穆 雪,張 波,楊東凱,李社軍

(1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191;2.中國伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航有限公司,北京 100191;3.63600部隊,甘肅 酒泉 732750)

0 引 言

自1995年美國宣告GPS進入全面運行狀態(tài)以來,GPS充分顯示了其在導(dǎo)航、定位中的領(lǐng)先地位,許多領(lǐng)域也由于GPS的出現(xiàn)發(fā)生了革命性的變化。為使GPS更好地滿足軍事、民間和商業(yè)用戶不斷增長的應(yīng)用需求,美國決定采用先進技術(shù)改進和完善GPS.增發(fā)與生命安全有關(guān)的L5載頻(1 176.45 MHz)信號是GPS現(xiàn)代化的一項重要內(nèi)容[1]。

2005-2010年,GPS Block IIR衛(wèi)星和更前一批衛(wèi)星逐漸退役,美國提出要陸續(xù)更換新一代的Block IIF衛(wèi)星,同時決定在此衛(wèi)星上播發(fā)L5頻段衛(wèi)星信號。美軍計劃一共要發(fā)射12顆GPS IIF衛(wèi)星,截止到2014年3月,只有五顆Block IIF衛(wèi)星在軌運行,這就限制了新型接收機的研制與測試[2-3]。衛(wèi)星信號模擬器可以模擬不同條件下接收機天線前端接收到的衛(wèi)星信號,能夠?qū)崿F(xiàn)對接收機的性能評測,鑒定其捕獲、跟蹤能力和定位測量精度[4]。國內(nèi)由于對信號模擬器的研究起步比較晚,且國外對技術(shù)進行封鎖,對L5頻段模擬器的研究相對較少。國內(nèi)論文大部分只是對L5信號體制的研究并沒有關(guān)于L5信號模擬器的敘述。鑒于此,本文在研究GPS L5信號結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,簡要介紹了GPS L5模擬器的整體架構(gòu),重點介紹了上位機信號生成部分導(dǎo)航參數(shù)計算模塊,最后使用清華大學(xué)自行研制的GNSS接收機對生成的信號進行驗證。

1 L5信號結(jié)構(gòu)特點

L5信號生成原理[5-6]如圖1所示,兩路幅度相等、相位正交的載波調(diào)制形成L5信號。其中一路被稱作同相(I)支路,調(diào)制有擴頻碼、導(dǎo)航電文、同步序列,另一路被稱作正交(Q)支路,調(diào)制有擴頻碼、同步序列,兩路信號經(jīng)過四相調(diào)制(QPSK)形成L5信號。L5導(dǎo)航電文的一個基本幀(數(shù)據(jù)塊形式)為300 比特,該300比特由276比特的電文數(shù)據(jù)加上24位的冗余校驗(CRC)編碼形成,速率為50 bit/s.基本幀首先經(jīng)過1/2比率,K=7的前向糾錯卷積編碼(FEC),編碼后的符號速率變?yōu)?00符號/秒(sps),再經(jīng)過10 bit的紐曼-霍夫曼(Neuman-HofmanNH)編碼,“1”變?yōu)椤?111001010”,“0”變?yōu)椤?000110101”。經(jīng)過NH編碼后的數(shù)據(jù)流與10.23 Mbps/s速率的擴頻碼調(diào)制,形成數(shù)據(jù)通道I.Q支路中,擴頻碼與20 bit的同步序列(00000100110101001110)調(diào)制。I、Q支路序列以1 176.54 MHz的頻率進行QPSK調(diào)制,形成L5信號。

