高动态GPS卫星信号模拟器关键技术分析及应用

2019-11-03 18:37:18

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供稿：网友

赵军祥1，张其善2，常青2，李建辉3
1 .北京跟踪与通信技术研究所
2.北京航空航天大学电子工程系
3.北京北斗星通卫星导航技术有限公司

　　摘要：介绍了高动态GPS卫星信号模拟器的组成，阐述了模拟器的工作原理，给出了在研模拟器的主要技术指标，分析了模拟器研制涉及到的部分关键技术：高动态信号的产生与精度控制、电离层延迟误差模拟、多径信号模拟和差分数据产生，最后列举了高动态GPS卫星信号模拟器的几种应用。

　　关键词：GPS；C/A码；模拟器；高动态；应用

一、概述

　　GPS（Global Positioning System）是美国建立的高精度全球卫星定位导航系统，可供陆地、空中和空间用户使用。目前GPS卫星发射的信号有Ｌ１和Ｌ２两个载波频率，Ｌ１载频上调制有C/A码和P码，Ｌ２载频上仅调制有P码。GPS卫星信号模拟器就是模拟产生GPS卫星导航信号，为GPS接收机的研制开发、测试提供仿真环境。

　　利用卫星信号模拟器进行仿真实验可划分为３个阶段［１］：

　　第一阶段定义移动GPS接收机的工作环境；

　　第二阶段根据移动GPS接收机的工作环境，由软件控制信号模拟器产生相应环境下的GPS卫星射频信号，通过射频口送GPS接收机，同时根据需要也可产生基准站的差分信息，供GPS接收机做差分使用；

　　第三阶段分析试验数据，对第二阶段存储的卫星信号模拟器数据和GPS接收机数据进行处理，以图表和数据文件的形式提供分析结果。高动态GPS卫星信号模拟器研制涉及伪码扩频调制与载波相位控制等许多高新技术，难度很大。国外对模拟器研制核心技术都严格保密，公开发表的技术文献很少。为了防止将信号模拟器用于军事目的，国外进口的高动态GPS卫星信号模拟器对模拟的目标类型有严格限制，在一定程度上制约了GPS卫星信号模拟器的应用，不利于高动态GPS设备的研制。北京航空航天大学在国家自然科学基金的资助下，开展了高动态GPS卫星信号模拟器研制，攻克了部分技术难题，为我国今后在国防尖端领域拓展GPS应用创造了一些条件。由于P码信号保密，国外非授权用户不能使用，因此我们研制的信号模拟器仅模拟GPS L1频率C/A码信号。本文结合在研的高动态GPS卫星信号模拟器情况，介绍模拟器的组成、工作原理，分析模拟器研制的关键技术，最后给出模拟器的一些应用。

二、高动态GPS卫星信号模拟器工作原理

　　1.工作原理

　　GPS卫星信号模拟器由GPS信号产生器、计算机和仿真控制软件组成，GPS卫星信号模拟器工作原理见图1。

　　GPS卫星信号模拟器就是要产生用户天线端收到的可见GPS卫星L1频率C/A码信号，这些信号的表达式为［２］

式中Ai(t) 表示t时刻第i颗卫星的信号幅度；

　　Ci(t) 表示t时刻第i颗卫星发射的C/A码信号；

　　Di(t) 表示在第i颗卫星信号上调制的导航电文数据；

　　fi（t)表示第i颗卫星的瞬时载波频率；

　　φi(t)表示载波信号的相位；

　　τi表示第i颗卫星信号传播的群延迟。

　　在模拟器设计方案中，首先产生离散的中频GPS信号，中频GPS信号的采样率为fs，对应采样间隔为Ｔs，则在第k个采样时刻，产生的离散中频GPS信号为［２］

式中fIFi（kTs）为第k个采样时刻瞬时GPS中频信号频率，包含多普勒频率影响。

　　为了以较低的采样频率产生所需的中频信号，并降低FPGA（大规模在线可编程器件）计算速度要求，对S(kTs）进行4倍零内插［３］，即每隔1个采样点插入3个零点，得到新的内插信号Ｓ４（kTs），Ｓ４（kTs)经D/A变为模拟信号，再由带通滤波器滤出需要的中频信号，通过上变频便产生Ｌ１频率的GPS信号。衰减器控制模拟器输出的信号强度，使输出信号电平保持在规定的范围之内。

　　2.软件组成

　　仿真控制软件是模拟器的核心，模拟器需要的控制参数由该软件计算得到。它主要由以下模块组成：初始化模块、自检模块、通信控制模块、卫星导航参数计算模块、电文控制模块、目标运动轨迹计算模块、误差计算模块、天线特性计算模块、用户输入与显示模块及数据分析模块。

