杜 蒙，宋茂忠，熊 駿

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211106)

Galileo信號模擬源可以為Galileo接收機(jī)的設(shè)計(jì)與測試提供良好的仿真環(huán)境，具有很高的研究價(jià)值[1-4]。接收機(jī)與衛(wèi)星之間的相對運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移是Galileo信號模擬源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，文獻(xiàn)[5]從整體架構(gòu)上論述了Galileo軟件模擬源的各個實(shí)現(xiàn)步驟，但沒有提及接收時(shí)刻的信號模擬算法，也沒有給出動態(tài)多普勒的實(shí)現(xiàn)方法。

本文推導(dǎo)了Galileo E1中頻信號的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了一種Galileo E1信號模擬算法，該算法以接收端接收時(shí)刻作為時(shí)間基準(zhǔn)，反推信號傳輸時(shí)刻，利用時(shí)間壓擴(kuò)特性[6]，實(shí)現(xiàn)接收端Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航信號的模擬。該算法邏輯簡單，精度與運(yùn)算時(shí)長可控。最終結(jié)合矢量信號發(fā)生器，用硬件接收機(jī)對生成的信號進(jìn)行測試驗(yàn)證，證明了該算法的有效性和正確性。

1 Galileo中頻信號數(shù)學(xué)模型

Galileo接收機(jī)接收時(shí)刻簡化的Galileo信號模型[7]可表示為

(1)

其中，Pr為接收信號的功率；Di為第i顆衛(wèi)星的導(dǎo)航電文；Ci為第i顆衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼；SC為子載波；τco，τca和τsc分別為第i顆Galileo衛(wèi)星信號在時(shí)刻t對應(yīng)的傳播過程中的偽碼延時(shí)，載波延時(shí)和子載波延時(shí)[8]；fE1為E1頻段中心頻率；sn(t)為噪聲信號；smp(t)為多徑誤差信號。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，載波的多普勒頻率變化可以通過時(shí)間壓擴(kuò)關(guān)系表示

fd·t+fE1·τca=0

(2)

其中，fd為載波多普勒頻率。

Galileo信號被天線接收后，經(jīng)過混頻、濾波，變?yōu)橹蓄l信號，設(shè)本地振蕩器產(chǎn)生的波形為sos(t)=2cos(2πfost)，將式(2)帶入，中頻信號可表示為

(3)

其中，fIF=fE1-fos，為中頻。

根據(jù)GNSS定位原理，在三維空間中，為了消除接收機(jī)與衛(wèi)星間鐘差的影響，需要4顆及以上衛(wèi)星才能進(jìn)行空間定位，為了模擬出可用于定位的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航信號，需要建立多顆衛(wèi)星到達(dá)信號模型。與單顆衛(wèi)星的信號模型類似，N顆衛(wèi)星的信號模型可以表示為

(4)

2 模擬實(shí)現(xiàn)

2.1 傳輸時(shí)間計(jì)算與誤差模擬

衛(wèi)星信號傳輸時(shí)間取決于實(shí)際傳輸距離，精準(zhǔn)計(jì)算出信號傳輸距離是反推衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻的必要條件。Galileo系統(tǒng)采用基于Galileo地球參考框架(GTRF)的ITRF-96大地坐標(biāo)系對衛(wèi)星位置進(jìn)行計(jì)算、播發(fā)，該坐標(biāo)系與GPS采用的WGS-84坐標(biāo)系同屬地心地固坐標(biāo)系[10]，在信號傳輸過程中，衛(wèi)星坐標(biāo)會因地球的自轉(zhuǎn)而改變，影響對應(yīng)時(shí)刻信號傳輸距離的計(jì)算。為加快計(jì)算速度，減少迭代次數(shù)，需初始化一個合理的傳輸時(shí)間，然后對衛(wèi)星位置與傳輸時(shí)間進(jìn)行收斂迭代，最終當(dāng)?shù)Y(jié)果滿足精度需求時(shí)，即得到了指定時(shí)刻的真實(shí)信號傳輸時(shí)間，算法流程如圖1所示。

圖1所示迭代算法計(jì)算的是理想狀態(tài)下信號在真空中的傳播時(shí)間，但在實(shí)際的自然環(huán)境中，包含著各種可能導(dǎo)致傳播速率變化的因素，其中影響較大的有電離層延遲與對流層延遲。

