衛星信號模擬器研究現狀及發展趨勢

劉麗麗,王可東

(北京航空航天大學宇航學院,北京100191)

0 引 言

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

1 衛星信號模擬器國內外研究動態

由于GPS衛星導航系統的廣泛應用,國內外衛星導航信號的模擬和研究大部分集中于GPS模擬器上。由于國內對信號模擬器的研究起步較晚,再加上國外技術的封鎖,目前國內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。國外在該領域起步較早,技術也比較成熟,不僅可以模擬GPS L1、L2頻率上的C/A碼和P碼,還可以產生GPS L2C、L5、M碼信號,部分產品還可以模擬Galileo E1、E5、俄羅斯GLONASS信號以及BOC信號等,現在甚至可以模擬差分信號、姿態測量信號。已研制出多種型號的高動態GPS衛星信號模擬器并投入使用[4-6]。下面分別介紹國內外相關研制情況。

1.1 GPS衛星信號模擬器

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

1)國內

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

此外,東方聯星公司[9]設計生產了三款有中國自主知識產權的高性能GPS衛星信號模擬器,即NS600 12通道衛星信號模擬器,NS601可定制場景的12通道衛星信號模擬器,NS700多通道可編程衛星信號模擬器。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,在航空航天等系統中發揮了重要作用。

2)國外

GPS衛星信號模擬器的研制方面起步較早,目前,已經有多個廠家提供多個系列的產品,如英國Spirent公司研制的GSS和ST R系列衛星信號模擬器、美國CAST公司研制的1000、2000、4000系列衛星模擬器、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品,來說明當前國際上高端GPS衛星信號模擬器的開發水平。

Spirent公司的GSS8000[10]系統由滿足測試要求的信號發生器組成,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,系統采用“模塊化設計,可以在一個信號發生器的封裝內支持最多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生裝置”。SimGEN的標準功能包括模擬大氣效應、多路徑反射、地形障礙、天線增益及相位方向圖、差分改正數據及車輛/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,編譯和驅動RF信號和屏顯需要的數據流。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測試,GSS8000的模塊化設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衛星信號的格式產生射頻信號,在這個設備中,模擬器需要的運行數據存儲在PC卡上,因此,計算機運行時不需要與模擬器的硬件設備在一起,計算機軟件可以自己產生出模擬器需要的運行數據[1]。

1.2 北斗衛星信號模擬器

北斗衛星導航系統是我國自主研發的衛星導航系統,包括北斗一號和北斗二號的2代系統。北斗一號是一個已經投入使用的區域性衛星導航系統,北斗二號則是一個正在建設中的全球衛星導航系統。北斗一號系統與GPS系統不同,它通過兩個衛星發送四個波束的動態信號,而且是雙向測距。其模擬器比GPS模擬器設備復雜,它必須具有信號收發設備和定位處理功能[21]。北斗二號衛星導航系統與GPS導航系統原理相同。

東方聯星公司最新研制出的NS800[11]多系統導航衛星信號模擬器,可以同時模擬GPS、GLONASS和北斗一代三個導航系統的衛星信號,可提供32個衛星通道,同時最多可產生16顆GPS衛星、8顆GLONASS衛星和3顆(6波束)北斗一代衛星信號。“NS800集成了高精度導航衛星信號生成技術、導航衛星信號調制技術、導航衛星軌道參數化技術,具有高精度導航衛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實時輸入載體運動軌跡,實現硬件閉環測試;輸出信號功率連續可調;可生成低動態、中動態、高動態測試場景,提供場景編輯功能”。此外,東方聯星公司還研制出一款12通道BD2(北斗二)衛星信號模擬器[12],該款信號模擬器可以模擬BD2衛星導航定位系統的5顆GEO、3顆IGSO和4顆MEO衛星的RNSS下行導航信號,用于BD2用戶設備開發、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、多普勒頻移等衛星信號參數的仿真與控制,研制出了北斗巡天多通道高動態北斗一號衛星信號模擬器和北斗二號衛星信號模擬器,可分別模擬測試場景下的北斗一號三顆衛星和北斗二號下行導航信號,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衛星信號模擬器

