摘 要: 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器是一種高精度的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源,可以為導(dǎo)航接收機(jī)的研制開發(fā)、測(cè)試提供仿真環(huán)境。本文詳細(xì)介紹并對(duì)比了軟件模擬器和硬件模擬器這兩種衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器的技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)狀,介紹了傳統(tǒng)的基于模擬技術(shù)的硬件模擬器和當(dāng)前的基于數(shù)字技術(shù)的模擬器的體系架構(gòu)和性能特點(diǎn)。最后對(duì)模擬器未來的發(fā)展趨勢(shì)做了探討。
關(guān)鍵詞: 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng); 衛(wèi)星信號(hào)模擬器; 導(dǎo)航接收機(jī); 發(fā)展趨勢(shì)
中圖分類號(hào): TN967.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1004?373X(2015)07?0131?04
0 引 言
自GPS(Global Positioning System)投入使用以來,它巨大的戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)效益引起了全世界的重視,世界各大國和組織紛紛著手開發(fā)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。目前,世界上有四大全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)[1],它們是美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System)系統(tǒng)、歐盟的Galileo系統(tǒng)和中國的BDS(BeiDou Syetem)即北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其中后兩個(gè)系統(tǒng)正在建設(shè)中[2?3]。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器技術(shù)的研究越來越受到人們的重視。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器是一種高精度的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源,它根據(jù)載體動(dòng)態(tài)特性、電離層和對(duì)流層等因素對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響,模擬產(chǎn)生接收機(jī)接收到的各顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào),從而為導(dǎo)航接收機(jī)的研制開發(fā)、測(cè)試提供仿真環(huán)境[4]。它配置靈活,應(yīng)用非常廣泛,可以產(chǎn)生特定的導(dǎo)航信號(hào),驗(yàn)證測(cè)試方案的可行性;也可以產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)導(dǎo)航信號(hào),檢驗(yàn)接收機(jī)的捕獲跟蹤性能;還可以作為標(biāo)準(zhǔn),檢驗(yàn)導(dǎo)航接收機(jī)的測(cè)量精度等[5]。
1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器國內(nèi)外現(xiàn)狀
國外對(duì)模擬器技術(shù)的研究起步較早,技術(shù)比較成熟,所研制的模擬器不僅可以模擬L1、L2頻率上的C/A碼和P碼信號(hào),還可以模擬GPS現(xiàn)代化之后的L1C、L2C、L5C民用信號(hào)和L1M、L2M軍碼信號(hào)[6],部分產(chǎn)品還可以模擬GLONASS系統(tǒng)的頻分多址(FDMA)調(diào)制信號(hào)和Galileo系統(tǒng)的二進(jìn)制偏移載波(BOC)調(diào)制信號(hào),甚至還可模擬差分信號(hào)和姿態(tài)測(cè)量信號(hào)等[7]。國內(nèi)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器的研究起步較晚,再加上國外對(duì)模擬器技術(shù)的封鎖,技術(shù)上與國外還有一定差距,近年隨著我國BDS系統(tǒng)的穩(wěn)步建設(shè),國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,不少科研單位和公司展開了對(duì)導(dǎo)航信號(hào)模擬器的研究,部分公司已經(jīng)推出了成熟的市場(chǎng)化產(chǎn)品[8]。
