一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器

摘要

本发明公开了一种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，它涉及导航领域中的实时GNSS/INS组合导航信号模拟器。它由时频信号处理单元、用户信号产生单元、PXI总线、PXI零槽控制器、铷钟等部件组成。其中，用户信号产生单元由多个频点信号产生模块、射频信号合路器、功分器、功率衰减器等组成。本发明采用PXI总线技术进行系统架构，具有优良的可配置、可扩展能力，通过选择部件使模拟器具备多导航系统、多频点的GNSS/INS导航信号的模拟能力，特别是具备多用户、GNSS/INS组合导航信号的仿真输出能力，充分满足通航领域实时测试GNSS、INS、GNSS/INS组合导航信号的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及导航领域，尤其涉及一种基于PXI(PCI Extensions  for Instrumentation)总线的通航实时GNSS(Global Navigation  Satellite System，全球导航卫星系统)/INS(Inertial Navigation  System，惯性导航系统)组合导航信号模拟器,特别适用于在通航领域 中为导航设备的测试提供GNSS信号、INS信号、GNSS/INS组合导航 信号。

背景技术

当前国内对通航用户设备的测试评估局限于使用现有的导航信 号模拟器(或稍加改进)，以有限的目标任务为驱动，缺乏对未来通 航测试任务改进，测试对象改进，系统升级等方面的针对性设计，造 成了系统只能在特定时间段内支持有限的测试评估任务，适应性不 足，缺乏全面权威的用户设备测试系统，同时也缺乏相关的顶层设计 经验。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提出了一 种基于PXI总线的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器。本发明 的组合导航信号模拟器充分考虑了通航的多用户轨迹仿真、强实时性 的需求特点，使用PXI架构改进了传统模拟器的组成形态，提出一种 结构灵活、可配置性高、实时性强、支持多用户轨迹模拟仿真的通航 实时GNSS/INS组合导航信号模拟器，可用于在实验室有线环境下提 供用户自定义场景的模拟测试信号，是通航机载导航设备以及管理控 制系统试验和测试的必要设备。

本发明的目的是这样实现的：一种基于PXI总线的通航实时 GNSS/INS组合导航信号模拟器，包括PXI零槽控制器1、铷钟2、时 频信号处理单元3、PXI总线4和用户1信号产生单元5-1；PXI零槽 控制器1产生数仿信息经PXI总线4输出至用户1信号产生单元5-1， 并从PXI总线4获取用户1信号产生单元5-1上报的状态信息；铷钟 2产生时钟信号并提供给时频信号处理单元3；时频信号处理单元3 将外部1PPS信号或者自身生成的1PPS信号经电平匹配生成1PPS基 准信号经PXI总线4输出至用户1信号产生单元5-1，时频信号处理 单元3将接收的时钟信号进行电平匹配后形成参考时钟经PXI总线4 输出至用户1信号产生单元5-1；用户1信号产生单元5-1根据接收 的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号实时产生GNSS信号、INS信 号和GNSS测试信号，并输出自身的状态信息经PXI总线4输出至PXI 零槽控制器1。

其中，通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器还包括用户2至 用户N信号产生单元5-2至5-N，1PPS基准信号经PXI总线4分别输 出至用户2至用户N信号产生单元5-2至5-N，参考时钟经PXI总线 4分别输出至用户2至用户N信号产生单元5-2至5-N；用户2至用 户N信号产生单元5-2至5-N根据接收的数仿信息、参考时钟和1PPS 基准信号均分别实时产生GNSS信号、INS信号和GNSS测试信号，并 输出自身的状态信息经PXI总线4输出至PXI零槽控制器1。

