多系統衛星導航信號軟件模擬器體系設計

舒 展 ，王 迪

（1.北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100191;2.北京衛星導航中心 北京 100094）

多系統衛星導航信號軟件模擬器體系設計

舒 展1,2，王 迪2

（1.北京航空航天大學 電子信息工程學院,北京 100191;2.北京衛星導航中心 北京 100094）

與傳統信號模擬器相比，軟件模擬器具備設計靈活、可擴展、開放性強以及成本低的諸多優點。隨著衛星導航的發展，衛星導航體制越來越復雜，通過對多系統不同調制方式的衛星導航信號模型進行分析，迫切需要建立統一的描述方法，減少重復的算法編寫。首先提出了一種針對多系統衛星導航信號模擬器描述方法，其次建立了針對不同衛星導航信號體制的描述，給出了信號傳播時延、多普勒頻移的估計方法。最后，對模擬的信號進行了驗證。

衛星導航；信號模擬；多系統；參數計算

隨著衛星導航技術的飛速發展，衛星導航技術已經在各國的信息化建設中起著關鍵性的作用。作為衛星導航技術重要組成部分的衛星信號模擬技術也顯得尤為重要。GNSS信號模擬器能夠為研發和驗證階段的GNSS接收機、地面系統的研制建設提供一個可靠穩定準確靈活和易用的仿真及測試環境。尤其是我國北斗二代系統正在加緊建設中，北斗二代導航信號與多模導航信號仿真必須提前實現。

本文探討一種多系統軟件衛星導航中頻信號模擬器的構架與實現方法，并對所產生的GNSS信號進行了頻譜分析，使用軟件接收機對模擬器產生的數據進行捕獲跟蹤驗證。

1 衛星導航信號模型與描述方法

隨著衛星導航信號體制的發展，未來導航衛星向用戶發送的信號將由載波、偽碼、子載波、二級碼、導航電文多個部分組成，主要采用PSK系列和BOC系列調制方法[1]。數據碼首先與偽碼、二級碼異或相加而實現擴頻，然后它們的組合碼再通過不同調制方式對載波進行調制。為了統一描述不同信號體制，本模擬器基于PSK系列和BOC系列調制的信號，建立一個統一的信號模型描述方法。上述5部分可以描述為：

式中，SI(t)和SQ(t)分別表式I支路和Q支路信號，A表式信號幅度乘以恒包絡調制幅度，X(t)表示擴頻碼，D(t)表示導航電文，N(t)表示二級碼，U(t)表示子載波，f表示載波頻率，θ表示相位。

1.1 PSK系列調制體制信號模型

1 .1 .1 GPSL1C/A碼信號

GPSL1C/A碼信號 S(t)可為[2]：

式中，Pc為C/A碼信號的振幅，x(t)是衛星產生的C/A碼電平值，d(t)是衛星播發的數據碼電平值，θ1為載波L1的初相位，f1為1 575.42 MHz。基于統一模型，信號可以表示為式（1）形式，對應于原信號模型 A=Pc，X(t)=x(t)，D(t)=d(t)，導航信號是

表1 GPSL1CA碼信號與BD2B1I信號描述Tab.1 Descriptions of GPSL1CA signal and BD2B1Isignal

表2 GPSL1C信號與GalileoE1信號描述Tab.2 Descriptions of GPSL1C signal and Galileo E1 signal

送時刻用于描述衛星空間位置的坐標系用ECEFTX表示，信號接收時刻描述用戶位置的坐標系用ECEFRX表示，如圖2所示。

圖2 信號傳播時間Fig.2 Transmission time of signal

衛星位于點P，信號發射時接收機處于發射坐標系ECEFTX中的R點，假設信號傳播時間為tP，當信號到達接收機時，接收機處于接收坐標系ECEFRX中的R′點，此時的衛星為P′，用戶在接收時刻的位置是已知的，衛星在接收時刻的位置可以由導航電文推算得出。因為信號傳播時間tp很短，可以認為衛星在這段時間內是勻速運動，其速度為(vx,vy,vz)，發射時刻衛星位置為(xst,yst,zst)，接收時刻接收機位置為(xu,yu,zu)，衛星位置為(xsr,ysr,zsr)，則衛星在發射時刻的位置估計值和信號的傳播時間的估計值如式（9）方程組所示：

