衛星信號模擬器的發展現狀與趨勢

侯 博,謝 杰,劉光斌

(解放軍第二炮兵工程學院,西安 710025)

1 引 言

目前,世界衛星導航領域已經形成了GPS、GLONASS、“北斗二號”和Galileo四足鼎立之勢,日本的QZSS和印度的區域導航系統(Indian Regional Navigation Satellite System,IRNSS)也正在建設與籌備中[1]。衛星導航系統已經成為大國必備的、關系國家安全的基礎設施和重要戰略資源。

在衛星導航系統中,衛星導航接收機無疑是最重要也是最直接發揮導航系統作用、體現其性能的環節。衛星信號模擬器作為接收機特別是高端接收機開發與驗證的必備工具,其技術難點主要存在兩個方面:由于模擬器仿真的衛星信號是擴頻、調幅、調頻、調相的復雜信號,模擬器需要非常合理的軟硬件架構和信號的生成方案;實際衛星信號中存在多種干擾和延遲,模擬器中需要融入精確合理的誤差模型,以實現信號的逼真模擬。相比于國外,國內無論是衛星信號系統架構、仿真理論還是相關誤差模型的研究都顯得不夠細致深入。近年來,國外涌現出一大批軟件、硬件以及混合架構的模擬器,其功能強大、門類齊全,國內也成功研發了多款模擬器產品。隨著 GPS、GLONASS的廣泛應用和“北斗”、Galileo等新系統的建設,衛星信號模擬器的相關理論研究和產品研發進入了一個全新階段,也呈現出一些新的發展趨勢。

2 國內外模擬器理論研究與產品現狀

2.1 國外模擬器理論研究與產品現狀

2.1.1 模擬器架構與系統設計研究現狀

國外對于衛星導航仿真理論和模擬器技術的研究起步較早。最早在20世紀70年代后期,GPS尚處于方案論證階段,美國空軍就已經建立了地面測試與數據處理系統。近十余年來,加拿大Calgary大學和York大學、美國的Stanford大學和Ohio大學、德國航天中心等諸多著名大學和研究機構都對衛星信號仿真理論與應用進行了深入研究,取得了豐碩成果。

(1)軟件模擬器

2001年,Calgary大學Luo Ning在其博士論文[2]中詳細探討GPS實際信號中存在的各種誤差并建立了相應的模型,對各模型的有效性進行了驗證。Corbell[3]和 Lei Dong[4]分別開發了基于Matlab的GPS中頻信號軟件模擬器。Lei Dong在論文中將衛星信號的多普勒頻移表示為偽距的一部分,大大降低了仿真計算量。作者在文中證明了兩種表示方法的統一性,其基本思想為:多普勒頻移本身就是由相對距離的改變產生,而衛星與接收機載體間的偽距本身就是兩者距離的表示。2009年,德國航天中心F.M.Schubert開發了基于C++的開源軟件GNSS信號模擬器SNACS,該模擬器中引入了包含更多誤差項的信道模型,可以提供更為復雜的信道仿真[5]。同年,加拿大York大學的Alexander Dolgansky等也開發了多模衛星信號軟件模擬器(Multi-GNSS Observables Simulator,MGOS),文獻[6]中介紹了該模擬器中所應用的誤差模型并指出這些誤差模型可以應用于各GNSS系統。此外,SATNAV等基于Matlab的工具包軟件模擬器應用較為廣泛。

(2)硬件模擬器

2008年,Christoph Abart[7]介紹了由歐盟科研架構計劃資助,Agilent(安捷倫)、TeleConsult等公司參與研發的衛星信號模擬器。該衛星信號模擬器可以進行GPS L1、Galileo L1和SBAS信號的仿真,硬件部分包括信號API接口、基帶信號生成器和射頻前端,但是論文中沒有具體涉及仿真的軟硬件實現方法。David A.Hall介紹了Averna公司基于NI射頻測試平臺開發的錄播式模擬器[8]。然而錄播式模擬器主要存在兩個缺陷,一是錄制的信號中摻雜著現實環境中的多種干擾信號,二是錄制條件決定其模擬的載體場景例如高度、速度、運動曲線都受到很大限制 。國外基于VXI、PCI、CPCI、USB 和以太網的模擬器技術較為成熟,但是由于衛星信號模擬器中涉及敏感技術,西方發達國家對中國實行嚴格的模擬器進口管制,公開發表的有價值的論文很少,而且軟件模擬器相關論文居多,涉及硬件實現的論文寥寥無幾。

