低軌衛星導航增強系統半物理仿真平臺設計

摘要：為提高低軌衛星導航的性能和收斂速度，設計了一款功能完善、實用性強的低軌衛星導航增強系統半物理仿真平臺。首先，介紹了系統設計關鍵方法。其次，從衛星信號模擬模塊設計、導航信號接收模塊設計、射頻信號捕獲模塊設計、射頻信號跟蹤模塊設計4 個方面，介紹了該物理仿真平臺設計和構建。該低軌衛星導航增強系統半物理仿真平臺具有收斂速度快、導航能力強等特點，滿足預期設計標準和要求。

關鍵詞：低軌衛星；導航增強；北斗衛星導航系統；物理仿真平臺

中圖分類號：TN967.1；P228.4 文獻標識碼：A

0 引言

在人工智能時代背景下，無人駕駛技術取得了迅猛發展，加大了快速性、精確性時空信息的需求量。在這樣的背景下，衛星導航精密單點定位（precise point positioning，PPP）技術應運而生，該技術的應用可以為無人駕駛行業的發展提供厘米級高精度定位服務體驗[1]。該技術在具體應用中具有較低速率的收斂性，而低軌衛星導航增強系統的出現和應用可以解決以上問題。該系統的應用可以保證定位的精度和快速性，降低定位成本[2]。為此，本文應用低軌衛星導航增強系統，設計了一款新型、先進的低軌衛星導航增強系統半物理仿真平臺。

1 系統設計方法

在設計本文系統時，主要運用低軌衛星軌道外推方法。該方法在具體應用時，需要在仿真處理導航衛星信號觀測值的基礎上，精準構建相應的衛星動力學模型，從而保證仿真平臺運行性能。此外，為降低低軌衛星受到的非保守力，技術人員要嚴格按照表1 的要求，為不同軌道高度的衛星設置相應的攝動力加速度量級，確保低軌衛星攝動誤差降至最低。

2 系統功能模塊設計

為了保證低軌衛星導航增強系統半物理仿真平臺的實用性和可靠性，實現不同信號的模擬、接收、捕獲和跟蹤處理，縮短系統收斂時間，提高最終定位結果的精確度，技術人員需要嚴格按照系統功能模塊結構（圖1）完成相關設計。其中，4 個子功能模塊具體為：①衛星信號模擬模塊。該模塊可以幫助用戶快速模擬和處理北斗、低軌導航增強系統衛星之間的射頻信號。②導航信號接收模塊。該模塊可以幫助用戶實時接收和處理由增強信號聯合接收機所發出的模擬發射信號。③射頻信號捕獲模塊。該模塊可以保證射頻信號捕獲成功率，為后期信號跟蹤提供重要的依據。④射頻信號跟蹤模塊。該模塊主要用于對射頻信號的實時跟蹤和定位，方便相關人員快速、準確地定位當前低軌衛星位置。

2.1 衛星信號模擬模塊設計

衛星信號模擬模塊在具體設計時，技術人員需結合特定的應用場景，采用仿真建模的方式，模擬處理由北斗衛星、低軌衛星所發出的射頻信號。同時，結合用戶場景參數最終設置結果，對衛星與用戶之間的位置距離進行精確計算，并對電離層、星鐘等各個時段的誤差進行疊加處理，從而實時生成海量的仿真數據，這些仿真數據主要包含導航電文信息、觀測量信息等[3]。基于此，技術人員可以對電路進行模擬調制，使系統能夠結合所采集的仿真數據，自動生成偽碼和電文，并對偽碼和電文內容進行調制、變頻處理，從而為用戶提供多頻點、多體制的射頻信號生成方案[4]。為實現對衛星信號的真實化模擬，技術人員需要結合用戶、空間、環境數據仿真結果，搭建用戶天線方向圖模型、衛星星鐘模型和動力學模型等多個數學模型[5]。

2.2 導航信號接收模塊設計

導航信號接收模塊可以實時接收和處理北斗衛星射頻信號和低軌衛星射頻信號。首先，技術人員需要捕獲、跟蹤5 個頻點所對應的射頻信號，并結合電文信息的最終采集結果，精確計算衛星位置。其次，技術人員應用北斗衛星和低軌衛星所產生的導航信息，對不同衛星當前位置進行融合化、精確化定位[6]。最后，將最終導航定位結果進行匯總和呈現，方便用戶結合最終定位結果，參照觀測量信息，開展相關評估分析工作。為實現中頻電頻的穩定、可靠輸出，技術人員需要結合接收信號在不同應用場景下相應的信號強弱變化情況，設計中頻電平的電路。