Galileo衛星定位系統是歐盟一個正在建造中的衛星定位系統,有“歐洲版GPS”之稱,受預算增長和研制周期延時等影響,該系統的運行時間還沒有確定。與GPS相比,該系統的衛星數量多、軌道位置高、軌道面少,且更多用于民用[14]。由于Galileo與GPS這兩種衛星系統占用的頻寬相同,為了與GPS系統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)調制[15-16]。在Galileo系統中,廣泛使用了以BOC調制為基礎的調制技術,如 E5頻段內的 AltBOC(Alternate BOC),E1頻段內的CBOC(Composite BOC)。Galileo信號采用此類調制技術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導航信號模擬器。Spirent公司的Galileo衛星信號模擬器GSS7800是在GPS衛星信號模擬系統GSS7700的基礎上建立的。該款Galileo衛星信號模擬器將支持測試L1、E5a/E5b、E6頻率,但由于Galileo測距碼和導航數據目前沒有授權給商業使用,因此,本GNSS模擬器僅使用Galileo系統未限制公開的相關信息。且該 Galileo衛星信號模擬器可與Spirent GSS7700 GPS模擬器結合使用,具備GSS4765干擾信號發生器的干擾模擬選項。

1.4 GLONASS衛星信號模擬器

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

Spirent公司的STR4780 GLONASS仿真系統可能是目前市場上唯一的主流GLONASS衛星信號模擬器。這個GLONASS仿真系統可獨立使用,也可與 STR4760等其它GPS模擬器聯合使用。STR4780 GLONASS衛星信號模擬器被重新配置過了,以適應復雜和多變的測試解決方案,它具有遠程控制能力,硬件環回和2個射頻輸出等能力,設置能夠實現差分測試。

2 衛星信號模擬器研究的技術現狀及發展趨勢

2.1 技術現狀

從目前市場上可以見到的衛星信號模擬器的實現形式來看,主要有以下兩種:

1)基于軟件的模式

在這種模式下,所有與導航有關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)基于軟硬件結合的模式

在這種模式下,計算機軟件負責與導航信息和信號有關的計算,利用與信號相關的參數控制硬件對信息進行模擬,產生出衛星信號。北京航空航天大學張其善等[18]開發的高動態信號模擬器就是這種模式。

衛星信號模擬器的這兩種實現形式各有優缺點。第一種模式軟件模型十分清楚,產生信號精確,設計比較靈活,但運行受到計算機硬件的限制,實時性差,且不易實現長時間的仿真測試。第二種模式軟硬件結合緊密,模擬器的體系結構比較復雜,實現較為麻煩,技術難度大,但可以實現實時仿真,也可進行長時間仿真測試。

2.2 發展趨勢

衛星信號模擬器作為一個專業領域的完整的應用系統,就目前實現的功能而言還不能滿足地面系統的測試需求,還有很多關鍵技術有待解決,很多功能需要增加和完善。針對目前存在的問題和不足,對未來衛星信號模擬器的發展我們認為應該:

1)提供多模衛星信號仿真功能,“針對多模衛星接收機的聯合定位、結算能力進行測試驗證;檢測接收機在高動態環境中的信號捕獲、跟蹤和鎖定能力,尤其是在瞬間加速狀態下對衛星信號的鎖定能力;利用仿真器產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。”

2)完善各種誤差模型。可根據實際的測試結果,不斷完善各種誤差模型,使信號模擬器的測試環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)增加慣性導航(INS)模擬功能。研制INS/GPS衛星信號模擬器,為INS/GPS組合導航方案的驗證提供測試條件;

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

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

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

8)完善導航電文生成模塊。研究衛星星歷數據的產生方法[20],以合理的方式獲取導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,并與整個測試環境協調工作,滿足接收終端定位解算的需要。

3 結 論

詳細介紹了衛星信號模擬器的國內外研究動態,總結了國內外在該領域的技術現狀,對衛星信號模擬器的未來發展趨勢做了探討。由于當前國際上衛星導航技術屬于熱門技術,各種新技術不斷得到應用,而國內在該領域起步相對較晚,因此,加快在該領域的技術開發是非常必要的。

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