卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台及其方法

摘要

本发明公开了一种卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台及其方法，包括PC端仿真模块、以太网通信模块、卫星信号基带处理单元、射频模块，其中卫星信号基带处理单元包括处理器、总线控制器、内部存储器RAM、卫星信号捕获模块、卫星信号跟踪模块、低速总线控制器、数据传输总线；本发明测试平台通过射频模块采集卫星信号，再经卫星信号基带处理单元进行处理，然后通过以太网接口实时传送到PC端的仿真模块进行处理，PC端的仿真模块处理完成后将处理结果反馈到卫星信号基带处理单元，更新卫星信号基带处理单元对卫星信号的捕获和跟踪状态，由此形成一个仿真测试的硬件闭合环路。

说明书

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，更具体的，是一种卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台及其方法。

背景技术

卫星导航定位技术对一个国家的军事以及国民事业发展都有着重要的意义，为了摆脱对美国GPS定位系统的依赖，很多国家都纷纷开展属于的卫星导航系统研究。目前较为成熟的卫星导航系统有三个，包括美国的GPS定位系统、俄罗斯的GLONASS定位系统以及中国的北斗定位系统。由 GPS 定位原理可知，要想解调出完整的导航数据，必须要在本地接收机端复现与接收信号位同步的载波和码信号。在 GPS 基带信号的捕获过程中，得到一个粗略估计值的载波频率和码相位。跟踪部分对这个粗略的估计值进行细化，并不断的调整本地载波和码相位的值，使它始终跟随着输入信号相位的变化。当跟踪环路进入了稳定的跟踪状态后，就可以获得准确的导航电文信息，然后对导航数据进行解算，即可完成定位的功能。由此，跟踪环路的设计成为卫星导航系统的关键部分，对卫星导航系统的定位精度和稳定性起到了关键性的作用。同时，跟踪环路的参数设计复杂，特别是在高动态的卫星导航系统和组合导航系统中，跟踪环路的设计、验证、实现成为了卫星导航系统设计的关键一环。

硬件在环是实时仿真技术的一种重要工程应用形式，即被控对象采用实时数学模型模拟，与真实的控制器连接，进行整个系统的半实物实时仿真测试，可以方便地实现设计方案的验证与优化，缩短开发周期，降低研发成本。硬件在环在电机、电力领域已得到广泛的运用，比如：在黄苏融发表的论文《基于现场可编程门阵列永磁同步电机模型的硬件在环实时仿真测试技术》中介绍的将硬件在环运用于实现电机控制器的性能测试、设计验证及优化，但是在通信、导航领域还是一片空白。

发明内容

本发明解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够有效地解决卫星导航系统跟踪环参数调试的繁琐复杂问题，方便跟踪环路的设计，提高算法的设计、调试、验证、实现的效率，并实现卫星导航系统的定位功能的卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台及其方法。该卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台的研发和实现填补国内和国际在卫星导航系统硬件在环实时仿真测试的空白。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下 ：

本发明的卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台，本发明的卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台，包括有PC端仿真模块、以太网通信模块、卫星信号基带处理单元、射频模块，其中：

卫星信号基带处理单元包括处理器、总线控制器、内部存储器RAM、卫星信号捕获模块、卫星信号跟踪模块、总线控制器、数据传输总线；

处理器，用于完成卫星信号基带的数据运算，控制捕获和跟踪模块的运行、中断，以及接收捕获和跟踪模块的信息；

总线控制器，用于控制数据总线的数据传送；

内部存储器RAM，用于完成处理器和总线上的数据存储和缓存；

卫星信号捕获模块，用于完成对卫星信号的捕获，获取初始的星历信息包含卫星号、初始相位及初始频偏；

卫星信号跟踪模块，用于完成卫星信号的跟踪，并根据卫星的更新周期提供卫星的相位值和频偏值，以及星历信息；

低速总线控制器，用于完成外部GPIO接口与内部高速总线之间的转换，并控制外部GPIO接口；

数据传输总线，用于完成卫星信号基带处理单元内部的数据传送；

PC端仿真模块，用于完成卫星信号基带处理单元通过以太网传送的I支路和Q支路相关结果数据的处理，并将处理的结果通过以太网传送到卫星信号基带处理单元，实时更新卫星信号的捕获和跟踪状态；

