多通道卫星导航信号实时转发系统分析与设计

2018-07-19陈明锐

机械设计与制造 2018年7期

桑峻，陈明锐

（1.海南政法职业学院，海南 571100；2.海南大学信息科学技术学院，海南 571100）

1 引言

目前市场上已经出现了针对射频信号的采集回放产品，但是这些产品侧重于对射频信号进行采集后的大容量、长时间存储，在需要时恢复信号。而转发式欺骗干扰需要实验平台对卫星导航信号实时采集后进行可控的短时间延时，再进行回放。由此可以看出，转发式欺骗干扰所需的实验平台对实时性要求较高，目前市场上的相关产品其实并不完全符合转发式欺骗干扰对实验平台的需求。因此，基于转发式欺骗干扰研究的需求，设计了多通道卫星导航信号实时转发系统，实现对卫星导航信号的实时采集和可控延时转发。

2 原理分析

卫星导航接收机定位大多采用的是TOA测距法，即利用卫星导航信号到达时间和发射时间差测量用户到卫星的伪距，利用四颗卫星的伪距消去钟差的影响后解算用户位置，其定位解算方程如式（1）：

式中：xi，yi，zi（i=1，2，3，4）—各个卫星的位置坐标，可由导航电文解算得出；x，y，z—接收机的三维坐标；cδtr—接收机钟和卫星钟之间的不同步对应的距离误差。

多通道卫星导航信号实时转发系统的主要功能就是将接收到的各路卫星导航信号根据欺骗目的，进行不同的延时，然后转发出去，转发的卫星导航信号被接收机锁定并参与定位解算时，由于延时而导致的伪距变化会使用户接收机解算出错误的位置，单站式卫星导航信号转发式欺骗干扰原理，如图1所示。转发式欺骗干扰方程如式（2）所示。

图1 单站式转发欺骗干扰原理图Fig.1 of Single Station Retransmitted Jamming

式中：cδti（i=1，2，3，4）—各路卫星导航信号通过多通道实时转发系统的可调延时对应的距离。可见通过对各路卫星导航信号的可调延时量δti进行合适的调整，可以诱骗接收机解算出错误的位置，达到欺骗干扰的目的，这就是多通道卫星导航信号实时转发系统所要实现的基本功能。

3 系统设计

3.1 设计要求

目前应用广泛的导航定位系统有GPS、GLONASS和BD2，它们的广播导航信号频率分布，如表1所示。

表1 GPS/GLONASS/BD2信号频率Tab.1 Signal Frequence of GPS/GLONASS/BD2

由表可知，卫星导航信号大多集中在L波段，如果对卫星导航信号直接进行采集，那么对D/A、A/D和中间过程的信号处理带来较大压力，现有芯片难以满足要求。因此，现在大多采用下变频法进行射频信号的采集，即首先将射频信号下变频到中频段再进行数字化[5-6]。

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根据奈奎斯特采样原理，模数转换器的采样频率必须达到中频信号的两倍以上才能够不失真的对信号进行采样和恢复，然而对于多通道卫星导航信号实时转发系统而言，不仅仅要求对信号进行完整的采样和回放，还要满足实时性的要求，因为转发信号的延时如果超出接收机的一个定位周期就很有可能被接收机发现剔除。目前国内外性能较好的导航接收机的定位更新频率一般都在10Hz左右，最多也不会超过100Hz，那么为了将接收到的卫星导航信号在接收机的一个定位解算周期内转发到接收机中，就必须确保信号经过系统的时间在10ms以内，显然除了人为延时时间，对卫星导航信号在系统内停留时间影响较大的就是D/A、A/D的转换时间和数据存储、读取的时间，因此在D/A、A/D和内存的挑选上必须满足实时性要求。

由式（1）可以知道，除了人为加入的延时外，各路信号的不同步同样会引起定位解算的偏差，这直接会影响到欺骗干扰的效果，因此在对多通道卫星导航信号实时转发系统进行设计时要将多通道信号的同步考虑在内，体现在系统中则包含两个方面的含义：（1）D/A、A/D的采样和恢复同步，一般可以通过共用同一触发时钟实现；（2）数据存取的同步，由于数据量较大，一次采集的信号难以同时存取，但是要保证存取的时间基准是一样的，这可以通过存取逻辑进行控制。

3.2 方案设计

多通道卫星导航信号实时转发系统主要功能是分别接收天上不同可见星的信号，将接收到的各路卫星导航信号进行不同的延时后转发出去。整个系统的工作原理为：多天线阵列接收各路卫星导航信号后，采用具有自动控制增益（AGC）功能的下变频模块将处于射频段的卫星导航信号下变频至中频信号，送入A/D模块转换为数字信号，再对各通道信号进行不同的延时，尔后送入D/A模块恢复为模拟信号，经上变频模块调制到射频段，合为一路信号后发射出去。所以，多通道卫星导航信号实时转发系统应该主要包括信号调理模块、上/下变频模块、A/D模块、延时模块、控制器、D/A模块和AGC模块。由于转发系统对实时性要求较高，因此采用嵌入式结构，系统原理图，如图2所示。