式中，c為光速，ECEFTX和ECEFRX中的衛星坐標存在如式（10）所示：

式中，ωe為地球自轉角速度，由式（10）可得出一個新的傳播時間tp′，將此新的傳播時間 tp′代入式（9）計算發射時刻衛星位置（xst,yst,zst)，再重復（10）式計算傳播時間，可以得到傳播時間tp的誤差非常小，通過循環的兩次計算可以得到一個準確的傳播時間，相應算出其傳播距離。

2.2 多普勒頻移計算

衛星繞地球運行，測點與衛星之間存在著高速的相對運動，使得測點接收機收到的衛星發射信號存在多普勒頻移，多普勒頻偏對衛星發射信號帶來的影響主要體現在調制數據的擴頻碼和載波中。多普勒頻率取決于衛星和接收機之間的徑向速度，多普勒方程如式（11）所示：

式中，fd為多普勒頻率，fR為衛星射頻發射信號頻率，ft為接收頻率，v為接收機相對于衛星的徑向運動速度，c為光速。設接收機速度為(vxu,vyu,vzu)，接收時刻接收機位置為(xu,yu,zu)，衛星位置為(xsr,ysr,zsr)，r為上一節求出的信號傳播距離。則徑向速度：

代入式（12）得出多普勒頻移值。

圖3 仿真信號頻譜圖Fig.3 Spectrum from signal of simulation

3 模擬結果

3.1 信號頻譜

圖3是仿真信號頻譜圖，圖3(a)是GPSL1C/A碼仿真信號頻譜圖，信號采樣率為12 MHz，中頻為0，采用1 bit量化。圖4(b)是BDB1I仿真信號頻譜圖，信號采樣率為 12 MHz，中頻為0，采用1 bit量化。圖3(c)是GPSL1C仿真信號頻譜圖，信號采樣率為20 MHz，中頻為0，采用 1bit量化。圖 3(d)是GallieoE1仿真信號頻譜圖，信號采樣率為20 MHz，中頻為0，采用 1 bit量化。

3.2 接收機跟蹤效果

模擬器仿真GPSL1C/A碼信號設置多普勒初始值100 Hz，多普勒的變化率為2 Hz/s，通過軟件接收機捕獲跟蹤上的多普勒值對模擬器生成的多普勒進行驗證。圖4是截取時間從第10 s到20 s模擬器設置多普勒與接收機跟蹤多普勒。

圖4 模擬器生成數據產生多普勒與接收機跟蹤到多普勒Fig.4 Simulator to generate Doppler and receiver to track Doppler

4 結論

文中描述了多系統多種調制方式的軟件中頻信號模擬器，對不同調制方式的信號有一個統一的描述方法，從衛星運動狀態和接收機位置關系的角度分析計算信號傳播時延和多普勒頻移迭代計算方法，最后給出由模擬器生成不同調制方式的基帶信號的頻譜，初步驗證了這一信號模擬器所產生的信號。為導航信號體制綜合實驗驗證提供信號仿真的環境。

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Architecture design for software simulator of multisystem satellite navigation signal LabWindows/CVI

SHU Zhan1,2,WANG Di2
（1.School of Electronics and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2.Beijing Satellite Navigation Center,Beijing 100094,China）

Compared to conventional navigation signal simulators,software simulator has many advantages,which include flexible design,easy extending,strong openness,and low cost.With the development of satellite navigation,satellite navigation system is getting more and more complicated.Based on the analysis for satellite navigation signal model in different modulation methods of multisystem,it is very urgent to establish a unified description method,which can reduce duplication writing of algorithm.firstly,description method for multisystem satellite navigation signal simulator is proposed.Secondly,it can describe different systems of satellite navigation signals and provide estimation method for signal transmission delay time and Doppler frequency shift.Finally,the signal of simulation is validated.

satellite navigation;signal simulation;multisystem;parameter calculation

TN967.1

A

1674-6236（2014）13-0048-04

2013-10-14 稿件編號：201310082

舒 展(1985—)，女，江西景德鎮人，碩士，助理工程師。研究方向：衛星導航和軟件模擬器技術。