专利名称：一种海洋反射射频信号生成系统的制作方法
技术领域：
本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种海洋反射射频信号生成系统。
背景技术：
GNSS-R(Global Navigation Satellite System-Reflection)技术作为一个新的研究领域，可以看作是GNSS(Global Navigation Satellite System)应用的一个扩展。它利用卫星海面反射信号，结合雷达探测原理，为海洋遥感技术带来了新的手段。目前GNSS-R 技术已经成功地应用于海面风场、海面高度、海面粗糙度、有效波高、海水盐度、冰层厚度以及土壤湿度的反演等。对于海洋反射信号仿真技术的研究，可以分为纯软件仿真和射频信号仿真，目前国内外的研究主要集中在纯软件仿真阶段。对于纯软件仿真，根据外场实验积累的大量观测数据建立数学模型，通过软件编程的方式进行海洋反射信号的仿真，主要供非实时软件接收机的研究开发使用。而射频信号仿真，依据海洋反射信号的数学仿真模型，模拟真实海洋环境反射信号，实时的生成物理海洋反射射频信号，可供各种类型海洋反射接收机的研究开发。目前真正能够将导航卫星海洋反射信号用作物理射频输出的，国内的研究尚属于起步阶段，国外未见公开文献发表。且目前对导航信号的仿真都是针对伪码偏移和功率衰减的二维仿真。
发明内容
本发明的技术解决问题的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种海洋反射射频信号生成系统。采用本系统可以仿真出导航卫星海洋反射射频信号，实现了对各种海面环境的伪码偏移、功率衰减和多普勒频偏三维相关波形的物理射频信号模拟。本发明的技术解决方案是一种海洋反射射频信号生成系统，可分别将直达星和海洋反射观测数据进行处理后模拟仿真出直达星和海洋反射射频信号，包括，参数计算与实时更新模块、中频导航信号生成模块、DAC模块和上变频模块。其中，参数计算与实时更新模块接收输入的直达星和海洋反射观测数据，并分别生成对应于直达星和海洋反射观测数据的累加参数和功率控制码后输出给中频导航信号生成模块。并包括系统建立模块、系统初始化模块和系统维护模块；系统建立模块负责为整个信号生成系统建立开始仿真的启动时间，并将启动时间输出给系统维护模块；系统初始化模块负责对参数计算和实时更新模块的外部设备进行初始化以及对中频导航信号生成模块进行复位，所述外部设备包括PCI总线和SDRAM ；系统维护模块包括仿真通道管理模块和累加参数/功率计算模块，其中，仿真通道管理模块根据海洋反射射频信号生成系统通道仿真数量确定直达星和海洋反射通道的开启/关断状态，直达星仿真最多可以仿真12个直达星通道的信号，海洋反射仿真最多可以仿真32个通道的海洋反射信号；累加参数/功率计算模块接收输入的直达星和海洋反射观测数据以及启动时间，计算伪码和载波的累加参数以及功率，产生直达星和海洋反射观测数据的累加参数、功率控制码并输出；其中所述的直达星和海洋反射观测数据包括时间信息、卫星编号、伪距、速度、加速度、加加速度、功率和载波相位。中频导航信号生成模块利用输入的累加参数、功率控制码生成直达星和海洋反射的数字中频仿真信号后输出到DAC模块。而所述中频导航信号生成模块包括用于生成数字中频仿真信号的信号生成通道; 所述信号生成通道接收输入的直达星和海洋反射累加参数和功率控制码，所述累加参数包括伪码码环参数和载波环参数；并根据累加参数计算得到载波表和码表的相位，根据计算得到的相位在伪码码表和载波表中查表得到载波和码；利用得到的载波和伪码进行调制、 滤波、合路之后，与功率控制码相乘进行功率调整得到数字中频仿真信号。本发明与现有技术相比具有如下优点(1)本发明建立了一种海洋反射射频信号生成系统。该系统通过对外部输入的直达星/海洋反射观测数据得到直达星/海洋反射射频信号，这种方法能够实现海洋反射信号的物理仿真。