基于ZYNQ架构的无人机导航诱骗基带信号处理方法

摘要

本发明公开了一种基于ZYNQ架构的无人机导航诱骗基带信号处理方法，首先，双核ARM处理器接收无人机位置、BDS星历参数、GPS星历参数和载体轨迹等参数，计算出卫星与用户之间的距离，并编码导航电文；接着，利用电离层模型计算出对应的BDS和GPS电离层延迟修正值；利用对流层修正模型计算出对应的对流层延迟修正值；然后结合所述卫星与用户之间的距离和仿真起始时间计算出对应的码频率控制字和载波频率控制字；FPGA处理器通过AXI总线接收ARM处理器传过来的相关参数，利用DDS技术生成数字中频信号，最后通过DAC得到模拟中频信号，通过同轴电缆线进行传输，能够提高性能稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航、电子对抗技术领域，尤其涉及一种基于ZYNQ架构的无人机导航诱骗基带信号处理方法。

背景技术

伴随着信息技术高速发展，小型、超小型无人机技术飞速发展，横空出世，全球普及，多个领域都极大地方便了人们的生产生活。然而，随着无人机数量的快速增长，未经登记、不被允许的“黑飞”事件时有发生，无人机可能引起人伤物损、干扰航班飞行、测绘泄密以及被恐怖分子利用等危害，同时“低小慢”无人机非常隐蔽，有效管控黑飞无人机成为空域监管的难题。

随着中国北斗卫星导航系统的全面建成，市面上越来越多的无人机搭载北斗+GPS接收机实现导航定位。无人机导航诱骗基带信号处理板卡作为无人机导航诱骗的核心部件，其作用不可忽视，研究意义重大。目前市面上大多数基带信号处理板卡分为处理器系统和可编程逻辑单元两部分，分别使用两个芯片实现，存在功耗大、体积大、成本高，最终存在性能不稳定的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ZYNQ架构的无人机导航诱骗基带信号处理方法，提高性能稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于ZYNQ架构的无人机导航诱骗基带信号处理方法，包括以下步骤：

获取BDS星历参数、GPS星历参数和时间用户轨迹参数，计算出卫星与用户之间的距离，并编码导航电文；

基于编码后的所述导航电文中的多个修正参数，利用电离层模型计算出对应的BDS和GPS电离层延迟修正值；

基于对应的折射率和观测点与卫星间的仰角，利用对流层修正模型计算出对应的对流层延迟修正值；

基于所述电离层延迟修正值、所述对流层延迟修正值和所述卫星与用户之间的距离计算出的对应的码和载波NCO控制字，并转换为模拟中频信号后，通过同轴电缆线进行传输。

其中，基于编码后的所述导航电文中的多个修正参数，利用电离层模型计算出对应的BDS和GPS电离层延迟修正值，包括：

基于编码后的所述导航电文中的多个修正参数、用户位置的经度和纬度、卫星方位角和仰角，利用电离层模型计算对应的BDS电离层延迟修正值。

其中，利用电离层模型计算对应的BDS电离层延迟修正值，包括：

利用所述电离层模型将电离层的垂直延迟转化为北斗B1I信号传播路径上的第一电离层延迟修正值；

将所述第一电离层延迟修正值与频率因子相乘，得到北斗B2I信号传播路径上第二电离层延迟修正值，其中，所述频率因子为所述B1I信号的中心频率与所述B2I信号的中心频率的比值的平方。

其中，基于对应的折射率和观测点与卫星间的仰角，利用对流层修正模型计算出对应的对流层延迟修正值，包括：

基于当前观测点点的温度、湿度和大气压力，并结合所述观测点与卫星间的仰角，计算出对应的所述BDS和所述GPS的对流层延迟修正值。

其中，获取BDS星历参数、GPS星历参数和时间用户轨迹参数，计算出卫星与用户之间的距离，并编码导航电文之后，所述方法还包括：

判断是否添加电离层和对流层误差。

其中，基于所述电离层延迟修正值、所述对流层延迟修正值和所述卫星与用户之间的距离计算出的对应的码和载波NCO控制字，并转换为模拟中频信号后，通过同轴电缆线进行传输，包括：

