劉麗麗,王可東

(北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院,北京100191)

0 引 言

目前,世界上有四大全球衛(wèi)星定位系統(tǒng),分別是美國的GPS(Globle Positioning System)、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[1],其中,后兩個系統(tǒng)正在建設(shè)中。近年來,隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,衛(wèi)星信號模擬器的研發(fā)越來越受到人們的關(guān)注。衛(wèi)星信號模擬器就是根據(jù)載體動態(tài)特性等各種因素對衛(wèi)星信號的影響,模擬產(chǎn)生接收機接收到的各顆衛(wèi)星信號,從而為導(dǎo)航接收機的研制開發(fā)、測試提供仿真環(huán)境[2]。衛(wèi)星信號模擬器功能強大,應(yīng)用也非常的廣泛,它可以產(chǎn)生高動態(tài)導(dǎo)航信號,檢驗接收機的捕獲跟蹤性能;也可以產(chǎn)生特定導(dǎo)航信號,驗證測試方案的可行性;還可以作為比較標準,檢驗導(dǎo)航接收機的動態(tài)測量精度等[3]。

1 衛(wèi)星信號模擬器國內(nèi)外研究動態(tài)

由于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航信號的模擬和研究大部分集中于GPS模擬器上。由于國內(nèi)對信號模擬器的研究起步較晚,再加上國外技術(shù)的封鎖,目前國內(nèi)信號模擬器的研究還相對比較落后,所研制的信號模擬器大部分也只限于GPS L1頻率的C/A碼信號。國外在該領(lǐng)域起步較早,技術(shù)也比較成熟,不僅可以模擬GPS L1、L2頻率上的C/A碼和P碼,還可以產(chǎn)生GPS L2C、L5、M碼信號,部分產(chǎn)品還可以模擬Galileo E1、E5、俄羅斯GLONASS信號以及BOC信號等,現(xiàn)在甚至可以模擬差分信號、姿態(tài)測量信號。已研制出多種型號的高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器并投入使用[4-6]。下面分別介紹國內(nèi)外相關(guān)研制情況。

1.1 GPS衛(wèi)星信號模擬器

全球定位系統(tǒng)(GPS)由美國政府于1994年全面建成,由于已經(jīng)運行十幾年了,所以相關(guān)的GPS導(dǎo)航信號模擬器在市場上比較多,相關(guān)研制技術(shù)也比較成熟。GPS衛(wèi)星信號是碼分多址(CDMA)體制,將包含導(dǎo)航定位信息的導(dǎo)航電文經(jīng)過偽隨機碼擴頻調(diào)制,得到基帶數(shù)據(jù),最后經(jīng)過載波調(diào)制,生成L1和L2載波信號。

1)國內(nèi)

北京航空航天大學(xué)在國家自然科學(xué)基金等項目的支持下,率先開展了GPS衛(wèi)星信號模擬器的研究。該款GPS信號模擬器是一款高動態(tài)的GPS衛(wèi)星信號模擬器,由GPS信號發(fā)生器、計算機和仿真軟件組成,GPS信號發(fā)生器由PCI接口、DSP、FPGA、D/A、上變頻和天線等硬件構(gòu)成,該信號發(fā)生器能夠同時產(chǎn)生12個通道的信號。仿真軟件是GPS信號發(fā)生器的核心,GPS信號發(fā)生器所需要的各種參數(shù)都是從仿真軟件計算得到的[7]。目前正向GNSS通用衛(wèi)星信號模擬器方向發(fā)展[8]。

此外,東方聯(lián)星公司[9]設(shè)計生產(chǎn)了三款有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能GPS衛(wèi)星信號模擬器,即NS600 12通道衛(wèi)星信號模擬器,NS601可定制場景的12通道衛(wèi)星信號模擬器,NS700多通道可編程衛(wèi)星信號模擬器。解決了長期困擾我國的高端芯片和接收機無法精確測試的難題,在航空航天等系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。

