专利名称：一种卫星导航信号模拟器的层次化结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及卫星导航仪器领域，主要是导航信号模拟器设计和生产领域，涉及一种卫星导航信号模拟器的层次化结构及实现。该发明可应用于卫星导航信号模拟器的设计与实现。
背景技术：
卫星导航信号模拟器是卫星导航系统和各种接收设备(尤其是高动态接收机)研制的关键仪器，一直受到军事和工业部门的关注。使用卫星导航信号模拟器进行检测和标校已成为国际公认的最佳方法，卫星导航信号模拟器已经广泛地用于学术和工业领域中，并且进入了许多不同的应用领域，其中包括军用或民用目的的导航、定位、电信、航空、汽车和航天。使用卫星导航信号模拟器可以促进研究和产品开发过程的多个阶段，包括需求分析、设计和开发、集成、生产、维护和支持等。卫星导航信号模拟器可以出色地替代在实际环境中使用真实GNSS信号的测试。与实际测试不同的是，使用星导航信号模拟器测试时，测试者可以完全控制模拟卫星信号和模拟的环境条件，针对不同类型的测试很轻松地生成多种不同的场景。卫星导航信号模拟器可以产生多种场景下的卫星导航信号，使得在实验室即能对卫星导航产品进行测试或进行设备检测，不受外部环境的影响，大大降低了费用高昂和耗费时间的现场测试的必要性，极大提高了卫星导航应用产品的测试效率。目前高端的卫星导航信号模拟器可以模拟GPSL1、L2频率上的C/A码和P码’部分型号还可以模拟俄罗斯GL0NASS系统的卫星信号。这些模拟器有单通道和多通道之分，结构上多采用计算机加独立仪器机箱或计算机加插卡板的形式，具有交互式的图形界面，允许用户对仿真中使用的各种参数进行设置和修改，有的模拟器还能专门模拟各种环境和人为的干扰。经过几代产品更新，国际上GPS卫星导航信号模拟器功能和性能更加先进和完善，其他导航系统如GLONASS、GALILEO和北斗的卫星导航信号模拟器，也有一些相关产品，但是数量不多，也不够成熟。随着GPS现代化、GLONASS振兴计划、GALILEO系统和中国北斗全球系统(COMPASS)的建设，用户将可以同时利用多个全球卫星导航系统(GNSS，Global NavigationSatellite System)以提高精度和其他指标，多体制兼容已成为未来GNSS发展的主要方向。多导航系统兼容与互操作技术的发展对高性能卫星导航信号模拟器研究提出了新需求。为此，必须设计一套具有多种导航信号体制，可以灵活配置，支持混合星座仿真能力的卫星导航信号模拟器。同时，要求卫星导航信号模拟器具有统一设计架构，能够适应未来十年多类信号体制，具有高度灵活性，具备系统级可重构和可配置能力。
发明内容为构造具有统一设计架构，能够兼容和适应未来十年多类GNSS信号体制的卫星导航信号模拟器，同时提高卫星导航信号模拟器的批量生产能力、快速维修能力和可靠性，本发明提出一种卫星导航信号模拟器的层次化结构及其实现方法。[0006]本发明的技术方案是在系统架构设计上采用“系统一组件一单元”三层次结构，其中，若干硬件结构完全相同的数字合成信号模拟单元(DNSU, Digital NavigationSimulator Unit)构成导航射频信号模拟组件的功能核心，若干硬件结构完全相同的导航射频信号模拟组件构成导航信号模拟器系统的功能核心。在具体实现上，将系统按功能模块划分并集成在不同的板卡上实现，插入VXI总线机箱，构成导航信号模拟器。它包括多个导航射频信号模拟核心组件和基础组件(包括C尺寸13槽VXI机箱、I个零槽控制卡、I个光纤接口卡、I个时频组件、2个信号合成与功率控制组件)。所述导航射频信号模拟组件实际上是一个VME板卡，它由多个DNSU及其它单元(包括接口桥接单元、射频调制单元等模块)组成。DNSU是导航射频信号模拟组件的核心单元。DNSU采用全数字基带合成，零中频正交调制方案，经过优化设计可以在一个DNSU中完成任意一个导航系统任意频点某类信号体制视场内可见卫星信号的数字基带合成(典型情况12颗卫星)。所述零槽控制卡通过光纤接口卡接收来自数学仿真系统的观测数据、导航电文，接收来自管理与控制系统的控制与配置命令，对系统中各导航信号模拟组件的任务进行分配和控制，协调各组件共同完成对用户所需导航卫星射频信号的模拟，并由时频组件提供稳定的时钟和频率信号，信号合成与功率控制组件调整射频信号的输出增益，最终高质量地生成导航系统各频点射频信号。本发明的有益效果是采用层次化结构的卫星导航信号模拟器具有结构清晰，接口统一，配置灵活的特点，可以提高卫星导航信号模拟器批量化生产的效率，降低产品的设计升级周期，对产品可靠性和可维护性的提高有积极效果。