(3)混合架構模擬器

混合架構即基于Matlab或其它軟件計算得到中頻信號存儲在存儲器中,而后將文件直接發送給接收機或通過硬件調制模塊生成射頻信號測試接收機整體性能。NAVSYS公司一直致力于 AGHS(Advanced GPS Hybrid Simulator)架構[9]的GPS衛星信號仿真產品的研制,該公司的模擬器多采用“Matlab+DSR存儲器”式結構。

由于近年國外模擬器整體架構逐步成熟,相關產品較多,關于架構和實現方面的論文文獻趨少。

2.1.2 主要相關模型的研究進展

(1)電離層誤差模型

電離層誤差的研究主要集中在電離層延遲和電離層閃爍之上。

早在1987年,John A.Klobuchar就給出了可以校正約70%電離層延遲的單頻接收機電離層延遲校正算法[10],此算法成為了之后廣泛應用的Klobuchar模型。由于Klobuchar模型不需要環境參數、計算量小、實時性好,GPS和“北斗二號”衛星信號的導航電文中均包含Klobuchar模型參數,為接收機提供電離層延遲校正數據。此外,常用的電離層模型還有 Bent模型、IRI模型、Nequick模型、VTEC模型等。近年來由于電離層監測網的建立,接近實時的電離層延遲補償成為可能,得到了廣泛應用。

電離層閃爍可以引起信號幅度、相位、時延的快速抖動,嚴重時可以造成接收機失去捕獲。現階段,電離層閃爍對于GNSS系統影響的研究正在國外廣泛展開。2008年,Humphreys等建立了一種基于概率的電離層閃爍數學模型[11],用以檢測GPS接收機相位跟蹤環路性能。2010年,Rajendra Malla與Robert Fries分別使用Cornell大學和Air Force Research Laboratory開發的電離層閃爍仿真工具,結合Sprient公司的GPS信號模擬器分析電離層閃爍對接收機的性能影響,提出將閃爍造成接收機定位中斷的概率作為反映接收機架構和算法性能指標的方法[12]。

(2)多徑效應模型

2006年,Tao Hu在碩士論文中重點討論了室內環境中復雜多徑效應下的GPS衛星信號仿真[13],建立了多種室內場景的多徑效應模型,使用了硬件模擬器在各場景內對仿真模型進行了驗證。此論文是多徑效應仿真較為經典的論文之一。近年來,室內、城市、叢林、環境等下的多徑效應成為了國外研究的熱點。

(3)其余誤差模型

常用的對流層模型還有改進Hopfield模型、Saastamonien模型、Neill模型、Davis模型等。近年來,對流層校正研究主要方向有兩個:一個是差分方法;另一個是使用氣象觀測機構(如NOAA,即美國國家海洋和大氣管理局)根據觀測網給出的對流層數據進行實時延遲校正。國外對于單頻用戶獨立定位的對流層模型研究趨少。

相對論效應、星鐘誤差等模型已經能夠滿足甚至超出了衛星導航的精度需求,應用較多,相關研究較少。

2.1.3 國外模擬器產品現狀

國外有眾多公司推出了配置靈活、功能強大的衛星信號模擬器產品。其中,英國Sprient公司在衛星信號模擬器領域的研究起步較早并一直處于較為領先的地位。

表1 國外主要的模擬器生產商Table 1 Major foreign simulator manufacturers

以上各公司的產品大都實現了GPS L1/L2/L5、GLONASS L1/L2、Galileo E1/E5/E6、SBAS 的任意組合仿真。此外,美國Aeroflex、Pendulum公司推出的硬件模擬器產品也在市場上占有一定份額。

2008年,美國國家儀器(NI)有限公司發布了基于LabView和PXI軟件無線電平臺的GPS工具包,可以模擬GPS L1頻段C/A碼信號,在配備磁盤陣列時可以進行GPS信號錄播,其系統架構與AGHS相似。Agilent在部分信號源產品上也可以增加簡單的GPS信號生成功能。

2.2 國內模擬器理論研究與產品現狀

2.2.1 模擬器研究現狀

北京航空航天大學依托國家自然基金,率先開展了GPS衛星信號模擬器和接收機領域的研究,對GPS衛星信號仿真基本原理和構架、誤差仿真數學模型和實現方法進行了深入的理論研究,從軟件架構和硬件實現上對GPS衛星信號模擬器進行了探索[14—16]。

國防科技大學也開展了模擬器的相關研究。張惠軍等針對模擬器中信號延遲、衛星位置等參數計算量大、迭代次數多等特點,提出在精度要求不高情況下使用插值和擬合減少計算量的方法[17]。羅益鴻等在其論文中給出了基于迭代的精密偽距計算方法[18],針對計算時間過長的問題,作者進一步提出了迭代生成與插值相結合的組合偽距生成方法,大大降低了計算量。單慶曉等提出在FPGA中采用延遲濾波器仿真GPS偽隨機碼的延遲方案[19],這種方案實際應用可行,但硬件代價較大。羅顯志等在其論文中介紹了基于Matlab的GPS/Galileo信號軟件模擬器并給出了模擬器中所應用的各種誤差模型[20]。

