GLONASS卫星导航信号模拟器的设计与实现

曹春辉+刘钧涛

【摘 要】 介绍了GLONASS卫星导航信号模拟源的设计与实现，根据GLONASS导航系统频分多址的特点给出了基带信号产生和数字滤波技术两项关键技术的解决方案;给出模拟器总体框架设计，分解主要组成部分，分别予以概要设计。完成设计后进行了试验验证，给出了定位结果，证明该方案合理可行。

【关键词】 GLONASS  频分  模拟器  基带

任何接收机的研制及接收技术的突破，都离不开信号模拟器。GPS、GLONASS是较成熟的导航系统。随着GLONASS星座的日趋完善，及卫星导航系统在各个领域应用的不断深入，各国越来越重视GLONASS 接收机和多模GNSS兼容接收机的研发。

国外卫星信号仿真器的研究较早。英国SPIRENT多年前已完成GLONASS卫星信号仿真器的研发，因涉及敏感技术问题，特别是高动态型号产品对我国禁运。国内这方面起步较晚，尤其在GLONASS卫星信号仿真器的研发上，相关研究较少。本文提出的设计方案成本低，可实现用户任意设定位置、模拟卫星轨迹、模拟多径功能，并具备较高的动态性能。

1 GLONASS系统简介

GLONASS空间段由24颗卫星组成，工作星21颗，分布在互成120°夹角轨高19100km的3个轨面上，每轨8颗卫星，周期11时15分，确保任何地点同时能观测到4颗卫星。GLONASS地面段实现星座的维护与控制，由控制中心和分散于俄罗斯领土的指令跟踪控制站组成。

系统使用频分多址播发方式，卫星通过其发送的载波频率来获得识别，根据已发布的ICD 2008文件，每颗卫星发送L1、L2载波频率是互不相同的，频率设计如下：

（式1）

（式2）

其中k为卫星频率通道号，，，

，，且，根据ICD规定卫星所用的频道号K=-7～+6，根据不同的k值的可计算出其载波频率。

卫星发射两种测距码，标准精度码（C/A码）和高精度码（P码），C/A码为民用，速率为511kHz，P码需要授权，速率为5.11MHz，调制方式均为BPSK，相位调制偏差0.2弧度。导航信号由测距码、导航电文、曲折码三者向加后模二形成。本文只讨论C/A码。

C/A码是由9级m序列生产，生成多项式为：

（式3）

伪码周期1ms，码速率511kHz，生成C/A码的移位寄存器产生结构如图1所示。

导航电文为二进制码超帧（Superframe）结构，每超帧5个帧（Frame），每帧15个串（String），。每超帧历时150秒，数据率50bps，编码后符号率100cps。每个串历时2秒，在每个串的后300毫秒，为一个时间标志，接收机可以用来作为帧锁定标志。

2 模拟器设计

GLONASS模拟器总体架构类似于其他模拟器，包括数学仿真、信号实现两部分。模拟器的组成及数学仿真、基带信号产生、时频产生、射频调制等模块逻辑关系如图2所示。

数学仿真由PXI机箱的零槽模块充当。根据卫星信号的产生原理、传播途径、接收原理等，及导航系统星座运行情况，仿真生成地面接收机天线接收到的导航信号。

基带信号产生是整个设计的核心，实现数学仿真生成的伪距、速度、加速度、多径等各种物理量的信号层面实现，包括时延、多普勒频偏、信号叠加等。这些信号包含了所有需要仿真的物理量，导航模拟器的精度也由基带信号产生单元来保证。

射频调制单元为镜像抑制上变频架构，直接转换为所需的L波段射频信号，并完成信号电平的粗调，本设计没有镜像分量，不需要输出滤波，缩小了设备体积，提高了可靠性。

基带单元和射频单元共同完成GLONASS一个频点的射频信号输出，L1和L2硬件配置相同，通过不同的板载程序完成不同频点的信号模拟，基带和射频合称射频信号模拟通道。