其中，用户1信号产生单元5-1包括频点信号产生模块13、射 频信号合路器16、功分器17和功率衰减器18，频点信号产生模块 13包括频点1至频点K信号产生模块13-1至13-K；频点1至频点K 信号产生模块13-1至13-K均分别接收经PXI总线4输出的数仿信息、 参考时钟和1PPS基准信号，然后分别产生一路射频导航信号并输出 至射频信号合路器16；频点1至频点K信号产生模块13-1至13-K 分别将自身的状态信息输出至PXI总线4；频点1至频点K信号产生 模块13-1至13-K中的任意一个频点信号产生模块根据接收到的数仿 信息产生一路INS信号并输出；射频信号合路器16将收到的K路射 频导航信号合成一路信号后输出到功分器17；功分器17将收到的信 号分为两路，一路为GNSS测试信号，另一路经功率衰减器18进行功 率衰减后生成GNSS信号。

其中，用户2至用户N信号产生单元5-2至5-N和用户1信号产 生单元5-1的结构相同。

其中，频点2信号产生模块13-2包括通道基带信号产生器19、 多径基带信号产生器22、状态寄存器26、加法器27、数字时钟发生 器28、数模转换器29和上变频器30，其中通道基带信号产生器19 包括通道1至通道M基带信号产生器19-1至19-M，多径基带信号产 生器22包括多径1至多径Q基带信号产生器22-1至22-Q；通道1 至通道M基带信号产生器19-1至19-M分别将收到的数仿信息、参考 时钟和1PPS基准信号生成载波、伪码和电文后经扩频调制处理产生 基带信号后输出至加法器27；多径1至多径Q基带信号产生器22-1 至22-Q分别将收到的数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号生成载波、 伪码和电文后经扩频调制处理产生基带信号后输出至加法器27；状 态寄存器26接收数仿信息、参考时钟和1PPS基准信号，实时更新自 身状态信息并输出至PXI总线4；加法器27将所有的基带信号合成 一路形成数字基带信号后输出到数模转换器29；数字时钟发生器28 根据接收的参考时钟产生高频时钟并输出至数模转换器29；数模转 换器29在高频时钟的驱动下将数字基带信号转换为模拟基带信号后 输出至上变频器30；上变频器30将模拟基带信号进行上变频处理形 成射频导航信号后输出给射频信号合路器16。

其中，通道1基带信号产生器19-1包括数字信号处理器31、数 字锁相环32、载波生成器33、伪码生成器34、电文生成器35、乘法 器36和扩频调制器37；数字信号处理器31接收数仿信息，进行解 析处理产生控制和数据指令，将控制和数据指令分别输出至载波生成 器33、伪码生成器34和电文生成器35；数字锁相环32将收到的时 钟信息进行锁相和倍频处理产生同步高稳的时频信号分别输出至载 波生成器33、伪码生成器34和电文生成器35；载波生成器33、伪 码生成器34和电文生成器35分别接收经PXI总线4输出的1PPS基 准信号；载波生成器33根据收到的三路信号生成载波后输出至乘法 器36；伪码生成器34根据收到的三路信号生成伪码后输出至乘法器 36；电文生成器35根据收到的三路信号生成电文后输出至扩频调制 器37；乘法器36将收到的载波和伪码相乘产生BPSK信号输出至扩 频调制器37；扩频调制器37将电文和BPSK信号进行扩频调制后输 出至加法器27。

其中，频点2信号产生模块13-2和频点3至频点K信号产生模 块13-3至13-K的结构相同。

其中，频点2信号产生模块13-2和频点1信号产生模块13-1的 结构相同，所述的频点1信号产生模块13-1还包括INS信号产生器 25，INS信号产生器25接收经PXI总线4输出的数仿信息、参考时 钟和1PPS基准信号，在参考时钟的作用下从数仿信息中提取INS信 号后进行输出。

其中，通道2至通道M基带信号产生器19-2至19-M和通道1 基带信号产生器19-1的结构相同，多径1至多径Q基带信号产生器 22-1至22-Q和通道1基带信号产生器19-1的结构相同。

本发明相对于背景技术的优点在于：

1、本发明采用基于PXI总线的系统架构，各种功能单元均采用 PXI形式进行设计，实际应用中可根据需求的导航系统数量、频点数 量，选用特定的功能单元，使得系统具有高度的灵活性、可配置性。