根据所述BDS和所述GPS对应的所述电离层延迟修正值与所述对流层延迟修正值计算出对应的伪距率，并结合所述卫星与用户之间的距离和仿真起始时间计算出所述BDS和所述GPS对应的初始码相位、整数码片数、码频率控制字和载波频率控制字。

其中，结合所述卫星与用户之间的距离和仿真起始时间计算出所述BDS和所述GPS对应的初始码相位、整数码片数、码频率控制字和载波频率控制字之后，所述方法还包括：

实时更新所述码频率控制字和所述载波频率控制字，并以AXI总线发送给FPGA处理器。

本发明的一种基于ZYNQ架构的无人机导航诱骗基带信号处理方法，只有一片ZYNQ但包含两个ARM处理器和一个FPGA处理器；首先，双核ARM处理器通过UART或网口接收上位机或无人机探测设备发送的无人机位置、BDS星历参数、GPS星历参数和载体轨迹等参数，计算出卫星与用户之间的距离，并编码导航电文；接着，基于编码后的所述导航电文中的多个修正参数，利用电离层模型计算出对应的BDS和GPS电离层延迟修正值；基于对应的折射率和观测点与卫星间的仰角，利用对流层修正模型计算出对应的对流层延迟修正值；并结合所述卫星与用户之间的距离和仿真起始时间计算出所述BDS和所述GPS对应的初始码相位、整数码片数、码频率控制字和载波频率控制字；FPGA处理器通过AXI总线接收ARM处理器传过来的相关参数，利用DDS技术生成数字中频信号，最后通过DAC得到模拟中频信号，通过同轴电缆线进行传输，能够提高性能稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种基于ZYNQ架构的无人机导航诱骗基带信号处理方法的步骤示意图。

图2是本发明提供的基带信号处理平台硬件设计框图。

图3是本发明提供的GPS L1频点I路信号结构图。

图4是本发明提供的北斗B1I频段信号结构示意图。

图5是本发明提供的北斗B2I频段信号结构示意图。

图6是本发明提供的电离层误差特征点示意图。

图7是本发明提供的ARM处理器的结构图。

图8是本发明提供的ARM算法流程图。

图9是本发明提供的系统FPGA处理器结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本发明提供一种基于ZYNQ架构的无人机导航诱骗基带信号处理方法，包括以下步骤：

S101、获取BDS星历参数、GPS星历参数和时间用户轨迹参数，计算出卫星与用户之间的距离，并编码导航电文。

具体的，如图2所示，Zynq平台由两部分组成：处理器系统PS(Processingsystem，简称PS)和可编程逻辑PL(Programmablelogic简称PL)。PS部分以ARMCortex-A9双核处理器为核心，配有AXI互联矩阵，以太网、UART等通用外设控制器等，提供了全面的操作系统支持。PL部分基于Xilinx7系列FPGA架构，提供了通用硬件可编程资源，包括CLB(configurablelogicblocks，可配置逻辑块)、IOB(Input/Outputblocks，输入输出块)、时钟资源、高性能ADC、ARM、BockRAM(块随机存储器)等。本发明将在ZYNQ-7020为核心的硬件平台上完成了高精度欺骗基带信号的生成工作。

ZYNQ-7020处理器包含ARMCortex-A9双核ARM处理器和一个独立的Xilinx artix-7系列的FPGA处理器。配置有QSPIFLASH控制器、DDR控制器、UART控制器，FLASH控制器上外挂有FLASH存储器，DDR控制器上外挂有SDRAM存储器，UART(UniversalAsynchronousReceiverandtransmitter，通用异步收发传输器)控制器用于控制UART传输器给用户TTL格式的电平。ZYNQ芯片外接RealtekRTL8211E-VL以太网PHY芯片，通过以太网的方式实现用户和无人机导航诱骗基带信号处理板卡远距离通信。本发明的设计与传统的GNSS基带信号处理板卡设计方法相比，ZYNQ芯片外挂SD卡，可以不需上位机或手持遥控器下发星历和用户欺骗轨迹等数据，可以直接从SD卡读取数据。