2)國外

GPS衛(wèi)星信號模擬器的研制方面起步較早,目前,已經(jīng)有多個廠家提供多個系列的產(chǎn)品,如英國Spirent公司研制的GSS和ST R系列衛(wèi)星信號模擬器、美國CAST公司研制的1000、2000、4000系列衛(wèi)星模擬器、Welnavigate公司研制的GS100、GS600、GS1010系列等。這里簡要介紹一下其中的一些典型產(chǎn)品,來說明當前國際上高端GPS衛(wèi)星信號模擬器的開發(fā)水平。

Spirent公司的GSS8000[10]系統(tǒng)由滿足測試要求的信號發(fā)生器組成,它能運行該公司研制的功能強大的SimGEN軟件以控制計算機和配置,系統(tǒng)采用“模塊化設(shè)計,可以在一個信號發(fā)生器的封裝內(nèi)支持最多3種RF載波信號,信號的種類可以靈活選擇。如果需要更多的信號與輸出,可以用多個封裝組成一套齊備的信號發(fā)生裝置”。SimGEN的標準功能包括模擬大氣效應(yīng)、多路徑反射、地形障礙、天線增益及相位方向圖、差分改正數(shù)據(jù)及車輛/航空/航海/航天載體的軌跡生成與完備的誤差生成。SimGEN實時工作,編譯和驅(qū)動RF信號和屏顯需要的數(shù)據(jù)流。無論是測試單一星座的多路徑信號還是使用多個星座信號的多模系統(tǒng)測試,GSS8000的模塊化設(shè)計都可以配置滿足用戶的要求。而且 GSS8000可以廠家配置能支持GPS、Galileo、GLONASS和SBAS復(fù)合信號以滿足用戶需求。

Welnavigate公司的GS600是一個 L1 C/A碼信號模擬器,它能夠按照GPS衛(wèi)星信號的格式產(chǎn)生射頻信號,在這個設(shè)備中,模擬器需要的運行數(shù)據(jù)存儲在PC卡上,因此,計算機運行時不需要與模擬器的硬件設(shè)備在一起,計算機軟件可以自己產(chǎn)生出模擬器需要的運行數(shù)據(jù)[1]。

1.2 北斗衛(wèi)星信號模擬器

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),包括北斗一號和北斗二號的2代系統(tǒng)。北斗一號是一個已經(jīng)投入使用的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),北斗二號則是一個正在建設(shè)中的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗一號系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)不同,它通過兩個衛(wèi)星發(fā)送四個波束的動態(tài)信號,而且是雙向測距。其模擬器比GPS模擬器設(shè)備復(fù)雜,它必須具有信號收發(fā)設(shè)備和定位處理功能[21]。北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)原理相同。

東方聯(lián)星公司最新研制出的NS800[11]多系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星信號模擬器,可以同時模擬GPS、GLONASS和北斗一代三個導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號,可提供32個衛(wèi)星通道,同時最多可產(chǎn)生16顆GPS衛(wèi)星、8顆GLONASS衛(wèi)星和3顆(6波束)北斗一代衛(wèi)星信號?！癗S800集成了高精度導(dǎo)航衛(wèi)星信號生成技術(shù)、導(dǎo)航衛(wèi)星信號調(diào)制技術(shù)、導(dǎo)航衛(wèi)星軌道參數(shù)化技術(shù),具有高精度導(dǎo)航衛(wèi)星射頻信號生成能力,用戶接收機運動模擬能力;可以從用戶定義的文件或通過以太網(wǎng)實時輸入載體運動軌跡,實現(xiàn)硬件閉環(huán)測試;輸出信號功率連續(xù)可調(diào);可生成低動態(tài)、中動態(tài)、高動態(tài)測試場景,提供場景編輯功能”。此外,東方聯(lián)星公司還研制出一款12通道BD2(北斗二)衛(wèi)星信號模擬器[12],該款信號模擬器可以模擬BD2衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的5顆GEO、3顆IGSO和4顆MEO衛(wèi)星的RNSS下行導(dǎo)航信號,用于BD2用戶設(shè)備開發(fā)、測試。