國外目前有多個(gè)廠家提供多個(gè)系列的導(dǎo)航信號(hào)模擬器產(chǎn)品,如英國Spirent公司的GSS系列模擬器[7]、美國CAST公司的1000,2000,5000系列模擬器[9]和德國IFEN公司的NCS系列模擬器[10]等。這里主要介紹Spirent公司的GSS系列導(dǎo)航信號(hào)模擬器,來說明當(dāng)前國際上高端導(dǎo)航信號(hào)模擬器發(fā)展的最新水平。GSS9000是Spirent公司最新推出的導(dǎo)航信號(hào)模擬器,由信號(hào)發(fā)生器和運(yùn)行SimGEN軟件的計(jì)算機(jī)組成[7]。GSS9000系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),可以在單個(gè)信號(hào)發(fā)生器內(nèi)支持一個(gè)或多個(gè)射頻通道單元,每個(gè)射頻通道單元最多支持16個(gè)衛(wèi)星通道。如果需要更多的信號(hào)輸出,可以用多個(gè)射頻通道單元組成一個(gè)信號(hào)發(fā)生器。SimGEN是Spirent公司研制的功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)仿真軟件,它的標(biāo)準(zhǔn)功能包括模擬大氣效應(yīng)、多路徑反射、地形障礙、天線增益及相位方向圖、差分改正數(shù)據(jù)及車輛/航空/航海/航天載體的軌跡生成和完備的誤差生成等[11]。SimGEN軟件實(shí)時(shí)工作,根據(jù)用戶設(shè)定的場(chǎng)景生成相應(yīng)的配置參數(shù),驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器生成衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)。GSS9000的模塊化設(shè)計(jì)可以支持接收機(jī)測(cè)試的不同需求,而且GSS9000還可通過擴(kuò)展配置,以支持GPS、Galileo、GLONASS和SBAS甚至BDS的復(fù)合信號(hào)以滿足用戶測(cè)試的需求。
國內(nèi)對(duì)模擬器技術(shù)的研究主要集中在高校、科研院所和部分公司,如北京航空航天大學(xué)、中電54所、東方聯(lián)星、湖南矩陣電子科技有限公司和北京華力創(chuàng)通公司等,目前可以推出成熟的市場(chǎng)化產(chǎn)品的只有后兩家單位。這里主要介紹湖南矩陣電子的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器,以說明國內(nèi)模擬器技術(shù)的發(fā)展水平。湖南矩陣電子公司的GNS8440多星座導(dǎo)航信號(hào)模擬器可模擬北斗一/二代、GPS、GLONASS和Galileo四個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào),每頻點(diǎn)最多支持16個(gè)衛(wèi)星通道,通過復(fù)用的方式,每頻點(diǎn)還可支持1~4路的多徑通道,通過選配組件升級(jí),GNS8440還可支持干擾信號(hào)生成和慣導(dǎo)仿真功能[8]。該模擬器配套的閉環(huán)評(píng)估軟件支持接收機(jī)與模擬器的閉環(huán)評(píng)估測(cè)試,可用于導(dǎo)航終端設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、測(cè)試、驗(yàn)收和檢驗(yàn)等。
2 技術(shù)現(xiàn)狀
根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器可模擬的衛(wèi)星通道數(shù)量的不同,可以將模擬器分為單通道模擬器和多通道模擬器兩種類型。單通道模擬器可模擬一顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào),并可控制該導(dǎo)航信號(hào)的諸多參數(shù),如導(dǎo)航電文、多普勒頻率等,這種靈活性使單通道模擬器常用在接收機(jī)跟蹤環(huán)路性能的調(diào)試中[12]。多通道模擬器可以同時(shí)模擬同一導(dǎo)航星座中多顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào),功能更加強(qiáng)大,相對(duì)于單通道模擬器,結(jié)構(gòu)和技術(shù)上也更加復(fù)雜,常用于接收機(jī)整機(jī)性能如首次定位時(shí)間(Time To First Fix,TTFF)、捕獲跟蹤靈敏度、重捕時(shí)間和PVT(Position Velocity Time)解算精度等的測(cè)試[13]。