通过串口把上位机软件内部预存的BDS星历参数、GPS星历参数通过FPGA处理器中的FIFO发送给ARM处理器。上位机软件作为人机交互界面，用来下发控制参数，包括系统选择开关、通道开关、整体功率衰减、单通道功率衰减等；上位机软件还可以实时显示GNSS导航诱骗设备所模拟的可见星信息，包括卫星位置、卫星仰角、卫星方位角等信息；同时上位机软件还可实时显示载体的位置、速度、当前时间等信息。

当所述ARM处理器接收到BDS星历参数、GPS星历参数和时间用户轨迹参数后，根据用户要求，选择模拟源信号生成工作环境，计算机生成接收机运动轨迹，根据发来的导航电文，提取星历、钟差等信息；根据用户设定的运动轨迹和星历参数，计算卫星的位置，实时计算接收机与卫星的相对位置，计算出全部卫星信号发送时刻的信号状态(码相位、载波相位)；根据提取的星历和钟差信息，重新进行导航数据计算，打入电文时标，生成卫星的导航信息，然后编码导航电文。基于ZYNQ架构无人机导航诱骗基带信号处理板卡的处理器部分只有一片ZYNQ但包含两个ARM处理器和一个FPGA处理器，满足无人机导航诱骗基带信号处理板卡各功能及资源的需求，硬件成本大幅度降低，体积大幅度缩小。ZYNQ平台内部模块控制器及参数配置简单方便，电路简洁、集成度高，可根据用户需求快速设置，大幅度减少开发周期

在进行电离层修正和对流层修正之前，需要判断是否引入对应的模型进行修正，增加对数据处理的灵活的。

S102、基于编码后的所述导航电文中的多个修正参数，利用电离层模型计算出对应的BDS和GPS电离层延迟修正值。

具体的，GPS导航信号采用伪码直接序列扩频、双载波正交二相移键控(BPSK)调制和连续的帧信息结构形式。GPS L1频点的I路信号上调制有50bps的导航电文和1.023Mcps的C/A码序列。L1频点的Q路调制有速率为50bps的导航电文和10.23Mcps的P码序列。GPS L1频点I路信号结构图如图3所示。

在t时刻第i颗GPS卫星在L1频点的信号表达式为：

式1-1中P

BDS信号结构：BDS卫星所发射的信号从结构上来看类似于GPS信号，其结构分为：载波、伪码、数据码。与GPS明显的不同之处是BDS有三种类型的卫星：GEO卫星、MEO卫星和IGSO卫星。BDS卫星播发50bit/s的D1导航电文和500bit/s的D2导航电文。BDS是先对伪码和导航电文在I、Q支路上进行扩频调制，再对载波正交四相相移键控(QPSK)调制。北斗B1I、B2I、B3频点信号生成示意图如图4和图5所示。

北斗卫星导航系统B1、B2频点信号分别由I、Q两个支路的测距码和导航电文正交调制在载波上构成。B1、B2信号表达式分别如下：

式1-2和式1-3中：上标j表示卫星编号；A

欺骗系统一般都是在地面上对无人机发射诱导信号，欺骗信号传播过程是没有经历过电离层，而实际上真实卫星信号到达无人机的接收端都是要穿越电离层的，凡是经过电离层的卫星信号，都将会导致卫星信号的载波相位超前，而测距码和导航电文出现延迟，因此欺骗系统设计中为了更加逼真的模拟欺骗卫星信号，需要在欺骗信号的测距码和电文中引入延迟误差值，这些修正的误差值是在人为地引入了电离层误差模型上计算出来的。

在无人机导航欺骗系统设计中，采用Klobuchar模型在ZYNQ-7020ARM中建立电离层模型，该模型包括多个参数，这多个参数通过导航电文播发，利用Klobuchar模型和多个修正参数，计算某颗欺骗卫星对应的电离层延迟修正值。电离层误差示意图如图6所示。

