一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器及异常信号模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器及异常信号模拟方法，属于无线通信领域。模拟器包括CPU模块，PCIE模块和FPGA模块。所述方法为首先CPU模块进行初始化配置，得到各卫星和用户载体的运动轨迹，计算各可见卫星到用户的传输时间，相对速度和相对加速度；同时对各可见卫星产生的电文比特流数据进行转换，编码和校验。更新可见卫星对应的数据传输到PCIE模块，完成数据的下发与接收和中断的响应与处理；对参数解析后传递给FPGA模块，实现载波，伪码，电文的产生和调制，生成异常数字中频信号并加和，数模转换，得到模拟的导航卫星信号。本发明专利技术实现多故障类型的信号输出，具有良好的扩展空间，实现在数字电路上模拟电路可能产生的异常。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器及异常信号模拟方法
本专利技术属于无线通信领域，涉及一种基于CPU(CentralProcessingUnit,中央处理器)+FPGA(Field－ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)的卫星导航异常信号模拟器及异常信号模拟方法。
技术介绍
卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)在全球范围内得到了广泛的应用，其可为用户提供全天候的，高精度的、实时的导航定位和精准的授时，在不同的领域包括星空探测，陆海空导航，地质勘探和定位系统等都有广泛应用。目前各国处于对国家安全等问题的考虑，使得卫星导航系统成为继移动通信和全球互联网之后发展最为迅速的信息产业。在卫星导航系统中，导航接收机对导航卫星体系的完善和科学性的性能评估发挥着最直接也最重要的作用，为了提高接收机的定位性能，一个可以定量评估、模拟不同环境、并具有高精度的卫星导航信号模拟器是必不可少的。而随着导航信号接收机的应用向着更精密、更准确、更稳定、更复杂、更多样化的方向发展，模拟器的需求也在不断的提高，从单频单模到多频多模，从单通道到多通道，从简单轨迹到复杂多场景高动态轨迹等，且要求导航信号能够很好的模拟实际环境中的导航信号，如多径信号和干扰信号的掺杂，可能故障的随时发生等。导航信号是GNSS最核心的组成部分，其质量的优劣直接反映了GNSS定位、授时、测速和卫星工作状态等指标。目前的四大系统均不同程度的发生过信号异常的案例，其会造成接收机定位差甚至出现不能定位的情况。总结目前出现的异常信号，主要存在以下特点：卫星信号异常出现但是较少重复，预测性较差；由于预测性较差，所以当卫星信号异常出现时，地面监测设备对异常信号的反应时间较慢。异常信号检测是导航信号质量监测的重要组成部分，是实现各大导航系统故障诊断、信号完好性监测的重要支撑。因此实现GNSS模拟器进行异常信号的注入，通过对其相关性能的检测和分析，有助于及时准确的发现异常并快速告警，从而确保GNSS用户，尤其是航海和航空领域的安全运行。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：通过设置用户交互的界面实现不同的异常信号的输出，从而实现接收机对卫星导航异常信号的功能测试和精度鉴定等，为实际的异常信号发现及预警提供帮助；具体是一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器及异常信号模拟方法。所述的卫星导航异常信号模拟器包括CPU模块，PCIE(PeripheralComponentInterfaceExpress，总线和接口标准)模块和FPGA模块；其中CPU模块完成对异常参数的初始化配置，并对导航电文异常，信号失锁，信号功率异常等故障进行建模和关键参数的计算；PCIE模块完成异常数据的下发和接收、装帧和解析；FPGA模块完成对载波和伪码的异常处理，并将异常的载波，电文和伪码进行调制，得到异常的卫星数字中频信号。CPU模块包括：频点及用户参数配置模块，初始化卫星状态模块，初始化用户状态模块，卫星可见性判断模块，传输时间计算模块，电文数据模块以及通道数据模块；频点及用户参数配置模块，通过可视化界面进行初始化异常参数的配置；参数包括与卫星有关的参数；与用户有关的参数以及与异常信号有关的参数。初始化卫星状态模块，读取距离当前仿真时间最近的卫星星历，为每颗卫星筛选出有效的星历数据。初始化用户状态模块，根据频点及用户参数配置模块设置的用户载体类型及状态模型，实时更新用户载体的状态，生成用户载体的运动轨迹。卫星可见性判断模块，判断各颗卫星对于当前用户的位置是否处于可见状态，同时对信号失锁的状态进行判断和实现；传输时间计算模块，完成卫星与用户之间的传输时间的计算和相对运动的模拟。