侯 博,謝 杰,劉光斌
(解放軍第二炮兵工程學(xué)院,西安 710025)
目前,世界衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域已經(jīng)形成了GPS、GLONASS、“北斗二號(hào)”和Galileo四足鼎立之勢(shì),日本的QZSS和印度的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)(Indian Regional Navigation Satellite System,IRNSS)也正在建設(shè)與籌備中[1]。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為大國(guó)必備的、關(guān)系國(guó)家安全的基礎(chǔ)設(shè)施和重要戰(zhàn)略資源。
在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)無(wú)疑是最重要也是最直接發(fā)揮導(dǎo)航系統(tǒng)作用、體現(xiàn)其性能的環(huán)節(jié)。衛(wèi)星信號(hào)模擬器作為接收機(jī)特別是高端接收機(jī)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證的必備工具,其技術(shù)難點(diǎn)主要存在兩個(gè)方面:由于模擬器仿真的衛(wèi)星信號(hào)是擴(kuò)頻、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相的復(fù)雜信號(hào),模擬器需要非常合理的軟硬件架構(gòu)和信號(hào)的生成方案;實(shí)際衛(wèi)星信號(hào)中存在多種干擾和延遲,模擬器中需要融入精確合理的誤差模型,以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的逼真模擬。相比于國(guó)外,國(guó)內(nèi)無(wú)論是衛(wèi)星信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)、仿真理論還是相關(guān)誤差模型的研究都顯得不夠細(xì)致深入。近年來(lái),國(guó)外涌現(xiàn)出一大批軟件、硬件以及混合架構(gòu)的模擬器,其功能強(qiáng)大、門(mén)類齊全,國(guó)內(nèi)也成功研發(fā)了多款模擬器產(chǎn)品。隨著 GPS、GLONASS的廣泛應(yīng)用和“北斗”、Galileo等新系統(tǒng)的建設(shè),衛(wèi)星信號(hào)模擬器的相關(guān)理論研究和產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)入了一個(gè)全新階段,也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢(shì)。
2.1.1 模擬器架構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航仿真理論和模擬器技術(shù)的研究起步較早。最早在20世紀(jì)70年代后期,GPS尚處于方案論證階段,美國(guó)空軍就已經(jīng)建立了地面測(cè)試與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。近十余年來(lái),加拿大Calgary大學(xué)和York大學(xué)、美國(guó)的Stanford大學(xué)和Ohio大學(xué)、德國(guó)航天中心等諸多著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)衛(wèi)星信號(hào)仿真理論與應(yīng)用進(jìn)行了深入研究,取得了豐碩成果。
(1)軟件模擬器
2001年,Calgary大學(xué)Luo Ning在其博士論文[2]中詳細(xì)探討GPS實(shí)際信號(hào)中存在的各種誤差并建立了相應(yīng)的模型,對(duì)各模型的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。Corbell[3]和 Lei Dong[4]分別開(kāi)發(fā)了基于Matlab的GPS中頻信號(hào)軟件模擬器。Lei Dong在論文中將衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移表示為偽距的一部分,大大降低了仿真計(jì)算量。作者在文中證明了兩種表示方法的統(tǒng)一性,其基本思想為:多普勒頻移本身就是由相對(duì)距離的改變產(chǎn)生,而衛(wèi)星與接收機(jī)載體間的偽距本身就是兩者距離的表示。2009年,德國(guó)航天中心F.M.Schubert開(kāi)發(fā)了基于C++的開(kāi)源軟件GNSS信號(hào)模擬器SNACS,該模擬器中引入了包含更多誤差項(xiàng)的信道模型,可以提供更為復(fù)雜的信道仿真[5]。同年,加拿大York大學(xué)的Alexander Dolgansky等也開(kāi)發(fā)了多模衛(wèi)星信號(hào)軟件模擬器(Multi-GNSS Observables Simulator,MGOS),文獻(xiàn)[6]中介紹了該模擬器中所應(yīng)用的誤差模型并指出這些誤差模型可以應(yīng)用于各GNSS系統(tǒng)。此外,SATNAV等基于Matlab的工具包軟件模擬器應(yīng)用較為廣泛。
