一种信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法及装置与流程

本发明涉及卫星导航信号仿真，尤其涉及一种信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法及装置。

背景技术：

1、低轨卫星轨道高度低、运行速度快，卫星与地面接收机之间的相对运动速度可达数千米每秒甚至更高，由此产生显著的多普勒频移、多普勒变化率以及多普勒二次变化率。与静止轨道或中高轨卫星相比，低轨卫星信号的多普勒动态范围极大，速度可达正负15km/s量级，加速度可达正负2000m2/s，加加速度可达正负1000m3/s，对信道模拟器的动态模拟精度提出了极为严苛的要求。

2、在卫星信号信道模拟中，核心任务是对接收信号进行精确的时延补偿与多普勒频移模拟。时延补偿对应伪距模拟，时延补偿精度直接决定终端定位解算的准确性；多普勒模拟需要同时覆盖频率、调频斜率以及调调频斜率三个层次，以实现完整的大动态仿真。

3、现有技术中，多普勒模拟普遍采用二阶直接数字频率合成模型，仅能同时描述频率与调频斜率两个动态分量。当仿真对象具有显著加加速度时，二阶模型需要通过不断提高频率控制字更新频度来逼近高阶动态特性，导致现场可编程门阵列资源消耗急剧增加、实时性下降，且在高动态条件下仍存在较大的相位累积误差。在时延模拟方面，传统方案通常依赖单一采样时钟对应的采样周期作为最小时间分辨率，例如基带采样率为150兆赫兹时，单个采样周期约为6.67纳秒，对应伪距分辨率约2米，远不能满足低轨卫星终端测试中对伪距精度0.05米、高精度场景下0.001米的要求。此外，在动态参数的解算与下发过程中，上位机采用浮点运算生成三阶运动参数，现场可编程门阵列端采用定点运算执行相位累加，浮点与定点转换过程中固有的精度损失及定点截断误差对系统整体仿真精度的影响缺乏系统的定量分析与抑制机制。

4、也就是说，在现有技术中，存在着高动态多普勒模拟精度不足、时延分辨率有限、缺乏从粗到细的多级时延精度阶梯化补偿机制以及浮点与定点混合运算误差缺乏定量分析与抑制手段的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术的目的在于提供一种信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法及装置，以改善现有技术中存在的多普勒模拟精度不足、时延分辨率有限以及浮点与定点混合运算误差缺乏抑制的问题。

2、为实现上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、一种信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法，包括：

4、对由上位机根据卫星与接收机之间的相对运动解算得到的三阶运动参数进行超高位宽定点化处理，并将处理后的三阶运动参数下发至fpga端，形成定点三阶运动参数；

5、基于三阶dds级联模型对所述定点三阶运动参数进行相位累加，形成包含速度动态分量、加速度动态分量和加加速度动态分量的多普勒相位；其中，所述三阶dds级联模型包括依次级联的第一相位累加器、第二相位累加器和第三相位累加器，所述第一相位累加器的位宽大于所述第二相位累加器的位宽，且所述第一相位累加器的位宽大于所述第三相位累加器的位宽；

6、基于所述多普勒相位对输入基带信号依次进行ddr粗延时、ram细延时、fir滤波器插值和多级线性插值，形成时延补偿信号；

7、基于所述多普勒相位对所述时延补偿信号进行载波多普勒补偿和码多普勒补偿，形成并输出模拟后的信道信号。

8、在本技术较佳的选择中，在上述信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法中，所述三阶dds级联模型中，所述第一相位累加器、所述第二相位累加器和所述第三相位累加器分别用于完成速度动态分量、加速度动态分量和加加速度动态分量的相位累加，且各级相位累加器的频率控制字分别由上位机根据卫星与接收机之间相对运动的速度、加速度和加加速度计算生成；所述三阶dds级联模型输出的多普勒相位满足：

9、；

10、其中，n表示相位累加器位宽，e表示频率控制字，f表示调频斜率控制字，g表示调调频斜率控制字，x表示频率累加器输出移位位数，y表示调频斜率累加器输出移位位数。

11、在本技术较佳的选择中，在上述信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法中，所述基于所述多普勒相位对输入基带信号依次进行ddr粗延时、ram细延时、fir滤波器插值和多级线性插值的步骤，包括：利用ddr存储器缓存输入基带信号，以采样点组为最小延时单位确定ddr读取起始地址，实现微秒级以上粗延时；在fpga片内ram中以单采样点为粒度进行地址偏移，实现纳秒级细延时；采用多相fir滤波器组对细延时后的信号进行上采样滤波，消除上采样镜像频谱，实现亚采样周期级时延细化；对fir滤波器插值后的相邻采样点进行多级线性插值，实现皮秒级时延分辨率。

