一种GPS和GLONASS双系统组合模拟器及方法

摘要

本发明公开一种GPS和GLONASS双系统组合模拟器及方法，在由DSP信息处理模块、FPGA信号处理模块、2个D/A转换模块、上变频模块、以及发射天线或输出电缆构成的硬件平台的基础上，分隔出2个相对独立的GPS和GLONASS卫星通道来实现GPS和GLONASS双系统的组合模拟。本发明通过分通道单独处理方式不仅能够实现单独的GPS卫星信号和单独的GLONASS卫星信号的模拟，并且能够实现两个系统的坐标系统统一和时间系统同步，从而有效缩短了研发周期、降低了接收机研发成本，方便测试环境构建。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，具体涉及一种GPS和GLONASS双系统组合模拟器及方法。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System)即“全球导航卫星系统”，是卫星导航系统的统称，包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的Compass(北斗)、欧盟的Galileo系统，可用的卫星数目将会达到100颗以上。就目前现状而言，已建成和投入运行的全球卫星导航定位系统主要有两个，一个是美国的GPS全球卫星定位系统，另一个是俄罗斯的GLONASS系统。它们都能全天候地为全球范围内的无限多用户提供精确的定位等服务。GPS和GLONASS是两个完全独立的系统，当正常运行时，二者所能提供的定位性能相差不大。但GPS系统和GLONASS系统都有其局限性，例如信号微弱、卫星分布不均、GLONASS的正常工作卫星数量不足等等。这样的一些局限性使得GPS和GLONASS系统作为单一手段进行导航定位时，其应用受到很大的限制。在工程测量中，尤其是在城市道路测量中，由于有高楼、树木遮挡卫星信号，以及“多径效应”严重，用单一的GPS手段进行测量，往往因接收不到必需的卫星数而无法定位解算，或者由于干扰，定位测量精度不能满足要求。于是，GPS/GLONASS组合系统应用就应运而生了。GPS/GLONASS组合系统能够在很大程度上克服单一GPS和GLONASS系统的局限性，使用户能够获得更精确、更具可靠性和连续性的标准定位服务，能承担许多单一GPS系统所不能完成的任务，因而，GPS/GLONASS双系统相对于GPS和GLONASS单系统来说有其优势，具有良好的应用前景。

在GPS/GLONASS双系统接收机的开发中，还要考虑GPS/GLONASS双系统卫星导航接收机的应用载体(如航行中的车船，空中的飞机、空间飞行器、导航等)。载体上的GPS/GLONASS接收机通过接收多颗卫星的GPS/GLONASS信号，实时测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。对接收机用户，特别是军用需求的用户，如军用飞机、导弹及航天器一类的高动态用户来说，拥有测试GPS/GLONASS接收机性能的仪器是十分必要的。因为如果直接使用真实的高速环境进行实际测量，成本会很高昂，且不易实现。此时，便需要设计一种GPS/GLONASS双系统组合模拟器来提供高度精确的GPS/GLONASS信号。虽然单个的GPS模拟器和GLONASS模拟器都是在市面上可见的，但是由于GPS和GLONASS两个系统之间本身的差异，如空间卫星不同、工作频率和工作制式不同、星历参数不同、时间系统不同、坐标系不同等，因此对于GPS/GLONASS组合双系统模拟器的设计而言，关键是要解决GPS和GLONASS系统间的坐标系统、时间、时序同步等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种GPS和GLONASS双系统组合模拟器及方法，其主要通过解决GPS和GLONASS系统间的坐标系统、时间系统、时序同步问题来克服GPS和GLONASS两个系统之间的差异，从而能够同时模拟出一个载体在同一时空下所接收到的的GPS和GLONASS卫星信号。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种GPS和GLONASS双系统组合模拟器，主要由上位机和模拟硬件平台构成，所述模拟硬件平台包括DSP信息处理模块和FPGA信号处理模块构成的基带信号处理模块、2个D/A转换模块、上变频模块、以及发射天线或输出电缆；其中基带信号处理模块的DSP信息处理模块与FPGA信号处理模块相连；其中FPGA信号处理模块内设有GPS通道和GLONASS通道，且上述两个通道的输出端均与1个D/A转换模块连接；2个D/A转换模块的输出端分别接在同一个上变频模块内设有的2个独立的GPS变频通道和GLONASS变频通道上；上变频模块的输出端与发射天线或输出电缆相连。

上位机读取其内部预存的GPS星历参数、GLONASS星历参数文本文件，并由用户设定接收机的运动轨迹、以及系统模拟时间参数，把数据打包然后通过FPGA信号处理模块发送给DSP信息处理模块；