　　初始化模块和自检模块完成模拟器初始参数设置和模拟器硬件的自检，确保模拟器各个部分处于正常状态。

　　通信控制模块完成计算机与PCI插卡之间的通信，向信号产生器发送导航数据和控制命令，接收信号产生器发送的状态信息。

　　导航参数计算模块选择最佳GPS卫星，根据星历和目标运动状态计算信号发射时刻伪码的状态、载波多普勒频率、多普勒频率变化率。卫星电文控制模块自动编辑各颗GPS卫星的导航信息，管理电文数据中各种数据域和特殊标志，设定卫星星历误差，包括卫星径向、切向和横向误差。修改卫星电文参数供接收机进行RAIM检测。

　　误差计算模块计算星历误差、电离层、对流层折射误差、多径效应等各种误差源对码相位和载波相位的影响。

　　载体运动轨迹计算模块建有一系列复杂的载体运动模型，可生成载体运动轨迹。按载体类型可以分为以下子模块：卫星（飞船）、火箭、飞机、舰船和汽车运动轨迹子模块。另外，该模块允许用户自定义载体的运动特性。

　　GPS接收机天线增益和相位具有一定的方向性，从不同方位、不同仰角入射的信号天线的增益和相位是不同的。特别目标姿态变化较大时，GPS接收天线方向性图对信号的接收及测量精度会产生一定的影响。另外，若目标周围环境有遮挡，会造成部分卫星信号中断。天线特性计算模块考虑这些因素的影响，在方位和俯仰上分别按一定的分辨率，建立天线方向性图，计算载体姿态变化对GPS信号接收的影响。

　　用户输入与显示模块拟采用交互式图形式界面，允许用户完成仿真的各种参数设置与修改，同时以动画方式逼真显示试验过程。

　　数据分析模块根据仿真软件产生的模拟数据和被试GPS接收机的测量数据，完成接收机捕获时间、测量精度等项指标的评定。

三、卫星信号模拟器主要技术指标

　　综合考虑各种条件，确定在研的高动态GPS卫星信号模拟器样机技术指标如下：

　　载波　　　　　　　　　　 GPS L1频率1 575.42 MHz

　　伪码　　　　　　　　　　 C/A码

　　通道数　　　　　　　　 12

　　信号电平变化范围　　　　 60 dB

　　伪距精度　　　　　　　　 ≤80 mm

　　伪距变化率精度　　　　 ≤0.005 m/s

　　相位增量精度　　　　　　 1.0 mm

　　最大相对速度　　　　　　 12 km/s

　　最大相对加速度　　　　 360 g

　　最大相对冲击　　　　　　 500 g/s

　　最大角速率　　　　　　２π／s

四、关键技术分析

　　GPS卫星信号模拟器是一项高技术产品，涉及到伪码调制、多路信号合成与幅度控制、误差特性计算等，归纳起来主要有以下几项：高动态信号的产生与精度控制；电离层折射误差模拟；多径信号模拟；差分数据产生。

　　下面对这些技术进行分析。

　　1.高动态信号的产生与精度控制

　　GPS卫星模拟器可以产生从静态目标到以每秒数公里高速运动的飞行器上安装的接收机所接收的GPS卫星信号，动态范围很宽。假设某载体与卫星相对径向加速度为1 000 m/s２，相应多普勒频率变化率fdmax＝±５．２５１ kHz/s。如果要保持0.005 m/s伪距变化率精度（相应多普勒频率0.026 Hz），则每次修正频率的最大步进间隔不能超过0.05 Hz，要求对fＩＦi（kTs）至少每10 μs修正一次。模拟器作为接收机精度测试的标准信号源，对所产生的伪码延迟和载波频率的精度要求很高。载体动态越大，码相位和载波相位改变越快，当载体受到较大冲击时，GPS载波会产生较剧烈的变化。为满足精度要求，必须以较高频率对模拟器的伪码和载频实施控制，使产生的信号能够及时跟踪上目标运动特性的变化。

　　2.电离层延迟误差模拟

　　电离层延迟是一项非常重要的误差源，是影响GPS定位精度的关键因素之一。如何建立精确的电离层延迟误差模型，真实地反映目标受电离层影响的程度是卫星信号模拟器要解决的难题。

　　电离层是地球高层大气的一部分，一般认为电离层在离地高度60～2 000 km之间［４］，信号的电离层延迟主要取决于电离层中的电子浓度，即单位体积内所含自由电子的个数。电离层延迟误差为