电文数据模块，将正常的卫星星历数据进行格式转换、编码、校验等操作，生成电文比特流；将错误的星历数据进行编写校验，生成异常电文比特流，从而实现异常信号的输出。通道数据模块将信号生成所需要的NCO(NumericallyControlledOscillator，数字控制振荡器)参数，电文以及可能生成的异常数据整合到统一的数据结构当中，传递给PCIE模块。PCIE模块主要实现CPU模块与FPGA模块的数据通信，完成数据的下发与接收和中断的响应与处理。具体包括：数据下发模块，中断模块，数据接收模块以及数据解析存储模块；CPU模块完成参数的计算后，在数据下发模块将异常数据进行装帧和下发，在数据接收模块通过PCIE模块和内存读取机制将数据接收并读取，然后数据解析存储模块接收系统参数和通道参数两种数据，数据为正常数据或异常数据，不同的数据类型根据通信协议进行解帧并传输到FPGA模块；同时在中断信号的控制下，中断模块调控CPU模块完成数据的实时更新。在数据下发模块针对异常数据的下发，需要在每个更新间隔均检测当前是否有异常信号要生成，若没有，则不需要下发异常数据，生成的依然是正常的卫星信号，若有，则按照设计的异常参数的通信协议进行装帧。数据解析存储模块对于系统参数数据，直接使用寄存器存储；对于通道参数数据，使用FIFO存储技术，并结合数据更新标志进行数据的保存与读取。其中在解析系统参数和通道参数时可以实现正常数据或异常数据的同步解析。PCIE模块完成对系统和通道参数的解析之后，将参数传递给FPGA模块，最终实现模拟信号的中频输出。FPGA模块主要实现载波，伪码，电文的产生和调制，接收PCIE模块传递过来的参数，生成异常数字中频信号，并控制DA芯片进行数模转换。具体包括：异常伪码读取模块，伪码TMB(ThreatModelB，伪码模拟模型)产生模块，异常电文模块，异常相位控制模块，异常载波模块，异常中频调制模块，异常幅度控制模块以及异常通道模块。异常伪码读取模块，根据设置的频点产生该频点下每颗卫星的伪码，同时根据输入的伪码相位数据产生该相位上的伪码码片值，在需要伪码TMA(ThreatModelA,TMA)产生时，会在该模块进行相应的处理，实现异常的伪码码片值的输出。伪码TMB产生模块，在有伪码TMB产生时，将异常伪码读取模块输出的码片值进行处理产生畸变的码片值。异常电文模块，产生用于调制的数据码值。异常相位控制模块，产生伪码相位值；具体为：在需要伪码TMA产生时输出异常伪码读取模块需要的异常伪码相位值，在需要伪码相位跳变时产生跳变的伪码相位值。异常载波模块，根据载波相位值产生对应的载波幅度值，在需要载波相位跳变时产生跳变的载波相位值，在需要载波IQ不正交时产生异常的I路和Q路相位值。异常中频调制模块，根据伪码值，电文数据值和载波幅度值进行BPSK调制，输出中频的数字信号，在需要载波泄漏时同时生成未经调制的载波中频数字信号。异常幅度控制模块，对异常中频调制模块输出的中频信号进行幅度的控制，在需要载波泄漏时同时产生幅度可变的载波信号。异常通道模块，将多颗卫星输出的数字中频信号进行累积加和，输出总的数字信号；在需要频谱不对称时，通过对数字信号处理产生频谱畸变的数字信号。所述的基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟方法的具体步骤如下：步骤一、某用户利用频点及用户参数配置模块进行初始化参数的配置；初始化参数包括：模拟器所仿真的信号频点、仿真时间、用户运动模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，其特征在于，包括CPU模块，PCIE模块和FPGA模块；CPU模块完成对异常参数的初始化配置，并对导航电文异常，信号失锁，信号功率异常的故障进行建模和关键参数的计算；PCIE模块主要实现CPU模块与FPGA模块的数据通信，完成异常数据的下发，接收，装帧，解析以及中断的响应与处理；FPGA模块完成对载波和伪码的异常处理，并将异常的载波，电文和伪码进行调制，得到异常的卫星数字中频信号；CPU模块包括：频点及用户参数配置模块，初始化卫星状态模块，初始化用户状态模块，卫星可见性判断模块，传输时间计算模块，电文数据模块以及通道数据模块；PCIE模块包括：数据下发模块，中断模块，数据接收模块以及数据解析存储模块；CPU模块完成参数的计算后，在数据下发模块将异常数据进行装帧和下发，在数据接收模块通过PCIE模块和内存读取机制将数据接收并读取，然后数据解析存储模块接收系统参数和通道参数两种数据，数据为正常数据或异常数据，不同的数据类型根据通信协议进行解帧并传输到FPGA模块；同时在中断信号的控制下，中断模块调控CPU模块完成数据的实时更新；FPGA模块包括：异常伪码读取模块，伪码TMB产生模块，异常电文模块，异常相位控制模块，异常载波模块，异常中频调制模块，异常幅度控制模块以及异常通道模块。...

