卫星信号模拟器研究现状及发展趋势

刘丽丽,王可东

(北京航空航天大学宇航学院,北京100191)

0 引 言

目前,世界上有四大全球卫星定位系统,分别是美国的GPS(Globle Positioning System)、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和中国的北斗卫星导航定位系统[1],其中,后两个系统正在建设中。近年来,随着全球卫星导航系统技术迅速发展和广泛应用,卫星信号模拟器的研发越来越受到人们的关注。卫星信号模拟器就是根据载体动态特性等各种因素对卫星信号的影响,模拟产生接收机接收到的各颗卫星信号,从而为导航接收机的研制开发、测试提供仿真环境[2]。卫星信号模拟器功能强大,应用也非常的广泛,它可以产生高动态导航信号,检验接收机的捕获跟踪性能;也可以产生特定导航信号,验证测试方案的可行性;还可以作为比较标准,检验导航接收机的动态测量精度等[3]。

1 卫星信号模拟器国内外研究动态

由于GPS卫星导航系统的广泛应用,国内外卫星导航信号的模拟和研究大部分集中于GPS模拟器上。由于国内对信号模拟器的研究起步较晚,再加上国外技术的封锁,目前国内信号模拟器的研究还相对比较落后,所研制的信号模拟器大部分也只限于GPS L1频率的C/A码信号。国外在该领域起步较早,技术也比较成熟,不仅可以模拟GPS L1、L2频率上的C/A码和P码,还可以产生GPS L2C、L5、M码信号,部分产品还可以模拟Galileo E1、E5、俄罗斯GLONASS信号以及BOC信号等,现在甚至可以模拟差分信号、姿态测量信号。已研制出多种型号的高动态GPS卫星信号模拟器并投入使用[4-6]。下面分别介绍国内外相关研制情况。

1.1 GPS卫星信号模拟器

全球定位系统(GPS)由美国政府于1994年全面建成,由于已经运行十几年了,所以相关的GPS导航信号模拟器在市场上比较多,相关研制技术也比较成熟。GPS卫星信号是码分多址(CDMA)体制,将包含导航定位信息的导航电文经过伪随机码扩频调制,得到基带数据,最后经过载波调制,生成L1和L2载波信号。

1)国内

北京航空航天大学在国家自然科学基金等项目的支持下,率先开展了GPS卫星信号模拟器的研究。该款GPS信号模拟器是一款高动态的GPS卫星信号模拟器,由GPS信号发生器、计算机和仿真软件组成,GPS信号发生器由PCI接口、DSP、FPGA、D/A、上变频和天线等硬件构成,该信号发生器能够同时产生12个通道的信号。仿真软件是GPS信号发生器的核心,GPS信号发生器所需要的各种参数都是从仿真软件计算得到的[7]。目前正向GNSS通用卫星信号模拟器方向发展[8]。

此外,东方联星公司[9]设计生产了三款有中国自主知识产权的高性能GPS卫星信号模拟器,即NS600 12通道卫星信号模拟器,NS601可定制场景的12通道卫星信号模拟器,NS700多通道可编程卫星信号模拟器。解决了长期困扰我国的高端芯片和接收机无法精确测试的难题,在航空航天等系统中发挥了重要作用。

2)国外

GPS卫星信号模拟器的研制方面起步较早,目前,已经有多个厂家提供多个系列的产品,如英国Spirent公司研制的GSS和ST R系列卫星信号模拟器、美国CAST公司研制的1000、2000、4000系列卫星模拟器、Welnavigate公司研制的GS100、GS600、GS1010系列等。这里简要介绍一下其中的一些典型产品,来说明当前国际上高端GPS卫星信号模拟器的开发水平。

Spirent公司的GSS8000[10]系统由满足测试要求的信号发生器组成,它能运行该公司研制的功能强大的SimGEN软件以控制计算机和配置,系统采用“模块化设计,可以在一个信号发生器的封装内支持最多3种RF载波信号,信号的种类可以灵活选择。如果需要更多的信号与输出,可以用多个封装组成一套齐备的信号发生装置”。SimGEN的标准功能包括模拟大气效应、多路径反射、地形障碍、天线增益及相位方向图、差分改正数据及车辆/航空/航海/航天载体的轨迹生成与完备的误差生成。SimGEN实时工作,编译和驱动RF信号和屏显需要的数据流。无论是测试单一星座的多路径信号还是使用多个星座信号的多模系统测试,GSS8000的模块化设计都可以配置满足用户的要求。而且 GSS8000可以厂家配置能支持GPS、Galileo、GLONASS和SBAS复合信号以满足用户需求。