(2)硬件模擬器
2008年,Christoph Abart[7]介紹了由歐盟科研架構(gòu)計(jì)劃資助,Agilent(安捷倫)、TeleConsult等公司參與研發(fā)的衛(wèi)星信號(hào)模擬器。該衛(wèi)星信號(hào)模擬器可以進(jìn)行GPS L1、Galileo L1和SBAS信號(hào)的仿真,硬件部分包括信號(hào)API接口、基帶信號(hào)生成器和射頻前端,但是論文中沒(méi)有具體涉及仿真的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。David A.Hall介紹了Averna公司基于NI射頻測(cè)試平臺(tái)開(kāi)發(fā)的錄播式模擬器[8]。然而錄播式模擬器主要存在兩個(gè)缺陷,一是錄制的信號(hào)中摻雜著現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的多種干擾信號(hào),二是錄制條件決定其模擬的載體場(chǎng)景例如高度、速度、運(yùn)動(dòng)曲線都受到很大限制 。國(guó)外基于VXI、PCI、CPCI、USB 和以太網(wǎng)的模擬器技術(shù)較為成熟,但是由于衛(wèi)星信號(hào)模擬器中涉及敏感技術(shù),西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)中國(guó)實(shí)行嚴(yán)格的模擬器進(jìn)口管制,公開(kāi)發(fā)表的有價(jià)值的論文很少,而且軟件模擬器相關(guān)論文居多,涉及硬件實(shí)現(xiàn)的論文寥寥無(wú)幾。
(3)混合架構(gòu)模擬器
混合架構(gòu)即基于Matlab或其它軟件計(jì)算得到中頻信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中,而后將文件直接發(fā)送給接收機(jī)或通過(guò)硬件調(diào)制模塊生成射頻信號(hào)測(cè)試接收機(jī)整體性能。NAVSYS公司一直致力于 AGHS(Advanced GPS Hybrid Simulator)架構(gòu)[9]的GPS衛(wèi)星信號(hào)仿真產(chǎn)品的研制,該公司的模擬器多采用“Matlab+DSR存儲(chǔ)器”式結(jié)構(gòu)。
由于近年國(guó)外模擬器整體架構(gòu)逐步成熟,相關(guān)產(chǎn)品較多,關(guān)于架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方面的論文文獻(xiàn)趨少。
2.1.2 主要相關(guān)模型的研究進(jìn)展
(1)電離層誤差模型
電離層誤差的研究主要集中在電離層延遲和電離層閃爍之上。
早在1987年,John A.Klobuchar就給出了可以校正約70%電離層延遲的單頻接收機(jī)電離層延遲校正算法[10],此算法成為了之后廣泛應(yīng)用的Klobuchar模型。由于Klobuchar模型不需要環(huán)境參數(shù)、計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性好,GPS和“北斗二號(hào)”衛(wèi)星信號(hào)的導(dǎo)航電文中均包含Klobuchar模型參數(shù),為接收機(jī)提供電離層延遲校正數(shù)據(jù)。此外,常用的電離層模型還有 Bent模型、IRI模型、Nequick模型、VTEC模型等。近年來(lái)由于電離層監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立,接近實(shí)時(shí)的電離層延遲補(bǔ)償成為可能,得到了廣泛應(yīng)用。
電離層閃爍可以引起信號(hào)幅度、相位、時(shí)延的快速抖動(dòng),嚴(yán)重時(shí)可以造成接收機(jī)失去捕獲。現(xiàn)階段,電離層閃爍對(duì)于GNSS系統(tǒng)影響的研究正在國(guó)外廣泛展開(kāi)。2008年,Humphreys等建立了一種基于概率的電離層閃爍數(shù)學(xué)模型[11],用以檢測(cè)GPS接收機(jī)相位跟蹤環(huán)路性能。2010年,Rajendra Malla與Robert Fries分別使用Cornell大學(xué)和Air Force Research Laboratory開(kāi)發(fā)的電離層閃爍仿真工具,結(jié)合Sprient公司的GPS信號(hào)模擬器分析電離層閃爍對(duì)接收機(jī)的性能影響,提出將閃爍造成接收機(jī)定位中斷的概率作為反映接收機(jī)架構(gòu)和算法性能指標(biāo)的方法[12]。
(2)多徑效應(yīng)模型
