一种小型化的卫星导航信号码片畸变监测系统及监测方法与流程
本发明涉及一种卫星导航信号质量监测领域，特别涉及一种小型化的卫星导航信号码片畸变监测系统及监测方法。
背景技术：
目前，全球卫星导航定位系统(gnss)由美国的gps、俄罗斯的glonass、中国的beidou以及欧盟的galileo组成。接收机进行信号接收的过程中，往往需要较高的精度、可靠性等才能实现信号的正常接收。
现阶段，有很多关于信号监测和评估的方法，一般在前端采用高增益天线及全向天线相接合的方式来接收卫星信号，接着采用通用的仪器设备包括示波器、频谱仪以及矢量信号分析仪等对接收的导航信号直接进行监测和分析，同时采用监测接收机对接收信号进行同步处理，从时域、频域以及调制域全面地对导航信号质量进行监测和评估，最后完成对导航的解析，以及验证信号性能。
随着微小型卫星在导航领域的应用越来越广泛，对导航接收机的体积、重量也有更高的要求。传统的导航接收机体积相对较大，有关码片畸变监测的研究很少，并且对于码片畸变的研究都是基于软件采集后的处理，没有达到实时监测的目的。
技术实现要素：
针对背景技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种小型化的卫星导航信号码片畸变监测系统及监测方法。用现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，fpga)对经过下变频的卫星导航中频信号进行捕获跟踪，在精简指令集微处理器(advancedriscmachine，arm)上实现码片畸变监测的算法，并用上位机进行门限判决，在界面上输出监测结果，以实现码片畸变的监测。
本发明提供一种小型化的卫星导航信号码片畸变监测系统，包括：射频前端部分、基带信号处理部分、上位机界面三个部分，其中，射频前端部分完成射频信号下变频到中频信号的过程。基带信号处理部分采用fpga+arm的设计架构，包含逻辑处理单元(fpga)、数据管理单元(arm)、时钟管理单元、两路中频输入接口、两路中频输出接口、外部接口和电源模块等六个部分。上位机界面部分通过matlab的gui设计进行界面展示。
其中，逻辑处理单元用于实现信号的调制、解调、数学信号处理；数据管理单元用于实现网口通信、配合fpga完成整个基带信号处理部分的管理；时钟管理单元用于为基带信号处理部分的其他单元提供时钟信号；外部接口部分实现基带信号处理部分与外界的数字信号传输；电源模块的功能是为整个基带信号处理部分提供所需要的电压，保证基带信号处理部分的正常工作。
本发明提供一种小型化的卫星导航信号码片畸变监测方法，其步骤如下:
步骤一、搭建fpga+arm的硬件平台，即小型化的卫星导航信号码片畸变监测系统，包括射频前端部分、基带信号处理部分、上位机界面三个部分，用于进行码片畸变监测；
步骤二、通过射频前端部分将卫星导航信号下变频到中频之后，用fpga实现信号的接收，并获得捕获跟踪的数据；
步骤三、根据多相关器算法对卫星导航信号码片畸变进行监测，并根据算法对fpga进行改进；
步骤四、在arm中完成对码片畸变的监测；
步骤五、将arm处理的数据输入到上位机中，进行门限判决并输出监测结果。
通过以上步骤，本发明将码片畸变监测算法加入到接收机中，使得接收卫星导航信号的同时，通过多相关器算法，对导航信号进行码片畸变监测，并通过门限判决判定监测结果；即通过加入码片畸变监测方法对卫星导航信号进行接收，更真实的反应卫星导航接收的情况。
其中，步骤二中所述的将卫星导航信号下变频到中频，其做法如下：通过配置射频前端部分的芯片的本振寄存器完成对射频信号下变频到中频的功能。
其中，步骤二中所述的所述的用fpga实现信号的接收，其做法如下：通过配置基带信号处理部分的ads42lb69芯片寄存器，利用基带信号处理部分的两路中频输入接口完成对射频前端部分输出信号的接收，并对中频信号进行ad转换，同时完成阻抗匹配；通过并行频率捕获的方式，对中频导航信号进行捕获，以获得跟踪多需要的载波相位和码相位的粗估计；通过二阶锁频环辅助三阶锁相环的方式对导航信号进行跟踪，以达到对载波相位和码相位的精确估计。
其中，在步骤三中所述的多相关器法对卫星导航信号码片畸变进行监测，其做法如下：在同相支路(in-phase,i路)和正交支路(quadrature,q路)两路分别加入四路信号，使得码片偏移量分别为1/4码片、1/2码片和3/4码片，之后利用多相关器监测算法，对码片畸变进行监测；
