复现；（4）不需进行检定场基线和外场跑车等代价昂贵的室外试验，在实验室即可实现低成本、高效益的测试，且保密性强；（5）可方便地模拟信号完整性错误、卫星不健康等特殊场景；（6）可仿真当前已有和在建的各个导航系统的信号，信号体制可定制。（7）具有很好的重复性，可以方便对接收机出现的问题定位。可见，导航卫星模拟器作为一个卫星信号的产生系统，已经具有了完备的信号仿真能力和丰富的操作系统，现在已经成为各大导航实验室和测试研发机构不可或缺的仪器。2 方 案论证和方案设计21方案论证根据数学仿真和信号合成实现平台的不同，导航卫星信号模拟器一般可以分为三类：软件模拟器、硬件模拟器以及混合架构模拟器。方案一：软件模拟器的数仿和信号合成均由软件完成，Ca lgary大学Luo N ing在其博士论文中详细探讨GPS实际信号中存在的各种误差并建立了相应的模型，对各模型

的有效性进行了验证。这种软件模拟器表现在人机交互界面比较好，但是运算速度比较慢，实时性比较差，只能在计算机上完成仿真；方案二：硬件模拟器使用软件计算数学模型、使用硬件电路进行实际信号生成，相对于软件模拟器运算速度有了较高的提升，但是人机交互比较差，载体场景、环境例如高度、速度、运动曲线都受到很大限制，可更改，变化和适应性比较差。方案三：混合架构则是基于软件计算得到中频信号，将波形文件存储在存储器中，而后直接发送给接收机，或通过硬件调制模块生成射频信号测试接收机整体性能。本设计综合了方案二与方案三，并在此基础上为了提高用户与上位机的交互性，在模拟高精度高动态性的同时保证信号生成的实时性，采用了时下先进的Nvd ia公司推出的CUDA并行计算架构，通过FPGA连续不间断产生多频点多通道导航卫星模拟信号。最后可以选择中频数字模拟输出或者经由射频天线发射。22方案设计图 2-1 方案设计结构图本设计最终采用“PC+FPGA+DAC+RF ”的构架，由基 于CUDA多线程的高性 能PC主机进行上位机的UI设计和编程运算，计算出FPGA生成信号所需要的控制参数后，通过USB实时传输下去模拟信号 ，最后可以选择中频的数字/模拟或者经过射频由天线发射。改方案在实时性上取得较大突破，由于GP U的计算能力超群，多线程处理技术优秀，最大的延迟可以达到4毫秒，已经属于国内的领先水平。FPGA同样拥有丰富资源，利用DDS方式进行的信号生成信号稳定，最后的定位精度在厘米数量级，性能十分优秀。这里给出我们设计的一些具体指标，表明了GPS/北斗卫星信号模拟器能达到的具体性能。技术指标如下： USBEZ-USBFX2LPCY7C68013AFPGAVirtex5XC5VSX50TAD9772卫星信号控制字生成USB通信完成控制字下传产生多路数字中频导航信号产生多路模拟中频导航信号CLOCKPOWERAD9772AD9772AD9772AD9772GPU(CUDA)UI射频模块射频模块射频模块射频模块射频模块