2006年,Tao Hu在碩士論文中重點(diǎn)討論了室內(nèi)環(huán)境中復(fù)雜多徑效應(yīng)下的GPS衛(wèi)星信號(hào)仿真[13],建立了多種室內(nèi)場(chǎng)景的多徑效應(yīng)模型,使用了硬件模擬器在各場(chǎng)景內(nèi)對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。此論文是多徑效應(yīng)仿真較為經(jīng)典的論文之一。近年來(lái),室內(nèi)、城市、叢林、環(huán)境等下的多徑效應(yīng)成為了國(guó)外研究的熱點(diǎn)。
(3)其余誤差模型
常用的對(duì)流層模型還有改進(jìn)Hopfield模型、Saastamonien模型、Neill模型、Davis模型等。近年來(lái),對(duì)流層校正研究主要方向有兩個(gè):一個(gè)是差分方法;另一個(gè)是使用氣象觀測(cè)機(jī)構(gòu)(如NOAA,即美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局)根據(jù)觀測(cè)網(wǎng)給出的對(duì)流層數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)延遲校正。國(guó)外對(duì)于單頻用戶獨(dú)立定位的對(duì)流層模型研究趨少。
相對(duì)論效應(yīng)、星鐘誤差等模型已經(jīng)能夠滿足甚至超出了衛(wèi)星導(dǎo)航的精度需求,應(yīng)用較多,相關(guān)研究較少。
2.1.3 國(guó)外模擬器產(chǎn)品現(xiàn)狀
國(guó)外有眾多公司推出了配置靈活、功能強(qiáng)大的衛(wèi)星信號(hào)模擬器產(chǎn)品。其中,英國(guó)Sprient公司在衛(wèi)星信號(hào)模擬器領(lǐng)域的研究起步較早并一直處于較為領(lǐng)先的地位。
表1 國(guó)外主要的模擬器生產(chǎn)商Table 1 Major foreign simulator manufacturers
以上各公司的產(chǎn)品大都實(shí)現(xiàn)了GPS L1/L2/L5、GLONASS L1/L2、Galileo E1/E5/E6、SBAS 的任意組合仿真。此外,美國(guó)Aeroflex、Pendulum公司推出的硬件模擬器產(chǎn)品也在市場(chǎng)上占有一定份額。
2008年,美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司發(fā)布了基于LabView和PXI軟件無(wú)線電平臺(tái)的GPS工具包,可以模擬GPS L1頻段C/A碼信號(hào),在配備磁盤(pán)陣列時(shí)可以進(jìn)行GPS信號(hào)錄播,其系統(tǒng)架構(gòu)與AGHS相似。Agilent在部分信號(hào)源產(chǎn)品上也可以增加簡(jiǎn)單的GPS信號(hào)生成功能。
2.2.1 模擬器研究現(xiàn)狀
北京航空航天大學(xué)依托國(guó)家自然基金,率先開(kāi)展了GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器和接收機(jī)領(lǐng)域的研究,對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)仿真基本原理和構(gòu)架、誤差仿真數(shù)學(xué)模型和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了深入的理論研究,從軟件架構(gòu)和硬件實(shí)現(xiàn)上對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)模擬器進(jìn)行了探索[14—16]。
國(guó)防科技大學(xué)也開(kāi)展了模擬器的相關(guān)研究。張惠軍等針對(duì)模擬器中信號(hào)延遲、衛(wèi)星位置等參數(shù)計(jì)算量大、迭代次數(shù)多等特點(diǎn),提出在精度要求不高情況下使用插值和擬合減少計(jì)算量的方法[17]。羅益鴻等在其論文中給出了基于迭代的精密偽距計(jì)算方法[18],針對(duì)計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題,作者進(jìn)一步提出了迭代生成與插值相結(jié)合的組合偽距生成方法,大大降低了計(jì)算量。單慶曉等提出在FPGA中采用延遲濾波器仿真GPS偽隨機(jī)碼的延遲方案[19],這種方案實(shí)際應(yīng)用可行,但硬件代價(jià)較大。羅顯志等在其論文中介紹了基于Matlab的GPS/Galileo信號(hào)軟件模擬器并給出了模擬器中所應(yīng)用的各種誤差模型[20]。
2008年,第二炮兵工程學(xué)院范志良碩士對(duì)GLONASS衛(wèi)星信號(hào)仿真理論進(jìn)行了深入研究,研制了GLONASS衛(wèi)星信號(hào)模擬器,文獻(xiàn)[21]中給出了該模擬器的軟硬件架構(gòu)。2009年,程俊仁碩士成功開(kāi)發(fā)了多模衛(wèi)星信號(hào)模擬器的上位機(jī)軟件,解決了各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)空表示不統(tǒng)一情況下的信號(hào)同步仿真問(wèn)題[22]。