式中f为信号频率；

　　Ne为电离层的电子浓度；

　　θＥ电离层特征点处的折射仰角；

　　hr、hs分别为目标和GPS卫星的高度；

　　

为信号传播路径上积分电子总含量。

　　对高度低于60 km的目标，单频GPS接收机通常利用导航电文发布的8个电离层参数αi、βi(i=0,1,2,3)，通过简化的Bent模型进行修正，该模型修正精度能达到60%左右。卫星信号模拟器采用一组电离层参数αi、βi(i=0,1,2,3)来产生电离层延迟误差，若将该组参数直接放入导航电文发布给用户，则用户可准确地扣除模拟器加入的电离层延迟误差，使定位结果不包含电离层影响，这就不能反映实际定位情况。因此，需要对这些参数做适当调整。调整方法是，改变电离层垂直延迟幅度系数αi(i=0,1,2,3)，得到一组新的

，使得在目标运动区域内，利用

计算的电离层误差为利用αi、βi(i=0,1,2,3)计算的电离层误差的60%左右。

　　对高度大于60 km的空间飞行器，GPS信号到达接收机时仅穿越了部分电离层，可以根据（3）式采用电离层统计模型计算电离层延迟误差，将目标到卫星的高度分为n层，则有

通过查阅资料［４］可得到hj、Nej数据，从而计算出真实的电离层延迟误差。若从电离层底端（h=60 km）开始积分，可以得到全部电离层的延迟误差Δρion总。根据Δρion总计算一组αi、βi(i=0,1,2,3)，使得在目标运动区域内，利用αi、βi(i=0,1,2,3)计算的电离层误差与Δρion总近似相等。将αi、βi(i=0,1,2,3)放入导航电文，发送给用户。

　　3.多径信号模拟

　　当GPS信号通过多条路径到达接收机时便会产生多径效应，通常由接收机附近的反射物引起，因此它与天线周围环境密切相关。下面首先分析多径信号对载波相位的影响。

　　设GPS接收机接收的直射信号为ＳＤ，ＳＤ可以表示为

式中α为衰减系数；

　　δφ为相位偏移；

　　δφ是几何距离的函数。

　　接收机收到的是直射和反射信号的叠加信号，假设有n路反射信号，则合成信号为

式中

　　多径信号对C/A码的影响与载波相位的影响相似，但幅度上要高几个量级［５］。

　　由上式可以看出，要描述每一路反射信号对载波相位和伪码的影响需要4个参量（码和载波各2个），当n较大时，合成信号的表达式非常复杂，要严格模拟多路反射信号非常困难，只能进行定性分析。在各种环境下为分析多径效应而进行的试验较多，通过搜集大量的试验资料，得到不同环境下如海洋、湖泊、沙漠、城区的GPS信号多径反射的先验知识。用信号模拟器做仿真时，根据用户设定的试验环境，可大致得到反射体的介质特性（介质常数和传导率），由于信号的反射幅值与反射面的传导率有关［６］，这样可首先给出多径效应的大致范围，再由用户依据实际应用环境，对参数进行调整，这样可以较真实地模拟多径效应的影响。

　　4.差分数据的产生

　　为了检验差分GPS测量精度，要求模拟器能够输出差分信息。差分信息有２种产生方案：一种是模拟器根据基准站布设位置，经误差补偿后，计算卫星发信时刻状态，据此状态产生相应的伪码和载波，将该路信号送差分接收机，差分接收机接收该信号，得到伪距、伪距变化率，经计算可得到每一颗卫星的差分修正量；另一种方法是模拟器根据基准站布设位置，直接计算星历误差、电波折射误差等对差分接收机的影响，得到伪距、伪距变化率差分修正数据，然后按标准差分数据格式通过串口送给移动GPS接收机。显然第二种方案更为简单，在研的GPS卫星信号模拟器拟采用该方案。

五、高动态GPS卫星信号模拟器的应用

　　GPS卫星信号器是一种高精度的标准信号源，功能强大，应用非常广泛，本文列举高动态GPS卫星信号模拟器的几种用途。

　　1.产生高动态GPS信号检验接收机的捕获性能

　　箭载、星载GPS接收机安装在高速运动的载体上，载体飞行的速度和加速度都很大，接收机必须在这种高动态环境下完成信号的捕获与跟踪。星载GPS接收机，长期工作在卫星上，飞行区域很大，要频繁切换所跟踪的GPS卫星。为保证有足够的卫星参与定位，接收机须很短时间捕获新出现的可见卫星。这种复杂的高动态环境，在地面若不借助高动态GPS卫星信号模拟器很难模拟这种环境下收到的GPS信号，也就不能检验接收机对信号的捕获和跟踪情况。

