专利名称：在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机应用技术领域，尤其涉及一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成方法和装置。
背景技术：
继GPS (Global Positioning System，全球定位系统)后，各国致力于研制自己的卫星导航系统，我国在北斗一代卫星导航系统的基础上，开创了北斗二号卫星导航系统的新局面，并取得了阶段性成果。然而，北斗卫星导航系统的发展却面临着众多挑战。为了开展北斗制导技术研究，旋转体制的设备在高速飞行的同时还进行高速旋转运动，导致旋转体制的设备的可见星数目、接收卫星射频信号的幅度、多普勒、载波相位快速变化，因此，对接收机的捕获、跟踪性能提出了更高的要求。现有技术中，还没有在载体旋转条件下模拟生成卫星的射频信号的方法。
发明内容
本发明的实施例提供了一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成方法和装置，以实现有效地生成旋转条件下的卫星射频信号。一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成方法，包括计算载体天线的旋转速度，根据所述载体天线的旋转速度计算载体旋转引起的多普勒频移；建立载体的天线坐标系，根据所述天线坐标系计算载体旋转状态下载体天线的增益和接收信号功率；根据所述多普勒频移和载体天线的天线增益和接收信号功率，生成卫星的射频信号。一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成装置，包括多普勒频移计算模块，用于计算载体天线的旋转速度，根据所述载体天线的旋转速度计算载体旋转引起的多普勒频移；增益和功率计算模块，用于建立载体的天线坐标系，根据所述天线坐标系计算载体旋转状态下载体天线的增益和接收信号功率；射频信号生成模块，用于根据所述多普勒频移计算模块所计算的多普勒频移和所述增益和功率计算模块所计算的载体天线的天线增益和接收信号功率，生成卫星的射频信号。由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过建立载体的天线坐标系，计算载体天线的旋转速度，根据所述载体天线的旋转速度计算载体旋转引起的多普勒频移，在模拟多种载体运动轨迹的同时对载体运动姿态进行建模，可生成旋转条件下的卫星射频信号，为弹载接收机的研发测试提供仿真信号源。
图1为本发明实施例一提供的一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成方法的处理流程图；图2为本发明实施例一提供的一种载体的天线旋转模型的示意图；图3为本发明实施例一提供的一种载体的天线坐标系的示意图；图4为本发明实施例二提供的一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成装置的具体结构图；图5为本发明实施例二提供的一种卫星射频信号模拟器的具体结构图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，以对本发明实施例进行清楚、完整地描述人员。实施例一空间中的载体的高速旋转运动会造成载体对接收天线的遮挡，造成卫星可见性变化，在载体旋转的同时，载体的接收信号的多普勒和信号功率也随之发生变化。本发明实施例通过建立载体坐标系，并将卫星在地平坐标系中的位置转换到载体坐标系，从而计算卫星仰角，根据卫星仰角判断卫星可见性。通过建立天线旋转模型，计算卫星与用户的实时伪距矢量与天线转速之间的角度关系，从而计算载体的接收信号的多普勒功率。通过载体的接收信号到接收天线的入射角度计算天线增益及接收信号功率，最终建立信号生成硬件平台生成射频信号。为便于对本发明实施例的理解，下面结合附图及具体实施例做进一步的解释说明。实施例一该实施例提供的一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤步骤11 建立载体的天线旋转模型。