Welnavigate公司的GS600是一个 L1 C/A码信号模拟器,它能够按照GPS卫星信号的格式产生射频信号,在这个设备中,模拟器需要的运行数据存储在PC卡上,因此,计算机运行时不需要与模拟器的硬件设备在一起,计算机软件可以自己产生出模拟器需要的运行数据[1]。

1.2 北斗卫星信号模拟器

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统,包括北斗一号和北斗二号的2代系统。北斗一号是一个已经投入使用的区域性卫星导航系统,北斗二号则是一个正在建设中的全球卫星导航系统。北斗一号系统与GPS系统不同,它通过两个卫星发送四个波束的动态信号,而且是双向测距。其模拟器比GPS模拟器设备复杂,它必须具有信号收发设备和定位处理功能[21]。北斗二号卫星导航系统与GPS导航系统原理相同。

东方联星公司最新研制出的NS800[11]多系统导航卫星信号模拟器,可以同时模拟GPS、GLONASS和北斗一代三个导航系统的卫星信号,可提供32个卫星通道,同时最多可产生16颗GPS卫星、8颗GLONASS卫星和3颗(6波束)北斗一代卫星信号。“NS800集成了高精度导航卫星信号生成技术、导航卫星信号调制技术、导航卫星轨道参数化技术,具有高精度导航卫星射频信号生成能力,用户接收机运动模拟能力;可以从用户定义的文件或通过以太网实时输入载体运动轨迹,实现硬件闭环测试;输出信号功率连续可调;可生成低动态、中动态、高动态测试场景,提供场景编辑功能”。此外,东方联星公司还研制出一款12通道BD2(北斗二)卫星信号模拟器[12],该款信号模拟器可以模拟BD2卫星导航定位系统的5颗GEO、3颗IGSO和4颗MEO卫星的RNSS下行导航信号,用于BD2用户设备开发、测试。

北京北斗星通公司基于用户定义的飞行器轨迹等场景文件,通过对伪距、载波相位、多普勒频移等卫星信号参数的仿真与控制,研制出了北斗巡天多通道高动态北斗一号卫星信号模拟器和北斗二号卫星信号模拟器,可分别模拟测试场景下的北斗一号三颗卫星和北斗二号下行导航信号,输出频率分别为北斗一号S波段和北斗二号B1、B2、B3频点[13]。

1.3 Galileo卫星信号模拟器

Galileo卫星定位系统是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统,有“欧洲版GPS”之称,受预算增长和研制周期延时等影响,该系统的运行时间还没有确定。与GPS相比,该系统的卫星数量多、轨道位置高、轨道面少,且更多用于民用[14]。由于Galileo与GPS这两种卫星系统占用的频宽相同,为了与GPS系统兼容并提供更高的定位精度和更好的捕获性能,Galileo信号中使用了二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)调制[15-16]。在Galileo系统中,广泛使用了以BOC调制为基础的调制技术,如 E5频段内的 AltBOC(Alternate BOC),E1频段内的CBOC(Composite BOC)。Galileo信号采用此类调制技术的一个主要原因就是为了保证新的Galileo信号与原有的GPS(包括民用和军用)信号在频谱上不构成互相干扰。

由于Galileo计划中还有许多未定因素,因此,目前还没有非常成熟的Galileo导航信号模拟器。Spirent公司的Galileo卫星信号模拟器GSS7800是在GPS卫星信号模拟系统GSS7700的基础上建立的。该款Galileo卫星信号模拟器将支持测试L1、E5a/E5b、E6频率,但由于Galileo测距码和导航数据目前没有授权给商业使用,因此,本GNSS模拟器仅使用Galileo系统未限制公开的相关信息。且该 Galileo卫星信号模拟器可与Spirent GSS7700 GPS模拟器结合使用,具备GSS4765干扰信号发生器的干扰模拟选项。

