GPS衛星導航信號模擬器主要誤差參數建模與仿真研究

崔陸　魏志芳

摘 要：GPS衛星導航信號模擬器是導航測試與仿真平臺的關鍵設備之一，可在室內環境下為導航接收機的研制與測試以及半實物仿真系統提供高精度導航信號。GPS衛星導航信號模擬器作為接收產品測試和仿真平臺的核心儀器，要能夠模擬導航信號在傳播過程中的多種誤差源對導航信號的影響。文章介紹了信號生成模型、主要誤差模型，并給出了仿真驗證結果。

關鍵詞：衛星導航；誤差模型；仿真

引言

近年來，衛星導航技術迅猛發展，全球衛星導航系統已經成為了重要的空間信息基礎設施，其應用范圍逐漸擴大到航空、航天、陸地、海洋等軍事和民用領域，是關系到國家的發展和安全的戰略產業。而GPS衛星導航信號模擬器作為接收產品測試和仿真平臺的核心儀器也一直受到軍事和有關部門的關注。

由于GPS接收機在當前時刻接收到的衛星信號是經過空間傳播延之后的信號，同時，空間傳播延時由于衛星與接收機之間的距離、電波折射影響等密切相關。因此，針對衛星導航信號模型和主要誤差模型進行研究就必不可少。

文章針對衛星導航信號的主要誤差模型記性研究，并完成了誤差修正的仿真實驗。

1 GPS衛星導航模擬器信號生成模型

2.3 電離層誤差模型

電離層中充滿電離子和電子，當衛星信號穿過電離層時，信號的傳播速度和傳播方向會發生改變。信號的電離層延遲主要取決于電離層中的電子的濃度，即單位體積內所含自由電子的個數，這里采用Klobuchar模型來模擬電離層誤差，通過星歷中？琢i、？茁i（i=0，1，2，3）參數得到電離層延遲誤差，其修正精度可達到60%左右。

2.4對流層誤差模型

對流層對信號的延時與電離層不同，其折射率與電磁波的頻率無關，故GPS信號穿過對流層的相速和群速是相等的。因為對流層的延時與氣象數據有關，沒有統一精準的數學模型，文章采用Hopfield經驗模型。

3 算法驗證

文章采用MATLAB軟件進行主要誤差模型仿真驗證，衛星數據基于GPS衛星的Rinex導航電文文件，文件包含GPS衛星在2010年10月7日全天的導航數據。由單獨衛星位置的計算模塊可以計算出在有效時間內的每一顆GPS衛星ECEF坐標系下的位置。設定載體位置和姿態，假定載體位置為東經116度，北緯30度，高程100米，由算法得到該位置2010年10月7日UTC時間0點整（北京時間8點整）可見衛星的數量和衛星的星座分布圖。星座分布圖0°方位角與FBS中心對稱軸X軸正方向一致，90°仰角與FBS的Z軸正方向一致，即載體正上方。

如圖2所示，顯示了姿態角為30°時在設定位置和時間的可見衛星分布；在圖3中，偏航角為90°的星座圖與圖2對比可以發現星座整體逆時針旋轉了60°，這是由于載體的偏航角規定的順時針為正。圖4和圖5分別顯示載體俯仰角30°和-30°的星座分布，0°至180°的連線上的11號衛星的仰角分別增大和減小了30°，這是由于該連線與載體中心軸x軸平行。仿真表明與實際情景相符合。

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