衛星導航信號模擬器現狀與發展趨勢

摘 要： 衛星導航信號模擬器是一種高精度的標準信號源，可以為導航接收機的研制開發、測試提供仿真環境。本文詳細介紹并對比了軟件模擬器和硬件模擬器這兩種衛星導航信號模擬器的技術特點和現狀，介紹了傳統的基于模擬技術的硬件模擬器和當前的基于數字技術的模擬器的體系架構和性能特點。最后對模擬器未來的發展趨勢做了探討。

關鍵詞： 衛星導航系統； 衛星信號模擬器； 導航接收機； 發展趨勢

中圖分類號： TN967.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0131?04

0 引 言

自GPS（Global Positioning System）投入使用以來，它巨大的戰略和經濟效益引起了全世界的重視，世界各大國和組織紛紛著手開發自己的衛星導航定位系統。目前，世界上有四大全球導航衛星定位系統[1]，它們是美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS（Global Navigation Satellite System）系統、歐盟的Galileo系統和中國的BDS（BeiDou Syetem）即北斗衛星導航定位系統。其中后兩個系統正在建設中[2?3]。隨著衛星導航技術的發展和廣泛應用，衛星導航信號模擬器技術的研究越來越受到人們的重視。衛星導航信號模擬器是一種高精度的標準信號源，它根據載體動態特性、電離層和對流層等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的導航信號，從而為導航接收機的研制開發、測試提供仿真環境[4]。它配置靈活，應用非常廣泛，可以產生特定的導航信號，驗證測試方案的可行性；也可以產生高動態導航信號，檢驗接收機的捕獲跟蹤性能；還可以作為標準，檢驗導航接收機的測量精度等[5]。

1 衛星導航信號模擬器國內外現狀

國外對模擬器技術的研究起步較早，技術比較成熟，所研制的模擬器不僅可以模擬L1、L2頻率上的C/A碼和P碼信號，還可以模擬GPS現代化之后的L1C、L2C、L5C民用信號和L1M、L2M軍碼信號[6]，部分產品還可以模擬GLONASS系統的頻分多址（FDMA）調制信號和Galileo系統的二進制偏移載波（BOC）調制信號，甚至還可模擬差分信號和姿態測量信號等[7]。國內對衛星導航信號模擬器的研究起步較晚，再加上國外對模擬器技術的封鎖，技術上與國外還有一定差距，近年隨著我國BDS系統的穩步建設，國內衛星導航產業得到了長足的發展，不少科研單位和公司展開了對導航信號模擬器的研究，部分公司已經推出了成熟的市場化產品[8]。

國外目前有多個廠家提供多個系列的導航信號模擬器產品，如英國Spirent公司的GSS系列模擬器[7]、美國CAST公司的1000，2000，5000系列模擬器[9]和德國IFEN公司的NCS系列模擬器[10]等。這里主要介紹Spirent公司的GSS系列導航信號模擬器，來說明當前國際上高端導航信號模擬器發展的最新水平。GSS9000是Spirent公司最新推出的導航信號模擬器，由信號發生器和運行SimGEN軟件的計算機組成[7]。GSS9000系統采用模塊化設計，可以在單個信號發生器內支持一個或多個射頻通道單元，每個射頻通道單元最多支持16個衛星通道。如果需要更多的信號輸出，可以用多個射頻通道單元組成一個信號發生器。SimGEN是Spirent公司研制的功能強大的數學仿真軟件，它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和完備的誤差生成等[11]。SimGEN軟件實時工作，根據用戶設定的場景生成相應的配置參數，驅動信號發生器生成衛星導航信號。GSS9000的模塊化設計可以支持接收機測試的不同需求，而且GSS9000還可通過擴展配置，以支持GPS、Galileo、GLONASS和SBAS甚至BDS的復合信號以滿足用戶測試的需求。

國內對模擬器技術的研究主要集中在高校、科研院所和部分公司，如北京航空航天大學、中電54所、東方聯星、湖南矩陣電子科技有限公司和北京華力創通公司等，目前可以推出成熟的市場化產品的只有后兩家單位。這里主要介紹湖南矩陣電子的衛星導航信號模擬器，以說明國內模擬器技術的發展水平。湖南矩陣電子公司的GNS8440多星座導航信號模擬器可模擬北斗一/二代、GPS、GLONASS和Galileo四個導航系統的衛星信號，每頻點最多支持16個衛星通道，通過復用的方式，每頻點還可支持1～4路的多徑通道，通過選配組件升級，GNS8440還可支持干擾信號生成和慣導仿真功能[8]。該模擬器配套的閉環評估軟件支持接收機與模擬器的閉環評估測試，可用于導航終端設備的研發、生產、測試、驗收和檢驗等。

