一种注入信号模拟设备的设计与实现

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摘 要

注入信号接收设备是导航卫星有效载荷的重要组成部分，在其研制及测试过程中需要地面注入信号模拟设备对相关功能和指标进行测试验证，针对注入信号接收设备的测试需求提出了一种注入信号模拟设备的设计方案，并对设备实现的关键技术进行了详细分析。该设备可模拟产生卫星动态信号和干扰信号，并通过注入信息模拟与动态加载技术实时模拟真实的注入电文信息，充分考虑正常、干扰和动态等多种工作模式，实现卫星注入接收性能的全面测试评估。

【关键词】注入信号 动态信号 干扰信号 电文 模拟

目前，全球卫星导航系统飞速发展，世界上全球卫星导航系统主要包括美国GPS系统、俄罗斯GLONSS系统、欧洲GALILEO系统和我国的北斗导航系统。导航卫星是卫星导航系统的主要组成部分，其导航业务的功能和性能是通过有效载荷来实现的，星上注入信号接收设备是卫星有效载荷的核心设备之一，它的性能优劣直接影响导航卫星提供的服务性能，由于导航卫星在轨运行后就无法对其进行维护，因此，注入信号接收设备在卫星升空前需要专用的注入信号模拟设备提供多种模式的信号仿真测试环境，对其功能和性能指标进行全面严格的测试。

1 注入信号模拟设备的功能需求

目前已经投入使用或正在建设的全球卫星导航系统，在工作原理、系统配置等方面都具有相似性，以GPS系统为例，导航卫星有效载荷根据功能划分，其核心设备主要包括注入信号接收设备、时频基准设备、星上数据处理设备、导航信号产生设备等，这些设备的协同工作完成导航卫星的导航业务运行。其中，注入信号接收设备的主要功能是接收地面系统发射的上行注入信号，完成地面注入信息的接收，并将接收到的注入信息发送给星上数据处理设备进行处理。

当卫星在轨运行时，卫星的运动状态随着所处轨道位置的变化而变化，同时，卫星所处的空间环境复杂，可能受到不同干扰信号的干扰，星上注入信号接收设备将在动态及干扰条件下接收地面发送的注入信号，因此，为了能够在地面对星上注入接收设备在真实工作环境下的功能和性能指标进行全面的测试与验证，注入信号模拟设备需要真实的模拟地面注入信号及信息数据，对注入信号接收设备的信号及信息接口进行测试验证[6]；同时，注入信号模拟设备需要具备正常、动态和干扰等多种工作模式，真实模拟卫星的运动状态及各种干扰信号，在不同的工作条件下对注入信号接收设备的接收性能进行全面测试。

2 注入信号模拟设备的设计

2.1 注入信号模拟设备总体设计

注入信号模拟设备采用软件无线电设计思想，基于“模拟信号建模―数据仿真―DSP―FPGA―D/A―射频正交调制―信号合路适配”的体系结构，完成多种模式注入信号的模拟生成、场景管理、测试控制等功能。

注入信号模拟设备由数据仿真与模拟控制子系统和注入信号模拟产生子系统组成，设备组成框图如图1所示，数据仿真与模拟控制子系统为软件应用程序，运行在高性能工作站上，完成注入信号的数据仿真与发送、测试场景生成与管理、设备控制与监视。注入信号模拟产生子系统为硬件设备，根据数据仿真与模拟控制子系统下发的仿真数据和控制参数，产生相应的模拟注入信号，并对信号进行自环监测，完成对星上注入信号接收设备的测试。

2.2 数据仿真与模拟控制子系统

数据仿真与模拟控制子系统是注入信号模拟设备的中枢，主要实现测试数据仿真功能和测试控制管理功能。数据仿真功能主要完成多种测试模式仿真数据的生成，并将仿真数据发送给硬件设备，生成相应的模拟信号，主要包括：卫星运行动态仿真数据生成；干扰信号仿真数据生成；上行注入信息模拟生成、数据通信管理等。测试控制管理功能主要完成测试场景生成和管理以及硬件设备的参数控制，根据测试需求可以产生运动状态、干扰类型、注入信息内容等多种模式的组合场景，对星上注入接收设备功能和性能指标进行遍历和极限测试。

2.3 注入信号模拟产生子系统

注入信号模拟产生子系统根据内部功能可以分为两大部分：模拟信号产生部分和模拟信号监测部分。模拟信号产生部分是注入信号模拟产生子系统的主工作链路，由注入信号产生单元、干扰信号产生单元、时频分路单元、信号合路适配单元组成。注入信号产生单元根据仿真数据和控制参数，产生静态或动态的注入模拟信号，并调制各种类型的注入信息，原理框图如图2所示；干扰信号产生单元采用与注入信号产生单元相同的硬件平台，可根据仿真数据产生单频、扫频、脉冲、调制、白噪声等单一或多种叠加的干扰信号；信号合路适配单元完成注入模拟信号和干扰信号的射频合路，并对输出信号的功率及干信比进行调整；时频分路单元对外部时频信号进行分路，为其他单元提供时频参考信号。

模拟信号监测部分对产生的模拟信号进行自环检测和模拟信号的零值监测，主要由自环监测单元完成。自环监测单元通过对注入模拟信号的接收、解调、测距等处理，实时监测注入模拟信号的正确性和稳定性。

3 关键技术实现

注入信号模拟设备的设计，涉及动态信号模拟、干扰信号模拟、注入信息模拟等关键技术的实现，下面对主要技术的实现方法进行简单介绍。

3.1 动态信号模拟

当卫星在近圆轨道上运行时，与地面站产生相对运动，多普勒频移就产生了。注入信号模拟设备通过模拟具有多普勒频移的注入信号，实现对星上注入信号接收机动态工作环境的仿真。多普勒频移遵循公式，其中为当相对运动时附加在频率量f上的多普勒频移，v是卫星和地面站的相对速度，c为光速[7]。

