舒 展 ，王 迪

（1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100191;2.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 北京 100094）

多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)軟件模擬器體系設(shè)計(jì)

舒 展1,2，王 迪2

（1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100191;2.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心 北京 100094）

與傳統(tǒng)信號(hào)模擬器相比，軟件模擬器具備設(shè)計(jì)靈活、可擴(kuò)展、開放性強(qiáng)以及成本低的諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航體制越來(lái)越復(fù)雜，通過(guò)對(duì)多系統(tǒng)不同調(diào)制方式的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模型進(jìn)行分析，迫切需要建立統(tǒng)一的描述方法，減少重復(fù)的算法編寫。首先提出了一種針對(duì)多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器描述方法，其次建立了針對(duì)不同衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)體制的描述，給出了信號(hào)傳播時(shí)延、多普勒頻移的估計(jì)方法。最后，對(duì)模擬的信號(hào)進(jìn)行了驗(yàn)證。

衛(wèi)星導(dǎo)航；信號(hào)模擬；多系統(tǒng)；參數(shù)計(jì)算

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)在各國(guó)的信息化建設(shè)中起著關(guān)鍵性的作用。作為衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)重要組成部分的衛(wèi)星信號(hào)模擬技術(shù)也顯得尤為重要。GNSS信號(hào)模擬器能夠?yàn)檠邪l(fā)和驗(yàn)證階段的GNSS接收機(jī)、地面系統(tǒng)的研制建設(shè)提供一個(gè)可靠穩(wěn)定準(zhǔn)確靈活和易用的仿真及測(cè)試環(huán)境。尤其是我國(guó)北斗二代系統(tǒng)正在加緊建設(shè)中，北斗二代導(dǎo)航信號(hào)與多模導(dǎo)航信號(hào)仿真必須提前實(shí)現(xiàn)。

本文探討一種多系統(tǒng)軟件衛(wèi)星導(dǎo)航中頻信號(hào)模擬器的構(gòu)架與實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)所產(chǎn)生的GNSS信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析，使用軟件接收機(jī)對(duì)模擬器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲跟蹤驗(yàn)證。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模型與描述方法

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)體制的發(fā)展，未來(lái)導(dǎo)航衛(wèi)星向用戶發(fā)送的信號(hào)將由載波、偽碼、子載波、二級(jí)碼、導(dǎo)航電文多個(gè)部分組成，主要采用PSK系列和BOC系列調(diào)制方法[1]。數(shù)據(jù)碼首先與偽碼、二級(jí)碼異或相加而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，然后它們的組合碼再通過(guò)不同調(diào)制方式對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。為了統(tǒng)一描述不同信號(hào)體制，本模擬器基于PSK系列和BOC系列調(diào)制的信號(hào)，建立一個(gè)統(tǒng)一的信號(hào)模型描述方法。上述5部分可以描述為：

式中，SI(t)和SQ(t)分別表式I支路和Q支路信號(hào)，A表式信號(hào)幅度乘以恒包絡(luò)調(diào)制幅度，X(t)表示擴(kuò)頻碼，D(t)表示導(dǎo)航電文，N(t)表示二級(jí)碼，U(t)表示子載波，f表示載波頻率，θ表示相位。

1.1 PSK系列調(diào)制體制信號(hào)模型

1 .1 .1 GPSL1C/A碼信號(hào)

GPSL1C/A碼信號(hào) S(t)可為[2]：

式中，Pc為C/A碼信號(hào)的振幅，x(t)是衛(wèi)星產(chǎn)生的C/A碼電平值，d(t)是衛(wèi)星播發(fā)的數(shù)據(jù)碼電平值，θ1為載波L1的初相位，f1為1 575.42 MHz。基于統(tǒng)一模型，信號(hào)可以表示為式（1）形式，對(duì)應(yīng)于原信號(hào)模型 A=Pc，X(t)=x(t)，D(t)=d(t)，導(dǎo)航信號(hào)是

表1 GPSL1CA碼信號(hào)與BD2B1I信號(hào)描述Tab.1 Descriptions of GPSL1CA signal and BD2B1Isignal

表2 GPSL1C信號(hào)與GalileoE1信號(hào)描述Tab.2 Descriptions of GPSL1C signal and Galileo E1 signal

送時(shí)刻用于描述衛(wèi)星空間位置的坐標(biāo)系用ECEFTX表示，信號(hào)接收時(shí)刻描述用戶位置的坐標(biāo)系用ECEFRX表示，如圖2所示。

圖2 信號(hào)傳播時(shí)間Fig.2 Transmission time of signal

衛(wèi)星位于點(diǎn)P，信號(hào)發(fā)射時(shí)接收機(jī)處于發(fā)射坐標(biāo)系ECEFTX中的R點(diǎn)，假設(shè)信號(hào)傳播時(shí)間為tP，當(dāng)信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)，接收機(jī)處于接收坐標(biāo)系ECEFRX中的R′點(diǎn)，此時(shí)的衛(wèi)星為P′，用戶在接收時(shí)刻的位置是已知的，衛(wèi)星在接收時(shí)刻的位置可以由導(dǎo)航電文推算得出。因?yàn)樾盘?hào)傳播時(shí)間tp很短，可以認(rèn)為衛(wèi)星在這段時(shí)間內(nèi)是勻速運(yùn)動(dòng)，其速度為(vx,vy,vz)，發(fā)射時(shí)刻衛(wèi)星位置為(xst,yst,zst)，接收時(shí)刻接收機(jī)位置為(xu,yu,zu)，衛(wèi)星位置為(xsr,ysr,zsr)，則衛(wèi)星在發(fā)射時(shí)刻的位置估計(jì)值和信號(hào)的傳播時(shí)間的估計(jì)值如式（9）方程組所示：