2 技術現狀

根據衛星導航信號模擬器可模擬的衛星通道數量的不同，可以將模擬器分為單通道模擬器和多通道模擬器兩種類型。單通道模擬器可模擬一顆衛星的導航信號，并可控制該導航信號的諸多參數，如導航電文、多普勒頻率等，這種靈活性使單通道模擬器常用在接收機跟蹤環路性能的調試中[12]。多通道模擬器可以同時模擬同一導航星座中多顆衛星的導航信號，功能更加強大，相對于單通道模擬器，結構和技術上也更加復雜，常用于接收機整機性能如首次定位時間（Time To First Fix，TTFF）、捕獲跟蹤靈敏度、重捕時間和PVT（Position Velocity Time）解算精度等的測試[13]。

根據衛星導航信號模擬器具體實現方式的不同，還可將模擬器分為軟件模擬器和硬件模擬器兩種類型，下面介紹這兩種模擬器的特點和它們之間的對比。

2.1 軟件模擬器

在這種模式下，所有與導航有關的信息和信號都由計算機處理得到，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。軟件模擬器在具體實現時一般使用高級編程語言如Matlab、C++等[14]，產生的信號一般是數字中頻GNSS信號。使用軟件模擬器對接收機進行測試時，相當于不使用接收機的射頻前端電路，而是直接將數字中頻信號注入給接收機的基帶信號處理模塊[15]，利用軟件模擬器的接收機測試連接框圖如圖1所示。這種測試方法中，研發人員可以將研究精力集中在基帶信號處理算法的開發上，而不必考慮繁瑣的射頻前端如下變頻、濾波放大和A/D轉換等的設計，從而加快研發進度；同時，相比于價格高昂的硬件模擬器，軟件模擬器成本低廉，容易獲取，可以節省大量研發經費，加快研發進度。

圖1 利用軟件模擬器的接收機測試連接框圖

2.2 硬件模擬器

硬件模擬器主要由信號發生器和運行數學仿真軟件的計算機組成。在這種模式下，數學仿真軟件對衛星軌道、接收機軌跡和大氣層模型等進行建模模擬，根據仿真計算的結果產生相應的導航電文比特、偽碼和多普勒等控制參數，控制參數由總線接口送入信號發生器，信號發生器根據控制參數產生中頻導航信號，經上變頻、濾波和功率控制后輸出[16]，硬件模擬器的系統組成框圖如圖2所示。可見，硬件模擬器的“硬件”含義是指最終輸出的信號來自于“硬件”的信號發生器。

圖2 硬件模擬器系統組成框圖

信號發生器根據數學仿真計算的信號參數產生中頻導航信號，根據生成中頻導航信號的不同方式，硬件模擬器經歷了兩個不同的技術階段[17]。

2.2.1 基于模擬技術產生中頻信號的硬件模擬器

早期的硬件模擬器使用模擬技術產生中頻導航信號，每個衛星通道對應一個模擬中頻信號產生模塊。模擬中頻模塊將數據碼和偽碼調制在包含多普勒的模擬中頻載波上，從而生成模擬中頻信號。各個衛星通道的中頻信號通過合路器后經上變頻模塊，并進行濾波和功率控制，最終產生L波段的射頻導航信號[17]。這種類型的模擬器組成框圖如圖3所示。

圖3 基于模擬技術產生中頻信號的硬件模擬器

2.2.2 基于數字技術產生中頻信號的硬件模擬器

隨著技術的進步，數字芯片如FPGA和DSP的功能越來越強大，基于數字技術的硬件模擬器逐漸流行起來，如今最新的硬件模擬器均基于數字技術產生中頻導航信號。在使用數字技術的模擬器中，每個衛星通道對應一個數字中頻信號產生模塊。數字中頻模塊將數據碼和偽碼調制在包含多普勒的數字中頻載波上，從而生成數字中頻信號。各個衛星通道的數字中頻信號在數字域相加后經過數/模轉換芯片成為模擬中頻信號，接著經過上變頻器，并進行濾波和功率控制，最終產生L波段的射頻導航信號[17?18]。這種類型的模擬器組成框圖如圖4所示。