在GNSS导航欺骗设备的设计中，根据导航电文给出的多个修正参数α

式1-4中t为卫星到观测点连线和电离层的交点(入射点M’)处的地方时。

A

A

式1-5和1-6中入射点M’的地理纬度φ

φ

其中，A为卫星方位角，ψ为用户和射入点的地心张角；用户位置的经纬度λ

入射点M’的地理经度λ

其中，A为卫星方位角，ψ为用户和射入点的地心张角，其计算公式为：

式1-9中的R为地球半径，取值为6378km；E为卫星高度角，h为电离层单层高度。使用公式1-4将电离层的垂直延迟转化为北斗B1I信号传播路径上的电离层延迟I

对于B2I信号，其传播路径上的电离层延迟I

式2-2中，f

B1I和B2I信号的电离层延时I

S103、基于对应的折射率和观测点与卫星间的仰角，利用对流层修正模型计算出对应的对流层延迟修正值。

具体的，在欺骗系统产生欺骗信号时，不仅要考虑电离层延迟带来的误差，还需要考虑另一个重要的误差来源-对流层延迟。同样需要在欺骗系统中建立对流层模型，对流层延迟一般泛指非电离大气对电磁波的折射，当卫星信号通过对流层引起的延迟和折射率有关，而折射率的大小是由所在的地理环境的大气压力、温度和湿度决定的。本发明的欺骗系统采用对流层修正模型(ModifyHopfield)。

本发明GNSS导航欺骗设备所采用的对流层误差模型为经典的霍普菲尔德修正模型(ModifyHopfield)，计算公式为：

式2-4中，η

式2-4中，T

S104、基于所述电离层延迟修正值、所述对流层延迟修正值和所述卫星与用户之间的距离计算出的对应的码和载波NCO控制字，并转换为模拟中频信号后，通过同轴电缆线进行传输。

具体的，根据BDS和GPS对应的所述电离层延迟修正值、所述对流层延迟修正值、接收机运动轨迹与系统仿真起始时间分别计算出BDS和GPS系统各个通道的初始码相位、整数码片数、码频率控制字、载波频率控制字，并经ARM的AXI总线发送给FPGA；由于存在多普勒频率偏移，ARM实时更新码频率控制字和载波频率控制字，并实时地通过ARM的AXI总线发送给FPGA。ARM与FPGA数据交互采用处理器之间内部总线方式，摒弃了传统的FPGA与ARM或ARM数据交互采用片外PCB走线的方式，抗干扰性能明显提高，误码率有效降低。本发明引入高精度欺骗信号延迟技术，从电离层和对流延迟计算模型入手，人为在欺骗系统建立电离层和对流层误差模型，生成更加逼真的模拟欺骗卫星信号

FPGA信号生成模块接收ARM下发的初始码相位、整数码片数、码频率控制字、载波频率控制字和导航电文，并保存在寄存器中。FPGA处理器在接收到ARM处理器发送的通道启动标志位后，同步启动FPGA处理器中的BDS信号通道和GPS信号通道；信号通道分别完成相应频点的载波信号生成、伪随机码信号生成、导航电文的模拟和调制、载波调制。

D/A转换模块将BDS和GPS系统4个频段的数字中频信号转换为模拟中频信号，模拟中频信号通过同轴电缆线输出到上变频模块。

其中，双核ARM处理器完成各种数据处理，计算信号控制参数。双核ARM处理器接收上位机发过来的用户数据，根据用户要求，选择模拟源信号生成工作环境，计算机生成接收机运动轨迹；根据发来的导航电文，提取星历、钟差等信息；根据用户设定的运动轨迹和星历参数，计算卫星的位置，实时计算接收机与卫星的相对位置，计算出全部卫星信号发送时刻的信号状态(码相位、载波相位)；根据提取的星历和钟差信息，重新进行导航数据计算，打入电文时标，生成卫星的导航信息；计算卫星信号发射时刻各颗卫星各种模拟仿真信号参数和控制信息；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。

其中，FPGA处理器具有GNSS基带数据处理单元，FPGA主要负责数字信号合成工作，由载波信号生成模块、伪码信号生成模块、导航电文读取模块、时序控制模块和数据通信模块六部分组成。ARM在初始阶段计算出可见卫星的初始载波相位和伪码相位，发送给FPGA通道，FPGA通道接收到相关信息后，根据卫星号及所属导航系统，选择相应的载波信号生成模块和伪码信号生成模块，再从计算的初始相位开始进行频率控制字累加。生成的伪码信号与导航电文模二加扩频，再调制到载波上，最后生成数字中频信号。单路信号生成模块是整个FPGA算法的核心，它由伪码NCO模块、载波NCO模块、导航电文模块和信号调制模块四部分组成。其中，伪码NCO模块和载波NCO模块都采用直接数字频率合成技术(DDS)生成信号。

