卫星导航信号模拟器现状与发展趋势

卫星导航信号模拟器现状与发展趋势摘要：卫星导航信号模拟器是一种高精度的标准信号源，可以为导航接收机的研制开发、测试提供仿真环境。本文详细介绍并对比了软件模拟器和硬件模拟器这两种卫星导航信号模拟器的技术特点和现状，介绍了传统的基于模拟技术的硬件模拟器和当前的基于数字技术的模拟器的体系架构和性能特点。最后对模拟器未来的发展趋势做了探讨。关键词：卫星导航系统；卫星信号模拟器；导航接收机；发展趋势中图分类号：TN967.1?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2015）07?0131?040引言自GPS（GlobalPositioningSystem）投入使用以来，它巨大的战略和经济效益引起了全世界的重视，世界各大国和组织纷纷着手开发自己的卫星导航定位系统。目前，世界上有四大全球导航卫星定位系统[1]，它们是美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem）系统、欧盟的Galileo系统和中国的BDS（BeiDouSyetem）即北斗卫星导航定位系统。其中后两个系统正在建设中[2?3]。随着卫星导航技术的发展和广泛应用，卫星导航信号模拟器技术的研究越来越受到人们的重视。卫星导航信号模拟器是一种高精度的标准信号源，它根据载体动态特性、电离层和对流层等因素对卫星信号的影响，模拟产生接收机接收到的各颗卫星的导航信号，从而为导航接收机的研制开发、测试提供仿真环境[4]。它配置灵活，应用非常广泛，可以产生特定的导航信号，验证测试方案的可行性；也可以产生高动态导航信号，检验接收机的捕获跟踪性能；还可以作为标准，检验导航接收机的测量精度等[5]。1卫星导航信号模拟器国内外现状国外对模拟器技术的研究起步较早，技术比较成熟，所研制的模拟器不仅可以模拟L1、L2频率上的C/A码和P码信号，还可以模拟GPS现代化之后的L1C、L2C、L5C民用信号和L1M、L2M军码信号[6]，部分产品还可以模拟GLONASS系统的频分多址（FDMA）调制信号和Galileo系统的二进制偏移载波（BOC）调制信号，甚至还可模拟差分信号和姿态测量信号等[7]。国内对卫星导航信号模拟器的研究起步较晚，再加上国外对模拟器技术的封锁，技术上与国外还有一定差距，近年随着我国BDS系统的稳步建设，国内卫星导航产业得到了长足的发展，不少科研单位和公司展开了对导航信号模拟器的研究，部分公司已经推出了成熟的市场化产品[8]。国外目前有多个厂家提供多个系列的导航信号模拟器产品，如英国Spirent公司的GSS系列模拟器[7]、美国CAST公司的1000，2000，5000系列模拟器[9]和德国IFEN公司的NCS系列模拟器[10]等。这里主要介绍Spirent公司的GSS系列导航信号模拟器，来说明当前国际上高端导航信号模拟器发展的最新水平。GSS9000是Spirent公司最新推出的导航信号模拟器，由信号发生器和运行SimGEN软件的计算机组成[7]。GSS9000系统采用模块化设计，可以在单个信号发生器内支持一个或多个射频通道单元，每个射频通道单元最多支持16个卫星通道。如果需要更多的信号输出，可以用多个射频通道单元组成一个信号发生器。SimGEN是Spirent公司研制的功能强大的数学仿真软件，它的标准功能包括模拟大气效应、多路径反射、地形障碍、天线增益及相位方向图、差分改正数据及车辆/航空/航海/航天载体的轨迹生成和完备的误差生成等[11]。SimGEN软件实时工作，根据用户设定的场景生成相应的配置参数，驱动信号发生器生成卫星导航信号。GSS9000的模块化设计可以支持接收机测试的不同需求，而且GSS9000还可通过扩展配置，以支持GPS、Galileo、GLONASS和SBAS甚至BDS的复合信号以满足用户测试的需求。