罗显志,解　剑,高东博,王　垚

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081;

2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心,河北 石家庄 050081)

卫星导航信号时域波形畸变仿真及FPGA实现

罗显志1,2,解剑1,2,高东博1,2,王垚1,2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081;

2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心,河北 石家庄 050081)

摘要：介绍了一种被国际民航组织采纳的卫星导航信号时域码片波形畸变模型,提出了一种模拟导航信号时域码片波形畸变的三类故障的现场可编程门阵列(FPGA)的实现方法,给出导航信号时域码片波形畸变的MATLAB仿真和FPGA实现结果,并将两者进行了比较,试验结果表明：时域码片波形畸变的FPGA实现结果与MATLAB结果误差在0.5%范围内。

关键词：卫星导航;信号失真;时域波形畸变;ICAO模型

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.004

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：： 1008-9268(2014)02-0017-04

收稿日期：2014-07-25

作者简介

Abstract:A waveform distortion model in time domain which has been recognized by International Civil Aviation OrgIniZation (ICAO) is introduced in this paper. Modeling method of three threat signal models of waveform distortion in time domain in FPGA for navigation signals is proposed, too. Matlab-based simulation and FPGA-based implementation for waveform distortion model in time domain is presented, and the two results were compared. Thus, the tests show that the mean relative error not more than 0.5% for the two results.

0引言

卫星导航信号质量的优劣是卫星导航系统最为关键的要素,导航信号的质量直接关系到用户对导航信号进行接收、解调、伪码测距、载波测量、定位解算的性能,最终影响用户定位、导航、授时服务的性能体验。当导航、定位、授时的性能恶化时可最终归结到导航信号发生了异常,而导航信号的异常本质上可从导航信号基带时域上体现。导航信号异常分为卫星载荷发射信号异常、环境导致的信号畸变,以及接收系统对信号的影响。后两者也可统一为环境对导航信号的影响。导航信号异常现象分类及机理特性分析需要在排除测试环境影响前提下通过提出各种信号异常模型,从而定位系统故障。国外在导航信号异常现象分类及机理特性分析领域的研究工作已进行了大约10年的时间,提出了各种行之有效的导航信号异常模型,并建立了信号异常与导航卫星载荷故障间的映射关系。国际民航组织(ICAO)也将GPS和GLONASS时域异常波形参数化并写入了国际民航公约。与国外相比,我国在这一领域还处于空白状态,有必要开展导航信号时域波形异常的研究。

1卫星导航信号时域异常模型

卫星信号传输链路的非线性将会导致信号的码片波形畸变,最典型的例子是1993年19号卫星信号异常事件[1]。为了解释19号卫星信号的异常现象,研究人员先后提出了三种模型,分别为:简单模型[2-3]MEWF模型和2OS模型。简单模型只是在标准信号上叠加了另一个信号,不能完全反映异常信号的所有特征;MEWF模型定义为针对某一特定用户接收机将会产生最大差分伪距误差的信号波形。Mitelman[3-4]和Enge[5]等人详细地推导了其数学表达式。然而这种模型是非因果的,难以实现,ICAO 和航空委员会均不采纳该模型。相比之下,2OS模型较全面反映了卫星电路故障的所有情况。有效载荷的一般数学模型如图1所示。

导航信号产生单元生成导航基带信号,数字滤波器的带宽为信号的发射带宽;频率产生与调制单元把数字信号转换为模拟信号,并通过几级上变频把信号调制到载波频率上;高功率放大器完成对信号功率的放大,一般工作在饱合状态,常用的有行波管放大器(TWTA)和固态功率放大器(SSPA);输出多工器(OMUX)完成对频点相近的各导航信号进行合路,耦合到同一个天线进行输出。

有效载荷各组成部分出现异常都可能使信号产生畸变。2OS模型根据有效载荷的各组成部分将信号异常的原因分为三类:数字电路故障(TMA A)、模拟电路故障(TMB B)以及两者的组合(T MC C),这三种模型几乎能够涵盖所有可能的信号异常故障。这种模型被ICAO认为是标准的信号异常模型,也称为ICAO模型,模型中有三个关键参数,分别为Δ(码片)：用于描述扩频码下降沿比正常位置的超前或滞后;阻尼振荡频率fd(MHz)：描述扩频码边沿振铃现象的频率;阻尼系数σ(MNerpers/s)：描述扩频码边沿振铃现象的衰减因子,各参数的含义如图2所示。

图1　有效载荷模型示意图

资助项目： 国家高技术研究发展计划(863计划)(批准号：2011BAH05B03；2012AA121802)

联系人： 罗显志E-mail: xianzhiluo@tom.com

图2　ICAO模型参数

TMA模型可以建模为正常序列与一个Δ序列之和,Δ序列是正常序列与其循环移位后序列的差值,用公式表示为

xTMA(t)=x(t)+xΔ(t),

(1)

(2)

TMB模型可以用一个二阶系统响应表示

xTMB(t)=x(t)·h(σ,fd)(t),

(3)

式中,h(σ,fd)(t)为码沿的阶跃响应,可以表示为

h(σ,fd)(t)=

(4)

式中,ωd=2πfd.