圖1 迭代算法流程

電離層由于構(gòu)成的特殊性，信號在其中的傳輸速率會產(chǎn)生一定變化，導(dǎo)致一些基于信號傳播時(shí)間進(jìn)行距離計(jì)算的應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生計(jì)算誤差，為了產(chǎn)生真實(shí)可用的Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航信號，必須在信號中添加電離層誤差。本文采用Klobuchar模型[11]計(jì)算電離層誤差，相關(guān)計(jì)算參數(shù)來源于Galileo導(dǎo)航電文的Az字段。

對流層的存在同樣會對衛(wèi)星信號的傳輸產(chǎn)生影響，衛(wèi)星信號的傳播延遲在對流層中隨高度角余弦的增大而增大，由對流層延遲導(dǎo)致的誤差最大能達(dá)到約80 m。本文采用Hopfeild模型[11]修正對流層傳輸延遲，可以將對流層的影響減少至10%以內(nèi)。

2.2 傳輸時(shí)間擬合與多普勒跟蹤

由于衛(wèi)星與接收機(jī)存在相對運(yùn)動，使接收到的信號產(chǎn)生了頻率變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)[12]。根據(jù)式(2)可知，載波多普勒與載波延時(shí)存在著轉(zhuǎn)換關(guān)系，只要確定了某個時(shí)刻的載波傳輸延時(shí)就可以確定對應(yīng)的多普勒頻率。關(guān)于碼相位與子載波相位的計(jì)算，可通過信號傳輸時(shí)間反推發(fā)射時(shí)刻，確定周期內(nèi)時(shí)間偏移，得出包含多普勒頻率的相位控制字。為了實(shí)現(xiàn)信號多普勒的動態(tài)跟蹤，本文通過計(jì)算等時(shí)間間隔抽樣點(diǎn)的傳輸時(shí)間，采用三階多項(xiàng)式擬合任意時(shí)刻傳輸時(shí)間，構(gòu)建信號生成模型。

設(shè)i時(shí)刻的傳輸時(shí)間為τi，j時(shí)刻的傳輸時(shí)間為τj，兩個時(shí)刻之間的時(shí)間間隔為Δt，三階多項(xiàng)式的系數(shù)分別為k1、k2、k3，它們之間的關(guān)系可以表示為

τi=τj+k1Δt+k2Δt2+k3Δt3

(5)

i時(shí)刻與j時(shí)刻的信號傳輸時(shí)間通過圖1所示的迭代算法計(jì)算得到，為計(jì)算三階多項(xiàng)式系數(shù)k1、k2、k3，至少需要3個類似的方程，為使擬合效果達(dá)到最佳，選取4個相鄰時(shí)刻，分別列出上述方程，最終方程組如下

(6)

其中，τ0、τ1、τ2、τ3是相繼間隔Δt的4個時(shí)間點(diǎn)的信號傳輸時(shí)間。求解出k1、k2、k33個參數(shù)之后，通過擬合曲線可以得出τ0～τ3時(shí)段內(nèi)任意時(shí)刻的信號傳輸時(shí)間。一組三階多項(xiàng)式參數(shù)的有效范圍為3Δt，可以根據(jù)接收機(jī)運(yùn)動狀態(tài)調(diào)整Δt，在算法執(zhí)行效率和擬合精度方面作出取舍，得到適于系統(tǒng)運(yùn)行的Δt。Δt設(shè)置的過大，會影響擬合效果，設(shè)置的過小，會加重系統(tǒng)負(fù)載，本文選取的Δt為0.05，擬合效果滿足最終需求。關(guān)于任意時(shí)刻的傳播時(shí)間計(jì)算可表示為

τ=τ0+k1(t-τ0)+k2(t-τ0)2+k3(t-τ0)3

(7)

其中，t為3Δt內(nèi)的任意采樣時(shí)刻，τ為t時(shí)刻的傳輸時(shí)間。結(jié)合式(4)，即可模擬信號頻率變化，實(shí)現(xiàn)信號的動態(tài)多普勒跟蹤。

