羅顯志,解　劍,高東博,王　垚

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;

2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,河北 石家莊 050081)

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)時(shí)域波形畸變仿真及FPGA實(shí)現(xiàn)

羅顯志1,2,解劍1,2,高東博1,2,王垚1,2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;

2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,河北 石家莊 050081)

摘要：介紹了一種被國(guó)際民航組織采納的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)時(shí)域碼片波形畸變模型,提出了一種模擬導(dǎo)航信號(hào)時(shí)域碼片波形畸變的三類故障的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的實(shí)現(xiàn)方法,給出導(dǎo)航信號(hào)時(shí)域碼片波形畸變的MATLAB仿真和FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)果,并將兩者進(jìn)行了比較,試驗(yàn)結(jié)果表明：時(shí)域碼片波形畸變的FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)果與MATLAB結(jié)果誤差在0.5%范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航;信號(hào)失真;時(shí)域波形畸變;ICAO模型

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.004

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：： 1008-9268(2014)02-0017-04

收稿日期：2014-07-25

作者簡(jiǎn)介

Abstract:A waveform distortion model in time domain which has been recognized by International Civil Aviation OrgIniZation (ICAO) is introduced in this paper. Modeling method of three threat signal models of waveform distortion in time domain in FPGA for navigation signals is proposed, too. Matlab-based simulation and FPGA-based implementation for waveform distortion model in time domain is presented, and the two results were compared. Thus, the tests show that the mean relative error not more than 0.5% for the two results.

0引言

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最為關(guān)鍵的要素,導(dǎo)航信號(hào)的質(zhì)量直接關(guān)系到用戶對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行接收、解調(diào)、偽碼測(cè)距、載波測(cè)量、定位解算的性能,最終影響用戶定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)的性能體驗(yàn)。當(dāng)導(dǎo)航、定位、授時(shí)的性能惡化時(shí)可最終歸結(jié)到導(dǎo)航信號(hào)發(fā)生了異常,而導(dǎo)航信號(hào)的異常本質(zhì)上可從導(dǎo)航信號(hào)基帶時(shí)域上體現(xiàn)。導(dǎo)航信號(hào)異常分為衛(wèi)星載荷發(fā)射信號(hào)異常、環(huán)境導(dǎo)致的信號(hào)畸變,以及接收系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的影響。后兩者也可統(tǒng)一為環(huán)境對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的影響。導(dǎo)航信號(hào)異常現(xiàn)象分類及機(jī)理特性分析需要在排除測(cè)試環(huán)境影響前提下通過提出各種信號(hào)異常模型,從而定位系統(tǒng)故障。國(guó)外在導(dǎo)航信號(hào)異?，F(xiàn)象分類及機(jī)理特性分析領(lǐng)域的研究工作已進(jìn)行了大約10年的時(shí)間,提出了各種行之有效的導(dǎo)航信號(hào)異常模型,并建立了信號(hào)異常與導(dǎo)航衛(wèi)星載荷故障間的映射關(guān)系。國(guó)際民航組織(ICAO)也將GPS和GLONASS時(shí)域異常波形參數(shù)化并寫入了國(guó)際民航公約。與國(guó)外相比,我國(guó)在這一領(lǐng)域還處于空白狀態(tài),有必要開展導(dǎo)航信號(hào)時(shí)域波形異常的研究。

1衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)時(shí)域異常模型

衛(wèi)星信號(hào)傳輸鏈路的非線性將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的碼片波形畸變,最典型的例子是1993年19號(hào)衛(wèi)星信號(hào)異常事件[1]。為了解釋19號(hào)衛(wèi)星信號(hào)的異常現(xiàn)象,研究人員先后提出了三種模型,分別為:簡(jiǎn)單模型[2-3]MEWF模型和2OS模型。簡(jiǎn)單模型只是在標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)上疊加了另一個(gè)信號(hào),不能完全反映異常信號(hào)的所有特征;MEWF模型定義為針對(duì)某一特定用戶接收機(jī)將會(huì)產(chǎn)生最大差分偽距誤差的信號(hào)波形。Mitelman[3-4]和Enge[5]等人詳細(xì)地推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)表達(dá)式。然而這種模型是非因果的,難以實(shí)現(xiàn),ICAO 和航空委員會(huì)均不采納該模型。相比之下,2OS模型較全面反映了衛(wèi)星電路故障的所有情況。有效載荷的一般數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生單元生成導(dǎo)航基帶信號(hào),數(shù)字濾波器的帶寬為信號(hào)的發(fā)射帶寬;頻率產(chǎn)生與調(diào)制單元把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),并通過幾級(jí)上變頻把信號(hào)調(diào)制到載波頻率上;高功率放大器完成對(duì)信號(hào)功率的放大,一般工作在飽合狀態(tài),常用的有行波管放大器(TWTA)和固態(tài)功率放大器(SSPA);輸出多工器(OMUX)完成對(duì)頻點(diǎn)相近的各導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行合路,耦合到同一個(gè)天線進(jìn)行輸出。

有效載荷各組成部分出現(xiàn)異常都可能使信號(hào)產(chǎn)生畸變。2OS模型根據(jù)有效載荷的各組成部分將信號(hào)異常的原因分為三類:數(shù)字電路故障(TMA A)、模擬電路故障(TMB B)以及兩者的組合(T MC C),這三種模型幾乎能夠涵蓋所有可能的信號(hào)異常故障。這種模型被ICAO認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)異常模型,也稱為ICAO模型,模型中有三個(gè)關(guān)鍵參數(shù),分別為Δ(碼片)：用于描述擴(kuò)頻碼下降沿比正常位置的超前或滯后;阻尼振蕩頻率fd(MHz)：描述擴(kuò)頻碼邊沿振鈴現(xiàn)象的頻率;阻尼系數(shù)σ(MNerpers/s)：描述擴(kuò)頻碼邊沿振鈴現(xiàn)象的衰減因子,各參數(shù)的含義如圖2所示。