TMC模型是TMA与TMB的混合模型,可以表示为

xTMC(t)=[x(t)+xΔ(t)]·h(σ,fd)(t).

(5)

ICAO的模型主要由三个参数建模。TMA 通过超前/滞后参数Δ建模,改变码的上升沿或下降沿,使数字信号的码宽发生改变,可以使相关峰出现平顶效应;TMB 通过谐振频率fd和衰减因子σ建模,用二阶震荡模仿模拟电路故障,调节两参数可使峰值失真或者产生错误的相关峰值;TMC是两者的组合,由Δ、fd和σ共同调节,如图3所示。

图3　三类失真的码片波形 (a)TMA; (b)TMB; (c)TMC

国际民航公约附件6卷10给出了目前已经得到国际民航组织承认的ICAO模型参数,如表1所示。

表1　ICAO模型参数取值范围

2时域波形畸变的FPGA模拟方法

上节给出的导航信号时域异常波形可能出现在有效载荷各个单元,TMA模型一般是数字基带电路的基带扩频码“1”、“0”宽度不等导致的,TMB模型一般是卫星导航载荷模拟电路导致的,而TMC模型则是两者综合作用的结果。但在工程中很难在模拟电路上实现对TMB模型的模拟,本文提出一种在数字电路上TMB模型建模方法,图4示出了在卫星导航模拟源基带FPGA上实现的时域波形畸变硬件实现结构,其中白色方框为正常导航信号模拟模块,带底影的方框为TMA和TMB模拟模块。

图4　时域波形畸变硬件实现结构

TMA模型的数字基带电路的基带扩频码“1”或“0”宽度不等导致可通过模拟源基地逻辑的动态时钟调整来实现,而TMB模型的二阶阻尼震荡模型实质上等效为一个2阶S函数[5]

(6)

ω2=σ2+(2πfd)2,

(7)

图5　TMA模型时序

图6　TMB模型滤波器实现

3时域波形畸变的FPGA实现结果

假设GPS C/A码PRN为12,码频率为1.023 MHz,仿真和FPGA实现的采样率为102.3 MHz,超前/滞后参数Δ为0.12码片,谐振频率fd和衰减因子σ分别为10.0 MHz和4.8 MNepers/sec,根据式(6)计算得到图6所示的滤波器参数b(1)、b(2)、b(3)、a(2)、a(3)分别为0.060 6、0.232 4、0.057 8、-1.559 6、0.910 4.图6所示的滤波器采用16比特量化。图7为MATLAB仿真与FPGA实现结果比较图,经比较MATLAB与FPGA实现的幅度误差与归一化幅度比较小于0.5%.

图7　TMC模型仿真与FPGA实现结果比较

4结束语

本文提出了一种卫星导航信号时域波形异常仿真及FPGA实现方案,并将该方案应用于卫星导航信号时域波形异常的仿真建模和FGPA实现,最后将时域波形畸变模块加入到实际的卫星导航信号模拟源中,产生实际的畸变的导航信号波形,经验证FPGA畸变波形与MATLAB仿真波形的误差在0.5%范围内。

参考文献

[1]EDGAR C, CZOPEK F, BARKER B. A co-operative anomaly resolution on PRN-19[C]//ION GPS,Alexandria, VA, 2000: 2269-2271.

[2]ENGE P K, PHELTS R E, MITELMAN A M. Detecting anomalous signals from GPS satellites[C]//ICAO,GNSS/P, Toulouse, 1999: 341-349.

[3]MITELMAN A M. Signal quality monitoring for GPS augmentation systems[D].Stanford University,2004.

[4]MITELMAN A M, PHELTS R E, AKOS D M. LAAS monitoring for a most evil satellite failure[C]//ION NTM, San Diego, CA,1998: 129-134.

[5]PHELTS R E,AKOS D M. Effects of signal deformations on modernized GNSS signals[J].Journal of Global Positioning Systems,2006,5(1-2):2-10.

罗显志(1976-),男,高级工程师,主要研究方向为卫星导航。

解剑(1986-),男,工程师,主要研究方向为卫星导航。

高东博(1985-),男,工程师,主要研究方向为卫星导航。

王垚(1981-),男，高级工程师,主要研究方向为卫星导航。

Simulation and FPGA-Implementation of Waveform Distortion in

Time Domain for Satellite Navigation Signals

LUO Xianzhi1,2,XIE Jian1,2,GAO Dongbo1,2,WANG Yao1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China;

2.HebeiSatelliteNavigationTechnologyandEquipmentTechnology

ResearchCenter,Shijiazhuang050081,China)

Key words: Satellite navigation; signal distortion; waveform distortion in time domain; ICAO threat model