图3给出了射频信号模拟通道的逻辑示意。

3 关键技术及其实现

GLONASS导航信号模拟器，国内研究较少。文献[1]给出了“正交调制技术”、“多普勒实现技术”等有关技术原理和实现的描述，endprint

【摘 要】 介绍了GLONASS卫星导航信号模拟源的设计与实现，根据GLONASS导航系统频分多址的特点给出了基带信号产生和数字滤波技术两项关键技术的解决方案;给出模拟器总体框架设计，分解主要组成部分，分别予以概要设计。完成设计后进行了试验验证，给出了定位结果，证明该方案合理可行。

【关键词】 GLONASS  频分  模拟器  基带

任何接收机的研制及接收技术的突破，都离不开信号模拟器。GPS、GLONASS是较成熟的导航系统。随着GLONASS星座的日趋完善，及卫星导航系统在各个领域应用的不断深入，各国越来越重视GLONASS 接收机和多模GNSS兼容接收机的研发。

国外卫星信号仿真器的研究较早。英国SPIRENT多年前已完成GLONASS卫星信号仿真器的研发，因涉及敏感技术问题，特别是高动态型号产品对我国禁运。国内这方面起步较晚，尤其在GLONASS卫星信号仿真器的研发上，相关研究较少。本文提出的设计方案成本低，可实现用户任意设定位置、模拟卫星轨迹、模拟多径功能，并具备较高的动态性能。

1 GLONASS系统简介

GLONASS空间段由24颗卫星组成，工作星21颗，分布在互成120°夹角轨高19100km的3个轨面上，每轨8颗卫星，周期11时15分，确保任何地点同时能观测到4颗卫星。GLONASS地面段实现星座的维护与控制，由控制中心和分散于俄罗斯领土的指令跟踪控制站组成。

系统使用频分多址播发方式，卫星通过其发送的载波频率来获得识别，根据已发布的ICD 2008文件，每颗卫星发送L1、L2载波频率是互不相同的，频率设计如下：

（式1）

（式2）

其中k为卫星频率通道号，，，

，，且，根据ICD规定卫星所用的频道号K=-7～+6，根据不同的k值的可计算出其载波频率。

卫星发射两种测距码，标准精度码（C/A码）和高精度码（P码），C/A码为民用，速率为511kHz，P码需要授权，速率为5.11MHz，调制方式均为BPSK，相位调制偏差0.2弧度。导航信号由测距码、导航电文、曲折码三者向加后模二形成。本文只讨论C/A码。

C/A码是由9级m序列生产，生成多项式为：

（式3）

伪码周期1ms，码速率511kHz，生成C/A码的移位寄存器产生结构如图1所示。

导航电文为二进制码超帧（Superframe）结构，每超帧5个帧（Frame），每帧15个串（String），。每超帧历时150秒，数据率50bps，编码后符号率100cps。每个串历时2秒，在每个串的后300毫秒，为一个时间标志，接收机可以用来作为帧锁定标志。

2 模拟器设计

GLONASS模拟器总体架构类似于其他模拟器，包括数学仿真、信号实现两部分。模拟器的组成及数学仿真、基带信号产生、时频产生、射频调制等模块逻辑关系如图2所示。

数学仿真由PXI机箱的零槽模块充当。根据卫星信号的产生原理、传播途径、接收原理等，及导航系统星座运行情况，仿真生成地面接收机天线接收到的导航信号。

基带信号产生是整个设计的核心，实现数学仿真生成的伪距、速度、加速度、多径等各种物理量的信号层面实现，包括时延、多普勒频偏、信号叠加等。这些信号包含了所有需要仿真的物理量，导航模拟器的精度也由基带信号产生单元来保证。

射频调制单元为镜像抑制上变频架构，直接转换为所需的L波段射频信号，并完成信号电平的粗调，本设计没有镜像分量，不需要输出滤波，缩小了设备体积，提高了可靠性。

基带单元和射频单元共同完成GLONASS一个频点的射频信号输出，L1和L2硬件配置相同，通过不同的板载程序完成不同频点的信号模拟，基带和射频合称射频信号模拟通道。