2、本发明采用高速的PXI总线完成数据通信，使用PXI总线的 1PPS基准信号实现精确时间同步，零槽控制器产生的数学数据向硬 件板卡发送的更新频率非常高，其时间间隔最低可到5毫秒，较好的 满足了通航领域对于实时性的要求。

3、本发明在传统导航模拟器的基础上，增加了多用户仿真功能， 模拟器可同时产生同一场景中多个通航飞行器的导航设备接收到的 导航信号，满足通航测试对于多个飞行器在同一场景中运动情况的测 试需求。

4、本发明具备GNSS/INS组合导航仿真能力，能提供同步的GNSS 和INS导航信号，为通航飞行器的GNSS导航、INS导航及两者组合 导航的测试提供支持。

附图说明

图1是本发明的电原理方框图。

图2是本发明时频信号处理单元实施例的电原理图。

图3是本发明用户1信号产生单元实施例的电原理图。

图4是本发明频点1信号产生模块实施例的电原理图。

图5是本发明通道1基带信号产生模块实施例的电原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的描述。

本发明的通航实时GNSS/INS组合导航信号模拟器包括PXI零槽 控制器1、铷钟2、时频信号处理单元3、PXI总线4和用户信号产生 单元5，其中，用户信号产生单元5由用户1至用户N信号产生单元 5-1至5-N组成，每个信号产生单元结构相同，其数量根据需要的用 户数量来确定，有几个用户则有几个信号产生单元。图1是本发明的 电原理方框图，实施例按图1接线。PXI零槽控制器1产生数仿信息 发送到PXI总线4上，并从PXI总线4获取用户信号产生单元5上报 的状态信息。铷钟2产生高稳的10MHz正弦信号，提供给时频信号产 生单元3，作为模拟器的参考时钟。不使用外1PPS信号时，时频信 号产生单元3自身生成1PPS信号作为模拟器的1PPS基准信号；使用 外1PPS信号时，时频信号产生单元3将外1PPS信号作为模拟器的 1PPS基准信号；时频信号产生单元3将1PPS基准信号经PXI总线4 发送至用户信号产生单元5。用户信号产生单元5根据输入的数仿信 息、10MHz参考时钟和1PPS基准信号，实时产生GNSS信号、INS信 号、GNSS测试信号。实施例的PXI零槽控制器选用ADLink PXI-3950， 铷钟选用LPFRS-01/10M，PXI背板选用支持标准PXI协议的背板即可。

时频信号处理单元3包括功分器8、第一至第三电平匹配(9、 10、12)、10M分频器11、内外1PPS选择电路。图2是本发明时频信 号处理单元3实施例的电原理图，实施例按图2接线。10MHz时钟信 号进入功分器8分为两路，一路经第一电平匹配9电路产生10MHz参 考时钟送PXI总线4，另一路经第二电平匹配10电路后送FPGA，经 FPGA内的10M分频器11产生内1PPS信号。外1PPS信号和内1PPS 信号通过a、b两个触点进行选择输出，在经第三电平匹配12电路送 到PXI总线4上。时钟信号在印制电路板上完成分路，通过以AD8099 芯片为核心构成的电平匹配电路完成到后级模块的电平匹配，10M分 频器、内外1PPS选择电路均在Altera Cyclone系列FPGA中实现。

用户1信号产生单元5-1包括频点信号产生模块13、射频信号 合路器16、功分器17和功率衰减器18，频点信号产生模块13由频 点1至频点K信号产生模块13-1至13-K组成，并且各信号产生模块 结构相同，其数量根据系统所需的频点数量决定是1个还是多个。图 3是本发明用户1信号产生单元5-1实施例的电原理图，实施例按图 3接线。频点信号产生模块13的各模块根据输入的数仿信息、10MHz 参考时钟和1PPS基准信号实时产生射频导航信号，多个模块产生多 个射频导航信号，上述射频导航信号经射频信号合路器16合成一路 信号输出到功分器17；功分器17将信号分为两路，一路为GNSS测 试信号，另一路经功率衰减器18产生可供接收机使用的GNSS信号， 其中的GNSS测试信号在实际设备中可不设置输出口。频点信号产生 模块13的各模块在工作过程中，均通过PXI总线4向PXI零槽控制 器1上报工作状态。此外，用户信号产生单元的所有单元均需输出1 个与GNSS同步的INS信号，只需选定频点信号产生模块13中的一个 模块产生该INS信号。实施例的射频信号合路器16、功分器17、功 率衰减器18为通用射频器件。