北京北斗星通公司基于用戶定義的飛行器軌跡等場景文件,通過對偽距、載波相位、多普勒頻移等衛(wèi)星信號參數(shù)的仿真與控制,研制出了北斗巡天多通道高動態(tài)北斗一號衛(wèi)星信號模擬器和北斗二號衛(wèi)星信號模擬器,可分別模擬測試場景下的北斗一號三顆衛(wèi)星和北斗二號下行導(dǎo)航信號,輸出頻率分別為北斗一號S波段和北斗二號B1、B2、B3頻點[13]。

1.3 Galileo衛(wèi)星信號模擬器

Galileo衛(wèi)星定位系統(tǒng)是歐盟一個正在建造中的衛(wèi)星定位系統(tǒng),有“歐洲版GPS”之稱,受預(yù)算增長和研制周期延時等影響,該系統(tǒng)的運行時間還沒有確定。與GPS相比,該系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量多、軌道位置高、軌道面少,且更多用于民用[14]。由于Galileo與GPS這兩種衛(wèi)星系統(tǒng)占用的頻寬相同,為了與GPS系統(tǒng)兼容并提供更高的定位精度和更好的捕獲性能,Galileo信號中使用了二進制偏移載波(Binary Offset Carrier,BOC)調(diào)制[15-16]。在Galileo系統(tǒng)中,廣泛使用了以BOC調(diào)制為基礎(chǔ)的調(diào)制技術(shù),如 E5頻段內(nèi)的 AltBOC(Alternate BOC),E1頻段內(nèi)的CBOC(Composite BOC)。Galileo信號采用此類調(diào)制技術(shù)的一個主要原因就是為了保證新的Galileo信號與原有的GPS(包括民用和軍用)信號在頻譜上不構(gòu)成互相干擾。

由于Galileo計劃中還有許多未定因素,因此,目前還沒有非常成熟的Galileo導(dǎo)航信號模擬器。Spirent公司的Galileo衛(wèi)星信號模擬器GSS7800是在GPS衛(wèi)星信號模擬系統(tǒng)GSS7700的基礎(chǔ)上建立的。該款Galileo衛(wèi)星信號模擬器將支持測試L1、E5a/E5b、E6頻率,但由于Galileo測距碼和導(dǎo)航數(shù)據(jù)目前沒有授權(quán)給商業(yè)使用,因此,本GNSS模擬器僅使用Galileo系統(tǒng)未限制公開的相關(guān)信息。且該 Galileo衛(wèi)星信號模擬器可與Spirent GSS7700 GPS模擬器結(jié)合使用,具備GSS4765干擾信號發(fā)生器的干擾模擬選項。

1.4 GLONASS衛(wèi)星信號模擬器

GLONASS是由俄羅斯研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),與美國的GPS相比,GLONASS采用頻分多址體制[17],衛(wèi)星靠頻率不同來區(qū)分,每組頻率的偽隨機碼相同。由于衛(wèi)星發(fā)射的載波頻率不同,GLONASS可以防止整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時被敵方干擾,因而,具有更強的抗干擾能力。GLONASS衛(wèi)星的載波上也調(diào)制了兩種偽隨機噪聲碼:S碼和P碼。

Spirent公司的STR4780 GLONASS仿真系統(tǒng)可能是目前市場上唯一的主流GLONASS衛(wèi)星信號模擬器。這個GLONASS仿真系統(tǒng)可獨立使用,也可與 STR4760等其它GPS模擬器聯(lián)合使用。STR4780 GLONASS衛(wèi)星信號模擬器被重新配置過了,以適應(yīng)復(fù)雜和多變的測試解決方案,它具有遠程控制能力,硬件環(huán)回和2個射頻輸出等能力,設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)差分測試。

2 衛(wèi)星信號模擬器研究的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀

從目前市場上可以見到的衛(wèi)星信號模擬器的實現(xiàn)形式來看,主要有以下兩種:

1)基于軟件的模式

在這種模式下,所有與導(dǎo)航有關(guān)的信息和信號都是由計算機處理得到,包括對各種模型的模擬和信號的產(chǎn)生都是由計算機軟件進行計算后,存儲到存儲器中的。

