[发明专利]一种GPS直达与多径信号模拟器及模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及GPS卫星导航领域，具体涉及一种GPS直达与多径信号模拟器及模拟方法。

背景技术

在GPS接收机生产、调试、研究过程中，需要测定接收机对卫星信号接收及定位性能，以及接收机在弹载等复杂环境下的定位可用性，要获得这样的统计特性，不可能进行大数量的实际飞行验证。为方便地在实验环静态环境下实现这类测试，根据相对运动原理，不必把接收机放在导弹、星船等空间设备上，只需要模拟器模拟出接收机在这些轨迹下所接收到的导航卫星信号，在室内对静止接收机测试，接收机的定位结果就是模拟器所预先设定的轨迹，可以方便测试接收机在高空、高速运动条件下定位效果，这样节约了接收机的测试成本。根据这样的应用需求，GPS信号模拟器便应运而生。GPS卫星信号模拟器就是模拟产生GPS卫星导航信号，为GPS接收机的研制开发、测试提供仿真环境，它是卫星导航系统和接收机(尤其是高动态接收机)研制的关键仪器。GPS信号模拟器所模拟的仿真环境环境越逼真，对于GPS接收机的性能测定则越为准确。

在实际环境下，接收天线所接收到的信号，不仅包含有直达波信号、而且包含有经周围物体的反射后所产生的镜面反射信号和漫散射信号等反射波信号。反射波信号将对直接来自卫星的信号(直达波)产生干扰，从而使观测值偏离真值，产生所谓“多径误差”。可见，研究多径效应，对于分析卫星导航系统和接收机的测量精度而言具有重要的意义。而要研究多径效应，就要求卫星信号模拟器不仅能模拟高精度的卫星直达波信号，更为主要的是模拟出特定时间、特定地点的接收机所接收到的所有卫星星座发射或漫射的信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种GPS直达与多径信号模拟器及模拟方法，本发明以DSP+FPGA数字信号处理平台为核心，根据预先设定的卫星星历以及接收机轨迹等参数，计算并产生高精密数字信号，高保真模拟用户所设定场景的卫星直达信号和多径信号，并连接高速数模转换及上变频模块，完成GPS射频信号输出。

为解决上述问题，本发明是通过下述方案实现的：

一种GPS直达与多径信号模拟器，包括DSP信息处理模块、FPGA信号处理模块、D/A转换模块、上变频模块、以及发射天线或输出电缆；DSP信息处理模块与FPGA信号处理模块相连；FPGA信号处理模块输出接D/A转换模块；D/A转换模块经上变频模块与发射天线或输出电缆连接；其中FPGA信号处理模块内设有时间延迟单元和信号合成单元；

DSP信息处理模块根据用户需求，设定所模拟的GPS接收机运动轨迹；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；

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GPS直达信号；时间延迟单元复制所产生的GPS直达信号，并对其进行相应的延迟后得到多径信号分量；GPS直达信号和多径信号分量在信号合成单元中进行迭加数字合成输出给后端的D/A数模转换模块；

D/A转换模块将FPGA信号处理模块传来的中频数字信号转换为模拟信号后，送至上变频模块；

上变频模块对D/A转换模块输入的中频模拟信号进行混频、滤波，并上变频到GPS的标称射频频率后经由发射天线或输出电缆输出。

上述方案中，时间延迟单元延迟的时间量是模拟器工作时钟周期的整数倍。

上述方案中，DSP信息处理模块还设有各类误差源的误差模型，DSP信息处理模块根据各类误差源，由误差模型生成相应的误差仿真信号。

上述方案所述GPS的标称射频频率为1575.42MHz。

上述方案所述发射天线为L波段右旋圆极化全向天线。

一种GPS直达与多径信号模拟方法，包括如下步骤：

①DSP信息处理模块根据用户需求，设定所模拟的GPS接收机运动轨迹；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；