圖1　有效載荷模型示意圖

資助項(xiàng)目： 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(批準(zhǔn)號(hào)：2011BAH05B03；2012AA121802)

聯(lián)系人： 羅顯志E-mail: xianzhiluo@tom.com

圖2　ICAO模型參數(shù)

TMA模型可以建模為正常序列與一個(gè)Δ序列之和,Δ序列是正常序列與其循環(huán)移位后序列的差值,用公式表示為

xTMA(t)=x(t)+xΔ(t),

(1)

(2)

TMB模型可以用一個(gè)二階系統(tǒng)響應(yīng)表示

xTMB(t)=x(t)·h(σ,fd)(t),

(3)

式中,h(σ,fd)(t)為碼沿的階躍響應(yīng),可以表示為

h(σ,fd)(t)=

(4)

式中,ωd=2πfd.

TMC模型是TMA與TMB的混合模型,可以表示為

xTMC(t)=[x(t)+xΔ(t)]·h(σ,fd)(t).

(5)

ICAO的模型主要由三個(gè)參數(shù)建模。TMA 通過超前/滯后參數(shù)Δ建模,改變碼的上升沿或下降沿,使數(shù)字信號(hào)的碼寬發(fā)生改變,可以使相關(guān)峰出現(xiàn)平頂效應(yīng);TMB 通過諧振頻率fd和衰減因子σ建模,用二階震蕩模仿模擬電路故障,調(diào)節(jié)兩參數(shù)可使峰值失真或者產(chǎn)生錯(cuò)誤的相關(guān)峰值;TMC是兩者的組合,由Δ、fd和σ共同調(diào)節(jié),如圖3所示。

圖3　三類失真的碼片波形 (a)TMA; (b)TMB; (c)TMC

國(guó)際民航公約附件6卷10給出了目前已經(jīng)得到國(guó)際民航組織承認(rèn)的ICAO模型參數(shù),如表1所示。

表1　ICAO模型參數(shù)取值范圍

2時(shí)域波形畸變的FPGA模擬方法

上節(jié)給出的導(dǎo)航信號(hào)時(shí)域異常波形可能出現(xiàn)在有效載荷各個(gè)單元,TMA模型一般是數(shù)字基帶電路的基帶擴(kuò)頻碼“1”、“0”寬度不等導(dǎo)致的,TMB模型一般是衛(wèi)星導(dǎo)航載荷模擬電路導(dǎo)致的,而TMC模型則是兩者綜合作用的結(jié)果。但在工程中很難在模擬電路上實(shí)現(xiàn)對(duì)TMB模型的模擬,本文提出一種在數(shù)字電路上TMB模型建模方法,圖4示出了在衛(wèi)星導(dǎo)航模擬源基帶FPGA上實(shí)現(xiàn)的時(shí)域波形畸變硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),其中白色方框?yàn)檎?dǎo)航信號(hào)模擬模塊,帶底影的方框?yàn)門MA和TMB模擬模塊。

圖4　時(shí)域波形畸變硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

TMA模型的數(shù)字基帶電路的基帶擴(kuò)頻碼“1”或“0”寬度不等導(dǎo)致可通過模擬源基地邏輯的動(dòng)態(tài)時(shí)鐘調(diào)整來實(shí)現(xiàn),而TMB模型的二階阻尼震蕩模型實(shí)質(zhì)上等效為一個(gè)2階S函數(shù)[5]

(6)

ω2=σ2+(2πfd)2,

(7)

圖5　TMA模型時(shí)序

圖6　TMB模型濾波器實(shí)現(xiàn)

3時(shí)域波形畸變的FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)果

假設(shè)GPS C/A碼PRN為12,碼頻率為1.023 MHz,仿真和FPGA實(shí)現(xiàn)的采樣率為102.3 MHz,超前/滯后參數(shù)Δ為0.12碼片,諧振頻率fd和衰減因子σ分別為10.0 MHz和4.8 MNepers/sec,根據(jù)式(6)計(jì)算得到圖6所示的濾波器參數(shù)b(1)、b(2)、b(3)、a(2)、a(3)分別為0.060 6、0.232 4、0.057 8、-1.559 6、0.910 4.圖6所示的濾波器采用16比特量化。圖7為MATLAB仿真與FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)果比較圖,經(jīng)比較MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)的幅度誤差與歸一化幅度比較小于0.5%.

圖7　TMC模型仿真與FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)果比較

4結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)時(shí)域波形異常仿真及FPGA實(shí)現(xiàn)方案,并將該方案應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)時(shí)域波形異常的仿真建模和FGPA實(shí)現(xiàn),最后將時(shí)域波形畸變模塊加入到實(shí)際的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源中,產(chǎn)生實(shí)際的畸變的導(dǎo)航信號(hào)波形,經(jīng)驗(yàn)證FPGA畸變波形與MATLAB仿真波形的誤差在0.5%范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

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羅顯志(1976-),男,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。

解劍(1986-),男,工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。

高東博(1985-),男,工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。

王垚(1981-),男，高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。

Simulation and FPGA-Implementation of Waveform Distortion in

Time Domain for Satellite Navigation Signals

LUO Xianzhi1,2,XIE Jian1,2,GAO Dongbo1,2,WANG Yao1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China;

2.HebeiSatelliteNavigationTechnologyandEquipmentTechnology

ResearchCenter,Shijiazhuang050081,China)

Key words: Satellite navigation; signal distortion; waveform distortion in time domain; ICAO threat model