12、在本技术较佳的选择中，在上述信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法中，所述第一相位累加器输出的相位值划分为第一子位域、第二子位域和第三子位域；所述第一子位域作为fpga片内ram的读地址，所述第二子位域作为多相fir滤波器组的插值相位选择，所述第三子位域作为多级线性插值的插值系数。

13、在本技术较佳的选择中，在上述信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法中，所述三阶运动参数由上位机采用双精度浮点计算生成；所述超高位宽定点化处理包括将三阶运动参数统一截断至目标位宽进行定点化，且所述目标位宽满足：定点截断引入的频率误差小于双精度浮点计算引入的频率误差，以使系统总频率误差由双精度浮点计算误差主导。

14、在本技术较佳的选择中，在上述信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法中，所述方法还包括：以预设更新周期由上位机重新解算三阶运动参数并下发至fpga端，以抑制双精度浮点误差的长期累积漂移。

15、在本技术较佳的选择中，在上述信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法中，所述基于所述多普勒相位对所述时延补偿信号进行载波多普勒补偿和码多普勒补偿的步骤中，载波多普勒补偿率与码多普勒补偿率基于同一多普勒相位联合确定，且载波多普勒补偿率与码多普勒补偿率相等；所述载波多普勒补偿率为，所述码多普勒补偿率为。

16、本技术还提供了一种信道模拟器高精度时延与多普勒模拟装置，包括：

17、参数定点化模块，用于对由上位机根据卫星与接收机之间的相对运动解算得到的三阶运动参数进行超高位宽定点化处理，并将处理后的三阶运动参数下发至fpga端，形成定点三阶运动参数；

18、多普勒相位生成模块，用于基于三阶dds级联模型对定点三阶运动参数进行相位累加，形成包含速度动态分量、加速度动态分量和加加速度动态分量的多普勒相位；其中，三阶dds级联模型包括依次级联的第一相位累加器、第二相位累加器和第三相位累加器，第一相位累加器的位宽大于第二相位累加器的位宽，且第一相位累加器的位宽大于第三相位累加器的位宽；

19、时延补偿模块，用于基于多普勒相位对输入基带信号依次进行ddr粗延时、ram细延时、fir滤波器插值和多级线性插值，形成时延补偿信号；

20、多普勒补偿模块，用于基于多普勒相位对时延补偿信号进行载波多普勒补偿和码多普勒补偿，形成并输出模拟后的信道信号。

21、在上述基础上，本技术还提供了一种电子设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；与所述存储器连接的处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以实现上述的信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法。

22、在上述基础上，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序运行时执行上述的信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法的各个步骤。

23、有益效果：

24、本技术提供的信道模拟器高精度时延与多普勒模拟方法及装置，首先，对由上位机解算的三阶运动参数进行超高位宽定点化处理并下发至fpga端，使得参数下发环节引入的定点截断误差可以被抑制在低于浮点解算误差的水平；其次，基于三阶dds级联模型进行相位累加，由于三个相位累加器分别对应速度、加速度和加加速度三个动态分量，使得含加加速度的高阶动态多普勒可以通过纯定点迭代直接生成，无需像二阶模型那样依靠不断提高频率控制字更新频度来逼近高阶动态特性，从而在保持fpga实时性的同时降低高动态条件下的相位累积误差；然后，基于同一多普勒相位对输入基带信号依次进行ddr粗延时、ram细延时、fir滤波器插值和多级线性插值，由于四级时延精度阶梯中后一级对前一级残留的不足一个最小单位的时延残差进行细化，且各级分别对应微秒级、纳秒级、亚采样周期级和皮秒级的时间尺度，使得时延分辨率不再受限于单一采样周期，可以实现皮秒级时延分辨率；同时，第一相位累加器输出的相位值按子位域分别映射为片内ram读地址、fir滤波器插值相位选择和线性插值系数，使得四级时延精度阶梯的控制参数可以由同一个相位值统一派生，时延参数与多普勒相位同源，保障了载波多普勒、码多普勒与伪距时延之间的相参一致性；最后，基于同一多普勒相位进行载波多普勒补偿和码多普勒补偿，使得载波多普勒补偿率与码多普勒补偿率保持一致。基于上述内容，由于三阶dds级联模型、四级时延精度阶梯、相位子位域统一映射以及超高位宽定点与周期刷新机制的协同作用，使得本技术在保持fpga实时性的前提下，能够同时满足高精度伪距模拟与高动态多普勒模拟的指标要求，从而改善现有技术中存在的多普勒模拟精度不足、时延分辨率有限以及浮点与定点混合运算误差缺乏抑制的问题。