其中，在步骤三中所述的所述的对fpga进行改进，原因是原有的接收算法只有码片偏移量为1/2码片的信号，需要加入偏移量分别为1/4码片和3/4码片的信号，所以要对跟踪算法进行改进，改进的是基带信号处理部分的逻辑处理单元。
其中，在步骤四中所述的在arm中完成对码片畸变的监测，其做法如下：在基带信号处理部分的arm中完成对fpga基本的参数配置，根据fpga中跟踪相关器和附加相关器的数据，实现码片畸变监测。
其中，在步骤五中所述的将arm处理的数据输入到上位机中，进行门限判决并输出监测结果，其做法如下：将arm处理的数据通过网口传输到上位机界面部分，利用matlab的gui进行门限判决并用界面输出监测结果，对信号可靠性进行判断。
其中，所述的arm还要完成与上位机通信，其步骤如下：按照网络接口协议通过tcp/ip协议接收上位机发来的数据；将上位机传来的数据帧进行解帧操作，将数据帧数据写入按照eim总线功能划分的地址空间；按照网络接口协议通过tcp/ip协议接收fpga发来反馈数据；将反馈数据透传给上位机。
本发明提供一种小型化的卫星导航信号码片畸变监测系统及监测方法。将卫星导航信号进行下变频之后，用fpga进行中频信号的捕获跟踪，并在arm上进行码片畸变的监测，资源更丰富，接口数量更多，数据的处理速度更快。相比于传统的导航接收机中，许多模块不能满足小型化这一要求，并且现有成熟技术在微小卫星上应用时，也对接收机的可靠性提出了更高的要求。所以，本发明将码片畸变的监测方法加入到了接收机中。相比于在软件上对码片畸变监测的后处理方法，采用arm进行码片畸变的监测，可以达到实时监测的目的，能更加及时的发现问题。此外，相比于别的接收机，本发明的接收机可靠性高、重量轻，特别适合微小型卫星环境上的应用，满足高可靠、高集成、小体积卫星系统。本发明在硬件上对卫星信号的可用性进行判断，增加了接收机的可靠性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明采用的硬件结构
图2为本发明基带信号处理模块采用的硬件结构
图3为本发明多相关器监测算法模型
图4为本发明码片畸变监测上位机界面显示
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明一种小型化的卫星导航信号码片畸变监测系统，如图1所示，包括：射频前端部分、基带信号处理部分、上位机界面三个部分；射频前端部分完成射频信号下变频到中频信号的过程。基带信号处理部分(如图2)采用fpga+arm的设计架构，包含逻辑处理单元(fpga)、数据管理单元(arm)、时钟管理单元、两路中频输入接口、两路中频输出接口、外部接口和电源模块等六个部分。上位机界面部分通过matlab的gui设计进行界面展示。
其中，逻辑处理单元的功能是实现信号的调制、解调、数学信号处理等，主要的器件是xilinx公司的xc7k325t，兼容xc7k410t。
其中，数据管理单元的功能是实现网口通信、配合fpga完成整个基带信号处理部分部分的管理，选用的是cortex-a9，linux操作系统。
其中，时钟管理单元的功能是为ad、da、fpga、arm提供时钟信号，主要器件是ti公司的lmk03806。
其中，中频输入接口主要的器件是ti公司的ads42lb69，16bit，最大采样率为250mhz，最大模拟带宽为1ghz。
其中，中频输出接口主要的器件是ti公司的ad9788，16bit，最大采样率为800mhz，可输出dc～400m的中频信号。
其中，外部接口部分包括16位lvttl输入、16位lvttl输出、4位lvds输入、4位lvds输出，实现基带信号处理部分与外界的数字信号传输。
其中，电源模块的功能是为整个基带信号处理部分提供所需要的电压，保证基带信号处理部分的正常工作。
综上，所述的基带信号处理部分采用fpga+arm的架构，不仅扩展了资源，增加了接口数量，还使数据的处理速度更快。
本发明提供一种小型化的卫星导航信号码片畸变监测方法，其步骤如下:
步骤一、搭建一种fpga+arm的硬件平台，包括射频前端部分、基带信号处理部分、上位机界面，便于进行码片畸变监测；
步骤二、将卫星导航信号下变频到中频之后，用fpga实现信号的接收，并获得捕获跟踪的数据；
步骤三、根据多相关器算法实现对卫星导航信号码片畸变的监测，并根据算法对fpga进行改进；