根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器具體實(shí)現(xiàn)方式的不同,還可將模擬器分為軟件模擬器和硬件模擬器兩種類型,下面介紹這兩種模擬器的特點(diǎn)和它們之間的對(duì)比。
2.1 軟件模擬器
在這種模式下,所有與導(dǎo)航有關(guān)的信息和信號(hào)都由計(jì)算機(jī)處理得到,包括對(duì)各種模型的模擬和信號(hào)的產(chǎn)生都是由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算后,存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中的。軟件模擬器在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)一般使用高級(jí)編程語言如Matlab、C++等[14],產(chǎn)生的信號(hào)一般是數(shù)字中頻GNSS信號(hào)。使用軟件模擬器對(duì)接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí),相當(dāng)于不使用接收機(jī)的射頻前端電路,而是直接將數(shù)字中頻信號(hào)注入給接收機(jī)的基帶信號(hào)處理模塊[15],利用軟件模擬器的接收機(jī)測(cè)試連接框圖如圖1所示。這種測(cè)試方法中,研發(fā)人員可以將研究精力集中在基帶信號(hào)處理算法的開發(fā)上,而不必考慮繁瑣的射頻前端如下變頻、濾波放大和A/D轉(zhuǎn)換等的設(shè)計(jì),從而加快研發(fā)進(jìn)度;同時(shí),相比于價(jià)格高昂的硬件模擬器,軟件模擬器成本低廉,容易獲取,可以節(jié)省大量研發(fā)經(jīng)費(fèi),加快研發(fā)進(jìn)度。
圖1 利用軟件模擬器的接收機(jī)測(cè)試連接框圖
2.2 硬件模擬器
硬件模擬器主要由信號(hào)發(fā)生器和運(yùn)行數(shù)學(xué)仿真軟件的計(jì)算機(jī)組成。在這種模式下,數(shù)學(xué)仿真軟件對(duì)衛(wèi)星軌道、接收機(jī)軌跡和大氣層模型等進(jìn)行建模模擬,根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的導(dǎo)航電文比特、偽碼和多普勒等控制參數(shù),控制參數(shù)由總線接口送入信號(hào)發(fā)生器,信號(hào)發(fā)生器根據(jù)控制參數(shù)產(chǎn)生中頻導(dǎo)航信號(hào),經(jīng)上變頻、濾波和功率控制后輸出[16],硬件模擬器的系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。可見,硬件模擬器的“硬件”含義是指最終輸出的信號(hào)來自于“硬件”的信號(hào)發(fā)生器。
圖2 硬件模擬器系統(tǒng)組成框圖
信號(hào)發(fā)生器根據(jù)數(shù)學(xué)仿真計(jì)算的信號(hào)參數(shù)產(chǎn)生中頻導(dǎo)航信號(hào),根據(jù)生成中頻導(dǎo)航信號(hào)的不同方式,硬件模擬器經(jīng)歷了兩個(gè)不同的技術(shù)階段[17]。
2.2.1 基于模擬技術(shù)產(chǎn)生中頻信號(hào)的硬件模擬器
早期的硬件模擬器使用模擬技術(shù)產(chǎn)生中頻導(dǎo)航信號(hào),每個(gè)衛(wèi)星通道對(duì)應(yīng)一個(gè)模擬中頻信號(hào)產(chǎn)生模塊。模擬中頻模塊將數(shù)據(jù)碼和偽碼調(diào)制在包含多普勒的模擬中頻載波上,從而生成模擬中頻信號(hào)。各個(gè)衛(wèi)星通道的中頻信號(hào)通過合路器后經(jīng)上變頻模塊,并進(jìn)行濾波和功率控制,最終產(chǎn)生L波段的射頻導(dǎo)航信號(hào)[17]。這種類型的模擬器組成框圖如圖3所示。
圖3 基于模擬技術(shù)產(chǎn)生中頻信號(hào)的硬件模擬器
2.2.2 基于數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生中頻信號(hào)的硬件模擬器
