衛星導航信號模擬源的發展現狀及趨勢

曹義昆 丁傳紅

一、引言

隨著社會經濟的不斷發展，衛星導航系統應用越來越廣泛，為了實現更高的軍事效益及經濟利益，人們對于設備性能要求也越來越高，但是由于衛星導航系統的特殊性，設備的研制普遍時間長、花費高、不便捷。而衛星信號模擬器則可以為衛星導航系統及各類終端測試提供真實衛星導航系統的高精度模擬，可在受控的實驗室環境中為GNSS接收機的研制、測試、生產等環節提供可重復、可選擇的測試驗證支持。也正鑒于此，人們越來越關注衛星信號模擬源技術的發展。

二、研究衛星導航信號模擬技術的意義

衛星導航信號模擬技術的研究具有政治、經濟、軍事等諸多意義，主要表現在以下幾個方面：1、方便驗證衛星導航信號的性能，推進衛星導航系統的建設與發展。2、打破高端模擬源國外禁運壁全，為我國衛星導航終端測試提供自主可控解決方案。3、促進衛星導航應用產業化推廣，為結合衛星導航的創新應用提供高可信度的星座模擬測試手段。4、作為涵蓋星座、環境、信號、電文等多層面的系統級技術，可以展示出衛星導航系統級技術水平，在國際合作中掌握更多主動權。

三、衛星導航信號模擬技術的現狀

衛星導航信號迷你源的研制技術難度很大，涉及偽碼擴頻調制、載波相位的精確控制、誤差仿真等技術。國外很早就開始研究GPS信號模擬源技術的研究，已經研制生產出多款型號并投入使用。因為GPS是由美國開發并使用的的衛星導航系統，至今已有幾十年，因此美國擁有大量成熟的衛星信號模擬源技術。最早的衛星導航信號仿真系統是由Texas Instruments公司于1977年開發的GPS模擬源。自此，隨著衛星導航系統的建立，體制的更新，其他衛星導航系統的出現，衛星導航信號模擬源也從模擬合成到數字合成、從中頻數字合成到基帶數字合成、通道由單到多、從單一仿真到混合仿真、從專用到通用、從整機系統仿真到便攜的單片機片上仿真。目前國外市場上GPS仿真系統均不同程度地采用了大規模DSP/FPGA技術，在數字域進行直接信號合成，把多顆衛星的數字合成信號用一個射頻通道輸出，以提高信號精度和通道間的一致性。

因為衛星信號模擬源極大地方便了GPS系統及終端的研制，世界上許多國家相繼研制了衛星導航信號模擬源。英國、美國、德國等已經有比較成熟的產品。其中，Spirent、Aeroflex公司等生產的GPS模擬源最具代表性。

經過多年的技術積累，國外的GPS衛星導航信號模擬源功能更多，性能更加優越，有的模擬源可以模擬多種環境下的干擾信號，甚至可以模擬差分信號、姿態測量信號，具有基于衛星增強（SBAS）仿真功能。對于其他衛星導航系統的模擬源則技術相對不夠成熟。

國內在衛星導航領域起步就比較晚，衛星導航信號模擬技術與國外相比也有不小的差距，國內研究衛星導航信號模擬技術的機構主要包括北京航天航空大學、國防科技大學等高校，東方聯星、華力創通等企業以及某些軍工研究所。GNS8000系列衛星導航模擬器由湖南矩陣電子有限公司研制生產，支持中國北斗、美國GPS、俄羅斯格洛納斯及歐盟的伽利略等多種衛星導航系統星座，并且可以產生高動態的衛星信號、以及可以與慣導組合實現實時閉環、還支持多波束抗干擾仿真、多輸出多通道仿真等終端產品的測試。

四、衛星導航系統模擬源技術的發展趨勢

衛星導航系統及應用經過近幾十年的發展，其仿真測試技術及裝備也經過了長時間的發展和積累，甚至先于導航應用終端的發展，特別是國外在建設導航測試評估系統方面基本與導航系統建設一致，經過長時間的發展積累了大量的技術及工程經驗，對提升導航裝備水平作用巨大。目前國際衛星導航模擬測試技術和相關裝備發展表現出如下趨勢：

（1）測試系統構建全面化。傳統的用戶測試系統往往只針對某些預先設定好的測試任務開展針對性的設計，面對未來工程應用中多樣且處于不斷變化中的測試任務，其已很難適應當前的測試系統任務需求。為滿足不斷演進的測試評估需求，在系統設計時即面向全面的測試評估任務為需求，以適應復雜多變的場景，從而提升試驗系統的服務水平。（2）設備組成模塊化。在系統硬件設計中，采用模塊化可以方便維修及部件升級提高靈活性。還可增加即插即用的設備模塊，使系統更加智能。（3）管理控制平臺化。作為測試評估系統，為更好地實現對系統自身的測試任務的管理與控制，均采用服務平臺化設計，即為系統提供標準的、可擴展的、容錯的、多層次的服務，使本系統所提供的服務能力實現設備隔離，在未來設備維修、換型、擴展時，最大限度保證全系統的穩定擴展，支持各個層次的系統試驗要求。（4）測試與評估自動化。仿真系統隨著技術的發展規模會越來越大，不可只依賴于人工操作，任務管理及運行的自動化是必然的趨勢，還可以減少人工操作，降低人力成本，降低人為錯誤的幾率提高系統的準確性。（5）測試流程規范化標準化。為保證測試評估的權威性，測試評估系統在流程、方法、評估準則上體現出規范化和標準化的趨勢，測試流程實現上表現為腳本化、圖形化的特點，形成統一的測試規范及測試流程，并形成權威的測試評估方法及測試評估準則。（6）高逼真度、高精度環境模擬。作為測試評估系統其最主要的特點和要求是能夠提供高逼真性、完全控制的高精度信號模擬，因此當前測試評估系統以實際測試需求為輸人，充分開展信號、環境仿真建模，以提供高逼真度和精確度的仿真建模，保證測試的逼真性及可重復性。（7）多系統兼容、可升級可擴展。隨著越來越多的國家開始研究衛星導航技術，隨著衛星導航技術水平不斷提高，衛星導航信號模擬源技術也要發展成多系統兼容并且可升級可擴展。