　　GPS卫星信号模拟器根据飞行器飞行轨道，调整模拟器伪码时钟和载频多普勒频率，产生高动态GPS卫星信号，GPS接收机接收模拟器信号，完成信号的捕获和跟踪，从而检验接收机的捕获跟踪能力。这在高动态接收机的研制阶段尤其方便，可以通过反复利用模拟器进行实验，不断优化接收机环路参数，使接收机的捕获和跟踪能力达到最佳。

　　2.作为精度比较标准检验GPS接收机的动态测量精度

　　鉴定一种设备的测量精度理论上应选用精度高10倍以上的另一种设备作为比较标准，工程应用时要求虽有降低，但比较标准的精度至少也要比被鉴定设备精度高3倍。目前，载波相位型GPS接收机静态测量精度可以达到毫米级，动态测量采用RTK技术定位精度可以达到厘米级。将接收机放置在由大地测量部门建立的精密基线上，可以检验接收机的静态测量精度。但对动态测量精度，目前还没有测量设备精度达到鉴定GPS接收机测量精度的要求，对GPS接收机动态测量精度的鉴定还是一个难题。退一步讲，即使能找到一种比较标准鉴定接收机的动态测量精度，进行一次试验将耗费大量人力和物力。

　　由于卫星信号模拟器可以根据目标飞行的轨迹产生相应的动态的GPS信号，任何时刻目标位置和速度、目标到各星的距离、距离变化率是精确已知的。接收机测量得到的目标轨迹与设定的目标轨迹进行比较，可以检验接收机的动态测量精度。同时各个时刻接收机测量的卫星伪距、伪距变化率与其理论值比较，可以得到接收机测量元素的精度。可见，利用GPS卫星信号器鉴定GPS设备的测量精度是一条可以借鉴的途径，能节省大量试验费用。

　　3.产生特定的GPS信号验证测量方案的可行性

　　利用GPS测量目标，要求天线能够通视GPS卫星。在飞行器运动时若姿态有较大变化，则可导致信号中断，引起接收机失锁。为保证测量的连续性，需要使用2个或多个天线同时接收卫星信号，各天线信号送相加器进行射频合成后送GPS接收机接收，见图2。这虽然有利于天线对GPS卫星有较好覆盖，但会产生因两天线之间的干涉造成信号质量下降问题。天线干涉区与2个天线的相对安装位置、卫星位置、载体姿态、天线方向性图等因素有关，直接进行理论分析比较困难。利用GPS卫星信号模拟器，可根据飞行器飞行轨道和2个天线的相对位置，产生2个天线合成输出的GPS信号。不断改变两天线安装相对位置参数，观察接收机的工作情况，为选择最有利的天线安装位置提供参考。

六、结束语

　　本文介绍了高动态GPS卫星信号模拟器的工作原理，提出了模拟器研制涉及的部分关键技术并进行了相应分析。当然，模拟器作为一种高技术产品，还有许多技术难题需要我们进一步研究和解决。模拟器的研制将为GPS设备开发提供有利支持，进一步推动GPS的广泛应用。随着我国“北斗”卫星导航系统建成并投入运营，需要对“北斗”卫星动态信号进行仿真，以便为“北斗”接收机研制提供测试环境，GPS卫星信号模拟技术可直接应用于 “北斗”卫星信号仿真，为“北斗”卫星信号模拟器研制奠定基础。

参考文献

［１］Billing I C. STR4760 Multi-Channel GPS/SBAS Simulator PRoduct Specification［Ｓ］.SPRIRENT Communications,December 2000.

［２］Lt Phillip M Corbell,etc. Design and Analysis of a Matlab Based Digitized IF GPS Signal Simulator and a Simulink Based Configurable GPS Receiver［Ａ］. IONGPS 2000［Ｃ］．ＵＴ:Salt Lake,Sept.2000.19～２２．

［３］杨小牛，楼才义，徐建良. 软件无线电原理与应用［Ｍ］.北京：电子工业出版社，2001．

［４］黄捷. 电波大气折射误差修正［Ｍ］. 北京：国防工业出版社，1999．

［５］John F R. Development of a Method for Kinematic GPS Carrier-Phase Ambiguity Resolution Using Multiple Reference Receivers［Ｄ］.ＣＡ：The University of CALGARY,May 1998.

［６］方群，袁建平，郑鄂. 卫星定位导航基础［Ｍ］. 西安：西北工业大学出版社，1999．

摘自　电讯技术

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