在载体坐标系下建立载体的天线旋转模型，求出天线转速与伪距之间的角度关系。该实施例提供的一种载体的天线旋转模型示意图如图2，上述伪距是通过GPS观测得到的载体到卫星之间的距离。在图2中，设载体坐标系所在的平面为XuMu平面，1 ‘是卫星至载体坐标系的坐标原点之间的直线距离，1为Γ在XuMu平面的投影，ψ为Γ与1之间的夹角，β为1与\ 轴的夹角，Vz为载体天线的旋转速度，νζ = ωζΓ, ωζ = 2π ·ζ为载体天线的旋转角频率，r 为载体半径，fz为频率，是天线转动周期的倒数。步骤12 计算载体天线的旋转速度在Γ 方向上的速度分量，根据该速度分量计算载体旋转引起的多普勒频移。设ν为载体天线的旋转速度在Γ方向上的速度分量，其计算方法为ν = vzsin (β-ω zt) cos Ψ上述公式中的t表示某一时刻，ν是该时刻的速度由多普勒计算公式fd = ν · f/c计算载体旋转引起的各个频点对应的多普勒频移为
fd = vzsin ( β - ω zt) cos Ψ · fc/c= 2 π rfzsin ( β _2 π fzt) cos Ψ · fc/c其中，fc为导航系统中的某频点的载波频率，c为光速。在GPS导航系统中，上述频点包括I1频点和I2频点。在北斗卫星导航系统中，上述频点包括B1频点、4频点和 频点。步骤13 计算载体旋转状态下载体天线的增益和接收信号功率。在载体天线旋转的条件下，载体天线在不同角度对应不同的增益值。该实施例提供的一种载体的天线坐标系的示意图如图3所示，其中，ε为卫星与坐标原点的连线在XaC^a平面内的投影与Xa轴的夹角，XaC^a平面是天线坐标系所在的平面，取值范围是0 360°，η为卫星与坐标原点的连线与Ya轴之间的夹角，取值范围是0 180°，设Pa为载体的天线增益，Pa = G( ε，ii)，G为ε和η的函数；当η =0时，天线增益最大，在载体的天线旋转至180过程中，增益逐渐减小到0， 该变化过程可由正弦函数表示，设Pa为载体天线的天线增益。Pa = ksin(cot)，其中ω为旋转角速度，k为天线增益最大值。设已为计算载体天线的接收信号功率，其计算公式如下Pr = Ps_Pw+Pa，其中Ps为卫星的发射信号功率，Pw为空间传播延迟，Pa为载体天线的天线增益。步骤14、利用上述各个频点对应的多普勒频移，以及载体天线的天线增益和接收信号功率，生成卫星的射频信号。根据所述载体天线的接收信号功率己计算出载体天线的接收机前端接收到的卫星的射频信号的信号振幅A⑴，A{t) = JIPJT)。根据所述载体天线旋转引起的多普勒频移fd = ν · f/c计算多普勒频移的角频率 cod(t)，ω,α) = 2JTfd(t)。载体上的卫星射频信号模拟器模拟出的到达载体天线的接收机前端某卫星的射频信号为S(t)，S(t)的计算公式如下S (t) =A (t) D (t- τ ⑴)C (t_ τ (t)) cos[(co + cod(t)) (t-τ (t)) + Φ (t)]+n(t)其中，A(t)为接收机前端收到的信号振幅，D(t)为该卫星的导航电文，C(t)为扩频码，ω为射频角速度，cod(t)为频率偏移，τ (t)为卫星信号从发射到接收的时间延迟， Φ (t)为载波相位，n(t)为接收机收到的热噪声。上述卫星射频信号模拟器只生成可见卫星的射频信号。实施例二该实施例提供了一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成装置，其具体结构如图4所示，包括如下的模块多普勒频移计算模块41，用于计算载体天线的旋转速度，根据所述载体天线的旋转速度计算载体旋转引起的多普勒频移；增益和功率计算模块42，用于建立载体的天线坐标系，根据所述天线坐标系计算载体旋转状态下载体天线的增益和接收信号功率；射频信号生成模块43，用于根据所述多普勒频移计算模块所计算的多普勒频移和所述增益和功率计算模块所计算的载体天线的天线增益和接收信号功率，生成卫星的射频信号。