圖4 基于數字技術產生中頻信號的硬件模擬器

2.2.3 兩者的對比

對使用模擬中頻信號產生器的導航信號模擬器來說，每一個衛星通道都需要一個單獨的中頻載波產生模塊，因此最終生成的信號會存在通道間偏差的問題；而對使用數字中頻信號產生器的模擬器來說，不同衛星通道的中頻信號均在數字域產生，通道間的一致性表現要更好。此外，使用數字技術的模擬器對信號進行改變或升級僅需對軟件進行修改，且由于信號產生過程中數控振蕩器（NCO）的使用，有著更高的頻率分辨率和準確度；但也正是由于NCO和DAC的存在，使用數字技術的模擬器信號有著更高的雜散[19]，因此在設計中要特別注意對信號雜散的控制，以滿足GNSS信號接口規范（ICD）中對信號雜散的相應要求。

2.3 軟件模擬器和硬件模擬器的對比

在所有信號和模型的模擬都由軟件實現的情況下，由于多個通道的模擬和功率合成都在軟件中通過數字化計算完成，所以產生的信號精度很高。但是這種方法的缺點也很明顯，由于信號和模型的模擬由計算機的軟件運算得到，信號產生的速度將受制于計算機的處理速度，目前還不能實時地產生導航信號，而是將產生的數據先存儲在硬盤上，待信號生成完畢后再通過回放的方法輸出信號。由于存儲空間的限制，當前軟件模擬器能夠模擬的測試場景一般不超過12 h，這就導致很難用這種導航信號模擬器進行一些長期測試[5]。

硬件模擬器由信號發生器和運行數學仿真軟件的計算機組成。由于軟硬件相互交叉，模擬器的體系結構比較復雜。但是這種實現方法的優點也很突出，由于所有的信息偽碼調制及中頻信號產生都由硬件完成，它能保證信號的實時產生與發送，滿足了接收機的長期測試需求；而且相對于軟件模擬器產生的數字導航信號，硬件模擬器由于DAC的使用，產生的是模擬的導航信號，因此可以對接收機包括射頻前端、基帶信號處理和定位導航解算的綜合性能進行測試評估。

3 發展趨勢

衛星導航信號模擬器作為接收機測試的關鍵設備，它的發展趨勢主要體現在以下幾個方面：

（1） 多模、多頻化

隨著新興衛星導航系統北斗導航系統（BDS）、伽利略導航系統（Galileo）的逐步建成和GPS系統的現代化升級，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[20]。這種模擬器可提供多模多頻衛星信號仿真功能，通過插卡式的總線結構，可以靈活配置多模多頻信號的組合產生，為多模多頻接收機的聯合定位解算的測試驗證提供必要條件。

（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模擬器技術的積累，衛星信號模擬器的信號精度和動態范圍必將隨之提高，以實現高性能、高動態接收機的算法和功能驗證。

（3） 誤差模型的完善

模擬器提供的信號應盡可能的接近實際環境中的衛星導航信號，從而能更好地測試接收機的真實工作性能。這就需要建立更加準確的衛星信號誤差模型，并將其融入模擬的信號中，尤其如電離層誤差模型和多徑效應模型等[21]。此外，擁有各類可控干擾信號的生成能力也將成為未來模擬器必不可少的功能，以驗證接收機的抗干擾性能。

（4） 具有慣導模擬和差分信號產生功能

具有慣導模擬功能的模擬器，將為INS/GNSS組合導航方案的驗證提供測試條件；同樣，具有差分信號產生功能的模擬器，將為精密差分定位接收機如RTK接收機等的驗證提供測試條件。

（5） 多樣化、標準化

一方面，針對接收機產品不同階段測試驗證（如芯片級測試、整機測試）的不同需求，衛星導航信號模擬器產品的分類必將細化，多樣化是模擬器未來發展的必然趨勢，市場將出現從高端到低端的不同種類模擬器產品。另一方面，對于導航接收機的校準檢定，國內已有相應規范，模擬器作為接收機測試的標準信號源，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。

（6） 成為接收機檢定的標準源

我國現行的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[22]。衛星信號模擬器作為靈活可控的測試工具，可以為接收機提供時空無約束的模擬信號，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 語

隨著北斗二代導航系統的逐步建設，國內衛星導航領域正處于方興未艾的發展中，我國的衛星導航事業必將得到長足的進步，導航終端產品的研發必將越來越多，對衛星導航信號模擬器尤其是北斗信號模擬器的需求將越來越多。目前國內有多家研發單位推出了衛星導航信號模擬器，但技術上與國外模擬器產品還有一定差距，需要迎頭趕上；另一方面，針對模擬器的指標要求和技術規范目前在國內還是一片空白，而模擬器在導航終端測試驗證中的使用已十分廣泛，因此急需推進模擬器的標準化工作。

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