仿真出的海洋反射射频信号可以满足海洋反射接收机的研究开发要求，并支持海洋反射接收机的全面指标测试。(2)本发明通过参数计算与实时更新模块中的累加参数/功率计算模块可以对伪码偏移、多普勒频偏和功率衰减这三个参数进行模拟和计算，并将结果叠加到伪码和载波的累加参数和功率控制码中；伪码偏移、多普勒频偏和功率衰减这三个参数是独立计算和叠加的，这样可以对三个参数分别进行控制，以实现灵活配置。从而实现了对海面环境三维相关波形的调整和仿真。(3)本发明对直达星可以最多仿真12个直达星通道的信号，对海洋反射可以最多仿真32个通道的海洋反射信号。通过参数计算与实时更新模块中的通道管理模块可以实现对各个通道的独立控制，可以设置单颗卫星的32个海洋反射路径，也可以设置多颗星对应的多个海洋反射路径，这样不仅能够对海洋反射信号进行伪码和功率的二维射频信号进行仿真，还能够对包括多普勒频偏在内的海洋反射信号进行三维射频信号仿真。
图1为海面信号反射示意图；图2为本发明系统结构图；图3为参数计算与实时更新模块结构图；图4为中频导航信号生成模块结构图；图5为中频信号生成模块处理流程图；图6为码环、载波环三阶累加器结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明具体实施方式
做进一步介绍。直达星信号和海洋反射信号之间最主要的区别是它们的相关函数波形不同。直达星信号不经海面反射，波形几乎没有畸变，相关波形是一个三角形。而海洋反射信号波形依赖于卫星几何位置、海面粗糙度、电波入射角度等因素，波形随之改变。海洋反射信号来自于大面积海面所反射的直达星信号，这个反射面称之为反射区。反射区内不同位置的反射信号到达接收点时，具有不同的延时和多普勒频偏，且根据海面粗糙度和海面风场的不同， 反射信号的功率也会有区别，海洋反射信号的仿真就是要完成对伪码、多普勒频偏和功率这三个因素影响下的信号仿真。图1是海面信号反射示意图。图1的右边表示导航卫星的伪随机码入射到海面，由于直达星信号到达接收机的最短距离是由它们之间的镜反射点0决定的，而且首先到的是第一个码片偏移信号，成为反射波形的前沿。随后是第二个码片偏移反射区信号、第三个码
片偏移反射区信号......处于同一个码片偏移反射区的信号到达接收机的反射波形是一
致的；图1中所示的多普勒线是以镜反射点为轴对称的，处在同一条多普勒线上的信号其多普勒频偏是一致的。这样码片偏移反射区和多普勒线将这片反射区分成了很多小区域， 且区域划分越精细，仿真的精度越高；另外根据导航卫星的高度、接收机的位置以及海面风场和粗糙度的影响，各个反射点的功率也不同。这样就能绘出如图1左下角所示的反射信号相关波形。本发明中码片偏移反射区以半个码片进行划分，多普勒线以200HZ进行划分。卫星导航信号一般采用QPSK调制，包括载波、伪码和导航电文三种信息分量，直达星信号生成的表达式如下SZm{t) = AcmCit-T(O)Dc(t-T(O)008(2^,(t-T(O) + φ^) (1)
+ ApmPit — T(t))Dp(t — r(0) sm(2nfm {t - v(t)) + cppm)其中&表示直达星信号，A表示振幅，C、P分别表示测距码和精密测距码(即通常所说的伪码)，D表示导航电文，fm表示载波频率4表示初相，τ (t)表示卫星信号到接收机的信号传输延迟，下标m表示卫星号，下标C、ρ分别表示测距码和精密测距码的相应量。根据上面的分析，海洋反射信号是通过对伪码的时间延迟和相关波形特性进行测量分析的，因此海洋反射部分的处理不需要使用导航电文信息，即伪码可以直接调制到载波上生成中频信号。另外考虑到上面所述的功率、伪码偏移和多普勒频偏三个因素，海洋反射信号生成的表达式如下SHm(t) ^ (Acm + Spow)C(t-τ(0 + Sc)cos(2^fm (t-T(O) + 9cm +Sdopp)⑵