式中，c為光速，ECEFTX和ECEFRX中的衛(wèi)星坐標(biāo)存在如式（10）所示：

式中，ωe為地球自轉(zhuǎn)角速度，由式（10）可得出一個(gè)新的傳播時(shí)間tp′，將此新的傳播時(shí)間 tp′代入式（9）計(jì)算發(fā)射時(shí)刻衛(wèi)星位置（xst,yst,zst)，再重復(fù)（10）式計(jì)算傳播時(shí)間，可以得到傳播時(shí)間tp的誤差非常小，通過(guò)循環(huán)的兩次計(jì)算可以得到一個(gè)準(zhǔn)確的傳播時(shí)間，相應(yīng)算出其傳播距離。

2.2 多普勒頻移計(jì)算

衛(wèi)星繞地球運(yùn)行，測(cè)點(diǎn)與衛(wèi)星之間存在著高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得測(cè)點(diǎn)接收機(jī)收到的衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)存在多普勒頻移，多普勒頻偏對(duì)衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)帶來(lái)的影響主要體現(xiàn)在調(diào)制數(shù)據(jù)的擴(kuò)頻碼和載波中。多普勒頻率取決于衛(wèi)星和接收機(jī)之間的徑向速度，多普勒方程如式（11）所示：

式中，fd為多普勒頻率，fR為衛(wèi)星射頻發(fā)射信號(hào)頻率，ft為接收頻率，v為接收機(jī)相對(duì)于衛(wèi)星的徑向運(yùn)動(dòng)速度，c為光速。設(shè)接收機(jī)速度為(vxu,vyu,vzu)，接收時(shí)刻接收機(jī)位置為(xu,yu,zu)，衛(wèi)星位置為(xsr,ysr,zsr)，r為上一節(jié)求出的信號(hào)傳播距離。則徑向速度：

代入式（12）得出多普勒頻移值。

圖3 仿真信號(hào)頻譜圖Fig.3 Spectrum from signal of simulation

3 模擬結(jié)果

3.1 信號(hào)頻譜

圖3是仿真信號(hào)頻譜圖，圖3(a)是GPSL1C/A碼仿真信號(hào)頻譜圖，信號(hào)采樣率為12 MHz，中頻為0，采用1 bit量化。圖4(b)是BDB1I仿真信號(hào)頻譜圖，信號(hào)采樣率為 12 MHz，中頻為0，采用1 bit量化。圖3(c)是GPSL1C仿真信號(hào)頻譜圖，信號(hào)采樣率為20 MHz，中頻為0，采用 1bit量化。圖 3(d)是GallieoE1仿真信號(hào)頻譜圖，信號(hào)采樣率為20 MHz，中頻為0，采用 1 bit量化。

3.2 接收機(jī)跟蹤效果

模擬器仿真GPSL1C/A碼信號(hào)設(shè)置多普勒初始值100 Hz，多普勒的變化率為2 Hz/s，通過(guò)軟件接收機(jī)捕獲跟蹤上的多普勒值對(duì)模擬器生成的多普勒進(jìn)行驗(yàn)證。圖4是截取時(shí)間從第10 s到20 s模擬器設(shè)置多普勒與接收機(jī)跟蹤多普勒。

圖4 模擬器生成數(shù)據(jù)產(chǎn)生多普勒與接收機(jī)跟蹤到多普勒Fig.4 Simulator to generate Doppler and receiver to track Doppler

4 結(jié)論

文中描述了多系統(tǒng)多種調(diào)制方式的軟件中頻信號(hào)模擬器，對(duì)不同調(diào)制方式的信號(hào)有一個(gè)統(tǒng)一的描述方法，從衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和接收機(jī)位置關(guān)系的角度分析計(jì)算信號(hào)傳播時(shí)延和多普勒頻移迭代計(jì)算方法，最后給出由模擬器生成不同調(diào)制方式的基帶信號(hào)的頻譜，初步驗(yàn)證了這一信號(hào)模擬器所產(chǎn)生的信號(hào)。為導(dǎo)航信號(hào)體制綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供信號(hào)仿真的環(huán)境。

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Architecture design for software simulator of multisystem satellite navigation signal LabWindows/CVI

SHU Zhan1,2,WANG Di2
（1.School of Electronics and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2.Beijing Satellite Navigation Center,Beijing 100094,China）

Compared to conventional navigation signal simulators,software simulator has many advantages,which include flexible design,easy extending,strong openness,and low cost.With the development of satellite navigation,satellite navigation system is getting more and more complicated.Based on the analysis for satellite navigation signal model in different modulation methods of multisystem,it is very urgent to establish a unified description method,which can reduce duplication writing of algorithm.firstly,description method for multisystem satellite navigation signal simulator is proposed.Secondly,it can describe different systems of satellite navigation signals and provide estimation method for signal transmission delay time and Doppler frequency shift.Finally,the signal of simulation is validated.

satellite navigation;signal simulation;multisystem;parameter calculation

TN967.1

A

1674-6236（2014）13-0048-04

2013-10-14 稿件編號(hào)：201310082

舒 展(1985—)，女，江西景德鎮(zhèn)人，碩士，助理工程師。研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航和軟件模擬器技術(shù)。