2)基于軟硬件結(jié)合的模式

在這種模式下,計算機軟件負責與導(dǎo)航信息和信號有關(guān)的計算,利用與信號相關(guān)的參數(shù)控制硬件對信息進行模擬,產(chǎn)生出衛(wèi)星信號。北京航空航天大學(xué)張其善等[18]開發(fā)的高動態(tài)信號模擬器就是這種模式。

衛(wèi)星信號模擬器的這兩種實現(xiàn)形式各有優(yōu)缺點。第一種模式軟件模型十分清楚,產(chǎn)生信號精確,設(shè)計比較靈活,但運行受到計算機硬件的限制,實時性差,且不易實現(xiàn)長時間的仿真測試。第二種模式軟硬件結(jié)合緊密,模擬器的體系結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,實現(xiàn)較為麻煩,技術(shù)難度大,但可以實現(xiàn)實時仿真,也可進行長時間仿真測試。

2.2 發(fā)展趨勢

衛(wèi)星信號模擬器作為一個專業(yè)領(lǐng)域的完整的應(yīng)用系統(tǒng),就目前實現(xiàn)的功能而言還不能滿足地面系統(tǒng)的測試需求,還有很多關(guān)鍵技術(shù)有待解決,很多功能需要增加和完善。針對目前存在的問題和不足,對未來衛(wèi)星信號模擬器的發(fā)展我們認為應(yīng)該:

1)提供多模衛(wèi)星信號仿真功能,“針對多模衛(wèi)星接收機的聯(lián)合定位、結(jié)算能力進行測試驗證;檢測接收機在高動態(tài)環(huán)境中的信號捕獲、跟蹤和鎖定能力,尤其是在瞬間加速狀態(tài)下對衛(wèi)星信號的鎖定能力;利用仿真器產(chǎn)生針對某一特定模型的測試信號,對接收機軟件算法的解算精度進行更具針對性的測試驗證?！?/p>

2)完善各種誤差模型。可根據(jù)實際的測試結(jié)果,不斷完善各種誤差模型,使信號模擬器的測試環(huán)境盡可能的接近實際效果;

3)完善接收機運動模型。一方面,可以根據(jù)測試需要增加接收機運動模型的種類;另一方面,可以增加運動軌跡的建立方式;

4)增加慣性導(dǎo)航(INS)模擬功能。研制INS/GPS衛(wèi)星信號模擬器,為INS/GPS組合導(dǎo)航方案的驗證提供測試條件;

5)差分信息產(chǎn)生方法。選擇合理差分信息產(chǎn)生方案,使信號模擬器具備完善的差分測量系統(tǒng)的測試功能;

6)增加天線模型設(shè)置功能。分析天線方向性及增益對信號的影響,建立合理的數(shù)學(xué)模型,分析天線對信號的影響;

7)研究載體姿態(tài)對衛(wèi)星信號的影響。有些載體如飛行器在飛行過程中姿態(tài)角變化較大,使得接收機天線對空間的覆蓋特性發(fā)生變化,可能導(dǎo)致部分或全部衛(wèi)星信號的中斷,如不考慮這些因素的影響,而按一般的可見衛(wèi)星判斷方法,模擬器將輸出接收機實際無法使用的那些衛(wèi)星,與接收機實際接收到的信號狀態(tài)不符[19]。所以,必須研究飛行器姿態(tài)對可見衛(wèi)星判斷的影響;

8)完善導(dǎo)航電文生成模塊。研究衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方法[20],以合理的方式獲取導(dǎo)航電文中包含的各類信息,增加電文生成的靈活性、可編輯性,并與整個測試環(huán)境協(xié)調(diào)工作,滿足接收終端定位解算的需要。

3 結(jié) 論

詳細介紹了衛(wèi)星信號模擬器的國內(nèi)外研究動態(tài),總結(jié)了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀,對衛(wèi)星信號模擬器的未來發(fā)展趨勢做了探討。由于當前國際上衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)屬于熱門技術(shù),各種新技術(shù)不斷得到應(yīng)用,而國內(nèi)在該領(lǐng)域起步相對較晚,因此,加快在該領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)是非常必要的。

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