多系统卫星导航信号软件模拟器体系设计

舒 展 ，王 迪

（1.北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京 100191;2.北京卫星导航中心 北京 100094）

多系统卫星导航信号软件模拟器体系设计

舒 展1,2，王 迪2

（1.北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京 100191;2.北京卫星导航中心 北京 100094）

与传统信号模拟器相比，软件模拟器具备设计灵活、可扩展、开放性强以及成本低的诸多优点。随着卫星导航的发展，卫星导航体制越来越复杂，通过对多系统不同调制方式的卫星导航信号模型进行分析，迫切需要建立统一的描述方法，减少重复的算法编写。首先提出了一种针对多系统卫星导航信号模拟器描述方法，其次建立了针对不同卫星导航信号体制的描述，给出了信号传播时延、多普勒频移的估计方法。最后，对模拟的信号进行了验证。

卫星导航；信号模拟；多系统；参数计算

随着卫星导航技术的飞速发展，卫星导航技术已经在各国的信息化建设中起着关键性的作用。作为卫星导航技术重要组成部分的卫星信号模拟技术也显得尤为重要。GNSS信号模拟器能够为研发和验证阶段的GNSS接收机、地面系统的研制建设提供一个可靠稳定准确灵活和易用的仿真及测试环境。尤其是我国北斗二代系统正在加紧建设中，北斗二代导航信号与多模导航信号仿真必须提前实现。

本文探讨一种多系统软件卫星导航中频信号模拟器的构架与实现方法，并对所产生的GNSS信号进行了频谱分析，使用软件接收机对模拟器产生的数据进行捕获跟踪验证。

1 卫星导航信号模型与描述方法

随着卫星导航信号体制的发展，未来导航卫星向用户发送的信号将由载波、伪码、子载波、二级码、导航电文多个部分组成，主要采用PSK系列和BOC系列调制方法[1]。数据码首先与伪码、二级码异或相加而实现扩频，然后它们的组合码再通过不同调制方式对载波进行调制。为了统一描述不同信号体制，本模拟器基于PSK系列和BOC系列调制的信号，建立一个统一的信号模型描述方法。上述5部分可以描述为：

式中，SI(t)和SQ(t)分别表式I支路和Q支路信号，A表式信号幅度乘以恒包络调制幅度，X(t)表示扩频码，D(t)表示导航电文，N(t)表示二级码，U(t)表示子载波，f表示载波频率，θ表示相位。

1.1 PSK系列调制体制信号模型

1 .1 .1 GPSL1C/A码信号

GPSL1C/A码信号 S(t)可为[2]：

式中，Pc为C/A码信号的振幅，x(t)是卫星产生的C/A码电平值，d(t)是卫星播发的数据码电平值，θ1为载波L1的初相位，f1为1 575.42 MHz。基于统一模型，信号可以表示为式（1）形式，对应于原信号模型 A=Pc，X(t)=x(t)，D(t)=d(t)，导航信号是

表1 GPSL1CA码信号与BD2B1I信号描述Tab.1 Descriptions of GPSL1CA signal and BD2B1Isignal

表2 GPSL1C信号与GalileoE1信号描述Tab.2 Descriptions of GPSL1C signal and Galileo E1 signal

送时刻用于描述卫星空间位置的坐标系用ECEFTX表示，信号接收时刻描述用户位置的坐标系用ECEFRX表示，如图2所示。

图2 信号传播时间Fig.2 Transmission time of signal

卫星位于点P，信号发射时接收机处于发射坐标系ECEFTX中的R点，假设信号传播时间为tP，当信号到达接收机时，接收机处于接收坐标系ECEFRX中的R′点，此时的卫星为P′，用户在接收时刻的位置是已知的，卫星在接收时刻的位置可以由导航电文推算得出。因为信号传播时间tp很短，可以认为卫星在这段时间内是匀速运动，其速度为(vx,vy,vz)，发射时刻卫星位置为(xst,yst,zst)，接收时刻接收机位置为(xu,yu,zu)，卫星位置为(xsr,ysr,zsr)，则卫星在发射时刻的位置估计值和信号的传播时间的估计值如式（9）方程组所示：