图3给出了射频信号模拟通道的逻辑示意。

3 关键技术及其实现

GLONASS导航信号模拟器，国内研究较少。文献[1]给出了“正交调制技术”、“多普勒实现技术”等有关技术原理和实现的描述，endprint

【摘 要】 介绍了GLONASS卫星导航信号模拟源的设计与实现，根据GLONASS导航系统频分多址的特点给出了基带信号产生和数字滤波技术两项关键技术的解决方案;给出模拟器总体框架设计，分解主要组成部分，分别予以概要设计。完成设计后进行了试验验证，给出了定位结果，证明该方案合理可行。

【关键词】 GLONASS  频分  模拟器  基带

任何接收机的研制及接收技术的突破，都离不开信号模拟器。GPS、GLONASS是较成熟的导航系统。随着GLONASS星座的日趋完善，及卫星导航系统在各个领域应用的不断深入，各国越来越重视GLONASS 接收机和多模GNSS兼容接收机的研发。

国外卫星信号仿真器的研究较早。英国SPIRENT多年前已完成GLONASS卫星信号仿真器的研发，因涉及敏感技术问题，特别是高动态型号产品对我国禁运。国内这方面起步较晚，尤其在GLONASS卫星信号仿真器的研发上，相关研究较少。本文提出的设计方案成本低，可实现用户任意设定位置、模拟卫星轨迹、模拟多径功能，并具备较高的动态性能。

1 GLONASS系统简介

GLONASS空间段由24颗卫星组成，工作星21颗，分布在互成120°夹角轨高19100km的3个轨面上，每轨8颗卫星，周期11时15分，确保任何地点同时能观测到4颗卫星。GLONASS地面段实现星座的维护与控制，由控制中心和分散于俄罗斯领土的指令跟踪控制站组成。

系统使用频分多址播发方式，卫星通过其发送的载波频率来获得识别，根据已发布的ICD 2008文件，每颗卫星发送L1、L2载波频率是互不相同的，频率设计如下：

（式1）

（式2）

其中k为卫星频率通道号，，，

，，且，根据ICD规定卫星所用的频道号K=-7～+6，根据不同的k值的可计算出其载波频率。

卫星发射两种测距码，标准精度码（C/A码）和高精度码（P码），C/A码为民用，速率为511kHz，P码需要授权，速率为5.11MHz，调制方式均为BPSK，相位调制偏差0.2弧度。导航信号由测距码、导航电文、曲折码三者向加后模二形成。本文只讨论C/A码。

C/A码是由9级m序列生产，生成多项式为：

（式3）

伪码周期1ms，码速率511kHz，生成C/A码的移位寄存器产生结构如图1所示。

导航电文为二进制码超帧（Superframe）结构，每超帧5个帧（Frame），每帧15个串（String），。每超帧历时150秒，数据率50bps，编码后符号率100cps。每个串历时2秒，在每个串的后300毫秒，为一个时间标志，接收机可以用来作为帧锁定标志。

2 模拟器设计

GLONASS模拟器总体架构类似于其他模拟器，包括数学仿真、信号实现两部分。模拟器的组成及数学仿真、基带信号产生、时频产生、射频调制等模块逻辑关系如图2所示。

数学仿真由PXI机箱的零槽模块充当。根据卫星信号的产生原理、传播途径、接收原理等，及导航系统星座运行情况，仿真生成地面接收机天线接收到的导航信号。

基带信号产生是整个设计的核心，实现数学仿真生成的伪距、速度、加速度、多径等各种物理量的信号层面实现，包括时延、多普勒频偏、信号叠加等。这些信号包含了所有需要仿真的物理量，导航模拟器的精度也由基带信号产生单元来保证。

射频调制单元为镜像抑制上变频架构，直接转换为所需的L波段射频信号，并完成信号电平的粗调，本设计没有镜像分量，不需要输出滤波，缩小了设备体积，提高了可靠性。

基带单元和射频单元共同完成GLONASS一个频点的射频信号输出，L1和L2硬件配置相同，通过不同的板载程序完成不同频点的信号模拟，基带和射频合称射频信号模拟通道。

图3给出了射频信号模拟通道的逻辑示意。

3 关键技术及其实现

GLONASS导航信号模拟器，国内研究较少。文献[1]给出了“正交调制技术”、“多普勒实现技术”等有关技术原理和实现的描述，endprint