隨著技術(shù)的進(jìn)步,數(shù)字芯片如FPGA和DSP的功能越來越強(qiáng)大,基于數(shù)字技術(shù)的硬件模擬器逐漸流行起來,如今最新的硬件模擬器均基于數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生中頻導(dǎo)航信號(hào)。在使用數(shù)字技術(shù)的模擬器中,每個(gè)衛(wèi)星通道對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字中頻信號(hào)產(chǎn)生模塊。數(shù)字中頻模塊將數(shù)據(jù)碼和偽碼調(diào)制在包含多普勒的數(shù)字中頻載波上,從而生成數(shù)字中頻信號(hào)。各個(gè)衛(wèi)星通道的數(shù)字中頻信號(hào)在數(shù)字域相加后經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片成為模擬中頻信號(hào),接著經(jīng)過上變頻器,并進(jìn)行濾波和功率控制,最終產(chǎn)生L波段的射頻導(dǎo)航信號(hào)[17?18]。這種類型的模擬器組成框圖如圖4所示。
圖4 基于數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生中頻信號(hào)的硬件模擬器
2.2.3 兩者的對(duì)比
對(duì)使用模擬中頻信號(hào)產(chǎn)生器的導(dǎo)航信號(hào)模擬器來說,每一個(gè)衛(wèi)星通道都需要一個(gè)單獨(dú)的中頻載波產(chǎn)生模塊,因此最終生成的信號(hào)會(huì)存在通道間偏差的問題;而對(duì)使用數(shù)字中頻信號(hào)產(chǎn)生器的模擬器來說,不同衛(wèi)星通道的中頻信號(hào)均在數(shù)字域產(chǎn)生,通道間的一致性表現(xiàn)要更好。此外,使用數(shù)字技術(shù)的模擬器對(duì)信號(hào)進(jìn)行改變或升級(jí)僅需對(duì)軟件進(jìn)行修改,且由于信號(hào)產(chǎn)生過程中數(shù)控振蕩器(NCO)的使用,有著更高的頻率分辨率和準(zhǔn)確度;但也正是由于NCO和DAC的存在,使用數(shù)字技術(shù)的模擬器信號(hào)有著更高的雜散[19],因此在設(shè)計(jì)中要特別注意對(duì)信號(hào)雜散的控制,以滿足GNSS信號(hào)接口規(guī)范(ICD)中對(duì)信號(hào)雜散的相應(yīng)要求。
2.3 軟件模擬器和硬件模擬器的對(duì)比
在所有信號(hào)和模型的模擬都由軟件實(shí)現(xiàn)的情況下,由于多個(gè)通道的模擬和功率合成都在軟件中通過數(shù)字化計(jì)算完成,所以產(chǎn)生的信號(hào)精度很高。但是這種方法的缺點(diǎn)也很明顯,由于信號(hào)和模型的模擬由計(jì)算機(jī)的軟件運(yùn)算得到,信號(hào)產(chǎn)生的速度將受制于計(jì)算機(jī)的處理速度,目前還不能實(shí)時(shí)地產(chǎn)生導(dǎo)航信號(hào),而是將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在硬盤上,待信號(hào)生成完畢后再通過回放的方法輸出信號(hào)。由于存儲(chǔ)空間的限制,當(dāng)前軟件模擬器能夠模擬的測(cè)試場(chǎng)景一般不超過12 h,這就導(dǎo)致很難用這種導(dǎo)航信號(hào)模擬器進(jìn)行一些長(zhǎng)期測(cè)試[5]。
硬件模擬器由信號(hào)發(fā)生器和運(yùn)行數(shù)學(xué)仿真軟件的計(jì)算機(jī)組成。由于軟硬件相互交叉,模擬器的體系結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。但是這種實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)點(diǎn)也很突出,由于所有的信息偽碼調(diào)制及中頻信號(hào)產(chǎn)生都由硬件完成,它能保證信號(hào)的實(shí)時(shí)產(chǎn)生與發(fā)送,滿足了接收機(jī)的長(zhǎng)期測(cè)試需求;而且相對(duì)于軟件模擬器產(chǎn)生的數(shù)字導(dǎo)航信號(hào),硬件模擬器由于DAC的使用,產(chǎn)生的是模擬的導(dǎo)航信號(hào),因此可以對(duì)接收機(jī)包括射頻前端、基帶信號(hào)處理和定位導(dǎo)航解算的綜合性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。
3 發(fā)展趨勢(shì)
衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器作為接收機(jī)測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備,它的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1) 多模、多頻化