DSP信息处理模块上述系统模拟时间视为GPS模拟时间T_GPS，并经由GPS时间系统与GLONASS时间系统间的转换公式推算出GLONASS模拟时间T_GLONASS，同时，DSP信息处理模块根据接收机运动轨迹、不同系统的星历参数与相应的模拟时间分别计算出GPS的导航电文、相位和频率信息，以及GLONASS的导航电文、相位和频率信息；

FPGA信号处理模块寄存DSP信息处理模块的计算结果，并在接收到DSP信息处理模块发送来开始标志位和FPGA信号处理模块的复位信号后，通过同步时钟信号，同步启动FPGA信号处理模块中的GPS通道和GLONASS通道；GPS通道和GLONASS通道完成相应频率的载波信号、伪随机码信号和导航电文的模拟和调制、多颗卫星信号进行数字叠加后，分别输出给相对应的D/A转换模块；

2个D/A转换模块转换分别完成GPS和GLONASS基带信号的数字量到模拟量的转换后，分别送至上变频模块内的2个独立的GPS变频通道和GLONASS变频通道上；

上变频模块内的GPS变频通道和GLONASS变频通道分别将D/A转换模块送来的中频信号变频到GPS和GLONASS的标称射频频率后合为一路，由发射天线或输出电缆输出。

上述方案中，DSP信息处理模块内存储有GPS时间系统与GLONASS时间系统间的转换公式，即

T_GLONASS＝T_GPS+3h-t-ΔT

式中，T_GLONASS为GLONASS模拟时间，T_GPS为GPS模拟时间，t为UTC(协调世界时)跳秒时间，ΔT为GLONASS与GPS的时间偏差；3h为固定参数时间3小时。

上述方案中，DSP信息处理模块内还设有一时钟校正模块，该时钟校正模块每隔一定时间间隔Δt便对FPGA信号处理模块上的时钟计数进行调取，并比较时钟计数与工作频率×Δt之间的差值，得出本地时钟超前或者滞后时钟个数，并将差值通过频率控制字进行补偿。

上述Δt的取值范围一般介于1ms～10ms之间。

基于上述GPS和GLONASS双系统组合模拟器所实现的一种GPS和GLONASS双系统组合模拟方法，包括如下步骤：

①上位机主要完成GPS星历参数、GLONASS星历参数、接收机的运动轨迹、以及系统模拟时间参数的设定，然后把上述所有参数数据通过串口发给FPGA信号处理模块，再通过FPGA信号处理模块发送给DSP信息处理模块；

②DSP信息处理模块检测到上位机发送完数据结束的标志后，将上述系统模拟时间视为GPS模拟时间T_GPS，并根据接收机运动轨迹、GPS星历参数以及GPS模拟时间T_GPS计算GPS的导航电文、相位和频率信息；

③根据GPS时间系统与GLONASS时间系统间的转换公式，将模拟时间从GPS时间系统转换为GLONASS时间系统，获得GLONASS模拟时间T_GLONASS；

④根据接收机运动轨迹、GLONASS星历参数计及GLONASS模拟时间T_GLONASS计算GLONASS的导航电文、相位和频率信息；

⑤计算完成后，DSP信息处理模块将上述计算结果送至FPGA信号处理模块的寄存器中进行存储；

⑥FPGA信号处理模块接收DSP信息处理模块发送来开始标志位和FPGA信号处理模块的复位信号，通过同步时钟信号，同步启动FPGA信号处理模块中的GPS通道和GLONASS通道；

⑦FPGA信号处理模块中的GPS通道和GLONASS通道完成相应频率的载波信号生成、伪随机码信号和导航电文的模拟和调制、多颗卫星信号进行数字叠加后，分别输出给相对应的D/A转换模块；

⑧2个D/A转换模块转换分别完成GPS和GLONASS基带信号的数字量到模拟量的转换后，分别送至上变频模块内的2个独立的GPS变频通道和GLONASS变频通道上；

⑨GPS变频通道和GLONASS变频通道分别将D/A转换模块送来的中频信号变频到GPS和GLONASS的标称射频频率后合为一路，由发射天线或输出电缆输出。

上述步骤③中所述的GPS时间系统与GLONASS时间系统间的转换公式为

T_GLONASS＝T_GPS+3h-t-ΔT

式中，T_GLONASS为GLONASS模拟时间，T_GPS为GPS模拟时间，t为UTC(协调世界时)跳秒时间，ΔT为GLONASS与GPS的时间偏差；3h为固定参数时间3小时。