图1为本发明涉及的导航信号模拟器的三层次结构图；图2为本发明的卫星导航信号模拟器的系统组成结构示意图；图3为本发明的导航射频信号模拟组件的结构组成图；图4为本发明时频组件结构组成及功能。
具体实施方式
以下将结合具体实施案例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。图1为导航信号模拟器的三层次结构图，采用“系统一组件一单元”三层次结构，其中，若干硬件结构完全相同的核心单元构成核心组件的功能核心，若干硬件结构完全相同的核心组件构成卫星导航信号模拟器系统的功能核心。图2为系统组成结构示意图，VXI机箱是系统的硬件平台，提供各个板卡模块所需电源管理以及地板交换总线，与零槽板卡一起完成对各个板卡模块的管理和控制。VXI总线技术是从VME基础上发展起来的，尺寸比VME大，电磁兼容环境比VME、CPCI更优异的VXI总线机箱作为系统硬件平台。在VXI总线中提供了严格同步的10MU00M的同步信号，还提供了 12路触发信号，比较适合有严格时间同步的系统。VXI总线为了得到良好的电磁兼容环境，板卡间距增加到30. 48mm (CPCI为20. 32mm)，一个机箱内设13个插槽，允许插入13块插卡。一台全配置的卫星导航信号模拟源最多可接入8个核心组件(Al)，分别完成COMPASS、GPS、GLONASS、GALILEO系统卫星导航信号的模拟以及多径信号的模拟，也可配置成其他场景的卫星导航信号模拟功能。零槽控制卡包括有诸如背板时钟(Backplane clock)、配置信号(configurationsignals)、同步与触发信号(synchronization and trigger signals)等系统资源。VXI 资源管理器(RM)与O槽模块一起进行系统中每个模块的识别、逻辑地址的分配、内存配置，并用字符串协议建立命令者/从者之间的层次体制。从而达到对系统中各模块任务的分配和控制的目的，使各模块相互协调，共同完成卫星信号的模拟过程。光纤接口卡是多体制高性能导航信号模拟源高速大容量接收接口，它接收来自数学仿真系统产生的导航电文和观测数据，是保证实现高动态目标实时仿真数据传输的关键问题。系统设计上采用成熟的2. 5G光信号接入技术，设计专门兼容VXI的光纤接口卡，用于数学仿真系统与导航信号仿真系统之间数据传输。在导航信号仿真系统的VXI机箱内采用高速总线设计，由FPGA分配到各个导航射频信号模拟组件，完成实时仿真数据的可靠传输。图3为本发明的导航射频信号模拟组件的结构组成图，如图所示，本发明的导航射频信号模拟组件包括时频组件、信号合成与功率控制组件。所述时频组件负责提供系统各模块所需稳定准确的时钟。时频组件由一个高稳定度时钟源产生IOMHz时钟信号，驱动和分频产生各模块所需的频标信号。时频组件作为时间频率基准源，以高精度、高稳定度时钟源为基准通过分频和驱动，产生系统所需的各种时钟基准。根据系统提出的短稳和相噪要求，一般选择超稳恒温晶振。因此，本系统设计中选用超稳恒温晶振MV180输出的IOMHz时钟信号来作为时间基准，并且把时间基准经过倍频、分频和驱动后产生系统所需的lpps、10. 23MHz,5. 115MHz、40. 92MHz、163. 68MHz等同源时钟，其中IOMHz时钟频率基准源也可以来自于外部时钟源，可由用户根据要求自由选择原子频标。所述信号合成与功率控制组件完成多个导航射频信号模拟组件输出的射频导航信号的合成，同时对各路信号进行功率控制。