对于一个真实运动信号的模拟，可以将多普勒频移分为两部分：伪码多普勒和载波多普勒。伪码多普勒是累加到伪码上的频率偏移，伪码的产生是通过码钟驱动的，由于码钟速率相对较低，只要将频率偏移累加到码钟上，通过码钟的驱动就可以产生具有相应动态的伪码。动态码钟的实现采用在FPGA中搭建多级DDS的方案，如图3所示，使用二级DDS来实现动态伪距的调整，该二级DDS调整方案由2个累加器组成，分别实现动态伪距的1次分量和2次分量，即伪距的速度模拟、加速度模拟，两级DDS调整完成后，产生动态时钟信号，并驱动伪码产生器产生具有动态伪距的伪码。

与伪码多普勒不同，载波多普勒是累加在射频本振频率上的频率偏移，射频本振频率较高，直接累加很难实现，所以需要进行变换，通过在较低的频率上实现多普勒频移和相移。注入信号以QPSK信号为例，可以表示为

（1）

其中I、Q为基带正交信号，为最终的频率，为初始相位偏移。为了把射频频率分开，这里在基带实现一个小中频频率的调制，中频频率选择较小值，以便在FPGA内部可以很容易的实现，则式（1）可以表示为

（2）

令

则式子可表达为：

（3）

从式（2）和式（3）可以看出，射频已调信号的多普勒频偏和相位偏移都可以反映在小中频fI上，具体实现方式与伪码多普勒相似，同样在FPGA内部搭建多级DDS实现。

根据以上分析，伪码多普勒和载波多普勒均在注入信号产生单元的FPGA内实现，多普勒频率参数由数据仿真与模拟控制子系统产生并实时发送给注入信号产生单元。需要注意的是，伪码多普勒和载波多普勒这两部分的产生是独立的，但又要求同步完成且具有相关性，因此，为了保持同步，两部分的参数需要同步更新，并使用同源的外部时频。

3.2 干扰信号模拟

干扰信号模拟是注入信号模拟设备的重要功能，通过对各种类型干扰信号的模拟，完成对星上注入信号接收设备抗干扰能力的测试。考虑到需要实现的干扰信号，如单频、脉冲、扫频、调制、白噪声等干扰样式的可参数化，干扰信号的模拟在FPGA内部实现。干扰参数由数据仿真与模拟控制子系统产生并传递给FPGA，FPGA内部各干扰产生模块根据参数产生相应的基带信号，然后对多种干扰信号进行开关选择，最终生成干扰合路信号，FPGA内部实现原理框图如图4所示。

以扫频干扰为例，扫频干扰参数化表达式为：

（4）

其中fc为扫频信号的中心频率，a为幅度，fseep为扫频速率。扫频干扰产生模块通过NCO输出的相位去查表获得正弦和余弦的值，产生基带干扰信号。其中，NCO由两级累加器构成，正余弦表采用对称存储的方法，将原来4象限存储压缩为1象限存储，减小存储空间，扫频干扰产生框图如图5所示。图中扫频速率对应dfcw，为二阶频率控制字；当前频率对应fcw，为一阶频率控制字。

图5 扫频干扰产生框图

为兼顾分辨率和频率动态范围，这里选取第一阶累加器位长为10位，频率控制字为：

（5）

二阶累加器位长为7位，频率控制字为：

（6）

其中fs为采样速率，fres为扫频过程中的频率分辨率。图6给出了扫频干扰在某段时间内的信号频谱。仿真参数：扫频速率10M，中心频率0M，采样速率101M，幅度1，分辨率1kHz，仿真时间段为第999ms至第1秒。

3.3 注入信息模拟

注入信息模拟包括信息类别模拟和控制指令模拟。注入信息类别主要包括完好性信息、卫星星历和历书等信息，数据仿真与模拟控制子系统根据注入信息类别的仿真模型和公式，模拟生成地面站各种注入数据，然后根据要求的帧格式将注入数据逐比特填入信息帧中，并将生成的信息帧通过注入信号产生单元发送给被测试卫星。同时，不仅对信息类别的正确数据进行模拟，还可以根据测试需要生成任意数据内容的错误帧，对星上注入信号接收设备的信息处理能力进行测试。注入控制指令的模拟可以通过软件界面选择各种控制指令的参数设置，生成相应的控制指令信息，完成各种控制指令信息的遍历性测试。

4 结束语

我国即将建设北斗全球导航系统，注入信号模拟设备是卫星有效载荷地面测试设备的重要组成部分，本文对注入信号模拟设备使用需求进行了分析，提出了一种注入信号模拟设备的设计方案，并对设备组成及各部分功能进行了介绍，同时对注入信号模拟设备设计实现的关键技术进行了论述，证明了设计方案的可行性。

参考文献

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[2] 周宇昌，李孝强，曹贵兴.导航卫星有效载荷技术现状与发展趋势[J].空间电子技术，2003（03）：9-21.

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[4] 寇艳红.GPS原理与应用（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2007，437-472.

[5] 徐福祥.卫星工程[M].北京：中国宇航出版社，2004，214-215.

[6] 管吉兴，陈荣，高跃清.一种扩频接收机的设计分析[J].无线电通信技术，2011，37（5）：58-61.

[7] 傅玉朋，李明浩，吕进华.DDS技术的FPGA设计与实现[J].大连民族学院学报，2004，6（3）：46-47.

作者简介

王跃（1981-），男，现为中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师。主要研究方向为卫星导航。

作者单位

中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081