圖1 L5信號生成原理

2 GPS L5模擬信號生成整體方案

本文所設(shè)計的GPS L5模擬器信號生成整體流程如圖2所示,用戶通過人機交互界面輸入用戶配置信息,上位機軟件根據(jù)用戶輸入的信息產(chǎn)生載體目標(biāo)的運動狀態(tài),在目標(biāo)運動狀態(tài)生成的同時,上位機分線程啟動,讀入星歷文件,生成導(dǎo)航參數(shù)。上位機根據(jù)生成的導(dǎo)航參數(shù)以及目標(biāo)的運動狀態(tài),計算當(dāng)前仿真時刻的可見星狀態(tài)(可見星的計算采用二分法[7]),生成可見星的導(dǎo)航電文以及各種控制字狀態(tài),通過數(shù)據(jù)裝幀模塊打包成數(shù)據(jù)幀。上位機通過網(wǎng)線與硬件部分的NI機箱進行連接。NI機箱的作用是將接收到的數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā),轉(zhuǎn)發(fā)到中頻板卡上,同時辨別接收到的數(shù)據(jù)包屬于哪個頻點,將之轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的板卡上并使用Windriver驅(qū)動開發(fā)工具生成PCIE驅(qū)動程序。經(jīng)NI機箱轉(zhuǎn)發(fā)到中頻板卡與射頻板卡上的信號經(jīng)過調(diào)制與上變頻,產(chǎn)生L5射頻信號。

圖2 GPS L5模擬器信號生成流程圖

3 L5上位機基帶信號生成

目前在軌運行的Block IIF衛(wèi)星只有五顆,尚未得到L5的星歷數(shù)據(jù)文件,本文暫時使用L1的星歷文件代替L5星歷文件。表1是GPS L1與L5導(dǎo)航電文參數(shù)的對比分析,通過對比可以得知 L1的16個星歷參數(shù)演變成L5的18個參數(shù),L5增加了GGTO(GPS/GNSS 時間偏差)和地球定向參數(shù)(GGTO參數(shù)可以實現(xiàn)與不同GNSS之間的兼容和互操作,地球定向參數(shù)可以方便用戶實現(xiàn)地心地固坐標(biāo)系與地心慣性坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,提高接收機的解算效率),L5信號歷書被分成中等精度歷書和簡化歷書,L1的導(dǎo)航信息修正表被L5的差分修正參數(shù)取代,衛(wèi)星健康狀況由信號健康狀況取代,專用電文變成了文本信息[8]。

表1 GPS信號導(dǎo)航電文參數(shù)的對比分析

圖3 導(dǎo)航電文生成流程圖

由GPS L1星歷文件(RINEX格式)內(nèi)容說明[9]可以得知,星歷文件中主要播發(fā)時鐘參數(shù)以及星歷參數(shù)。由表(1)可知,L5信號的18個星歷參數(shù)的變化主要體現(xiàn)在半長軸、軌道平均速率、升交點赤經(jīng)的算法不同。下面具體說明如何由L1的星歷參數(shù)計算L5的星歷參數(shù)。

依據(jù)文獻[5],L1半長軸A的計算方法為

(1)

軌道平均速率n計算方法為

n=n0+Δn,

(2)

(3)

式中:Δn為L1星歷文件參數(shù);u=3.986 005×1014.

依據(jù)文獻[6],L5半長軸A的計算方法:

A0=AREF+ΔA,

(4)

(5)

軌道平均速率n計算方法為

(6)

n=n0+Δn,

(7)

(8)

升交點赤經(jīng)變化率計算方法:

(9)

L5信號總共有64種類型(type0-type63)的導(dǎo)航電文。如圖4所示,L5導(dǎo)航電文的基本幀包含8比特的同步碼“10001011”,6比特的衛(wèi)星PRN號,6比特的幀類型號0(000000)-63(111111),17比特的周內(nèi)秒計數(shù)(TOW),239比特的電文數(shù)據(jù),24位的冗余校驗。十進制轉(zhuǎn)二進制后形成的數(shù)據(jù)按圖4所示的基本幀結(jié)構(gòu)裝幀、存儲,以便其它程序調(diào)用。

圖4 L5基本幀結(jié)構(gòu)

GPS L5信號導(dǎo)航電文的基本類型Type1-Type5在2002年10月2號的ICD-GPS-705 的版本中定義。Type10-Type15,30-37在2011年9月21日的IS-GPS-705B 版本中定義。目前GPS L5衛(wèi)星只播發(fā)type10-Type15,Type30-Type37類型的信號,之前定義的信號已經(jīng)停止播發(fā)。所以本論文中只編寫了最新的導(dǎo)航電文類型Type10-Type11,Type30-Type37.