具体的，所述的多普勒频移计算模块41，还用于设载体坐标系所在的平面为XuC^u 平面，Γ是卫星至载体坐标系的坐标原点之间的直线距离，1为Γ在XuMu平面的投影， Ψ为Γ与1之间的夹角，β为1与\轴的夹角，Vz为载体天线的旋转速度，Vz= ωζΓ, ωζ =2 Jifz为载体天线的旋转角频率，r为载体半径，fz为频率，是天线转动周期的倒数。设ν为载体天线的旋转速度在Γ方向上的速度分量，其计算方法为ν = vzsin (β-ω zt) cos Ψ所述t表示某一时刻，ν是该时刻的速度由多普勒计算公式fd = ν · f/c计算载体旋转引起的各个频点对应的多普勒频移为fd = vzsin ( β - ω zt) cos Ψ · fc/c= 2 π rfzsin ( β _2 π fzt) cos Ψ · fc/c其中，fc为载体所在的导航系统中的某频点的载波频率，c为光速。具体的，所述的增益和功率计算模块42，还用于建立载体的天线坐标系，该天线坐标系包括ε为卫星与坐标原点的连线在XaC^a平面内的投影与&轴的夹角，取值范围是 0 360°，η为卫星与坐标原点的连线与Ya轴之间的夹角，取值范围是0 180°，设1 为载体的天线增益，Pa = G( ε，il)，G为ε和η的函数；设已为计算载体天线的接收信号功率，其计算公式如下Pr = Ps_Pw+Pa，其中Ps为卫星的发射信号功率，Pw为空间传播延迟，Pa为载体天线的天线增益。具体的，所述的射频信号生成模块43，还用于根据所述载体天线的接收信号功率 Pr计算出载体天线的接收机前端接收到的卫星的射频信号的信号振幅A(t)，根据所述载体天线旋转引起的多普勒频移fd = ν · f/c计算多普勒频移的角频率《d(t)，设到达载体天线的接收机前端某卫星的射频信号为S(t)，S(t)的计算公式如下
S(t) =A (t) D (t- τ ⑴)C (t_ τ (t)) cos[(Q + Qd(t)) (t_ τ (t)) + Φ (t)]+n(t)其中，A(t)为接收机前端收到的信号振幅，D(t)为该卫星的导航电文，C(t)为扩频码，ω为射频角速度，cod(t)为频率偏移，τ (t)为卫星信号从发射到接收的时间延迟， Φ (t)为载波相位，n(t)为接收机收到的热噪声。其中，A(t)可由Pr得出，A(t) = ^2Pr(t)。ω d(t)即为多普勒频移的角频率，可由fd 得出，cod(t) = 2Jifd(t)0上述图4所示的在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成装置可以设置在载体上的卫星射频信号模拟器中，该实施例提供的一种上述卫星射频信号模拟器的具体结构如图5所示，包括如下的模块控制主机，运行数学仿真软件和控制软件，数学仿真软件具有北斗二号卫星导航系统全星座仿真功能，可仿真空间环境参数、相对论效应对用户观测量的影响，能够仿真载体旋转带来的信号多普勒、载波相位和信号功率强度的变化。控制软件控制整个仿真系统的工作流程。
接口模块，提供控制主机与仿真数据控制模块、射频信号处理模块、射频模块之间的接口。仿真数据控制模块，根据控制主机发送的控制命令选择相应的仿真数据，完成仿真数据的预处理，并分发给射频信号处理模块。仿真数据控制模块能够根据控制主机场景更新的指令更新场景数据。射频信号生成模块，负责射频信号的模拟产生，由数字部分完成仿真数据的数字基带处理，中频部分完成调制和DAC(模数转换器)变换，实现北斗二号卫星的射频信号模拟。该模块的具体结构如上述图4所示，具体处理过程参考上述实施例一和实施例二。射频信号发送模块，完成上变频和功率控制，以及生成RNSS (卫星导航系统，Radio Navigation Satellite System)检测单元所需要的各种时钟和触发信号。上述卫星射频信号模拟器的信号处理流程为控制主机根据设置由数学仿真软件生成仿真场景数据并通过数据接口模块发送给仿真数据控制模块。仿真数据控制模块将接收到的导航电文和观测数据，根据频点标志分发到对应的射频信号处理模块，每个射频信号处理处理模块根据该频点的导航电文和观测数据计算数字信号处理算法所需要的参数， 生成扩频码，完成信号扩频，产生包含延迟和多普勒特性的基带数字信号。