BD观测数据仿真系统的设计与实现

王剑亮，乐亮，罗银，刘奕宏（工业和信息化部电子第五研究所，广州　510610）

BD观测数据仿真系统的设计与实现

王剑亮，乐亮，罗银，刘奕宏
（工业和信息化部电子第五研究所，广州510610）

0　引言

目前全球导航卫星系统（GNSS）在轨运行的有四大系统，分别是美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯系统 （GLONASS）、欧盟的伽利略系统（Galileo）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）。北斗卫星导航系统（Beidou（COMPASS）Navigation Satellite System）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统的建设已经基本完成第二个阶段的建设，北斗卫星导航系统的第二个阶段以及第三个阶段统称为北斗二号卫星导航系统。根据北斗系统建设总体规划，覆盖全球的北斗二号卫星导航系统将于2020年左右建成［1］。

北斗二号卫星导航系统是由空间段，地面段，用户段三部分组成。空间段主要包括5个静止轨道（GEO）卫星、27个中圆地球轨道（MEO）卫星、3个倾斜同步轨道（IGSO）卫星。地面段包括主控站、卫星导航注入站和监测站［2］。用户段由手持型、车载型和指挥型等各种类型的终端组成，也包括与其他导航系统兼容的终端［3］。

BD观测数据仿真对于BD导航定位系统具有着特别重要的意义，观测数据对于评判北斗卫星的导航定位性能具有着重要的影响，对于北斗的无源定位来说，观测站至少要在同一时刻观测到四颗卫星才能够确定观测站的位置［4］。观测数据仿真模块除了能够生成观测数据文件之外，还可以完成观测站可见卫星星座图的绘制。

1　北斗导航综合仿真测试平台介绍

BD观测数据仿真系统是基于北斗卫星导航综合仿真测试平台，是该平台控制系统所要实现的重要部分。北斗卫星导航综合仿真测试平台主要由控制系统、模拟信号源、标准接收机、有线测试台组成，系统组成框图如图1所示。

图1　北斗导航综合仿真测试平台

北斗卫星导航综合仿真测试平台的基本原理：控制系统根据设置的测试参数实时生成仿真数据，同时通过网络控制模拟信号源按照生成的仿真数据产生所需的卫星导航射频模拟信号 （在进行干扰测试时还需要产生干扰信号），产生的模拟信号经过标准接收机验证正常后输入到有线测试台的被测设备，被测设备接收到射频信号经处理计算后解算出位置或速度信息并经过网络传送给控制系统，控制系统接收到被测设备上报的结果后进行实时评估。

（1）控制系统：控制系统是整个测试平台运行管理控制中心，BD观测数据仿真系统通过它可以完成北斗卫星星座图、可见卫星星座图、电离层与对对流层延迟效应、卫星钟差、观测数据的实时仿真分析［5］。控制系统以通用工作站计算机为主体设备，采用一台在线一台备份的工作模式。

（2）模拟信号源：BD观测数据仿真系统用的模拟信号源主要任务是把仿真的观测数据精确地生成射频模拟信号并且可以加载干扰信号以便进行干扰测试［7］。

（3）标准接收机：标准接收机主要任务是监测接收模拟信号源发射的卫星导航射频模拟信号是否正常，系统链路是否异常。另外，标准接收机还可以对控制系统所仿真的模拟场景进行验证，为系统提供在线或离线状态下实现完好性监测的重要手段。

（4）有线测试台：有线测试台主要任务是提供用户终端、模块、芯片等被测设备有线测试射频信号和中频信号线以及数据线的连接，同时还负责被测设备的摆放和固定。BD观测数据仿真系统的有线测试台由4个独立的测试平台组成，每个测试平台台面尺寸约为2m×1m（长宽），可以满足4台被测设备的有线并行测试。

2　BD观测数据仿真系统详细设计与实现

BD观测数据仿真系统负责完成观测数据文件生成和可见卫星星座图仿真。观测数据文件中记录伪据、电离层误差值、对流层误差值。观测数据文件为.txt形式，对于所生成的观测数据文件可以进行保存和读取操作。可见卫星星座图仿真是指观测站可见的卫星星座图的仿真。

BD观测数据仿真系统运行于Windows平台，使用VC、MATLAB和数据库语言，实现观测数据文件生成和可见卫星星座图仿真。它通过VC调用MATLAB引擎来实现VC与MATLAB相结合的绘制可见卫星星座图。

VC6.0环境设置：通过菜单 Tools/Options…，打开设置属性页，进入Directories页面，目录下拉列表框中选择Include Files，添加下面两个路径：D：PROGRAMFILESMATLABR2012AEXTERNINCLUDE；D：PROGRAMFILESMATLABR2012AEXTERNINCLUDE WIN32。再选择 Library Files，添加路径：D：PROGRAMFILESMATLABR2009AEXTERNLIBWIN32 MICROSOFT，选择菜单Project/Settings，打开工程设置属性页，进入Link页面，在Object/library modules编辑框中，添加文件名libmx.lib libmat.lib libeng.lib，以空格隔开［8］。

（1）观测数据仿真流程图

观测数据文件生成的具体流程如下：

①首先必须进行观测站初始设置。观测站分为静止状态和运动状态，选择好观测站的运动状态后设置观测站在该状态下的初始参数：静止状态的设置包括观测站位置（经度、纬度、高度）、观测时间间隔（单位是分钟）和观测时间段；运动状态的设置包括观测时间间隔（单位是秒）以及“简单载体运动轨迹模拟”的相关运动参数的设置。如果选择的是运动状态，将会根据初始参数和运动模型模拟运动轨迹，并且可以保存运动轨迹的坐标；