1.4 GLONASS卫星信号模拟器

GLONASS是由俄罗斯研发的卫星导航系统,与美国的GPS相比,GLONASS采用频分多址体制[17],卫星靠频率不同来区分,每组频率的伪随机码相同。由于卫星发射的载波频率不同,GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰,因而,具有更强的抗干扰能力。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码:S码和P码。

Spirent公司的STR4780 GLONASS仿真系统可能是目前市场上唯一的主流GLONASS卫星信号模拟器。这个GLONASS仿真系统可独立使用,也可与 STR4760等其它GPS模拟器联合使用。STR4780 GLONASS卫星信号模拟器被重新配置过了,以适应复杂和多变的测试解决方案,它具有远程控制能力,硬件环回和2个射频输出等能力,设置能够实现差分测试。

2 卫星信号模拟器研究的技术现状及发展趋势

2.1 技术现状

从目前市场上可以见到的卫星信号模拟器的实现形式来看,主要有以下两种:

1)基于软件的模式

在这种模式下,所有与导航有关的信息和信号都是由计算机处理得到,包括对各种模型的模拟和信号的产生都是由计算机软件进行计算后,存储到存储器中的。

2)基于软硬件结合的模式

在这种模式下,计算机软件负责与导航信息和信号有关的计算,利用与信号相关的参数控制硬件对信息进行模拟,产生出卫星信号。北京航空航天大学张其善等[18]开发的高动态信号模拟器就是这种模式。

卫星信号模拟器的这两种实现形式各有优缺点。第一种模式软件模型十分清楚,产生信号精确,设计比较灵活,但运行受到计算机硬件的限制,实时性差,且不易实现长时间的仿真测试。第二种模式软硬件结合紧密,模拟器的体系结构比较复杂,实现较为麻烦,技术难度大,但可以实现实时仿真,也可进行长时间仿真测试。

2.2 发展趋势

卫星信号模拟器作为一个专业领域的完整的应用系统,就目前实现的功能而言还不能满足地面系统的测试需求,还有很多关键技术有待解决,很多功能需要增加和完善。针对目前存在的问题和不足,对未来卫星信号模拟器的发展我们认为应该:

1)提供多模卫星信号仿真功能,“针对多模卫星接收机的联合定位、结算能力进行测试验证;检测接收机在高动态环境中的信号捕获、跟踪和锁定能力,尤其是在瞬间加速状态下对卫星信号的锁定能力;利用仿真器产生针对某一特定模型的测试信号,对接收机软件算法的解算精度进行更具针对性的测试验证。”

2)完善各种误差模型。可根据实际的测试结果,不断完善各种误差模型,使信号模拟器的测试环境尽可能的接近实际效果;

3)完善接收机运动模型。一方面,可以根据测试需要增加接收机运动模型的种类;另一方面,可以增加运动轨迹的建立方式;

4)增加惯性导航(INS)模拟功能。研制INS/GPS卫星信号模拟器,为INS/GPS组合导航方案的验证提供测试条件;

5)差分信息产生方法。选择合理差分信息产生方案,使信号模拟器具备完善的差分测量系统的测试功能;

6)增加天线模型设置功能。分析天线方向性及增益对信号的影响,建立合理的数学模型,分析天线对信号的影响;

7)研究载体姿态对卫星信号的影响。有些载体如飞行器在飞行过程中姿态角变化较大,使得接收机天线对空间的覆盖特性发生变化,可能导致部分或全部卫星信号的中断,如不考虑这些因素的影响,而按一般的可见卫星判断方法,模拟器将输出接收机实际无法使用的那些卫星,与接收机实际接收到的信号状态不符[19]。所以,必须研究飞行器姿态对可见卫星判断的影响;

8)完善导航电文生成模块。研究卫星星历数据的产生方法[20],以合理的方式获取导航电文中包含的各类信息,增加电文生成的灵活性、可编辑性,并与整个测试环境协调工作,满足接收终端定位解算的需要。

3 结 论

详细介绍了卫星信号模拟器的国内外研究动态,总结了国内外在该领域的技术现状,对卫星信号模拟器的未来发展趋势做了探讨。由于当前国际上卫星导航技术属于热门技术,各种新技术不断得到应用,而国内在该领域起步相对较晚,因此,加快在该领域的技术开发是非常必要的。

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