衛星導航模擬測試系統原理與實現

梁書忠，唐 斌，李 騰

（北京衛星導航中心，北京100094）

衛星導航模擬測試系統原理與實現

梁書忠，唐 斌，李 騰

（北京衛星導航中心，北京100094）

簡要介紹了當前廣泛應用的幾種衛星導航系統，根據衛星導航系統的特點闡述了衛星導航模擬測試系統的工作原理，通過基于并行DSP/FPGA的高速基帶數字合成技術和正交中頻、射頻調制技術以及高倍率及高精度數字延時濾波器技術，利用面向對象的軟件工程化編程方法，完成了系統的設計與實現。

衛星導航；模擬測試系統；面向對象

0 引 言

衛星導航系統已成為當今發達國家國防與經濟建設的重要組成部分，是國家綜合國力及科學技術發展水平的重要標志之一，并且已成為在現代高技術戰爭條件下及時獲取高精度測量信息資源不可缺少的空間基礎設施[1］，在戰場建設、精確打擊、指揮決策、態勢感知等方面發揮了巨大作用，成為國家遏制危機、控制戰局、保障長治久安與和平發展的重要戰略保障。衛星導航系統在國家經濟建設中也有著廣闊的應用前景[2］，它不僅在交通、電信、電力、金融等國家基礎設施建設中發揮著重大作用，是社會數字化、信息化的重要支撐，而且，在日常生活中為人們提供全方位的導航定位與授時服務。

隨著各國衛星導航系統的建設發展，各種衛星導航用戶設備在國民經濟和國防建設中的應用越來越廣泛，其性能也越來越受到用戶的重視和關心，如何進行衛星導航用戶設備的測試與試驗，是很多用戶必須面臨的問題。采用衛星導航模擬測試系統，通過仿真真實的導航信號環境，建立自動化的測試平臺，對衛星導航用戶設備進行功能檢查和性能試驗，是解決這一問題的有效途徑。

1 衛星導航系統簡介

衛星導航系統是一種天基無線電導航定位與時間傳遞系統[3］，包括衛星星座、地面系統及用戶終端設備等三大部分，可為地球表面和近地空間的廣大用戶提供全天候、全天時、高精度的三維位置、速度和時間信息。

當前，全球主要在建和在軌運營的衛星導航系統包括美國的GPS全球定位系統、歐洲的GALILEO衛星導航系統、俄羅斯的GLONASS衛星導航系統以及中國的北斗衛星導航系統[4］。衛星導航系統一般均由三部分組成[5］，分別為：空間衛星星座、地面控制/監測網絡和用戶接收設備，空間衛星負責播發用戶定位所需的導航信號，地面控制/監測網絡負責維護空間衛星星座的正常功能，包括將衛星保持在正確的軌道位置和監測衛星的健康狀況，用戶接收設備用來處理從衛星發射的導航信號，進而確定用戶位置信息。衛星導航系統工作原理如圖1所示。

圖1 衛星導航系統工作原理

2 衛星導航模擬測試系統組成

衛星導航模擬測試系統主要功能是通過仿真真實的衛星導航信號以及空間電磁環境，對衛星導航用戶設備進行衛星不在軌、室內或臨界條件下的性能及功能項目測試，以檢測衛星導航用戶設備是否滿足設計要求。根據功能要求，衛星導航模擬測試系統一般由衛星導航數據仿真模塊、衛星導航信號生成模塊、測試管理與控制模塊、測試結果評估模塊等幾部分組成。衛星導航數據仿真模塊主要功能是計算仿真衛星導航用戶設備在不同運動狀態條件下接收到的多星座、多頻點的各類觀測數據，包括衛星星座仿真、用戶軌跡仿真以及觀測數據仿真等，可為衛星導航信號生成模塊和測試結果評估模塊提供必需的數據源。衛星導航信號生成模塊主要功能是根據衛星導航數據仿真模塊計算的仿真數據生成射頻模擬衛星導航信號。測試管理與控制模塊主要功能是完成測試完整過程的任務調度和管理控制，包括各功能模塊間的任務序列管理以及衛星導航模擬測試系統與用戶機間的數據交互控制等。測試結果評估模塊主要功能是完成測試結果的評估分析，包括單項指標的結果統計以及全項指標測試報告的生成和打印等。衛星導航模擬測試系統各功能模塊組成關系如圖2所示。

圖2 衛星導航模擬測試系統功能組成框圖

3 衛星導航模擬測試系統原理與組成

測試流程開始時，測試管理與控制模塊首先根據用戶配置參數向衛星導航信號生成模塊發送射頻信號仿真指令，同時測試管理與控制模塊向衛星導航數據仿真模塊發送數據仿真指令；衛星導航數據仿真模塊收到數據仿真指令后根據指令內容生成相應的仿真數據，并將仿真數據發送給衛星導航信號生成模塊；衛星導航信號生成模塊待收到衛星導航信號生成模塊發送的仿真數據后向測試管理與控制模塊發送射頻信號仿真指令回執，同時根據仿真數據生成相應的射頻模擬信號并發送給被測用戶機；被測用戶機根據接收到的衛星導航信號生成模塊發送的射頻模擬導航信號解算出PVT等用戶導航信息，并將解算結果發送給測試管理與控制模塊；測試管理與控制模塊將被測用戶機上報的測試結果按照相應的數據結構發送給測試結果評估模塊并進行數據庫入庫操作，測試結果評估模塊根據衛星導航數據仿真模塊生成的測試仿真數據對用戶機上報的測試結果進行評估分析，并生成相應的測試報表或測試報告，測試流程結束。衛星導航模擬測試系統工作流程如圖3所示，圖中數字序號表示測試流程執行過程中各功能模塊之間數據交互的先后順序。