4 生成信號的測試

圖5 信號測試流程圖

本測試采用模擬器-接收機閉環(huán)測試驗證信號正確性。信號測試流程如圖5所示,上位機產(chǎn)生的基帶信號經(jīng)過中頻與射頻板的調(diào)制與變頻產(chǎn)生L5射頻信號,接入接收機進行定位解算。測試所采用的接收機為清華大學(xué)研發(fā)的GNSS軟件接收機。接收機的工作流程為射頻采集卡采集的模擬器產(chǎn)生的GPS L5射頻信號經(jīng)下變頻和D/A轉(zhuǎn)換形成數(shù)字中頻信號;相關(guān)器在跟蹤環(huán)路的控制下完成信號的載波剝離、偽隨機碼解擴和積分累加;跟蹤環(huán)路完成碼跟蹤、載波跟蹤;軟件實現(xiàn)位同步和幀同步,導(dǎo)航解算完成電文的解碼和定位解算。圖6表示的是模擬器硬件設(shè)備連接圖,硬件設(shè)備包括上位機、NI機箱、中頻電路板、射頻信號源。

圖6 設(shè)備硬件連接圖

測試結(jié)果如圖7、8,圖7表示上位機發(fā)送的可見星界面圖,圖8表示接收機解算的可見星信息。對比兩幅圖,可以看出接收機收到的衛(wèi)星號與模擬器發(fā)送的可見星星號一致。圖7(b)中的CCBF表示L5信號通過了捕獲、跟蹤,實現(xiàn)位同步與幀同步,TransmitTime是接收機解算出的導(dǎo)航電文中的信號發(fā)射時間,Doppler是解算出的衛(wèi)星的多普勒頻移。通過接收機的驗證,可以實現(xiàn)L5信號的定位(由于定位精度有待提高,未附定位結(jié)果),驗證了生成的L5信號的正確性。

圖7 模擬器運行界面

圖8 接收機顯示界面

5 結(jié)束語

GPS L5信號模擬器的研制對新型接收機的研制、測試具有重要意義。上位機生成正確的基帶信號是模擬器能夠正常工作的前提。本文在研究GPS L5信號結(jié)構(gòu)特點,對比L1與L5導(dǎo)航電文的基礎(chǔ)上,生成了L5上位機信號并通過接收機驗證了其正確性。但由于設(shè)備資源等條件的限制,仍有許多需要提高和完善的方面。下一步將繼續(xù)研究、修改軟件中的算法,以進一步提高L5模擬器產(chǎn)生信號的定位精度。

[1]謝 鋼.GPS原理與接收機設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:1-3.

[2]李 躍,邱致和.導(dǎo)航與定位——信息化戰(zhàn)爭的北斗星[M].2版.北京:國防工業(yè)出版社,2008:197-300.

[3]北斗官網(wǎng).美國:發(fā)射第五顆GPS IIF衛(wèi)星 新一代導(dǎo)航衛(wèi)星在研[EB/OL].[2014-02-26].http://www.beidou.gov.cn/2014/02/26/20140226afe622d4b41e4394abd13b119937453d.html.

[4]李保柱,張其善,楊東凱.GPS衛(wèi)星信號模擬器載波和碼NCO研究與實現(xiàn)[J].測試技術(shù)學(xué)報,2006,20(6):518-522.

[5]DOD.Golbal positioning system directorate systems engineering & integration interface specification IS-GPS-200G[R].2012.

[6]DOD.Golbal positioning system directorate systems engineering & integration interface specification IS-GPS-200G[R].2011.

[7]顏慶津.數(shù)值分析.[M]北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.

[8]張 冰.GPS L2C信號仿真和分析研究[D].上海:上海交通大學(xué),2012.

[9]都欣欣.GNSS信號模擬器導(dǎo)航電文及狀態(tài)參數(shù)產(chǎn)生方法的研究與實現(xiàn)[D].北京:北京航空航天大學(xué),2006.