+ (Apm + SpoJPit - r(0 + Sc)srn(2nfm (t - r(t)) + φρηι +Sdopp)其中&表示海洋反射信号，δ p。w表示海洋反射信号的功率衰减量，δ。表示海洋反射信号的伪码偏移量，即仿真点处于第几个码片偏移反射区，δ dopp表示海洋反射信号的多普勒偏移量，即仿真点处于哪条多普勒线上。卫星导航海洋反射信号生成系统结构如图2所示，由于海洋反射接收机需要同时对直达星信号和海洋反射信号进行搜索捕获，并将直达星信号和海洋反射信号分别与伪码进行相关，才能得到如图1所示的海洋反射信号相关波形，因此海洋反射信号生成方法需要同时仿真直达星信号和海洋反射信号。本发明建立了一种海洋反射射频信号生成系统，该系统包括参数计算与实时更新模块、中频导航信号生成模块、DAC模块和上变频模块，可分别实现对直达星信号和海洋反射信号的仿真。
通过数学仿真生成的直达星观测数据经过由DSP实现的参数计算与实时更新模块进行处理，并将实时更新的直达星累加参数、功率控制码和导航电文传送给由FPGA实现的中频导航信号生成模块生成中频信号，通过DAC模块生成模拟信号，上变频后模拟仿真出12颗直达星射频信号；通过数学仿真生成的海洋反射观测数据同样经过参数计算与实时更新模块进行处理，并将实时更新的海洋反射累加参数、功率控制码传送给中频导航信号生成模块生成中频信号，通过DAC生成模拟信号，上变频后模拟仿真出32个通道的海洋反射射频信号。参数计算与实时更新模块由DSP构建的对直达星和海洋反射观测数据进行实时处理的参数计算与实时更新模块结构如图3所示，主要包括系统建立、系统初始化和系统维护三个功能模块。其中系统建立模块主要负责为整个信号生成系统建立启动时间并输出给系统维护模块。所述的系统启动时间是指系统模拟仿真输出仿真信号所具有的具体日期和时间。系统初始化模块负责在系统仿真前对系统进行初始化，通过EMIF (外部存储器接口)为中频导航信号生成模块提供复位信号。同时，系统初始化模块还负责在系统仿真前对系统的外部设备进行初始化，包括对PCI (外围部件互联总线)总线和SDRAM的初始化， 并且对中频导航信号生成模块进行复位。所述的PCI总线是负责进行DSP和上位机之间的数据交互的，包括观测数据、启动时间的下写以及通道状态的上传等；所述的SDRAM是DSP 在运算时对电文等大数据量进行临时缓存的。系统维护模块是参数计算与实时更新模块的主要功能模块，直达星和海洋反射信号的通道配置以及伪码偏移、功率衰减和多普勒频偏的灵活配置都是通过这个模块实现的。系统维护模块通过PCI总线读取直达星观测数据和海洋反射观测数据，分别通过直达星累加参数/功率计算模块和海洋反射累加参数/功率计算模块进行伪码和电文的累加参数计算以及功率的计算，并将计算结果通过EMIF实时的下写给中频导航信号生成模块，另外还会实时下写直达星导航电文。同时，直达星累加参数/功率计算模块和海洋反射累加参数/功率计算模块还将系统的状态信息实时的通过PCI总线上传给上位机。海洋反射的观测数据包括对32个海洋反射点的理论伪距参数，即伪距初值R0,伪距速度V，伪距加速度a，伪距加加速度b。对于海洋反射信号功率衰减量δρ。ψ的模拟是在海洋反射功率计算模块中完成的，将观测数据分离出的海洋反射信号的功率衰减零值分别叠加到每一个通道所对应的直达星功率值上，最终得出各个通道的功率码下写到FPGA中进行后续处理；对于海洋反射信号伪码偏移量S。和多普勒频偏量Sd。pp&模拟是在海洋反射累加参数计算模块中完成的，将某一反射点反射信号的伪距(可以直接从海洋反射观测量中获得)分别叠加到伪码和载波的伪距初值Rtl上，将该反射点的多普勒频偏量分别叠加到伪码和载波的伪距速度ν分量上，经过计算得出伪码和载波的三阶累加器系数下写到 FPGA中进行后续处理。