2.3 E1信號調(diào)制方式

由于Galileo E1頻段與GPS L1頻段中心頻率相同，為了實(shí)現(xiàn)頻帶復(fù)用，Galileo系統(tǒng)在調(diào)制方式中引入了子載波，將頻譜主瓣分裂至E1頻點(diǎn)的兩測，降低與GPS系統(tǒng)間的頻譜干擾。E1頻段基帶信號采用CBOC調(diào)制，對數(shù)據(jù)通道與導(dǎo)頻通道的兩路信號進(jìn)行時(shí)域相加，具體如圖2所示。

圖2 E1頻段CBOC調(diào)制

(8)

其中，scX(t)=sgn(sin(2πRs,Xt))；RE1-B,a=RE1-C,a= 1.023 MHz；RE1-B,b=RE1-C,b= 6.138 MHz。

2.4 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)框圖

Galileo E1頻段信號模擬主要由兩部分組成：信號生成和信號播放。信號生成部分完成Galileo中頻信號文件產(chǎn)生，主要包含：(1)讀取初始化參數(shù)，獲取用戶軌跡與時(shí)間信息；(2)判斷可見星，根據(jù)Rinex星歷參數(shù)生成模擬導(dǎo)航電文；(3)計(jì)算采樣時(shí)刻信號傳輸時(shí)間，得出碼相位與導(dǎo)航電文偏移；(4)結(jié)合調(diào)制方式與信號模型生成中頻模擬信號；(5)為節(jié)省存儲空間，加快模擬信號的生成速度，以2 bit量化、存儲信號文件。

信號播放部分借助矢量信號發(fā)生器，通過FPGA編程實(shí)現(xiàn)[16]。AV1443矢量信號發(fā)生器是中國電子科技集團(tuán)第41研究所提供的硬件平臺，可產(chǎn)生頻率范圍為250 kHz～44 GHz的調(diào)制信號，擁有完善的人機(jī)交互頁面，可實(shí)現(xiàn)信號參數(shù)以及硬件狀態(tài)的動態(tài)設(shè)置，滿足E1 信號播放要求。FPGA對中頻信號的處理流程包含以下幾個步驟：(1)對信號進(jìn)行2 bit 到 16 bit 的數(shù)據(jù)映射，提高量化精度；(2)為了適配FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘，通過內(nèi)插重采樣濾波器實(shí)現(xiàn)對信號的采樣率變換，將信號采樣率提升至200 MHz；(3)將信號送入帶通濾波器濾除帶外干擾；(4)對信號進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換；(5)通過混頻器，將信號頻率搬移至E1頻點(diǎn)。上述流程中，內(nèi)插重采樣濾波器是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文采用Farrow濾波器實(shí)現(xiàn)信號的任意重采樣，通過對相鄰采樣點(diǎn)進(jìn)行線性內(nèi)插實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)采樣值估計(jì)，F(xiàn)IR子濾波器系數(shù)通過Matlab工具生成，系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)框圖

3 測試與驗(yàn)證

3.1 中頻信號CBOC調(diào)制部分驗(yàn)證

為了驗(yàn)證Galileo中頻模擬信號的正確性，對中頻fIF=15 MHz，fs= 62 MHz的模擬信號進(jìn)行功率譜密度分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 Galileo中頻模擬信號功率譜密度曲線

CBOC調(diào)制是兩路MBOC(6,1,1/11)調(diào)制信號的時(shí)域疊加，因此理論功率譜密度曲線與MBOC(6,1,1/11)相同。由圖4中仿真結(jié)果可以看出，功率譜主瓣主要分布于中頻fIF兩側(cè)，主瓣中心頻率為fIF±1 MHz，且fIF±6 MHz頻率位置有譜瓣突起，與MBOC(6,1,1/11)理論譜線完全吻合，說明E1信號CBOC調(diào)制的正確性，驗(yàn)證了Galileo中頻信號的正確性。