ZYNQ-7020ARM cortex-A9处理器的整体运算流程：ARM处理器主要完成系统初始化信息提取、信号生成参数计算和系统控制参数计算等功能。首先接收上位机软件下发的场景文件和星历文件，并提取相关信息。场景文件中主要包含系统起始仿真时间、用户接收机运动轨迹、仰角门限、电离层开关和对流层开关等信息；星历文件主要包括BDS星历参数和GPS星历参数。然后根据用户设定的载体运动方式，生成载体运动轨迹；根据星历参数计算所有卫星的空间坐标，判断卫星的可见状况；分别对BDS和GPS前12颗可见卫星，实时计算载体和每颗卫星之间的伪距及伪距变化率，进而得到系统仿真起始时间的信号初始状态，并生成码初始相位、载波初始相位、整数码片数、码频率控制字和载波频率控制字。分别对BDS和GPS进行电文编码，并预存导航电文。ARM计算完初始化数据后，发送通道状态字给ZYNQ-7020FPGA处理器，FPGA每个通道开始生成信号。系统启动以后，ARM实时更新信号生成参数，并通过AXI-4总线与FPGA进行数据交互。BDS/GPS卫星信号GNSS导航欺骗设备的ARM处理模块结构图如图7所示。

本设计采用ZYNQ-7020架构的信号处理平台，BDSB1、B2、B3频段信号共用导航电文，节约了ARM运算时间。由于BDSB1、B2、B3信号频率不同，因此NCO参数不同，需要分开计算。由上图可知，BDS系统和GPS系统在信号处理流程上是基本一致的，只是处理器不同而已。BDS/GPSGNSS卫星导航欺骗设备ARM算法流程图如图8所示。

ZYNQ-7020FPGA处理器的整体运算流程：

本设计中FPGA模块主要负责中频信号的合成和信号功率控制。FPGA主要功能包括伪码生成、载波生成、伪码调制、载波调制、系统时序控制和数字中频信号合成。FPGA模块在设计时以通道为基本单元，本设计中FPGA总共包含48个信号通道，最多可以同时生成48颗可见卫星的数字中频信号。1-12号通道合成GPS系统L1频段信号，13-24号通道合成BDS系统B1频段信号，25-36号通道合成BDS系统B2频段信号，37-48号通道合成BDSB3频段信号。

系统初始化阶段，FPGA在接收到ARM发送的载波NCO参数、码NCO参数、导航电文和通道状态字后，从通道状态字中提取卫星号并选择对应的信号通道，然后进行导航电文NH调制、伪码调制、载波调制，合成与卫星号相对应频段信号的伪码和载波，最后将同一个频段的多个多通道信号进行合成，生成BDS和GPS系统卫星数字中频信号。同一个卫星导航系统的FPGA各信号通道的模块结构基本相同，BDS系统和GPS系统FPGA信号通道的差异在于信号调制过程中：BDS系统IGSO/MEO卫星信号先对导航电文进行NH码调制，然后再进行伪码调制；而GPSL1频段信号不需要进行NH调制。本发明研制的BDS/GPS卫星信号GNSS导航欺骗设备FPGA模块结构框图如图9所示。

本发明的一种基于ZYNQ架构的无人机导航诱骗基带信号处理方法，只有一片ZYNQ但包含两个ARM处理器和一个FPGA处理器；首先，双核ARM处理器通过UART或网口接收上位机或无人机探测设备发送的无人机位置、BDS星历参数、GPS星历参数和载体轨迹等参数，计算出卫星与用户之间的距离，并编码导航电文；接着，基于编码后的所述导航电文中的多个修正参数，利用电离层模型计算出对应的BDS和GPS电离层延迟修正值；基于对应的折射率和观测点与卫星间的仰角，利用对流层修正模型计算出对应的对流层延迟修正值；并结合所述卫星与用户之间的距离和仿真起始时间计算出所述BDS和所述GPS对应的初始码相位、整数码片数、码频率控制字和载波频率控制字；FPGA处理器通过AXI总线接收ARM处理器传过来的相关参数，利用DDS技术生成数字中频信号，最后通过DAC得到模拟中频信号，通过同轴电缆线进行传输，能够提高性能稳定性。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。