图2 转发系统原理图Fig.2 of Retransmitting System

3.2.1 卫星导航信号采集电路

卫星导航信号的采集部分包括接收天线，前端信号调理模块，下变频模块和A/D模块。天上卫星导航信号被接收下来后，信号基本被淹没在噪声信号当中，而且电平范围不一定满足A/D转换的输入电压要求，需要经过相应的低噪放和滤波器进行调理以提高信噪比，并使模拟信号在进入A/D转换前满足转换电压要求。下变频模块则将处于L波段的卫星导航信号下变频到中频信号，再送入A/D进行数字化采样。数字化采样过程中，A/D芯片的采样精度、采样速率和采样的同步性是我们着重要考虑的几个因素[7]。首先，采样精度过低，则恢复出来的卫星导航信号的质量较差，影响转发信号的欺骗效果，采样精度过高又会增大数据量，不便于后续的信号处理。其次，奈奎斯特采样定律要求采样速率要至少大于中频信号的两倍，实际工程中会取（3～5）倍。另外，现在大多数的多通道信号采样是在A/D转换器前加一个多路复用装置实现的，并不是严格意义上的多通道绝对同步采样，而且转换时间较长，为了保证系统对实时性和同步性的要求，为每路信号配置单独的A/D和D/A转换芯片[8-9]。

3.2.2 延时电路

延时电路的作用是将各路卫星导航信号根据欺骗要求进行不同的延时，现在较为常用的方法是利用FIFO的先进先出特点，通过设置其偏置量OFFSET实现延时控制，但是FIFO的容量比较小，因此方案采用容量更大的双口RAM来实现延时控制。双口RAM是共享式多端口存储器，配备两套独立的地址、数据和控制线，能对数字化卫星导航信号同时存储和读取[10]，可通过对读写命令的控制来实现延时。

图3 双端口RAM延时电路原理图Fig．3 of Double Port RAM Delay Circuit

双端口RAM实现延时的电路原理图，如图3所示。首先卫星导航信号经A/D转换为数字信号后，由控制器进行控制写入双端口RAM中，然后根据各路卫星导航信号所需延时的时间对双端口RAM输出端的WR命令进行锁存控制，当延时时间到达时再由控制器给输出端的WR一个输出信号，数字信号被送入D/A中恢复为模拟信号。

3.2.3 卫星导航信号回放电路

卫星导航信号的回放部分包括D/A模块，上变频模块，后端信号调理模块，发射天线。经过延时处理后的数字化卫星导航信号从双口RAM被读出后首先经过D/A恢复为模拟信号，此时信号中会引入噪声，所以要先通过滤波器，再送入上变频模块调制到相应卫星广播信号的上行频率，最后合为一路信号后发射出去。

3.2.4 AGC模块

为了与真实卫星导航信号进行竞争，转发信号的输出功率要稍微高于真实信号，因此需要通过AGC模块对功率进行调整。传统AGC与下变频模块是分开的，是在中频上对信号增益进行调整，动态调节范围较小[11]。针对这一问题，系统采用具有AGC功能的下变频模块，即把AGC功能在射频段上实现，满足了大动态调节增益范围的要求。

3.2.5 控制器

控制器采用“FPGA+DSP”的方案，FPGA算法完全由硬件实现，并行处理能力较强，而DSP的运算速度较高，综合二者的优点可以极大提高系统的处理速度。系统中FPGA主要负责对卫星导航信号的采集和回放进行时序控制，DSP主要负责延时量的计算和数据的传送分发。

4 方案验证与结果分析

为了对多通道卫星导航信号实时转发系统的方案设计进行初步的验证，根据多通道卫星导航信号实时转发系统的设计原理，利用NI公司的相关数据采集板卡构建了信号采集回放平台，该采集回放平台的结构完全符合设计方案。板卡及相关测试设备连接示意图，如图4所示。

图4 NI验证平台连接示意图Fig．4 of NI Verification Platform

由任意波形发生器板卡PXI-5441产生50MHZ的正弦信号，信号经过功分器一路送入示波器，另一路经过下变频板卡NI PXI-5600下变频到15MHZ，再经过中频信号收发板卡NI PXIe-5641R对信号进行接收，并通过设置FIFO的存储深度对信号进行一定的延时，然后将信号发送到上变频板卡NI PXI-5610上变频到50MHz，最后送入示波器与原信号进行比较。

延时 0．22ms、0．26ms、0．32ms和 0．38ms的波形图，如图 5～图8所示。可以发现，恢复出来的信号要比直接送入示波器的信号有一定的延时，但是信号的平滑度不如原信号。由结果可知，信号经过NI验证平台采样后可被恢复出来，并实现一定的延时，但是由于采样和恢复时引入了器件噪声和采样精度的限制，信号质量有所下降。实验初步验证了多通道卫星导航信号实时转发系统设计的可行性。