隨著新興衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)、伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo)的逐步建成和GPS系統(tǒng)的現(xiàn)代化升級(jí),多模多頻是接收機(jī)未來發(fā)展的必然方向,可以實(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)[20]。這種模擬器可提供多模多頻衛(wèi)星信號(hào)仿真功能,通過插卡式的總線結(jié)構(gòu),可以靈活配置多模多頻信號(hào)的組合產(chǎn)生,為多模多頻接收機(jī)的聯(lián)合定位解算的測(cè)試驗(yàn)證提供必要條件。
(2) 高精度、高動(dòng)態(tài)化
隨著電子元器件性能的提升、軟件無線電理論的發(fā)展和模擬器技術(shù)的積累,衛(wèi)星信號(hào)模擬器的信號(hào)精度和動(dòng)態(tài)范圍必將隨之提高,以實(shí)現(xiàn)高性能、高動(dòng)態(tài)接收機(jī)的算法和功能驗(yàn)證。
(3) 誤差模型的完善
模擬器提供的信號(hào)應(yīng)盡可能的接近實(shí)際環(huán)境中的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào),從而能更好地測(cè)試接收機(jī)的真實(shí)工作性能。這就需要建立更加準(zhǔn)確的衛(wèi)星信號(hào)誤差模型,并將其融入模擬的信號(hào)中,尤其如電離層誤差模型和多徑效應(yīng)模型等[21]。此外,擁有各類可控干擾信號(hào)的生成能力也將成為未來模擬器必不可少的功能,以驗(yàn)證接收機(jī)的抗干擾性能。
(4) 具有慣導(dǎo)模擬和差分信號(hào)產(chǎn)生功能
具有慣導(dǎo)模擬功能的模擬器,將為INS/GNSS組合導(dǎo)航方案的驗(yàn)證提供測(cè)試條件;同樣,具有差分信號(hào)產(chǎn)生功能的模擬器,將為精密差分定位接收機(jī)如RTK接收機(jī)等的驗(yàn)證提供測(cè)試條件。
(5) 多樣化、標(biāo)準(zhǔn)化
一方面,針對(duì)接收機(jī)產(chǎn)品不同階段測(cè)試驗(yàn)證(如芯片級(jí)測(cè)試、整機(jī)測(cè)試)的不同需求,衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器產(chǎn)品的分類必將細(xì)化,多樣化是模擬器未來發(fā)展的必然趨勢(shì),市場(chǎng)將出現(xiàn)從高端到低端的不同種類模擬器產(chǎn)品。另一方面,對(duì)于導(dǎo)航接收機(jī)的校準(zhǔn)檢定,國內(nèi)已有相應(yīng)規(guī)范,模擬器作為接收機(jī)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)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)為國家標(biāo)準(zhǔn)。
(6) 成為接收機(jī)檢定的標(biāo)準(zhǔn)源
我國現(xiàn)行的接收機(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[22]。衛(wèi)星信號(hào)模擬器作為靈活可控的測(cè)試工具,可以為接收機(jī)提供時(shí)空無約束的模擬信號(hào),在未來將逐步取代檢定場(chǎng)基線成為接收機(jī)檢定的標(biāo)準(zhǔn)工具。
4 結(jié) 語
隨著北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步建設(shè),國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域正處于方興未艾的發(fā)展中,我國的衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)必將得到長(zhǎng)足的進(jìn)步,導(dǎo)航終端產(chǎn)品的研發(fā)必將越來越多,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器尤其是北斗信號(hào)模擬器的需求將越來越多。目前國內(nèi)有多家研發(fā)單位推出了衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器,但技術(shù)上與國外模擬器產(chǎn)品還有一定差距,需要迎頭趕上;另一方面,針對(duì)模擬器的指標(biāo)要求和技術(shù)規(guī)范目前在國內(nèi)還是一片空白,而模擬器在導(dǎo)航終端測(cè)試驗(yàn)證中的使用已十分廣泛,因此急需推進(jìn)模擬器的標(biāo)準(zhǔn)化工作。
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