式中，c为光速，ECEFTX和ECEFRX中的卫星坐标存在如式（10）所示：

式中，ωe为地球自转角速度，由式（10）可得出一个新的传播时间tp′，将此新的传播时间 tp′代入式（9）计算发射时刻卫星位置（xst,yst,zst)，再重复（10）式计算传播时间，可以得到传播时间tp的误差非常小，通过循环的两次计算可以得到一个准确的传播时间，相应算出其传播距离。

2.2 多普勒频移计算

卫星绕地球运行，测点与卫星之间存在着高速的相对运动，使得测点接收机收到的卫星发射信号存在多普勒频移，多普勒频偏对卫星发射信号带来的影响主要体现在调制数据的扩频码和载波中。多普勒频率取决于卫星和接收机之间的径向速度，多普勒方程如式（11）所示：

式中，fd为多普勒频率，fR为卫星射频发射信号频率，ft为接收频率，v为接收机相对于卫星的径向运动速度，c为光速。设接收机速度为(vxu,vyu,vzu)，接收时刻接收机位置为(xu,yu,zu)，卫星位置为(xsr,ysr,zsr)，r为上一节求出的信号传播距离。则径向速度：

代入式（12）得出多普勒频移值。

图3 仿真信号频谱图Fig.3 Spectrum from signal of simulation

3 模拟结果

3.1 信号频谱

图3是仿真信号频谱图，图3(a)是GPSL1C/A码仿真信号频谱图，信号采样率为12 MHz，中频为0，采用1 bit量化。图4(b)是BDB1I仿真信号频谱图，信号采样率为 12 MHz，中频为0，采用1 bit量化。图3(c)是GPSL1C仿真信号频谱图，信号采样率为20 MHz，中频为0，采用 1bit量化。图 3(d)是GallieoE1仿真信号频谱图，信号采样率为20 MHz，中频为0，采用 1 bit量化。

3.2 接收机跟踪效果

模拟器仿真GPSL1C/A码信号设置多普勒初始值100 Hz，多普勒的变化率为2 Hz/s，通过软件接收机捕获跟踪上的多普勒值对模拟器生成的多普勒进行验证。图4是截取时间从第10 s到20 s模拟器设置多普勒与接收机跟踪多普勒。

图4 模拟器生成数据产生多普勒与接收机跟踪到多普勒Fig.4 Simulator to generate Doppler and receiver to track Doppler

4 结论

文中描述了多系统多种调制方式的软件中频信号模拟器，对不同调制方式的信号有一个统一的描述方法，从卫星运动状态和接收机位置关系的角度分析计算信号传播时延和多普勒频移迭代计算方法，最后给出由模拟器生成不同调制方式的基带信号的频谱，初步验证了这一信号模拟器所产生的信号。为导航信号体制综合实验验证提供信号仿真的环境。

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Architecture design for software simulator of multisystem satellite navigation signal LabWindows/CVI

SHU Zhan1,2,WANG Di2
（1.School of Electronics and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2.Beijing Satellite Navigation Center,Beijing 100094,China）

Compared to conventional navigation signal simulators,software simulator has many advantages,which include flexible design,easy extending,strong openness,and low cost.With the development of satellite navigation,satellite navigation system is getting more and more complicated.Based on the analysis for satellite navigation signal model in different modulation methods of multisystem,it is very urgent to establish a unified description method,which can reduce duplication writing of algorithm.firstly,description method for multisystem satellite navigation signal simulator is proposed.Secondly,it can describe different systems of satellite navigation signals and provide estimation method for signal transmission delay time and Doppler frequency shift.Finally,the signal of simulation is validated.

satellite navigation;signal simulation;multisystem;parameter calculation

TN967.1

A

1674-6236（2014）13-0048-04

2013-10-14 稿件编号：201310082

舒 展(1985—)，女，江西景德镇人，硕士，助理工程师。研究方向：卫星导航和软件模拟器技术。