GPS 信號模擬源在GPS 接收機研發生產和測試中具有重要的作用。見諸文獻的最早的衛星導航信號仿真系統是1977 年報道的Texas Instruments 公司開發的GPS 模擬器[1]。從那時開始, 伴隨著GPS 衛星星座的建立、GPS 體制的更新、GLONASS 系統的出現, 衛星導航信號精密模擬源也從單通道發展到多通道, 模擬合成發展到數字合成, 從中頻數字合成發展到基帶數字合成, 由單一系統仿真發展到多系統混合仿真, 由專用向通用方向發展, 由系統仿真向片上(onchip)仿真發展[2]。

第一代衛星導航信號模擬器以模擬技術為主,采用射頻合成的技術方案, 即把每顆星的信號獨立調制到射頻然后進行合成[3]。隨著數字技術的發展,以及對模擬器信號精度和通道一致性要求的提高,導航信號模擬器開始應用數字技術, 并在中頻進行模擬信號合成。目前國外市場上最新的GPS 仿真系統均不同程度地采用了大規模DSP/FPGA 技術, 在數字域進行直接信號合成, 把多顆衛星的數字合成信號用一個射頻通道輸出, 以提高其信號精度和通道間的一致性。英國、美國、瑞典、挪威、德國等,都已經有比較成熟的產品[4-5]。其中, Spirent 公司、Aeroflex 公司等公司生產的GPS 模擬器最具代表性。

GPS 信號模擬器目前主要用于GPS 接收機的生產廠家和研究單位。對于大多數需求單位而言, 對于信號模擬的要求并不高, 需要一種能產生固定的GPS 射頻信號的設備, 在這個固定的模擬信號里,星座已知, 用戶軌跡已知, 不需要長時間連續運行。然而市場上的GPS 信號模擬器功能全面, 可設置衛星的星座、電離層參數、用戶軌跡可設置。需要采用上位機+下位機結構, 結構復雜, 導致GPS 信號模擬源價格昂貴, 不能為廠家接受。

文獻[6]提出了一種嵌入式的GPS 模擬信號源的結構, 采用ARM 作為控制單元, 原始電文保存在ARM 存儲器中, 采用FPGA 用于偽碼產生和擴頻處理, 采用AD9854 作為DDS 芯片。文獻[7]提出了一種十二通道GPS信號模擬器方案, 采用了PC機+PCI板卡技術, 采用雙口RAM 作為PC 機和DSP 的數據緩沖區, DSP 實現參數讀入, 產生C/A 碼并擴頻調制。碼延遲、數字載波調制及數字增益控制由FPGA控制。這些方法都采用了上位機+下位機的實現方式。

提出了一種簡易的GPS 信號模擬方法, 將GPS導航電文和觀測數據按一定的格式存儲為文件, 通過讀取文件產生GPS 信號。在單片FPGA 上實現了GPS 信號基帶處理的所有過程, 采用正交射頻調制方法直接產生L1 頻點信號。采用不同的文件實現不同的測試場景, 利用該方法構建的GPS 信號模擬源成本低、體積小, 可滿足大部分GPS 接收機的測試需求。

GPS 信號模擬源的系統設計指標
根據廠家的需求, 確定GPS 信號模擬源的技術指標如下:
仿真衛星總星數: 12 顆
連續輸出模擬信號時間: 2 h
偽距控制精度: 0.027 m
偽距變化率精度: 優于0.05 m/s
用戶動態范圍: 速度: 0~5 000 m/s; 速度分辨率: 10 mm/s
通道間一致性: <1 m(碼) <0.005 m(載波)
載波與偽碼相干性: <1 度(包含隨機抖動和不確定性)
I、Q 相位正交性: <1°

GPS 信號模擬源的總體方案

由于只需產生固定場景的GPS 信號, 因此GPS導航電文是固定的, 采用離線產生即可。此外還需要觀測數據文件, 觀測數據主要描述了偽距的變化情況, 模擬器根據觀測數據文件對導航電文進行處理。為了描述偽距的連續變化, 觀測數據中還包含了偽距的一階、二階變化率, 這樣通過插值就可獲得高密度的偽距變化值。

真實的 GPS 衛星射頻信號產生流程如下: 偽碼發生器產生1.023 MHz 的C/A偽隨機碼, GPS 的導航電文速率為50 bps, 導航電文首先與該C/A 碼疊加,產生了基帶信號; 在GPS 衛星上, 基帶信號被調制到L1 載頻, 然后通過天線釋放。接收機接收到的射頻信號與衛星發送的射頻信號對比, 其接收到的信號是經過傳輸延遲的信號; 此外由于衛星的運動,衛星與接收機之間具有相對運動, 由于多普勒效應,接收機接收到的射頻信號頻率產生了變化。

射頻信號模擬過程中關鍵的環節就是模擬信號的傳輸延遲和多普勒效應。其傳輸延遲用偽距來表示, 考慮到偽距的連續性, 觀測數據中包含偽距的速度、加速度, 利用差補的方法可獲得高精度的連續的偽距變化。獲得采用延遲濾波器的方法實現基帶信號的延遲, 采用多階數字濾波器的方法, 利用高性能數字信號處理芯片實現, 可獲得精度為ns 級的延遲精度; 同樣采用數字信號處理的方法對基帶信號實現多普勒處理, 可獲得1Hz 的頻率分辨率。

單顆 GPS 衛星信號仿真流程如圖3 所示, 數學仿真產生的觀測數據包括偽距和一階、二階量。數學仿真產生的導航電文以50 bps 的速率被I 路偽碼調制。調制后的信號則為數字基帶信號, 該信號經過多階延遲濾波器進行延遲處理, 模擬GPS 信號在空間的傳遞時間; 經過基帶處理的信號通過正交調制變為L1 載頻的信號。