基带处理模块合成的基带信号送到信号合成模块生成中频信号，各个频点的中频信号送到射频模块中，经过不同的上变频通道上变频到对应射频频点上，最后通过合路器合成一路射频信号输出。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory, ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory, RAM)等。综上所述，本发明实施例通过建立载体的天线坐标系，计算载体天线的旋转速度， 根据所述载体天线的旋转速度计算载体旋转引起的多普勒频移，在模拟多种载体运动轨迹的同时对载体运动姿态进行建模，可生成旋转条件下的卫星导航信号，为弹载接收机的研发测试提供仿真信号源。本发明实施例提供了一种载体旋转条件下，卫星导航射频信号的生成方法，可有效模拟接收机在旋转过程中多普勒的变化情况，从而测试接收机性能，为旋转载体接收机的研发测试提供仿真信号源。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成方法，其特征在于，包括计算载体天线的旋转速度，根据所述载体天线的旋转速度计算载体旋转引起的多普勒频移；建立载体的天线坐标系，根据所述天线坐标系计算载体旋转状态下载体天线的增益和接收信号功率；根据所述多普勒频移和载体天线的天线增益和接收信号功率，生成卫星的射频信号。
2.根据权利要求1所述的载体旋转条件下卫星射频信号的生成方法，其特征在于，所述的计算载体天线的旋转速度，根据所述载体天线的旋转速度计算载体旋转引起的多普勒频移，包括设载体坐标系所在的平面为Xumu平面，Γ是卫星至载体坐标系的坐标原点之间的直线距离，1为Γ在Xumu平面的投影，Ψ为Γ与1之间的夹角，β为1与\轴的夹角，νζ 为载体天线的旋转速度，Vz= ωζΓ, ωζ = 2π ζ为载体天线的旋转角频率，r为载体半径， fz为频率，是天线转动周期的倒数；设ν为载体天线的旋转速度在Γ方向上的速度分量，其计算方法为ν = vzsin ( β - ω zt) cos Ψ所述t表示某一时刻，ν是该时刻的速度由多普勒计算公式fd = V · f/c计算载体旋转引起的各个频点对应的多普勒频移为fd = VzSin (β - ω zt) cos Ψ · fc/c=2 π rfzsin ( β -2 π fzt) cos Ψ · fc/c 其中，f。为载体所在的导航系统中的某频点的载波频率，c为光速。
3.根据权利要求1所述的载体旋转条件下卫星射频信号的生成方法，其特征在于，所述的建立载体的天线坐标系，根据所述天线坐标系计算载体旋转状态下载体天线的增益和接收信号功率，包括建立载体的天线坐标系，该天线坐标系包括ε为卫星与坐标原点的连线在XaC^a平面内的投影与1轴的夹角，取值范围是0 360°，η为卫星与坐标原点的连线与Ya轴之间的夹角，取值范围是0 180°，设Pa为载体的天线增益，Pa = G( ε，n)，G为ε和η的函数；设已为计算载体天线的接收信号功率，其计算公式如下Pr = ps-pw+pa，其中Ps为卫星的发射信号功率，Pw为空间传播延迟，Pa为载体天线的天线增益。
4.根据权利要求1或2或3所述的载体旋转条件下卫星射频信号的生成方法，其特征在于，所述的根据所述多普勒频移和载体天线的天线增益和接收信号功率，生成卫星的射频信号，包括根据所述载体天线的接收信号功率&计算出载体天线的接收机前端接收到的卫星的射频信号的信号振幅A(t)，根据所述载体天线旋转引起的多普勒频移fd = ν · f/c计算多普勒频移的角频率《d(t)，设到达载体天线的接收机前端某卫星的射频信号为S(t)，S(t)的计算公式如下S(t) = A(t)D(t" τ (t))c(t- τ (t))cos[(Q + Qd(t)) (t- τ (t)) + Φ (t)]+n(t)其中，A(t)为接收机前端收到的信号振幅，成0 = >/^^，D(t)为该卫星的导航电文， C(t)为扩频码，ω为射频角速度，cod(t)为频率偏移， d(t) = 2Jifd(t), τ (t)为卫星信号从发射到接收的时间延迟，Φα)为载波相位，n(t)为接收机收到的热噪声。