②分别进行卫星钟差模型、电离层延迟模型、对流层延迟模型参数设置。这里的参数设置是可选性的，如果不进行参数设置，具体计算时就会使用数据库中的数据；否则将新设置的参数记录在数据库中，供具体计算所使用；

③当所有的参数都设置完成后，判断对于观测站来说的可见卫星，并计算可见卫星与观测站之间的初始距离真值；

④根据误差计算模型，计算可见卫星所对应的各种距离误差值，结合第3步得到伪据的初值；

⑤根据“伪据迭代计算方法”计算最终伪据，保存伪据、电离层误差值、对流层误差值到观测文件。

观测数据文件生成的具体流程如图2所示。

（2）观测站静止时的观测数据生成仿真

图2　观测数据文件生成的具体流程图

相关参数设置：位置（经度东经，纬度北纬，高度1200米），观测时间段（2014年12月1日10时0分0秒至2014年12月1日10时25分0秒），观测时间间隔300秒，B1频点，观测站的高度截止角，结果如图3所示。

（3）观测站可见卫星星座图仿真流程

观测站可见卫星星座图仿真的输入初始参数只有观测时间，并且该观测时间必须在观测站初始设置的时间范围内。该功能的具体实现过程如下：

①依据输入的具体参考时刻以及观测站的初始设置，计算出观测站在该时刻的具体位置。如果观测站静止，则无需计算；否则依据具体的运动轨迹模拟模型计算出观测站的位置；

图3　观测站静止时观测数据生成的仿真结果

②计算出每颗卫星在该时刻的位置；

③依据观测站的位置和卫星的位置，判断出可见卫星，并且记录卫星名称；

④依据记录的卫星名称，从数据库中读出卫星星座仿真函数所需要的其他参数，利用这些参数做为实际参数调用卫星星座仿真函数，实现观测站可见卫星星座图的仿真。

（4）观测站观测到的卫星星座图仿真

条件设置：位置（经度东经，纬度北纬，高度1200米），观测时间2014年12月1日10时50分0秒，B1频点，观测站的高度截止角。图4是观测站观测到北斗卫星星座 （此例的观测站观测到的卫星星座图仿真是在观测站静止状态下）。

观测数据仿真主界面如图5所示，它包括观测站的初始设置、卫星钟差设置、电离层延迟设置、卫星设备时延设置等功能。

图4　观测站观测到的卫星星座图仿真结果

图5　观测数据仿真主界面

点击观测数据仿真主界面的卫星钟差按钮后，系统将进入卫星钟差模型参数设置界面，如图6所示。

图6　卫星钟差模型参数设置

3　结语

本文设计和实现了BD观测数据仿真系统，使用VC、MATLAB和数据库语言，实现观测数据文件生成和可见卫星星座图仿真功能。但是本文只是完成了BD观测数据仿真系统系统的设计与实现，并没有生成BD导航电文以及与北斗导航综合仿真测试平台配套调试使用。所以，进一步将控制系统所产生的数据发送给模拟信号源，控制模拟信号源产生北斗导航信号，是下一步需要完成的工作。

［1］许建利，王俊峰，董伟.北斗II卫星导航系统星座仿真分析研究［J］.计算机工程与设计，2012（10）.

［2］赵树强，许爱华，张荣之，郭小红.北斗一号卫星导航系统定位算法及精度分析［J］.全球定位系统，2008（1）：20-24.

［3］HAN C H，YANG Y X，CAI Z W.Beidou navigation satellite system and its time scales［J］.Metrologia 48，2011：S213-S218.

［4］许国昌.GPS理论、算法与应用［M］.2版.李强，等，译，北京：清华大学出版社，2011.

［5］刘天旻.北斗卫星导航系统B1频段信号分析研究［D］.上海交通大学，2013.

［6］北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1I（1.0版）.北京：中国卫星导航系统管理办公室，2012.

［7］中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统发展报告（1.0版）.

［8］汤长存.GPS卫星定位仿真分析与系统程序设计［D］.上海同济大学硕士学位论文，2007.

王剑亮，男，江西人，助理工程师，硕士研究生，研究方向为软件质量工程、软件评测理论与技术、卫星定位

乐亮（1988-），男，江西人，硕士研究生，工程师，研究方向为软件质量工程、软件评测理论与技术

罗银（1984-），男，湖南人，硕士研究生，工程师，研究方向为软件结构与软件测评

刘奕宏（1983-），男，湖南人，硕士研究生，工程师，研究方向为嵌入式软件测试

BD2 Satellite Navigation System；Simulation of Observational Data；Ionospheric Delay；Tropospheric Delay

Design and Implementation of Simulation System for BD Observed Data

WANG Jian-liang，LE Liang，LUO Yin，LIU Yi-hong
（The Fifth Electronic Research Institute of MIIT，Guangzhou 510610）

1007-1423（2015）27-0045-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.013

2015-07-21

2015-09-10

基于北斗卫星定位系统的定位原理，对北斗卫星观测数据的生成进行研究，在此基础上，设计和实现Beidou（BD）观测数据仿真系统，该系统可根据已知测站的三维位置恢复得出该测站可接收的卫星信号并计算出星站之间的距离，并且可以模拟如卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟等各种系统误差。

北斗二号卫星导航系统；观测数据仿真；电离层延迟；对流层延迟

Based on Beidou satellite positioning system positioning principle，studies how to generate the Beidou satellite observation data.On this basis，designs and implements the simulation system of the Beidou observed data.The system can obtain the satellite signals received based on the three-dimensional position of the known station and compute the distance between the star and observed station.In addition，it can simulate many system errors，for example，the satellite clock error，the ionospheric delay，the tropospheric delay and so on.