2010年,北京理工大學(xué)宋媛媛等提出了一種基于三階DDS的衛(wèi)星信號(hào)多普勒模擬方法[23—24],通過(guò)三階DDS級(jí)聯(lián),在模型中引入衛(wèi)星和接收機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度、加速度、加加速度因素,解決了一階DDS下載波和碼波形的不平滑問(wèn)題,多普勒效應(yīng)仿真更加逼真,但是作者沒(méi)有給出各階DDS控制字的具體計(jì)算方法。此外,哈爾濱工程大學(xué)、西安理工大學(xué)等多家單位也都在進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)模擬器的研究。
國(guó)內(nèi)近年來(lái)的40余篇衛(wèi)星信號(hào)模擬器相關(guān)文獻(xiàn)中結(jié)果大多是計(jì)算機(jī)仿真得出,多篇硬件模擬器論文缺乏接收機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)前尚無(wú)公開(kāi)發(fā)表的“北斗二號(hào)”衛(wèi)星信號(hào)模擬器相關(guān)論文。
2.2.2 國(guó)內(nèi)模擬器產(chǎn)品現(xiàn)狀
在產(chǎn)品和應(yīng)用方面,第二炮兵工程學(xué)院和國(guó)防科技大學(xué)推出了GNS8000系列模擬器,可以實(shí)現(xiàn)GPS、GLONASS、Galileo衛(wèi)星信號(hào)的仿真。第二炮兵工程學(xué)院研制了世界上第一款可以實(shí)現(xiàn)GPS、GLONASS和“北斗一號(hào)”信號(hào)任意時(shí)空同步仿真的NS300系列多模衛(wèi)星模擬器。東方聯(lián)星、華力創(chuàng)通等公司也推出了能夠?qū)崿F(xiàn)GPS、GLONASS信號(hào)仿真的產(chǎn)品系列,產(chǎn)品具體狀態(tài)和性能不詳。
航天恒星科技有限公司借助衛(wèi)星領(lǐng)域的研究?jī)?yōu)勢(shì),開(kāi)發(fā)出了“CSG-5000單端口北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)源”,可以產(chǎn)生“北斗二號(hào)”B1、B2、B3三個(gè)頻點(diǎn)的粗碼和精碼仿真和信號(hào)傳播的多徑效應(yīng)仿真。據(jù)悉,國(guó)防科技大學(xué)已經(jīng)成功研制“北斗二號(hào)”衛(wèi)星模擬器。此外,多家國(guó)內(nèi)公司也都發(fā)布了“北斗二號(hào)”衛(wèi)星信號(hào)模擬器產(chǎn)品的宣傳廣告,但經(jīng)咨詢得知并無(wú)實(shí)物或現(xiàn)貨。
由于衛(wèi)星信號(hào)模擬器特別是“北斗二號(hào)”模擬器應(yīng)用前景廣闊,多家院校、研究所和地方公司都在進(jìn)行此領(lǐng)域的研究。第二屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)(CSNC 2011)將于2011年5月在上海舉行,屆時(shí)必將有更新的模擬器產(chǎn)品亮相。
國(guó)內(nèi)模擬器領(lǐng)域無(wú)論是理論研究還是產(chǎn)品性能,水平依然較國(guó)外有著較大差距,掌握模擬器核心技術(shù)的單位屈指可數(shù)。在輔助精確定位的各種誤差模型研究領(lǐng)域,國(guó)外已經(jīng)達(dá)到了非常精細(xì)的水準(zhǔn),例如室內(nèi)、叢林、海洋等環(huán)境的影響、信號(hào)多徑效應(yīng)、電離層閃爍、電離層和對(duì)流層延遲網(wǎng)格校正等更為細(xì)致深入的研究早已在國(guó)外廣泛開(kāi)展,國(guó)內(nèi)對(duì)此研究依舊較少。究其主要原因,一方面我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究起步晚,一直沒(méi)有屬于自己的導(dǎo)航系統(tǒng)和相應(yīng)觀測(cè)手段;另一方面,西方對(duì)高動(dòng)態(tài)模擬器進(jìn)行了嚴(yán)格的技術(shù)封鎖,且人為限制出口我國(guó)的模擬器可仿真載體速度和高度。
衛(wèi)星信號(hào)模擬器發(fā)展趨勢(shì)主要呈現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
(1)多模、多頻化
為滿足用戶高精度定位需求以及衛(wèi)星覆蓋率引起的導(dǎo)航定位問(wèn)題,多模多頻是接收機(jī)未來(lái)發(fā)展的必然方向??梢詫?shí)現(xiàn)多系統(tǒng)多頻點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)組合仿真的模擬器將成為必然趨勢(shì)。
(2)高精度、高動(dòng)態(tài)化