3.2 射頻信號驗(yàn)證

Galileo模擬信號經(jīng)矢量信號發(fā)生器上變頻至E1頻段進(jìn)行射頻播放，通過UTREK410 GPS/Galileo雙模接收機(jī)對生成的信號進(jìn)行可行性驗(yàn)證。圖5為UTREK410接收機(jī)顯示的衛(wèi)星捕獲與跟蹤狀態(tài)，表明信號的動態(tài)多普勒擬合良好，可以實(shí)現(xiàn)信號的穩(wěn)定捕獲與跟蹤，為最終的電文解調(diào)、位置解算奠定了基礎(chǔ)。圖6為UTREK410接收機(jī)顯示的實(shí)時(shí)定位結(jié)果，定位結(jié)果顯示的經(jīng)緯度與模擬程序里給定的經(jīng)緯度一致，時(shí)間與模擬的導(dǎo)航電文時(shí)間同步，位置穩(wěn)定，不存在漂移，驗(yàn)證了Galileo E1信號模擬算法的準(zhǔn)確性與可行性。

圖5 UTREK410接收機(jī)實(shí)時(shí)衛(wèi)星狀態(tài)圖

圖6 UTREK410接收機(jī)定位結(jié)果

4 結(jié)束語

本文在推導(dǎo)了Galileo E1中頻信號數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了信號模擬涉及的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)多普勒的穩(wěn)定跟蹤，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程框圖。測試與驗(yàn)證部分從兩個方面論證了信號模擬的正確性與可行性：(1)證明了中頻模擬信號的功率譜密度與理論E1 CBOC調(diào)制信號功率譜密度曲線相符；(2)證明了射頻輸出信號可以被穩(wěn)定跟蹤，位置信息可以被正確解算，定位結(jié)果與設(shè)定坐標(biāo)相符，無明顯偏差。Galileo E1信號模擬源，靈活性好，可根據(jù)用戶定義軌跡生成模擬信號，支持高動態(tài)設(shè)置，可以為Galileo硬軟件接收機(jī)提供穩(wěn)定的開發(fā)、測試環(huán)境。

[1] 張銳.Galileo衛(wèi)星信號模擬器的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2007.

[2] 陳向東,高青,郭莉莉.衛(wèi)星導(dǎo)航信號高精度模擬產(chǎn)生與控制技術(shù)[J].測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào), 2010,27(3):165-168.

[3] 李雋.衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器體系結(jié)構(gòu)分析[J].無線電工程,2006(8):30-31,39.

[4] 陳頡,盧曉春,賀成艷.Galileo E1 OS信號捕獲方法研究[J].時(shí)間頻率學(xué)報(bào),2013(4): 236-244,256.

[5] 史雨薇.Galileo E1信號性能分析與軟件模擬源的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.

[6] 熊駿,宋茂忠,于巧稚.基于時(shí)間壓擴(kuò)的GPS信號多普勒算法實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證[J].航空兵器,2015(3):27-30,43.

[7] Julien O,Zheng B,Dong L,et al.A complete software-based IF GNSS signal generator for software receiver development[C].Long Beach:IONGNSS 17thInternational Technical Meeting of the Satellite Division,2004.

[8] Progress in Astronautics and Aeronautics.Global positioning system: theory and applications[M].USA:AIAA,2006.

[9] Lei D.IF GPS signal simulator development and verification[D].Alberta:University of Calgary,2003.

[10] 段遠(yuǎn)征.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)測量中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換研究[J].江蘇科技信息,2016(30):62-64,68.

[11] Yao Yibin,Chen Peng,Zhang Shun,et al.A new ionospheric tomography model combining pixel-based and function-based models[J].Advances in Space Research,2013(4):89-95.

[12] Roncagliolo P A,Garcia J G.High dynamics and false lock resistant GNSS carrier tracking loops[C].CA,USA:Proceedings of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation,ION GNSS,2007.

[13] European Union.The european GNSS (Galileo) open service signal in space interface control document[M].Swiss:European Union,2015.

[14] 劉松林. BOC調(diào)制擴(kuò)頻信號同步技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.

[15] 李穎,趙風(fēng)海,李金海,等. Galileo系統(tǒng)E1/E5/E6頻段信號分析與仿真[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2014(2):368-375.

[16] 高春芳.基于DSP和FPGA的電子偵察信號模擬器設(shè)計(jì)[J].電子科技,2016,29(5):51-54.

[17] 高亮,宋茂忠.基于FPGA的北斗QPSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)與解調(diào)驗(yàn)證[J].電子科技,2014,27(3): 95-98.