2008年,第二炮兵工程學院范志良碩士對GLONASS衛星信號仿真理論進行了深入研究,研制了GLONASS衛星信號模擬器,文獻[21]中給出了該模擬器的軟硬件架構。2009年,程俊仁碩士成功開發了多模衛星信號模擬器的上位機軟件,解決了各衛星導航系統時空表示不統一情況下的信號同步仿真問題[22]。

2010年,北京理工大學宋媛媛等提出了一種基于三階DDS的衛星信號多普勒模擬方法[23—24],通過三階DDS級聯,在模型中引入衛星和接收機相對運動的速度、加速度、加加速度因素,解決了一階DDS下載波和碼波形的不平滑問題,多普勒效應仿真更加逼真,但是作者沒有給出各階DDS控制字的具體計算方法。此外,哈爾濱工程大學、西安理工大學等多家單位也都在進行衛星信號模擬器的研究。

國內近年來的40余篇衛星信號模擬器相關文獻中結果大多是計算機仿真得出,多篇硬件模擬器論文缺乏接收機實驗驗證。當前尚無公開發表的“北斗二號”衛星信號模擬器相關論文。

2.2.2 國內模擬器產品現狀

在產品和應用方面,第二炮兵工程學院和國防科技大學推出了GNS8000系列模擬器,可以實現GPS、GLONASS、Galileo衛星信號的仿真。第二炮兵工程學院研制了世界上第一款可以實現GPS、GLONASS和“北斗一號”信號任意時空同步仿真的NS300系列多模衛星模擬器。東方聯星、華力創通等公司也推出了能夠實現GPS、GLONASS信號仿真的產品系列,產品具體狀態和性能不詳。

航天恒星科技有限公司借助衛星領域的研究優勢,開發出了“CSG-5000單端口北斗衛星導航信號源”,可以產生“北斗二號”B1、B2、B3三個頻點的粗碼和精碼仿真和信號傳播的多徑效應仿真。據悉,國防科技大學已經成功研制“北斗二號”衛星模擬器。此外,多家國內公司也都發布了“北斗二號”衛星信號模擬器產品的宣傳廣告,但經咨詢得知并無實物或現貨。

由于衛星信號模擬器特別是“北斗二號”模擬器應用前景廣闊,多家院校、研究所和地方公司都在進行此領域的研究。第二屆中國衛星導航學術年會(CSNC 2011)將于2011年5月在上海舉行,屆時必將有更新的模擬器產品亮相。

2.3 國內外理論研究、產品現狀對比與分析

國內模擬器領域無論是理論研究還是產品性能,水平依然較國外有著較大差距,掌握模擬器核心技術的單位屈指可數。在輔助精確定位的各種誤差模型研究領域,國外已經達到了非常精細的水準,例如室內、叢林、海洋等環境的影響、信號多徑效應、電離層閃爍、電離層和對流層延遲網格校正等更為細致深入的研究早已在國外廣泛開展,國內對此研究依舊較少。究其主要原因,一方面我國衛星導航領域研究起步晚,一直沒有屬于自己的導航系統和相應觀測手段;另一方面,西方對高動態模擬器進行了嚴格的技術封鎖,且人為限制出口我國的模擬器可仿真載體速度和高度。

3 模擬器發展趨勢

衛星信號模擬器發展趨勢主要呈現在以下幾個方面。

(1)多模、多頻化

為滿足用戶高精度定位需求以及衛星覆蓋率引起的導航定位問題,多模多頻是接收機未來發展的必然方向。可以實現多系統多頻點衛星信號組合仿真的模擬器將成為必然趨勢。

(2)高精度、高動態化

隨著電子元器件性能的提升、軟件無線電理論的發展和新型模擬器架構的提出,衛星信號模擬器的精度和動態范圍必將隨之提高,以實現高性能接收機的算法和功能驗證。

(3)真實化、實時化

模擬器提供的仿真信號越接近實際衛星的信號就越能驗證接收機的真實工作性能,這就需要建立更為精準的衛星信號誤差模型并將其融入仿真的信號中,例如多徑效應模型、信號衰減模型、電離層閃爍模型、天線方向增益模型等。此外,添加各類可控干擾信號的仿真信號生成也將成為未來模擬器必不可少的功能,用以驗證接收機抗干擾性能。