隨著電子元器件性能的提升、軟件無(wú)線電理論的發(fā)展和新型模擬器架構(gòu)的提出,衛(wèi)星信號(hào)模擬器的精度和動(dòng)態(tài)范圍必將隨之提高,以實(shí)現(xiàn)高性能接收機(jī)的算法和功能驗(yàn)證。
(3)真實(shí)化、實(shí)時(shí)化
模擬器提供的仿真信號(hào)越接近實(shí)際衛(wèi)星的信號(hào)就越能驗(yàn)證接收機(jī)的真實(shí)工作性能,這就需要建立更為精準(zhǔn)的衛(wèi)星信號(hào)誤差模型并將其融入仿真的信號(hào)中,例如多徑效應(yīng)模型、信號(hào)衰減模型、電離層閃爍模型、天線方向增益模型等。此外,添加各類可控干擾信號(hào)的仿真信號(hào)生成也將成為未來(lái)模擬器必不可少的功能,用以驗(yàn)證接收機(jī)抗干擾性能。
未來(lái)模擬器將更多地要求任意時(shí)空的實(shí)時(shí)仿真,單一的錄播轉(zhuǎn)發(fā)式的衛(wèi)星信號(hào)仿真最終將被淘汰,錄播將作為輔助功能存在。
(4)小型化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化
針對(duì)不同市場(chǎng)的需求,更為專業(yè)的接收機(jī)驗(yàn)證模擬器和小型嵌入式模擬器將分別占據(jù)高低端市場(chǎng)。另一方面,國(guó)內(nèi)對(duì)于接收機(jī)已經(jīng)實(shí)施了部分標(biāo)準(zhǔn),模擬器作為一種標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)源也需要一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。多家研究院所現(xiàn)在都在擬定模擬器的規(guī)范,以期申報(bào)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
(5)與測(cè)試系統(tǒng)融為一體的“硬件在環(huán)”(Hardware-in-loop)仿真
未來(lái)的模擬器將提供多樣的標(biāo)準(zhǔn)化接口,提供與被測(cè)系統(tǒng)的交互,構(gòu)成完整的閉環(huán)測(cè)試回路,在驗(yàn)證接收機(jī)性能的同時(shí)驗(yàn)證定位數(shù)據(jù)處理和使用方案的可行性。
(6)軟件、硬件和AGHS架構(gòu)模擬器互補(bǔ)并存
軟件模擬器價(jià)格相對(duì)低廉,信號(hào)建模和調(diào)理方法靈活、簡(jiǎn)便易行;硬件模擬器具有實(shí)時(shí)性高、可實(shí)施“硬件在環(huán)”仿真和接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整體測(cè)試等優(yōu)勢(shì);AGHS架構(gòu)模擬器則各取其半。在未來(lái)一段時(shí)間里,這種“三足鼎立”之勢(shì)不會(huì)改變。
(7)成為接收機(jī)檢定的標(biāo)準(zhǔn)源
我國(guó)現(xiàn)行接收機(jī)檢定手段多依賴于標(biāo)準(zhǔn)檢定場(chǎng)的各種基線,然而標(biāo)準(zhǔn)檢定場(chǎng)對(duì)于場(chǎng)地地質(zhì)、視野及周邊環(huán)境有較高要求,建設(shè)維護(hù)費(fèi)用高昂,且檢定場(chǎng)易受基線向量誤差、點(diǎn)位漂移誤差、天氣等諸多不確定因素影響[25]。衛(wèi)星信號(hào)模擬器作為低成本的靈活測(cè)試工具,可以為接收機(jī)提供時(shí)空無(wú)約束的仿真信號(hào),在未來(lái)將逐步取代檢定場(chǎng)基線成為接收機(jī)檢定的標(biāo)準(zhǔn)工具。
國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域方興未艾,各方面研究仍較國(guó)外有很大差距。隨著“北斗二號(hào)”的建成,我國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)必將得到長(zhǎng)足的發(fā)展。然而,“北斗二號(hào)”星座尚未布滿,接收機(jī)開(kāi)發(fā)缺乏信號(hào)源和驗(yàn)證工具,國(guó)內(nèi)對(duì)于擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“北斗二號(hào)”衛(wèi)星信號(hào)模擬器需求十分緊迫。各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在未來(lái)互補(bǔ)并存,多模接收機(jī)必然得到廣泛應(yīng)用,開(kāi)展的“北斗二號(hào)”及其它各系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)模擬器的研究具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和重大的軍事戰(zhàn)略意義。
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