2.3 射頻信號捕獲模塊設計

當低軌衛星的軌道高度達到800 km 時，地面接收機最大多普勒頻偏達到50 kHz。但是，如果選用普通接收機捕獲算法，所獲得的多普勒頻偏范圍為-6 kHz ～ 6 kHz，在捕獲接收機信號期間，由于受低軌衛星高動態性能影響，整個接收機信號捕獲過程漫長而復雜[7]。

為避免以上問題的出現，本文運用性能監視器功能（performance monitor function，PMF）與快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）相結合的方式，設計接收機信號捕獲流程（圖2）。從圖2中可以看出，在輸入信號至射頻信號捕獲模塊時，為實現對PMF1、PMF2、PMF3、……、PMF40 等海量相關器組的成功匹配，首先需要在運算相關信號的基礎上求取幅值，并標記為64 點流水FFT，從而獲得最大結果。其次，將最大結果與門限值進行對比，如果前者大于后者，說明捕獲成功；反之，說明捕獲失敗。最后，將所計算的多普勒頻偏和碼相位估計值傳輸至射頻信號跟蹤模塊中。總之，技術人員通過對接收機信號進行精確化捕獲，不僅可以提高動態信號捕獲成功率，還能控制信號捕獲時間，避免因信號捕獲時間過長而影響整體動態信號的捕獲效益[8]。

2.4 射頻信號跟蹤模塊設計

在具體設計射頻信號跟蹤模塊時，結合多普勒頻偏和碼相位估計值，計算鎖相環穩態跟蹤誤差，并科學地設計環路噪聲帶寬、非相干累積次數、靈敏度、頻點數量等參數，從而達到持續、穩定地跟蹤低軌衛星射頻信號，以及精確化定位當前低軌衛星位置的目的。鎖相環穩態跟蹤誤差（θe）計算公式為：

θe= 1／wnN × d NR／dt N 。 （ 1）

式中，R 為低軌衛星與接收機之間位置間距； d NR／dt N為位置距離對時間的次導數；1／wnN 為位置距離對衛星旋轉角度N 的次導數。

3 結語

綜上，本文所設計的低軌衛星導航增強系統半物理仿真平臺具有良好的應用效果，不僅可以真實化模擬衛星信號，還能用于對導航信號的實時接收，保證了系統快速收斂特性實現效果。本文針對低軌衛星導航增強系統進行半物理仿真平臺設計，通過對低軌衛星軌道外推方法和高動態信號捕獲及跟蹤技術兩個方面的研究，成功搭建低軌衛星導航增強系統半物理仿真平臺。該平臺可應用于低軌導航增強系統仿真測試，保證低軌衛星定位結果的精確度和高效性，符合預期設計標準和要求，對于未來低軌衛星導航增強系統的建設提供重要的依據和參考。

參考文獻

[1] 余鑫，金小軍，莫仕明，等. 基于北斗B3 頻點的低軌衛星實時定軌性能評估[J]. 浙江大學學報（工學版），2020，54（3）：589-596.

[2] 胡遠東，陸正亮，廖文和. 低軌納衛星質量矩姿態控制技術研究[J]. 力學學報，2020，52（6）：1599-1609.

[3] 周全，張揚，李子申，等. 低軌衛星導航增強星座地基觀測仿真系統設計[J]. 測繪通報，2022（2）：110-115.

[4] 孫小景，黃軍超，聶洪山. 低軌衛星導航增強監測站系統故障模擬仿真[J]. 中國新通信，2023，25（24）：52-55.

[5] 盧鋆，張弓，申建華，等. 低軌增強星座對衛星導航系統能力提升分析[J]. 衛星應用，2020（2）：49-54.

[6] 田潤，崔志穎，張爽娜，等. 基于低軌通信星座的導航增強技術發展概述[J]. 導航定位與授時，2021，8（1）：66-81.

[7] 孟祥芳，易卿武，謝松，等. 基于IIVSSLMS 低軌衛星導航增強系統數字域自干擾對消算法研究[J]. 無線電工程，2022，52（9）：1594-1601.

[8] 郭學立，王磊. 低軌衛星導航增強系統精密星歷設計方法研究[J]. 大地測量與地球動力學，2021，41（8）：800-805.