圖3 衛星導航模擬測試系統工作流程圖

4 衛星導航模擬測試系統設計與實現

4.1 系統設計

衛星導航模擬測試系統測試管理與控制模塊、衛星導航數據仿真模塊、測試結果評估模塊均采用軟件方式實現，衛星導航信號生成模塊采用軟硬件結合的方式實現。

測試管理與控制模塊、衛星導航數據仿真模塊、測試結果評估模塊均在高性能計算機上編程實現，可以完成人機交互、管理控制、數據仿真、測試評估等功能。衛星導航信號生成模塊硬件結構上采用標準VXI總線機箱，內置射頻信號仿真模塊、時間頻率綜合模塊等，軟件上采用高性能VXI軟件無線電處理技術、數字基帶合成技術和射頻調制技術，實現衛星導航射頻信號的仿真生成，另外，VXI總線機箱通過IEEE1394口與上位機控制軟件連接，以實現對衛星導航射頻信號仿真的實時控制。

測試管理與控制模塊、衛星導航數據仿真模塊、測試結果評估模塊通過工程化的編程接口實現數據交互，測試管理與控制模塊以及衛星導航數據仿真模塊通過以太網和衛星導航信號生成模塊使用TCP/IP協議進行數據交換。被測用戶機的上報數據經由RS232串口通過串口服務器經以太網送入測試管理與控制模塊。

4.2 軟件設計與實現

衛星導航模擬測試系統軟件代碼采用Microsoft.NET Framework框架結構，使用模塊化、工程化的編程思想進行設計[67］，有效保證了軟件代碼的重用性和執行效率。在軟件設計過程中，采用N層設計結構，對通訊層、數據庫層、業務邏輯處理層、人機界面層進行獨立封裝的設計和實現，極大提高開發效率和系統的易維護、易升級性能。

衛星導航模擬測試系統軟件結構設計上主要包括衛星導航數據仿真模塊、測試管理與控制模塊、測試結果評估模塊以及數據庫等幾部分。各系統業務模塊根據功能要求又細化為多個功能子模塊，分別負責完成各自的系統功能，系統軟件結構組成框圖如圖4所示。

根據系統軟件整體框架設計，測試管理與控制模塊主要負責測試過程中的任務調度和管理控制，其模塊實現代碼中的類間關系圖如圖5所示。

圖4 衛星導航模擬測試系統軟件結構框圖

圖5 測試管理與控制模塊類間關系圖

4.3 硬件設計與實現

衛星導航信號生成模塊硬件結構VXI機箱選用Agilent公司的13槽C尺寸機箱E8401A實現，0槽選用Agilent的E8491B。通過0槽可以對每個槽位上對應的模塊進行控制，并可以更新升級程序軟件，改變信號體制和導航電文格式，達到多信號體制仿真擴展的功能。

衛星導航信號生成模塊設計采用基于并行DSP/FPGA的高速基帶數字合成技術和正交中頻、射頻調制技術[8］。一個用戶的全部通道以數字形式在高性能軟件無線電處理平臺上計算并合成，有效提高系統通道間的一致性，消除了衛星通道間的誤差，也消除了內部時間誤差，確保了高精度。該方案與射頻合成方案相比增加了軟件無線電數字部分設計的難度，使得偽距控制精度、多普勒變化和幅度等均在數字部分計算，簡化了射頻設計，避免了由射頻群時延不一致產生的通道間誤差和衛星間的鐘差，且數值計算、鐘差可控，有效保證了系統的設計指標。衛星導航信號生成模塊原理結構圖如下圖6所示。

圖6 衛星導航信號生成模塊原理結構圖

衛星導航信號生成模塊在模擬仿真導航信號時涉及到高精度高動態范圍的多通道信號實時產生問題。為了保證多通道實時產生的精度和動態范圍，必須實現多星之間偽碼相位的高精度時延和相位控制的一致性。衛星導航信號生成模塊采用高倍率及高精度數字延時濾波器技術，實現了多星之間偽碼相位時延的高精度控制。

一個信號X（t）通過一個濾波器h（t）時，必將產生一定的群時延。對于模擬濾波器，這種時延受到包括溫度等外界的影響。但對于數字濾波器來說，其群延時卻是一個恒定值。改變濾波器的群延時就可以改變信號的時延，在理論上這種時延的改變可以做到非常精細，然而受到計算代價和內存容量的限制，一般根據需要選擇符合精度要求的步長就可以實現碼相位精確控制。