频点1信号产生模块13-1包括通道基带信号产生器19、多径基 带信号产生器22、INS信号产生器25、状态寄存器26、加法器27、 数字时钟发生器28、数模转换器29和上变频器30，通道基带信号产 生器19包括通道1至通道M基带信号产生器19-1至19-M，多径基 带信号产生器22包括多径1至多径Q基带信号产生器22-1至22-Q。 图4是本发明频点1信号产生模块13-1实施例的电原理图，实施例 按图4接线。通通道基带信号产生器19和多径基带信号产生器22产 生的基带信号经加法器27合成一路输出到数模转换器29；数模转换 器29所使用的高频时钟是数字时钟发生器28产生的；基带信号经数 模转换器29得到模拟基带信号发送给上变频器30；上变频器30输 出射频导航信号给射频信号合路器16。状态寄存器26包含导航系统 整周计数、周内秒等寄存器，用于存储和上报系统运行相关的特定数 据。INS信号产生器25根据需要选配，其作用是在数仿信息控制下 产生与GNSS信号同步的INS信号。频点2至频点K信号产生模块 13-2至13-K没有INS信号产生器25，其他结构与频点1信号产生模 块13-1相同。实施例的INS信号产生器、状态寄存器、加法器使用 Altera Stratix系列芯片设计完成，数字时钟发生器使用AD9522芯 片实现，数模转换器使用AD9148芯片设计实现，上变频器为通用的 射频器件。

通道1基带信号产生器19-1包括数字信号处理器31、数字锁相 环32、载波生成器33、伪码生成器34、电文生成器35、乘法器36 和扩频调制器37。图5是本发明通道1基带信号产生模块19-1实施 例的电原理图，实施例按图5接线。数字信号处理器31接收并解析 数仿信息，产生各种控制指令、数据指令下发给载波生成器33、伪 码生成器34、电文生成器35。数字锁相环32使用输入的10MHz参 考时钟产生多个同步的、高稳的时频信号供后端模块使用。载波生成 器33产生低频正弦、余弦载波信号，与伪码生成器34产生的伪码序 列经乘法器36进行乘法运算，之后与电文生成器产生的电文在扩频 调制器37完成扩频调制，产生基带信号。实施例的数字信号处理器 选用TI TMS320C6747DSP芯片，其余所有模块均在Altera Stratix 系列芯片上设计开发。其中载波生成器采用DDS(Direct Digital  frequency Synthesis，直接数字频率合成)技术实现；伪码生成序 列的设计依据各导航系统的空间接口控制文件；电文生成器使用FPGA 的FIFO IP核实现，存储和发送数仿信息中的电文数据。

通道2至通道M基带信号产生器(19-2至19-M)和通道1基带 信号产生器19-1的结构相同，多径1至多径Q基带信号产生器(22-1 至22-Q)和通道1基带信号产生器(19-1)的结构相同；通道基带信 号产生器的数量与该频点上可见卫星的最大数量相同，多径基带信号 产生器的数量与可见星的最大数量和多径模型有关，根据实际情况进 行确定。

本发明简要工作原理如下：

PXI零槽控制器产生的数仿信息和时频信号处理单元产生的 1PPS基准信号、10MHz参考时钟通过PXI总线发送给用户信号产生 单元。用户信号产生单元中的基带信号产生器是底层设计，能够生成 1个通道基带信号或1个多径基带信号；多个基带信号产生器及相关 电路构成频点信号产生模块，属于中层设计部件，负责整合基带信号 产生1个频点的射频信号及INS信号；用户信号产生单元是上层设计， 负责整合射频信号及INS信号产生一个用户的GNSS信号、INS信号 和GNSS测试信号。