以太网通信模块，用于完成PC端仿真模块与卫星信号基带处理单元之间的通信；

射频模块，用于完成卫星信号的滤波、下变频以及模数转换。

所述PC端仿真模块和卫星信号基带处理单元采用100M的以太网进行实时通信。

所述以太网通信模块接收卫星信号基带处理单元处理的完成I支路和Q支路的相关累加数据，并对数据缓存到FIFO，最后再传送到PC端仿真模块。

所述以太网通信模块将PC端真模块处理I支路和Q支路的相关累加数据后的结果缓存到FIFO中，最后将结果发送到卫星信号基带处理单元。

所述卫星信号捕获模块，采用半带滤波和四倍抽取将16.368Mps的 ADC采样数据速率变为4.092Mps。

所述卫星信号捕获模块，采用分段匹配滤波器将输入信号与本地产生的C/A码进行相关运算，并根据不同的相关时间长度，采用不同的抽头数。

所述卫星信号捕获模块采用RAM对要求6的相关运算结果进行缓存，并根据不同的抽头将数据采用两个大小为32KB的RAM进行缓存，不同的抽头每1ms存的值不同，即存满4092*N（N是抽头数）点的空间不同，因此缓存的时间也不同；且卫星信号捕获模块采用乒乓读写方式操作两个大小为32KB的RAM组成一个64KB的缓存空间，提高系统的效率；另外，卫星信号捕获模块采用基为4，点数为64点的FFT对要求8缓存的相关积分值进行运算，并行完成频率的搜索。

所述卫星信号捕获模块，采用门限判决的方法对要求9 FFT输出的64个值进行判决，并确定最大值所在的行列号，在连续进行4092次的FFT最大值判断后，将得到的最大值与设置的门限值进行比较，如果超过了门限值则捕获成功，否则捕获失败；在捕获成功后，将捕获到的卫星号、码相位、搜索多普勒频率缓存到RAM中，且在捕获成功后，跟踪模块周期性从RAM中读取数据，并开启相应的跟踪通道，在通道跟踪正常后将各个跟踪通道的码相位、载波频率以及相干积分值缓存到RAM中；另外，卫星信号跟踪模块，采用1/4个码片间隔。

所述处理器，在通道跟踪正常后读取RAM的数据，完成载波环和码环的计算后，将载波控制字和码控制字更新到相应的跟踪环路中。

本发明卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台的测试方法，其卫星信号捕获模块中断控制运行步骤为：

11） 捕获模块1032在搜索完成一个频点后，发送一个中断请求至处理器，处理器进入捕获中断程序，读取捕获的成功标志位，如果捕获成功则进入步骤S2，否则进入步骤S3；

12）处理器，将捕获缓存RAM中存储的捕获卫星号、码相位、搜索的多普勒频率以及FFT最大值对应行列值读取到出来，并执行频偏转换，利用FFT最大值对应的行列值与搜索多普勒频率求出卫星真正的多普勒频率，并将捕获结果送到跟踪通道进行跟踪，再进行下一个卫星的搜索。

13）首先判断该卫星所有频点是否搜索完毕，如果没搜索完则进行下一个频点搜索；如果搜索完毕则说明该卫星信号可能不存在，更改搜索卫星号并将搜索频点从头开始，搜索下一个卫星，重新返回至步骤S1，直至搜索完成所有卫星；

卫星信号跟踪模块中断控制运行步骤为：

21）当捕获模块输出的码片相位计数器复位时，跟踪模块就会产生一个锁存信号将各个跟踪通道的跟踪信息锁存到跟踪缓存RAM中，并触发跟踪中断通知处理器读取各个跟踪通道的三个支路1ms相干积分值、多普勒频率以及码相位信息，然后对各个跟踪通道进行位同步检测，如果位同步不成功则进入步骤S2，否则进入步骤S3；

22）处理器根据相干积分值进行环路参数的处理，将其转化为载波发生器及C/A码发生器的控制字发送到跟踪缓存RAM中；

23）首先根据当前支路的I、Q积分值计算出通道的载噪比进行通道失锁检测，如果低于门限则释放跟踪通道并将该卫星号重新加入捕获列表。如果通道没失锁则判断当前时刻是否到达比特边沿，如果不是则继续后续的处理；如果是则将前20ms的I支路相干积分值和的符号作为星历的比特位存入星历缓存数组，进入步骤S4；

24）进行帧同步判断，如果帧同步成功，当前ms计数是否到达1000，如果是则锁存各个跟踪通道的多普勒频率、码相位、字计数器、比特计数器以及当前比特内毫秒计数值，并对解算标志进行置位，通知处理器进行解算处理；

卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台的运行步骤为：

31）卫星信号基带处理单元中的卫星信号捕获模块捕获到卫星信号后，将相关的卫星信息缓存到RAM中，卫星信号捕获模块在捕获成功后根据RAM的信息启动相应的跟踪通道，并将跟踪通道的信息缓存到RAM中，处理器读取RAM的跟踪通道信息后，完成载波环和码环的相关计算后，将载波频率控制字和码控制字更新到相应的跟踪通道中；

32）启动 PC端的仿真模块，将通过以太网接口模块传送使能信号至卫星信号基带处理单元；

33）卫星信号基带处理单元在接收到使能信号后，将各个通道的I支路和Q支路的相关积分值通过以太网接口模块传送到PC端的仿真模块；

34）PC端的仿真模块接收各个通道的I支路和Q支路的相关积分值，完成载波环和码环的相关计算后，将处理结果通过以太网接口模块传送到卫星信号基带处理单元，卫星信号基带处理单元接收后，更新到相应的跟踪通道中，完成卫星信号的捕获、跟踪的硬件在环仿真测试。

本发明的卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台，能够有效地解决卫星导航系统跟踪环参数调试的繁琐复杂问题，方便跟踪环路的设计，提高算法的设计、调试、验证、实现的效率，并实现卫星导航系统的定位功能。本发明卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台的研发和实现填补国内和国际在卫星导航系统硬件在环实时仿真测试的空白本发明是一种方便实用的卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台及其方法。

附图说明

图 1为卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台结构示意图。

图 2 为卫星信号捕获模块的结构框图。

图 3 为卫星信号跟踪模块的结构框图。

图 4 为以太网接口模块的结构框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示为本发明的卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台的结构示意图，包括PC端仿真模块101、以太网通信模块102、卫星信号基带处理单元103、射频模块104，其中：

卫星信号基带处理单元包括处理器1033、总线控制器1035、内部存储器RAM 1031、卫星信号捕获模块1032、卫星信号跟踪模块1034、低速总线控制器1036。

处理器1033，用于完成卫星信号基带的数据运算，控制捕获和跟踪模块的运行、中断，以及接收捕获和跟踪模块的信息；总线控制器1035，用于控制数据总线的数据传送；内部存储器RAM 1031，用于完成处理器1033和总线上的数据存储和缓存；卫星信号捕获模块1032，用于完成对卫星信号的捕获，获取初始的星历信息包含卫星号、初始相位及初始频偏等；卫星信号跟踪模块1034，用于完成卫星信号的跟踪，并根据卫星的更新周期提供卫星的相位值和频偏值，以及星历信息；低速总线控制器1036，用于完成外部GPIO接口与内部高速总线之间的转换，并控制外部GPIO接口；[l8]

PC端仿真模块101与以太网通信模块102采用100M的通信速率进行通信，以太网通信模块102接收卫星信号基带处理单元103处理的完成I支路和Q支路的相关累加数据，并对数据缓存到FIFO，最后再传送到PC端仿真模块101。在PC端仿真模块101处理I支路和Q支路的相关累加数据后，结果缓存到FIFO中，最后将结果发送到卫星信号基带处理单元103。

卫星信号捕获模块1032，采用半带滤波和四倍抽取将16.368Mps的 AD采样数据速率变为4.092Mps。接着采用分段匹配滤波器将输入信号与本地产生的C/A码进行相关运算，并根据不同的相关时间长度，采用不同的抽头数。

卫星信号捕获模块1032，采用RAM对相关运算结果进行缓存，并根据不同的抽头将数据采用乒乓读写方式操作方式将数据缓存到两个大小为32KB的RAM中，不同的抽头每1ms存的值不同，即存满4092*N（N是抽头数）点的空间不同，因此缓存的时间也不同。

卫星信号捕获模块1032，采用基为4，点数为64点的FFT对缓存的相关积分值进行运算，并行完成频率的搜索。然后采用门限判决的方法对FFT输出的64个值进行判决，并确定最大值所在的行列号，在连续进行4092次的FFT最大值判断后，将得到的最大值与设置的门限值进行比较，如果超过了门限值则捕获成功，否则捕获失败。在捕获成功后将捕获到的卫星号、码相位、搜索多普勒频率缓存到RAM中。

卫星信号跟踪模块1034的C/A码发生器，采用1/4个码片间隔产生滞后、即时、超前C/A码，在捕获成功后，卫星信号跟踪模块1034周期性从RAM中读取数据，并开启相应的跟踪通道。在通道跟踪正常后将各个跟踪通道的码相位、载波频率以及相干积分值缓存到RAM中。