數字延時濾波器的原理是基于多抽樣率數字信號處理理論的，數字延時濾波器算法的本質是通過插值得到高密度采樣波形信號、時延所需要的時延樣點個數，最后再抽取至DAC轉換頻率。為了節省計算量，采樣率轉換器SRC采用多級實現的方式。當SRC的轉換因子較大時，直接一次完成轉換，從計算量和存儲量來說往往不如經過兩次或以上的轉換更為經濟。通常把一次抽取或內插就完成所需要的抽樣率轉換成為抽樣率轉換的單級實現，而把兩次或兩次以上的轉換稱為多級實現。

在總的內插因子I和級聯數M已知的情況下，如何分配每一級的內插因子Im成為多級內插系統設計的關鍵，內插因子的分配原則是使總的運算量最小：

式中，Nm為第m級內插濾波器階數，并定義

由于滿足I＝I1I2…Im條件的內插因子分配方案是有限的，所以可通過計算機枚舉算法預先找出最優結果。

4.4 仿真實例

根據衛星導航模擬測試系統應用中的實際需求，以幾個比較典型的仿真場景實例說明模擬各種場景下用戶軌跡和衛星星座的實際過程。仿真實例1為直線加速運動場景，適用于地表低動態用戶的性能驗證，仿真的用戶軌跡和衛星星下點軌跡如圖7所示，其運動參數分別為：速度0～300m/s，加速度2m/s2.仿真實例2為靜態場景，適用于地表低動態用戶的功能及性能驗證，仿真的用戶軌跡和衛星星下點軌跡如圖8所示，其點位坐標為（X＝－2 113 208.012m，Y＝4 332 718.505m，Z＝4 162 423.200m）。仿真實例3為圓形軌跡勻速運動場景，適用于低空高動態用戶的性能驗證，仿真的用戶軌跡和衛星星下點軌跡如圖9所示，其運動參數分別為：速度1 800m/s，加速度15m/s2.

圖7 仿真實例1

圖8 仿真實例2

圖9 仿真實例3

5 結束語

根據衛星導航系統的工作原理研究了實驗室環境下用于衛星導航用戶終端測試試驗的衛星導航模擬測試系統的工作原理，并且通過基于并行DSP/FPGA的高速基帶數字合成技術和正交中頻、射頻調制技術以及面向對象的軟件工程化設計方法，完成了系統的設計與實現。衛星導航模擬測試系統的研究目標是為了盡可能全面的模擬空間衛星導航信號，在實驗室環境下對衛星導航用戶終端的功能和性能指標進行驗證，隨著國內衛星導航產業的迅猛發展，如何進一步提高衛星導航模擬測試系統的集成化程度和對復雜電磁場景的模擬能力，是下一階段需要更深入研究的問題。

[1]譚述森.衛星導航定位工程[M］.2版.北京：國防工業出版社，2010.

[2]樊昌信，張甫翊，徐炳祥，等.通信原理[M］.5版.北京：國防工業出版社，2001.

[3]PARKINSON B W.A history of satellite navigation[J］.Navigation，1995，42（1）：109－164.

[4]卡普蘭（美），赫加蒂（美）.GPS原理與應用[M］.2版.寇艷紅譯，北京：電子工業出版社，2007.

[5]PARKINSON B.Global Positioning System：Theory and applications，volsⅠandⅡ[M］.American Institute of Aeronautics and Astronautics，Inc.Washington DC，1996.

[6]沃森（美）.C＃入門經典[M］.5版.齊立波，黃靜譯，北京：清華大學出版社，2010.

[7]JOHANSEN B，REYNOLDS M.Windows應用高級編程——C＃編程篇[M］.張哲峰譯.北京：清華大學出版社，2002.

[8]BROWN R G，HUANG P Y C.Introduction to random signals and applied Kalman fitering[M］.3nd ed.NY：Wiley，1992.

Principles and Realization of Simulation Test System for Satellite Navigation

LIANG Shuzhong，TANG Bin，LI Teng
（Beijing Satellite Navigation Center，Beijing100094，China）

This paper has introducted several satellite navigation system current widely used.According to the characteristics of the satellite navigation system，we expounded the working principles of satellite navigation simulation test system.The design and realization of the system was completed through parallel DSP/FPGA high－speed baseband digital synthesis technology，orthogonal IF，RF modulation technology，high multiplication accuracy digital time delay filter technology and object－oriented software engineering.

Satellite navigation；simulation test system；object－oriented

P228.4

A

1008－9268（2015）01－0052－05

10.13442/j.gnss.1008－9268.2015.01.011

梁書忠（1978－），男，山東嘉祥人，碩士，工程師，主要從事衛星導航用戶終端測試技術研究。

唐 斌（1978－），男，江蘇大豐人，博士，工程師，主要從事衛星導航系統技術研究。

李 騰（1986－），男，陜西寶雞人，碩士，工程師，主要從事衛星導航用戶終端測試技術研究。

2014－07－22

聯系人：梁書忠E－mail：liangshuzhong＿123＠163.com