衛(wèi)星信號模擬器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

侯 博,謝 杰,劉光斌

(解放軍第二炮兵工程學(xué)院,西安 710025)

1 引 言

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”和Galileo四足鼎立之勢,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)成為大國必備的、關(guān)系國家安全的基礎(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)航接收機無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)星信號模擬器作為接收機特別是高端接收機開發(fā)與驗證的必備工具,其技術(shù)難點主要存在兩個方面:由于模擬器仿真的衛(wèi)星信號是擴頻、調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相的復(fù)雜信號,模擬器需要非常合理的軟硬件架構(gòu)和信號的生成方案;實際衛(wèi)星信號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,以實現(xiàn)信號的逼真模擬。相比于國外,國內(nèi)無論是衛(wèi)星信號系統(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致深入。近年來,國外涌現(xiàn)出一大批軟件、硬件以及混合架構(gòu)的模擬器,其功能強大、門類齊全,國內(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)星信號模擬器的相關(guān)理論研究和產(chǎn)品研發(fā)進入了一個全新階段,也呈現(xiàn)出一些新的發(fā)展趨勢。

2 國內(nèi)外模擬器理論研究與產(chǎn)品現(xiàn)狀

2.1 國外模擬器理論研究與產(chǎn)品現(xiàn)狀

2.1.1 模擬器架構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計研究現(xiàn)狀

國外對于衛(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70年代后期,GPS尚處于方案論證階段,美國空軍就已經(jīng)建立了地面測試與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。近十余年來,加拿大Calgary大學(xué)和York大學(xué)、美國的Stanford大學(xué)和Ohio大學(xué)、德國航天中心等諸多著名大學(xué)和研究機構(gòu)都對衛(wèi)星信號仿真理論與應(yīng)用進行了深入研究,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]中詳細探討GPS實際信號中存在的各種誤差并建立了相應(yīng)的模型,對各模型的有效性進行了驗證。Corbell[3]和 Lei Dong[4]分別開發(fā)了基于Matlab的GPS中頻信號軟件模擬器。Lei Dong在論文中將衛(wèi)星信號的多普勒頻移表示為偽距的一部分,大大降低了仿真計算量。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距離的改變產(chǎn)生,而衛(wèi)星與接收機載體間的偽距本身就是兩者距離的表示。2009年,德國航天中心F.M.Schubert開發(fā)了基于C++的開源軟件GNSS信號模擬器SNACS,該模擬器中引入了包含更多誤差項的信道模型,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等也開發(fā)了多模衛(wèi)星信號軟件模擬器(Multi-GNSS Observables Simulator,MGOS),文獻[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)計劃資助,Agilent(安捷倫)、TeleConsult等公司參與研發(fā)的衛(wèi)星信號模擬器。該衛(wèi)星信號模擬器可以進行GPS L1、Galileo L1和SBAS信號的仿真,硬件部分包括信號API接口、基帶信號生成器和射頻前端,但是論文中沒有具體涉及仿真的軟硬件實現(xiàn)方法。David A.Hall介紹了Averna公司基于NI射頻測試平臺開發(fā)的錄播式模擬器[8]。然而錄播式模擬器主要存在兩個缺陷,一是錄制的信號中摻雜著現(xiàn)實環(huán)境中的多種干擾信號,二是錄制條件決定其模擬的載體場景例如高度、速度、運動曲線都受到很大限制 。國外基于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)星信號模擬器中涉及敏感技術(shù),西方發(fā)達國家對中國實行嚴格的模擬器進口管制,公開發(fā)表的有價值的論文很少,而且軟件模擬器相關(guān)論文居多,涉及硬件實現(xiàn)的論文寥寥無幾。