上述步骤⑥和步骤⑦之间还包括有时钟校正步骤，即每隔一定时间间隔Δt将FPGA信号处理模块上的时钟计数传给DSP信息处理模块，DSP信息处理模块通过比较时钟计数与工作频率×Δt之间的差值，得出本地时钟超前或者滞后时钟个数，并将差值通过频率控制字进行补偿。

上述Δt的取值范围介于1ms～10ms之间。

与现有技术相比，本发明提供了一种GPS和GLONASS双系统组合模拟器及方法。在硬件上，本发明在一套DSP+FPGA+DA+RF平台的基础上，分隔出2个相对独立的GPS和GLONASS卫星通道来实现GPS和GLONASS双系统的组合模拟，这样不仅能够有效利用硬件平台上各芯片，特别是FPGA信号处理模块和上变频模块上的处理冗余，减少硬件、降低成本；同时也能够有效减少芯片的个体差异带来的误差，确保精确地模拟出真实环境下的GPS信号和GLONASS信号；在功能上，本发明通过分通道单独处理方式不仅能够实现单独的GPS卫星信号和单独的GLONASS卫星信号的模拟，并且能够实现两个系统的坐标系统统一和时间系统同步，从而有效缩短了研发周期、降低了接收机研发成本，方便测试环境构建。通过本发明所设计出的GPS和GLONASS双系统组合模拟器输出的射频信号，可以实现双系统组合定位，并且定位结果可以与模拟器中设定的轨迹进行比对，实现GPS/GLONASS双模组合接收机的闭环室内环境测试，用于接收机性能测试、高端接收机研发。

附图说明

图1为本发明一种GPS和GLONASS双系统组合模拟器的原理示意图。

具体实施方式

本发明一种GPS和GLONASS双系统组合模拟器如图1所示，其硬件部分主要由上位机和模拟硬件平台构成，所述模拟硬件平台包括DSP信息处理模块和FPGA信号处理模块构成的基带信号处理模块、2个D/A转换模块、上变频模块、以及发射天线或输出电缆。上位机经串口与基带信号处理模块的FPGA信号处理模块相连，基带信号处理模块的FPGA信号处理模块经D/A转换模块连接至上变频模块到发射天线或输出电缆。基带信号处理模块的DSP信息处理模块与FPGA信号处理模块相连。其中FPGA信号处理模块内设有GPS通道和GLONASS通道，且上述两个通道的输出端均与1个D/A转换模块连接。2个D/A转换模块的输出端分别接在同一个上变频模块内设有的2个独立的GPS变频通道和GLONASS变频通道上。上变频模块的输出端与发射天线或输出电缆相连。

上位机读取其内部预存的GPS星历参数、GLONASS星历参数文本文件，并由用户设定接收机的运动轨迹、以及系统模拟时间等参数，把数据打包然后通过FPGA信号处理模块发送给DSP信息处理模块。在本发明优选实施例中，上位机主要完成电文参数提取、场景生成、模拟的卫星通道状态、卫星星空分布、模拟时间界定、接收机位置和速度、以及模拟位置与接收机定位结果比对。

DSP信息处理模块上述系统模拟时间视为GPS模拟时间T_GPS，并经由DSP信息处理模块内存储的GPS时间系统与GLONASS时间系统间的转换公式推算GLONASS模拟时间T_GLONASS。上述GPS时间系统与GLONASS时间系统间的转换公式为

T_GLONASS＝T_GPS+3h-t-ΔT

式中，T_GLONASS为GLONASS模拟时间，T_GPS为GPS模拟时间，t为UTC(协调世界时)跳秒时间，ΔT为GLONASS与GPS的时间偏差；3h为固定参数时间3小时。

DSP信息处理模块根据接收机运动轨迹、不同系统的星历参数与相应的模拟时间分别计算出GPS的导航电文、相位和频率信息，及GLONASS的导航电文、相位和频率信息。DSP信息处理模块完成参数初始化及控制、计算等大部分工作，具体包括：根据星历参数提取并编码为导航电文；根据用户设定仿真时刻的运动轨迹和卫星星座，预测GPS或GLONASS卫星是否可见；对于可见星，计算相应仿真时刻的延迟相位和信号频率，并把所有可见星的电文、相位信息和频率信息发给FPGA信号处理模块。在此过程中DSP信息处理模块还建立各类误差源的误差模型，根据各类误差源，由误差模型生成相应的误差仿真信号。