多体制高性能导航信号模拟源的信号功率控制包括数字功率控制和射频模拟信号功率控制两个部分。其中数字功率控制是在导航射频信号模拟组件内完成，数字功率控制主要任务是根据软件界面设定的卫星功率，在数字基带部分完成卫星信号功率的控制，从而满足用户对卫星功率进行指定的测试需求。射频模拟信号功率控制主要任务是完成各个通道射频信号的功率衰减和干扰信号的功率衰减。所述导航射频信号模拟组件是多体制高性能导航信号模拟源的核心组件，主要任务是把仿真的导航数据精确地生成射频模拟信号。射频模拟信号应真实仿真卫星信号，考虑多谱勒效应时，载波相位与伪码相位始终保持相关。导航信号模拟需要支持多星座、多频点、多通道同时进行仿真，而且各个通道的信号功率以及相位等能够可控。一个导航射频信号模拟组件实际上是一个VME板卡，导航射频信号模拟组件是由多个DSNU构成的，DNSU是导航射频信号模拟组件的核心部件。DNSU采用全数字基带合成，零中频正交调制方案，经过优化设计可以在一个DSNU内完成任意一个导航系统任意频点某类信号体制视场内可见卫星信号的数字基带合成(典型情况12颗卫星)。导航射频信号模拟组件的结构组成如图4所示,该核心组件包括最多8个DNSU及接口桥接单元、射频调制单元、若干PRM模块。其中，接口桥接单元用于通过底板与数仿板卡和主控板卡交换数据和指令，包括导航电文、观测数据、状态控制和参数设置等，同时接入外部时频基准信号，并分路向基带单元提供同源时钟信号。DNSU时钟均由外部时频基准提供，溯源到统一的时间基准。由于系统采用数字信号处理技术实现了数字信号的码相位精密延迟控制和多普勒补偿，因此系统设计上无需改变时钟频率即可实现高动态信号的模拟。DNSU时钟采用数字信号处理技术完成，结构上由I片FPGA和I片DAC组成，共同完成数字基带信号的精密延迟控制和码、载波相位控制。由于采用零中频数字基带直接合成技术实现射频信号仿真，其优点是不仅从根本上保证了通道间相位一致性，而且能够实现多频点的复用(在同一频点模块可以直接用于产生其他频点射频信号)。
权利要求1.一种卫星导航信号模拟器的层次化结构，将系统按功能模块划分并集成在不同的板卡上实现，插入VXI总线机箱，构成导航信号模拟器，其特征在于，包括多个导航射频信号模拟核心组件和基础组件，其中基础组件包括C尺寸13槽VXI机箱、1个零槽控制卡、1个光纤接口卡、1个时频组件、2个信号合成与功率控制组件。
2.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号模拟器的层次化结构，其特征在于，所述导航射频信号模拟组件是一个VME板卡，包括多个DNSU，是导航射频信号模拟组件的核心单元。
3.根据权利要求2所述的一种卫星导航信号模拟器的层次化结构，其特征在于，所述其它单元包括接口桥接单元、射频调制单元。
4.根据权利要求2所述的一种卫星导航信号模拟器的层次化结构，其特征在于，所述VXI机箱板卡间距为30.48mm，设13个插槽。
专利摘要本实用新型提出一种卫星导航信号模拟器的层次化结构。将导航信号模拟器结构划分为“系统—组件—单元”三个层次，其中系统的功能核心由若干结构相同的核心组件构成，各核心组件的功能核心则由若干结构相同的核心单元构成。具体实现上，将系统按功能模块划分并集成在不同的板卡上实现，插入VXI总线机箱，构成导航信号模拟器。采用层次化结构的卫星导航信号模拟器具有结构清晰，接口统一，配置灵活的特点，可以提高卫星导航信号模拟器批量化生产的效率，降低产品的设计升级周期，对产品可靠性和可维护性的提高有积极效果。
文档编号G01S19/23GK202916445SQ20122061263
公开日2013年5月1日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者钟小鹏, 陈建云, 周永彬, 明德祥, 杨俊 , 邢克飞, 冯旭哲, 王跃科, 张传胜, 胡助理, 单庆晓, 杨建伟, 胡梅, 郭熙业, 孟志军 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学