未來模擬器將更多地要求任意時空的實時仿真,單一的錄播轉發式的衛星信號仿真最終將被淘汰,錄播將作為輔助功能存在。

(4)小型化、專業化、標準化

針對不同市場的需求,更為專業的接收機驗證模擬器和小型嵌入式模擬器將分別占據高低端市場。另一方面,國內對于接收機已經實施了部分標準,模擬器作為一種標準的信號源也需要一個行業標準進行規范。多家研究院所現在都在擬定模擬器的規范,以期申報為國家標準。

(5)與測試系統融為一體的“硬件在環”(Hardware-in-loop)仿真

未來的模擬器將提供多樣的標準化接口,提供與被測系統的交互,構成完整的閉環測試回路,在驗證接收機性能的同時驗證定位數據處理和使用方案的可行性。

(6)軟件、硬件和AGHS架構模擬器互補并存

軟件模擬器價格相對低廉,信號建模和調理方法靈活、簡便易行;硬件模擬器具有實時性高、可實施“硬件在環”仿真和接收機系統進行整體測試等優勢;AGHS架構模擬器則各取其半。在未來一段時間里,這種“三足鼎立”之勢不會改變。

(7)成為接收機檢定的標準源

我國現行接收機檢定手段多依賴于標準檢定場的各種基線,然而標準檢定場對于場地地質、視野及周邊環境有較高要求,建設維護費用高昂,且檢定場易受基線向量誤差、點位漂移誤差、天氣等諸多不確定因素影響[25]。衛星信號模擬器作為低成本的靈活測試工具,可以為接收機提供時空無約束的仿真信號,在未來將逐步取代檢定場基線成為接收機檢定的標準工具。

4 結 論

國內衛星導航領域方興未艾,各方面研究仍較國外有很大差距。隨著“北斗二號”的建成,我國的衛星導航技術必將得到長足的發展。然而,“北斗二號”星座尚未布滿,接收機開發缺乏信號源和驗證工具,國內對于擁有自主知識產權的“北斗二號”衛星信號模擬器需求十分緊迫。各衛星導航系統將在未來互補并存,多模接收機必然得到廣泛應用,開展的“北斗二號”及其它各系統的衛星信號模擬器的研究具有巨大的經濟效益和重大的軍事戰略意義。

[1]Gibbons Media.Japan′s Quasi-Zenith Satellite Michibiki Begins Broadcasts[J].Inside GNSS,2010.

[2]Luo Ning.Precise Relative Positioning of Multiple Moving Platforms Using GPS Carrier Phase Observables[D].Calgary,Alberta,Canada:University of Calgary,2001.

[3]Cornell P M.Design and Validation of an Accurate GSP Signal and Receiver T ruth Model For Comparing Advanced Receiver Processing T echniques[D].USA:Air University,2000.

[4]LEI Dong.IF GPS Signal Simulator Development and Verification[D].Calgary,Alberta,Canada:University of Calgary,2003.

[5]Schubert F M,Prieto-Cerdeira R,Robertson P,et al.SNACS-The Satellite Navigation Radio Channel Signal Simulator[C]//Proceedings of the 22nd International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation.Savannah,GA:ION,2009:1982-1988.

[6]Dolgansky A,Szeto A,Bisnath S.Software Simulation of Multiple Global Navigation Satellite System measurements[C]//Proceedings of IEEE Toronto International Conference on Science and Technology for Humanity.Toronto,ON:IEEE,2009:322-327.

[7]Christoph Abart.Simulating GNSS Constellations GPS,Galileo and SBAS[C]//Proceedings of 50th International Symposium on ELMAR.Zadar,Croatia:IEEE,2008:569-572.

[8]DavidA Hall.Innovation:Record,Replay,Rewind-Testing GNSS Receivers with Record and Playback Techniques[J].GPS World,2010.

[9]Alison Brown,Neil Gerein.Advanced GPS Hybrid Simulator Architecture[C]//Proceedings of ION 57th Annual Meeting.Albuquerque,NM:ION,2001:1-8.

[10]Klobuchar J A.Ionospheric Time-Delay Algorithm for Single-Frequency GPS Users[J].IEEE Transactions on AES,1987,23(3):325-331

[11]Humphreys T E,Psiaki M L,Hinks Joanna C,et al.Simulating Ionosphere-Induced Scintillation for Testing GPS Receiver Phase Tracking Loops[J].IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,2009,3(4):707-715.

[12]Rajendra Malla,Robert Fries.Multi-Layer Modeling and Simulation of the Effects of Ionospheric Scintillation on Service Availability of the GPS Augmentation Systems[C]//Proceedings of IEEE/ION PLANS.Indian Wells,CA:IEEE,2010:688-693.