国内对模拟器技术的研究主要集中在高校、科研院所和部分公司，如北京航空航天大学、中电54所、东方联星、湖南矩阵电子科技有限公司和北京华力创通公司等，目前可以推出成熟的市场化产品的只有后两家单位。这里主要介绍湖南矩阵电子的卫星导航信号模拟器，以说明国内模拟器技术的发展水平。湖南矩阵电子公司的GNS8440多星座导航信号模拟器可模拟北斗一/二代、GPS、GLONASS和Galileo四个导航系统的卫星信号，每频点最多支持16个卫星通道，通过复用的方式，每频点还可支持1～4路的多径通道，通过选配组件升级，GNS8440还可支持干扰信号生成和惯导仿真功能[8]。该模拟器配套的闭环评估软件支持接收机与模拟器的闭环评估测试，可用于导航终端设备的研发、生产、测试、验收和检验等。2技术现状根据卫星导航信号模拟器可模拟的卫星通道数量的不同，可以将模拟器分为单通道模拟器和多通道模拟器两种类型。单通道模拟器可模拟一颗卫星的导航信号，并可控制该导航信号的诸多参数，如导航电文、多普勒频率等，这种灵活性使单通道模拟器常用在接收机跟踪环路性能的调试中[12]。多通道模拟器可以同时模拟同一导航星座中多颗卫星的导航信号，功能更加强大，相对于单通道模拟器，结构和技术上也更加复杂，常用于接收机整机性能如首次定位时间（TimeToFirstFix，TTFF）、捕获跟踪灵敏度、重捕时间和PVT（PositionVelocityTime）解算精度等的测试[13]。根据卫星导航信号模拟器具体实现方式的不同，还可将模拟器分为软件模拟器和硬件模拟器两种类型，下面介绍这两种模拟器的特点和它们之间的对比。2.1软件模拟器在这种模式下，所有与导航有关的信息和信号都由计算机处理得到，包括对各种模型的模拟和信号的产生都是由计算机软件进行计算后，存储到存储器中的。软件模拟器在具体实现时一般使用高级编程语言如Matlab、C++等[14]，产生的信号一般是数字中频GNSS信号。使用软件模拟器对接收机进行测试时，相当于不使用接收机的射频前端电路，而是直接将数字中频信号注入给接收机的基带信号处理模块[15]，利用软件模拟器的接收机测试连接框图如图1所示。这种测试方法中，研发人员可以将研究精力集中在基带信号处理算法的开发上，而不必考虑繁琐的射频前端如下变频、滤波放大和A/D转换等的设计，从而加快研发进度；同时，相比于价格高昂的硬件模拟器，软件模拟器成本低廉，容易获取，可以节省大量研发经费，加快研发进度。图1利用软件模拟器的接收机测试连接框图2.2硬件模拟器硬件模拟器主要由信号发生器和运行数学仿真软件的计算机组成。在这种模式下，数学仿真软件对卫星轨道、接收机轨迹和大气层模型等进行建模模拟，根据仿真计算的结果产生相应的导航电文比特、伪码和多普勒等控制参数，控制参数由总线接口送入信号发生器，信号发生器根据控制参数产生中频导航信号，经上变频、滤波和功率控制后输出[16]，硬件模拟器的系统组成框图如图2所示。可见，硬件模拟器的“硬件”含义是指最终输出的信号来自于“硬件”的信号发生器。图2硬件模拟器系统组成框图信号发生器根据数学仿真计算的信号参数产生中频导航信号，根据生成中频导航信号的不同方式，硬件模拟器经历了两个不同的技术阶段[17]。2.2.1基于模拟技术产生中频信号的硬件模拟器早期的硬件模拟器使用模拟技术产生中频导航信号，每个卫星通道对应一个模拟中频信号产生模块。模拟中频模块将数据码和伪码调制在包含多普勒的模拟中频载波上，从而生成模拟中频信号。各个卫星通道的中频信号通过合路器后经上变频模块，并进行滤波和功率控制，最终产生L波段的射频导航信号[17]。这种类型的模拟器组成框图如图3所示。图3基于模拟技术产生中频信号的硬件模拟器2.2.2基于数字技术产生中频信号的硬件模拟器随着技术的进步，数字芯片如FPGA和DSP的功能越来越强大，基于数字技术的硬件模拟器逐渐流行起来，如今最新的硬件模拟器均基于数字技术产生中频导航信号。在使用数字技术的模拟器中，每个卫星通道对应一个数字中频信号产生模块。数字中频模块将数据码和伪码调制在包含多普勒的数字中频载波上，从而生成数字中频信号。