【技术特征摘要】
1.一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，其特征在于，包括CPU模块，PCIE模块和FPGA模块；CPU模块完成对异常参数的初始化配置，并对导航电文异常，信号失锁，信号功率异常的故障进行建模和关键参数的计算；PCIE模块主要实现CPU模块与FPGA模块的数据通信，完成异常数据的下发，接收，装帧，解析以及中断的响应与处理；FPGA模块完成对载波和伪码的异常处理，并将异常的载波，电文和伪码进行调制，得到异常的卫星数字中频信号；CPU模块包括：频点及用户参数配置模块，初始化卫星状态模块，初始化用户状态模块，卫星可见性判断模块，传输时间计算模块，电文数据模块以及通道数据模块；PCIE模块包括：数据下发模块，中断模块，数据接收模块以及数据解析存储模块；CPU模块完成参数的计算后，在数据下发模块将异常数据进行装帧和下发，在数据接收模块通过PCIE模块和内存读取机制将数据接收并读取，然后数据解析存储模块接收系统参数和通道参数两种数据，数据为正常数据或异常数据，不同的数据类型根据通信协议进行解帧并传输到FPGA模块；同时在中断信号的控制下，中断模块调控CPU模块完成数据的实时更新；FPGA模块包括：异常伪码读取模块，伪码TMB产生模块，异常电文模块，异常相位控制模块，异常载波模块，异常中频调制模块，异常幅度控制模块以及异常通道模块。2.如权利要求1所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，其特征在于，所述的频点及用户参数配置模块，通过可视化界面进行初始化异常参数的配置；参数包括与卫星有关的参数；与用户有关的参数以及与异常信号有关的参数；初始化卫星状态模块，读取距离当前仿真时间最近的卫星星历，为每颗卫星筛选出有效的星历数据；初始化用户状态模块，根据频点及用户参数配置模块设置的用户载体类型及状态模型，实时更新用户载体的状态，生成用户载体的运动轨迹；卫星可见性判断模块，判断各颗卫星对于当前用户的位置是否处于可见状态，同时对信号失锁的状态进行判断和实现；传输时间计算模块，完成卫星与用户之间的传输时间的计算和相对运动的模拟；电文数据模块，将正常的卫星星历数据进行格式转换、编码、校验等操作，生成电文比特流；将错误的星历数据进行编写校验，生成异常电文比特流，从而实现异常信号的输出；通道数据模块将信号生成所需要的NCO参数，电文以及可能生成的异常数据整合到统一的数据结构当中，传递给PCIE模块。3.如权利要求1所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，其特征在于，所述的数据下发模块针对异常数据的下发，需要在每个更新间隔均检测当前是否有异常信号要生成，若没有，则不需要下发异常数据，生成的依然是正常的卫星信号，若有，则按照设计的异常参数的通信协议进行装帧；数据解析存储模块对于系统参数数据，直接使用寄存器存储；对于通道参数数据，使用FIFO存储技术，并结合数据更新标志进行数据的保存与读取；其中在解析系统参数和通道参数时可以实现正常数据或异常数据的同步解析。4.如权利要求1所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器，其特征在于，所述的异常伪码读取模块，根据设置的频点产生该频点下每颗卫星的伪码，同时根据输入的伪码相位数据产生该相位上的伪码码片值，在需要伪码TMA(ThreatModelA,TMA)产生时，会在该模块进行相应的处理，实现异常的伪码码片值的输出；伪码TMB产生模块，在有伪码TMB产生时，将异常伪码读取模块输出的码片值进行处理产生畸变的码片值；异常电文模块，产生用于调制的数据码值；异常相位控制模块，产生伪码相位值；具体为：在需要伪码TMA产生时输出异常伪码读取模块需要的异常伪码相位值，在需要伪码相位跳变时产生跳变的伪码相位值；异常载波模块，根据载波相位值产生对应的载波幅度值，在需要载波相位跳变时产生跳变的载波相位值，在需要载波IQ不正交时产生异常的I路和Q路相位值；异常中频调制模块，根据伪码值，电文数据值和载波幅度值进行BPSK调制，输出中频的数字信号，在需要载波泄漏时同时生成未经调制的载波中频数字信号；异常幅度控制模块，对异常中频调制模块输出的中频信号进行幅度的控制，在需要载波泄漏时同时产生幅度可变的载波信号；异常通道模块，将多颗卫星输出的数字中频信号进行累积加和，输出总的数字信号；在需要频谱不对称时，通过对数字信号处理产生频谱畸变的数字信号。5.基于权利要求1所述的一种基于CPU+FPGA的卫星导航异常信号模拟器的异常信号模拟方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一、某用户利用频点及...

【专利技术属性】
技术研发人员：路辉，李艳平，刘雅娴，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11