[13]Tao Hu.Controlled Indoor GPS Signal Simulation[D].Calgary,Alberta,Canada:University of Calgary,2006.

[14]趙軍祥.高動態智能GPS衛星信號模擬器軟件數學模型研究[D].北京:北京航空航天大學,2003.ZHAO Jun-xiang.The Study on Mathematical Model of High Dynamic and Intelligent GPS Satellite Signal Simulator′s Software[D].Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronatics,2003.(in Chinese)

[15]趙軍祥,張其善,常青,等.高動態GPS衛星信號模擬器關鍵技術分析及應用[J].電訊技術,2003,43(4):49-54.ZHAO Jun-xiang,ZHANG Qi-shan,CHANG Qing,et al.The Key Technique Analysis and Applications of High Dynamic GPS Signal Simulator[J].Telecommunication Engineering,2003,43(4):49-544.(in Chinese)

[16]朱宇虹.高動態GPS衛星信號模擬器的研究與設計[D].北京:北京航空航天大學,2004.ZHU Yu-hong.The Study and Design of High Dynamic GPS Signal Simulator[D].Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronatics,2004.(in Chinese)

[17]張惠軍,程翥,王朝軍,等.一種提高GPS模擬器運算效率的方法[J].全球定位系統,2006,31(3):21-25.ZHANG Hui-jun,CHENG Zhu,W ANG Chao-jun,et al.A Method of Improving GPS Simulator′s Calculation Efficiency[J].GNSS World of China,2006,31(3):21-25.(in Chinese)

[18]羅益鴻,王威,郗曉寧.導航衛星信號模擬器偽距生成實時仿真研究[J].計算機仿真,2009,26(7):77-80.LUO Yi-hong,WANG Wei,XI Xiao-ning.Real-time Simulation of Pseudo Range Generation of Navigation Satellite Signal Simulator[J].Computer Simulation,2009,26(7):77-80.(in Chinese)

[19]單慶曉,鐘小鵬,陳建云,等.基于FPGA的低成本GPS信號模擬器設計[J].計算機測量與控制,2009,17(7):1365-1367.SHAN Qing-xiao,ZHONG Xiao-peng,CHEN Jian-yun,et al.Low Cost GPS Simulator Based on Single FPGA[J].Computer Measurement&Control,2009,17(7):1365-1367.(in Chinese)

[20]羅顯志,楊滕,魏海濤,等.基于MATLAB的衛星導航信號仿真和驗證平臺[J].系統仿真學報,2009,21(18):5692-5698.LUO Xian-zhi,YANG Teng,WEI Hai-tao,et al.Satellite Navigation Signal Simulation and Validation Platform Based onMATLAB Software[J].Journal of System Simulation,2009,21(18):5692-5698.(in Chinese)

[21]范志良.GLONASS衛星信號仿真技術研究[D].西安:第二炮兵工程學院,2008.FAN Zhi-liang.Research on the Simulation Technology of GLONASS Signal[D].Xi′an:The Second Artillery Engineering College,2008.(in Chinese)

[22]程俊仁,劉光斌,焦巍.多模衛星信號仿真器上位機軟件設計與實現[J].電訊技術,2009,49(5):17-20.CHENG Jun-ren,LIU Guang-bin,JIAO Wei.Design and Implementation of the Software on the Upper Computer for Multi-mode Satellite Signal Simulator[J].Telecommunication Engineering,2009,49(5):17-20.(in Chinese)

[23]Song Yuanyuan,Zhou Hui,Zeng Tao,et al.Algorithm and Realization of High Dynamic Satellite Signal Doppler Simulation Based on FPGA[C]//Proceedings of 2010ION GNSS.San Diego,CA:ION,2010:1044-1050.

[24]宋媛媛,曾大治,曾濤.基于三階DDS的衛星信號多普勒模擬方法[J].北京理工大學學報(自然科學版),2010,30(10):1213-1216.SONG Yuan-yuan,ZENG Da-zhi,ZENG Tao.Satellite Signal Doppler Simulation Method Based on Third Order DDS[J].Transactions of Beijing Institute of Technology(Natural Science Edition),2010,30(10):1213-1216.(in Chinese)

[25]楊博雄,傅輝清,凌模,等.GPS接收機標準檢定場測量不確定度的分析與評定[J].計量技術,2007(5):64-66.YANG Bo-xiong,FU Hui-qing,LING Mo,et al.Analysis and Evaluation of Uncertainty in the Field Inspection Test of GPS Receivers[J].Measurement Technique,2007(5):64-66.(in Chinese)