各个卫星通道的数字中频信号在数字域相加后经过数/模转换芯片成为模拟中频信号，接着经过上变频器，并进行滤波和功率控制，最终产生L波段的射频导航信号[17?18]。这种类型的模拟器组成框图如图4所示。图4基于数字技术产生中频信号的硬件模拟器2.2.3两者的对比对使用模拟中频信号产生器的导航信号模拟器来说，每一个卫星通道都需要一个单独的中频载波产生模块，因此最终生成的信号会存在通道间偏差的问题；而对使用数字中频信号产生器的模拟器来说，不同卫星通道的中频信号均在数字域产生，通道间的一致性表现要更好。此外，使用数字技术的模拟器对信号进行改变或升级仅需对软件进行修改，且由于信号产生过程中数控振荡器（NCO）的使用，有着更高的频率分辨率和准确度；但也正是由于NCO和DAC的存在，使用数字技术的模拟器信号有着更高的杂散[19]，因此在设计中要特别注意对信号杂散的控制，以满足GNSS信号接口规范（ICD）中对信号杂散的相应要求。2.3软件模拟器和硬件模拟器的对比在所有信号和模型的模拟都由软件实现的情况下，由于多个通道的模拟和功率合成都在软件中通过数字化计算完成，所以产生的信号精度很高。但是这种方法的缺点也很明显，由于信号和模型的模拟由计算机的软件运算得到，信号产生的速度将受制于计算机的处理速度，目前还不能实时地产生导航信号，而是将产生的数据先存储在硬盘上，待信号生成完毕后再通过回放的方法输出信号。由于存储空间的限制，当前软件模拟器能够模拟的测试场景一般不超过12h，这就导致很难用这种导航信号模拟器进行一些长期测试[5]。硬件模拟器由信号发生器和运行数学仿真软件的计算机组成。由于软硬件相互交叉，模拟器的体系结构比较复杂。但是这种实现方法的优点也很突出，由于所有的信息伪码调制及中频信号产生都由硬件完成，它能保证信号的实时产生与发送，满足了接收机的长期测试需求；而且相对于软件模拟器产生的数字导航信号，硬件模拟器由于DAC的使用，产生的是模拟的导航信号，因此可以对接收机包括射频前端、基带信号处理和定位导航解算的综合性能进行测试评估。3发展趋势卫星导航信号模拟器作为接收机测试的关键设备，它的发展趋势主要体现在以下几个方面：（1）多模、多频化随着新兴卫星导航系统北斗导航系统（BDS）、伽利略导航系统（Galileo）的逐步建成和GPS系统的现代化升级，多模多频是接收机未来发展的必然方向，可以实现多系统多频点卫星信号组合仿真的模拟器将成为必然趋势[20]。这种模拟器可提供多模多频卫星信号仿真功能，通过插卡式的总线结构，可以灵活配置多模多频信号的组合产生，为多模多频接收机的联合定位解算的测试验证提供必要条件。（2）高精度、高动态化随着电子元器件性能的提升、软件无线电理论的发展和模拟器技术的积累，卫星信号模拟器的信号精度和动态范围必将随之提高，以实现高性能、高动态接收机的算法和功能验证。（3）误差模型的完善模拟器提供的信号应尽可能的接近实际环境中的卫星导航信号，从而能更好地测试接收机的真实工作性能。这就需要建立更加准确的卫星信号误差模型，并将其融入模拟的信号中，尤其如电离层误差模型和多径效应模型等[21]。此外，拥有各类可控干扰信号的生成能力也将成为未来模拟器必不可少的功能，以验证接收机的抗干扰性能。（4）具有惯导模拟和差分信号产生功能具有惯导模拟功能的模拟器，将为INS/GNSS组合导航方案的验证提供测试条件；同样，具有差分信号产生功能的模拟器，将为精密差分定位接收机如RTK接收机等的验证提供测试条件。（5）多样化、标准化一方面，针对接收机产品不同阶段测试验证（如芯片级测试、整机测试）的不同需求，卫星导航信号模拟器产品的分类必将细化，多样化是模拟器未来发展的必然趋势，市场将出现从高端到低端的不同种类模拟器产品。另一方面，对于导航接收机的校准检定，国内已有相应规范，模拟器作为接收机测试的标准信号源，也需要一个行业标准进行规范，多家研究院所现在都在拟定模拟器的规范，以期申报为国家标准。（6）成为接收机检定的标准源我国现行的接收机检定手段多依