此外，在本发明优选实施例中，DSP信息处理模块内还设有一时钟校正模块，该钟校正模块每隔一定时间间隔Δt便对FPGA信号处理模块上的时钟计数进行调取，并比较比较时钟计数与工作频率×Δt之间的差值，得出本地时钟超前或者滞后时钟个数，并将差值通过频率控制字进行补偿。上述Δt的取值范围介于1ms～10ms之间。

FPGA信号处理模块寄存DSP信息处理模块的计算结果，并在接收到DSP信息处理模块发送来开始标志位和FPGA信号处理模块的复位信号后，通过同步时钟信号，同步启动FPGA信号处理模块中的GPS通道和GLONASS通道；DSP通道和GLONASS通道完成相应频率的载波信号、伪随机码信号和导航电文的模拟和调制、多颗卫星信号进行数字叠加后，分别输出给相对应的D/A转换模块。具体来说：FPGA信号处理模块根据DSP信息处理模块传输的卫星状态，把可见星分配到相应的信号生成通道。根据DSP信息处理模块传递的参数，设定每个卫星的初始载波相位、码相位、导航电文选择相位，再根据频率信息生成相应的电文、码、载波信号，并完成三者的扩频、调制，得到一个GPS或GLONASS卫星信号，最后多个卫星信号进行迭加数字合成，就可以输出给后端的D/A转换模块。本发明所述的一定频率的信号生成，均采用高精度数字频率合成(NCO)技术进行信号频率精确模拟，输出高精度数字中频卫星模拟信号。

2个D/A转换模块转换分别完成GPS和GLONASS基带信号的数字量到模拟量的转换后，分别送至上变频模块内的2个独立的GPS变频通道和GLONASS变频通道上。

上变频模块内的GPS变频通道和GLONASS变频通道分别将D/A转换模块送来的中频信号变频到GPS和GLONASS的标称射频频率后合为一路，由发射天线或输出电缆输出。其中发射天线为L波段右旋圆极化全向天线。

利用上述GPS和GLONASS双系统组合模拟器所实现的一种GPS和GLONASS双系统组合模拟方法，包括如下步骤：

①上位机主要完成GPS星历参数、GLONASS星历参数、接收机的运动轨迹、以及系统模拟时间等参数的设定，然后把上述所有参数数据通过串口发给FPGA信号处理模块，再通过FPGA信号处理模块发送给DSP信息处理模块；

②DSP信息处理模块检测到上位机发送完数据结束的标志后，将上述系统模拟时间视为GPS模拟时间T_GPS，并根据接收机运动轨迹、GPS星历参数以及GPS模拟时间T_GPS计算GPS的导航电文、相位和频率信息；

③根据GPS时间系统与GLONASS时间系统间的转换公式，将模拟时间从GPS时间系统转换为GLONASS时间系统，获得GLONASS模拟时间T_GGLONASS；

④根据接收机运动轨迹、GLONASS星历参数计及GLONASS模拟时间T_GLONASS计算GLONASS的导航电文、相位和频率信息；

上述的GPS时间系统与GLONASS时间系统间的转换公式为

T_GLONASS＝T_GPS+3h-t-ΔT

式中，T_GLONASS为GLONASS模拟时间，T_GPS为GPS模拟时间，t为UTC(协调世界时)跳秒时间，ΔT为GLONASS与GPS的时间偏差；3h为固定参数时间3小时。

⑤计算完成后，DSP信息处理模块将上述计算结果送至FPGA信号处理模块的寄存器中进行存储；

⑥FPGA信号处理模块接收DSP信息处理模块发送来开始标志位和FPGA信号处理模块的复位信号，通过同步时钟信号，同步启动FPGA信号处理模块中的GPS通道和GLONASS通道；

⑦每隔一定时间间隔Δt将FPGA信号处理模块上的时钟计数传给DSP信息处理模块，DSP信息处理模块通过比较时钟计数与工作频率×Δt之间的差值，得出本地时钟超前或者滞后时钟个数，并将差值通过频率控制字进行补偿。所述Δt的取值范围介于1ms～10ms之间。

⑧FPGA信号处理模块中的GPS通道和GLONASS通道完成相应频率的载波信号、伪随机码信号和导航电文的模拟和调制、多颗卫星信号进行数字叠加后，分别输出给相对应的D/A转换模块；

⑨2个D/A转换模块转换分别完成GPS和GLONASS基带信号的数字量到模拟量的转换后，分别送至上变频模块内的2个独立的GPS变频通道和GLONASS变频通道上；

⑩GPS变频通道和GLONASS变频通道分别将D/A转换模块送来的中频信号变频到GPS和GLONASS的标称射频频率后合为一路，由发射天线或输出电缆输出。