步骤四、在arm中完成对码片畸变的监测算法；
步骤五、将arm处理的数据输入到上位机中，进行门限判决并输出监测结果。
通过以上步骤，通过加入码片畸变监测方式对卫星导航信号进行接收，更真实的反应卫星导航接收的情况。
在本发明中，射频前端部分主要包括时钟模块、电源模块、微控制单元(microcontrolunit,mcu)和下变频xn112模块。其中，用电源模块给微控制单元和其他各个模块进行供电，微控制单元使用stm32f030f4对整个射频前端进行配置，通过配置xn112芯片的本振寄存器，把射频信号转换成中频模拟信号。
之后，用fpga对中频信号进行接收，fpga作为主要中频信号处理器件，负责各个前端电路的控制和访问、数据采集和输出，是中频处理单元的核心。fpga的型号是xilinx公司推出kintex-7系列，具体型号为xc7k325t。xc7k325t包含50,950个slices，5,088kbit的distributedram，16,020kbit的blockram，10个dcm(时钟管理单元)，最大的单端i/o管脚数为500个，最大的差分管脚数为200个，用于数据处理的dspslices个数为840个，如此大数据处理资源足够完成调制解调器的逻辑设计。本实施例中，fpga的功能如下：
·通过配置ads42lb69芯片寄存器完成对中频信号的ad转换，ads42lb69最大采样频率为250mhz，输入满幅度为2vpp，并且使用了rf变压器用来进行单端到差分的转换，同时完成阻抗匹配。；
·通过并行频率捕获的方式，对中频导航信号进行捕获，以获得跟踪多需要的载波相位和码相位的粗估计。
·通过二阶锁频环辅助三阶锁相环的方式对导航信号进行跟踪，以达到对载波相位和码相位的精确估计。
其中，步骤三的做法如下：本发明中，码片畸变的监测方法采用的是多相关器法，如图3所示，在i、q两路分别加入四路信号，使得码片偏移量分别为1/4码片、1/2码片和3/4码片，其过程如下：
·假设：
τ(d)表示在d的相关间隔下迟早门相关器锁定的相关峰位置，则
δτnom(d1,d2)＝τnom(d1)-τnom(d2)
表示信号未发生异常时，两个相关间隔得到得相关峰位置差。类似地，δτa(d1,d2)＝τa(d1)-τa(d2)表示伪码波形失真时，两个相关间隔得到得相关峰位置差，则δτa(d1,d2)-δτnom(d1,d2)表示伪码波形失真带来的附加峰值位置畸变量。
·将该畸变量与检测系统噪声相比较，就可判断是否存在有害波形。检测系统噪声即mde：
mde＝(kffd+kmd)×σtest
·伪码波形畸变检测公式：
其中c为相关检测器个数。多对相关器在不同的相关间隔下，分别比较有害波形所带来的附加相关峰位置畸变量与检测器mde之间的大小，如果某一对相关器得到了大于mde的检测结果，则判定出现了伪码畸变。
本实施例中，如步骤二所述的导航信号接收需要三路跟踪相关器，如图3中的跟踪相关器，多相关器算法要在i、q两路分别加入四路信号，所以在fpga中要相应的加入附加相关器，以便码片检测算法使用。
其中，本实施例中，步骤四的做法如下：数据管理单元选用的是my-i.mx6核心板，i.mx6系列处理器包括最多4个
其中，本实施例中，arm软件的主要功能为：
·完成对fpga、时钟芯片、adc、dac等硬件的初始化设置；
·接收上位机主控软件的故障模式设置参数，完成fpga各个模块的工作参数设置功能；
·收集fpga中关于码片畸变监测模块的监测状态和监测数据，并通过算法计算出码片检测的结果送到上位机用于监控和显示；
·管理fpga工作流程，确保fpga稳定、正确地实现测控任务，在fpga出现异常时，对其进行重新配置。
其中，步骤五的做法如下：
(1)通过上位机处理arm传来的数据，进行门限的判决。所以，arm还要完成与上位机通信，其步骤如下：
·按照网络接口协议通过tcp/ip协议接收上位机发来的数据；
·将上位机传来的数据帧进行解帧操作，将数据帧数据写入按照eim总线功能划分的地址空间；
·按照网络接口协议通过tcp/ip协议接收fpga发来反馈数据；
·将反馈数据透传给上位机。
(2)通过arm发来的数据，与设定的码片畸变门限进行比较，并通过上位机界面进行显示，如图4所示。
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