通过海洋反射累加参数/功率计算模块对功率衰减、伪码偏移和多普勒频偏的计算叠加，从而实现了对海面反射区域的三维模拟仿真。直达星和海洋反射信号的通道配置功能是通过仿真通道管理模块实现的。对于直达星的12个通道，可以建立任意不多于12颗的卫星并进行保持，并可以任意撤销其中某颗卫星而建立和保持另外一颗卫星，即换星；对于海洋反射的32个通道，既可以进行相同多普勒频偏的二维仿真，也可以进行不同多普勒频偏的三维仿真，既可以设置单颗卫星的32 个海洋反射路径，也可以设置多颗星对应的多个海洋反射路径，只要所仿真的海洋反射路径数量总和为32路即可。同时也可以随意进行换星处理。这样，直达星和海洋反射信号的每个通道都能够实现独立的控制。累加参数的计算包括伪码码环和载波环三阶累加器参数的计算两部分。计算伪码码环参数通过如下公式进行
权利要求
1.一种海洋反射射频信号生成系统，可分别将直达星和海洋反射观测数据进行处理后模拟仿真出直达星和海洋反射射频信号，包括，参数计算与实时更新模块、中频导航信号生成模块、DAC模块和上变频模块，其特征在于所述参数计算与实时更新模块和中频导航信号生成模块，参数计算与实时更新模块接收输入的直达星和海洋反射观测数据，并分别生成对应于直达星和海洋反射观测数据的累加参数和功率控制码后输出给中频导航信号生成模块；中频导航信号生成模块利用输入的累加参数、功率控制码生成直达星和海洋反射的数字中频仿真信号后输出到DAC模块。
2.根据权利要求1所述的一种海洋反射射频信号生成系统，其特征在于所述参数计算与实时更新模块包括系统建立模块、系统初始化模块和系统维护模块；其中，系统建立模块负责为整个信号生成系统建立开始仿真的启动时间，并将启动时间输出给系统维护模块；系统初始化模块负责对参数计算和实时更新模块的外部设备进行初始化以及对中频导航信号生成模块进行复位，所述外部设备包括PCI总线和SDRAM ；系统维护模块包括仿真通道管理模块和累加参数/功率计算模块，其中，仿真通道管理模块根据海洋反射射频信号生成系统通道仿真数量确定直达星和海洋反射通道的开启/ 关断状态，直达星仿真最多可以仿真12个直达星通道的信号，海洋反射仿真最多可以仿真 32个通道的海洋反射信号；累加参数/功率计算模块接收输入的直达星和海洋反射观测数据以及启动时间，计算伪码和载波的累加参数以及功率，产生直达星和海洋反射观测数据的累加参数、功率控制码并输出；其中所述的直达星和海洋反射观测数据包括时间信息、卫星编号、伪距、速度、加速度、加加速度、功率和载波相位。
3.根据权利要求1所述的一种海洋反射射频信号生成系统，其特征在于所述中频导航信号生成模块包括用于生成数字中频仿真信号的信号生成通道；所述信号生成通道接收输入的直达星和海洋反射累加参数和功率控制码，所述累加参数包括伪码码环参数和载波环参数；并根据累加参数计算得到载波表和码表的相位，根据计算得到的相位在伪码码表和载波表中查表得到载波和码；利用得到的载波和伪码进行调制、滤波、合路之后，与功率控制码相乘进行功率调整得到数字中频仿真信号。
全文摘要
本发明公开了一种海洋反射射频信号生成系统，涉及参数计算与实时更新模块、中频导航信号生成模块、DAC模块和上变频模块。其中，参数计算与实时更新模块用于生成对应于直达星和海洋反射观测数据的累加参数和功率控制码；中频导航信号生成模块利用输入的累加参数、功率控制码生成直达星和海洋反射的数字中频仿真信号；DAC模块和上变频模块将数字中频仿真信号转换为射频信号输出。本发明可以仿真出导航卫星海洋反射射频信号，实现了对各种海面环境的伪码偏移、功率衰减和多普勒频偏三维相关波形的物理射频信号模拟。
文档编号G01S19/13GK102213765SQ20111006048
公开日2011年10月12日 申请日期2011年3月14日 优先权日2011年3月14日
发明者刘红轩, 孙昊婧, 孟斌, 毕亮, 王宏伟, 王晔, 王玲, 陈潇 申请人:航天恒星科技有限公司