5.一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成装置，其特征在于，包括多普勒频移计算模块，用于计算载体天线的旋转速度，根据所述载体天线的旋转速度计算载体旋转引起的多普勒频移；增益和功率计算模块，用于建立载体的天线坐标系，根据所述天线坐标系计算载体旋转状态下载体天线的增益和接收信号功率；射频信号生成模块，用于根据所述多普勒频移计算模块所计算的多普勒频移和所述增益和功率计算模块所计算的载体天线的天线增益和接收信号功率，生成卫星的射频信号。
6.根据权利要求5所述的载体旋转条件下卫星射频信号的生成装置，其特征在于 所述的多普勒频移计算模块，还用于设载体坐标系所在的平面为Xumu平面，Γ是卫星至载体坐标系的坐标原点之间的直线距离，1为Γ在Xumu平面的投影，Ψ为Γ与1之间的夹角，β为1与\轴的夹角，νζ为载体天线的旋转速度，Vz= ωζΓ, ωζ = 2π ·ζ为载体天线的旋转角频率，r为载体半径，fz为频率，是天线转动周期的倒数； 设ν为载体天线的旋转速度在Γ方向上的速度分量，其计算方法为 ν = vzsin ( β - ω zt) cos Ψ 所述t表示某一时刻，ν是该时刻的速度由多普勒计算公式fd = V · f/c计算载体旋转引起的各个频点对应的多普勒频移为fd = VzSin (β - ω zt) cos Ψ · fc/c=2 π rfzsin ( β -2 π fzt) cos Ψ · fc/c 其中，f。为载体所在的导航系统中的某频点的载波频率，c为光速。
7.根据权利要求5所述的载体旋转条件下卫星射频信号的生成装置，其特征在于 所述的增益和功率计算模块，还用于建立载体的天线坐标系，该天线坐标系包括ε为卫星与坐标原点的连线在XaC^a平面内的投影与&轴的夹角，取值范围是0 360°，η 为卫星与坐标原点的连线与Ya轴之间的夹角，取值范围是0 180°，设Pa为载体的天线增益，Pa = G( ε , 11)，G为ε和η的函数；设已为计算载体天线的接收信号功率，其计算公式如下Pr = ps-pw+pa，其中Ps为卫星的发射信号功率，Pw为空间传播延迟，Pa为载体天线的天线增益。
8.根据权利要求5或6或7所述的载体旋转条件下卫星射频信号的生成装置，其特征在于所述的射频信号生成模块，还用于根据所述载体天线的接收信号功率己计算出载体天线的接收机前端接收到的卫星的射频信号的信号振幅A(t)，根据所述载体天线旋转引起的多普勒频移fd = ν · f/c计算多普勒频移的角频率《d(t)，设到达载体天线的接收机前端某卫星的射频信号为S(t)，S(t)的计算公式如下S(t) = A(t)D(t- τ (t))C(t- τ (t))cos [(Q + Qd(t)) (t- τ (t)) + Φ (t)]+n(t)其中，A(t)为接收机前端收到的信号振幅，成O = A^hDa)为该卫星的导航电文，C(t)为扩频码，ω为射频角速度，cod(t)为频率偏移， d(t) = 2Jifd(t), τ (t)为卫星信号从发射到接收的时间延迟，Φα)为载波相位，n(t)为接收机收到的热噪声。
全文摘要
本发明涉及一种在载体旋转条件下卫星的射频信号的生成方法和装置，该方法主要包括计算载体天线的旋转速度，根据所述载体天线的旋转速度计算载体旋转引起的多普勒频移；建立载体的天线坐标系，根据所述天线坐标系计算载体旋转状态下载体天线的增益和接收信号功率；根据所述多普勒频移和载体天线的天线增益和接收信号功率，生成卫星的射频信号。本发明实施例通过建立载体的天线坐标系，计算载体天线的旋转速度，根据所述载体天线的旋转速度计算载体旋转引起的多普勒频移，在模拟多种载体运动轨迹的同时对载体运动姿态进行建模，可生成旋转条件下的卫星射频信号，为弹载接收机的研发测试提供仿真信号源。
文档编号G01S19/23GK102540210SQ201210031899
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者刘学维, 童长海, 郑瑞锋 申请人:北京华力创通科技股份有限公司