处理器1033，在通道跟踪正常后读取RAM的数据，完成载波环和码环的计算后，将载波控制字和码控制字更新到相应的跟踪环路中。

上述的卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台的卫星信号捕获模块1032中断控制运行步骤为：

S1. 卫星信号捕获模块1032在搜索完成一个频点后，发送一个中断请求至处理器1033，处理器1033进入捕获中断程序，读取捕获的成功标志位，如果捕获成功则进入步骤S2，否则进入步骤S3；

S2.处理器1033，将捕获缓存RAM中存储的捕获卫星号、码相位、搜索的多普勒频率以及FFT最大值对应行列值读取到出来，并执行频偏转换，利用FFT最大值对应的行列值与搜索多普勒频率求出卫星真正的多普勒频率，并将捕获结果送到跟踪通道进行跟踪，再进行下一个卫星的搜索。

S3. 首先判断该卫星所有频点是否搜索完毕，如果没搜索完则进行下一个频点搜索；如果搜索完毕则说明该卫星信号可能不存在，更改搜索卫星号并将搜索频点从头开始，搜索下一个卫星，重新返回至步骤S1，直至搜索完成所有卫星。

上述的卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台的卫星信号跟踪模块1034中断控制运行步骤为：

S1. 当卫星信号捕获模块1032输出的码片相位计数器复位时，卫星信号跟踪模块1034就会产生一个锁存信号将各个跟踪通道的跟踪信息锁存到跟踪缓存RAM中，并触发跟踪中断通知处理器1033读取各个跟踪通道的三个支路1ms相干积分值、多普勒频率以及码相位信息，然后对各个跟踪通道进行位同步检测，如果位同步不成功则进入步骤S2，否则进入步骤S3；

S2.处理器1033根据相干积分值进行环路参数的处理，将其转化为载波发生器及C/A码发生器的控制字发送到跟踪缓存RAM中；

S3.首先根据当前支路的I、Q积分值计算出通道的载噪比进行通道失锁检测，如果低于门限则释放跟踪通道并将该卫星号重新加入捕获列表。如果通道没失锁，则判断当前时刻是否到达比特边沿，如果不是则继续后续的处理；如果是则将前20ms的I支路相干积分值和的符号作为星历的比特位存入星历缓存数组，进入步骤S4；

S4. 进行帧同步判断，如果帧同步成功，当前ms计数是否到达1000，如果是则锁存各个跟踪通道的多普勒频率、码相位、字计数器、比特计数器以及当前比特内毫秒计数值，并将解算标志位置1，通知上层进行解算。

上述的卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台的运行步骤为：

S1. 卫星信号基带处理单元103中的卫星信号捕获模块1032捕获到卫星信号后，将相关的卫星信息缓存到RAM中，卫星信号跟踪模块1034在捕获成功后根据RAM的信息启动相应的跟踪通道，并将跟踪通道的信息缓存到RAM中，处理器1033读取RAM的跟踪通道信息后，完成载波环和码环的相关计算后，将载波频率控制字和码控制字更新到相应的跟踪通道中；

S2.启动 PC端的仿真模块101，将通过以太网接口模块102传送使能信号至卫星信号基带处理单元103；

S3. 卫星信号基带处理单元103在接收到使能信号后，将各个通道的I支路和Q支路的相关积分值通过以太网接口模块102传送到PC端的仿真模块101；

S4. PC端的仿真模块101接收各个通道的I支路和Q支路的相关积分值，完成载波环和码环的相关计算后，将处理结果通过以太网接口模块102传送到卫星信号基带处理单元103，卫星信号基带处理单元103接收后，更新到相应的跟踪通道中，完成卫星信号的捕获、跟踪的硬件在环仿真测试。

上述处理器是leon3处理器，总线控制器是AHB总线控制器，低速总线控制器是APB总线控制器，PC端仿真模块是PC端仿真模块，射频模块是射频模块。

本发明的卫星导航系统硬件在环实时仿真测试平台，将射频前端、基带处理单元、以太网接口、PC端组成一个闭合环路系统，实现了卫星导航定位功能，并通过PC端的提高了跟踪环路算法的设计、调试、验证、实现的效率，为进一步的高动态的卫星导航系统和组合导航系统提供了实时仿真测试平台。

上述实施例是本发明的较佳实施方案，应该理解的是，上述实施例并不用于限制本发明，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理的宗旨的情况下，对上述实施例所做的变化、修改、替换和变形，均应落入本发明的保护范围之内。本发明未详细说明部分，属于本领域技术人员公知常识。