(3)混合架構(gòu)模擬器

混合架構(gòu)即基于Matlab或其它軟件計算得到中頻信號存儲在存儲器中,而后將文件直接發(fā)送給接收機或通過硬件調(diào)制模塊生成射頻信號測試接收機整體性能。NAVSYS公司一直致力于 AGHS(Advanced GPS Hybrid Simulator)架構(gòu)[9]的GPS衛(wèi)星信號仿真產(chǎn)品的研制,該公司的模擬器多采用“Matlab+DSR存儲器”式結(jié)構(gòu)。

由于近年國外模擬器整體架構(gòu)逐步成熟,相關(guān)產(chǎn)品較多,關(guān)于架構(gòu)和實現(xiàn)方面的論文文獻趨少。

2.1.2 主要相關(guān)模型的研究進展

(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)、計算量小、實時性好,GPS和“北斗二號”衛(wèi)星信號的導(dǎo)航電文中均包含Klobuchar模型參數(shù),為接收機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。近年來由于電離層監(jiān)測網(wǎng)的建立,接近實時的電離層延遲補償成為可能,得到了廣泛應(yīng)用。

電離層閃爍可以引起信號幅度、相位、時延的快速抖動,嚴重時可以造成接收機失去捕獲?，F(xiàn)階段,電離層閃爍對于GNSS系統(tǒng)影響的研究正在國外廣泛展開。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GPS接收機相位跟蹤環(huán)路性能。2010年,Rajendra Malla與Robert Fries分別使用Cornell大學(xué)和Air Force Research Laboratory開發(fā)的電離層閃爍仿真工具,結(jié)合Sprient公司的GPS信號模擬器分析電離層閃爍對接收機的性能影響,提出將閃爍造成接收機定位中斷的概率作為反映接收機架構(gòu)和算法性能指標的方法[12]。

(2)多徑效應(yīng)模型

2006年,Tao Hu在碩士論文中重點討論了室內(nèi)環(huán)境中復(fù)雜多徑效應(yīng)下的GPS衛(wèi)星信號仿真[13],建立了多種室內(nèi)場景的多徑效應(yīng)模型,使用了硬件模擬器在各場景內(nèi)對仿真模型進行了驗證。此論文是多徑效應(yīng)仿真較為經(jīng)典的論文之一。近年來,室內(nèi)、城市、叢林、環(huán)境等下的多徑效應(yīng)成為了國外研究的熱點。

(3)其余誤差模型

常用的對流層模型還有改進Hopfield模型、Saastamonien模型、Neill模型、Davis模型等。近年來,對流層校正研究主要方向有兩個:一個是差分方法;另一個是使用氣象觀測機構(gòu)(如NOAA,即美國國家海洋和大氣管理局)根據(jù)觀測網(wǎng)給出的對流層數(shù)據(jù)進行實時延遲校正。國外對于單頻用戶獨立定位的對流層模型研究趨少。

相對論效應(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 國外模擬器產(chǎn)品現(xiàn)狀

國外有眾多公司推出了配置靈活、功能強大的衛(wèi)星信號模擬器產(chǎn)品。其中,英國Sprient公司在衛(wèi)星信號模擬器領(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Aeroflex、Pendulum公司推出的硬件模擬器產(chǎn)品也在市場上占有一定份額。

2008年,美國國家儀器(NI)有限公司發(fā)布了基于LabView和PXI軟件無線電平臺的GPS工具包,可以模擬GPS L1頻段C/A碼信號,在配備磁盤陣列時可以進行GPS信號錄播,其系統(tǒng)架構(gòu)與AGHS相似。Agilent在部分信號源產(chǎn)品上也可以增加簡單的GPS信號生成功能。

2.2 國內(nèi)模擬器理論研究與產(chǎn)品現(xiàn)狀

2.2.1 模擬器研究現(xiàn)狀

北京航空航天大學(xué)依托國家自然基金,率先開展了GPS衛(wèi)星信號模擬器和接收機領(lǐng)域的研究,對GPS衛(wèi)星信號仿真基本原理和構(gòu)架、誤差仿真數(shù)學(xué)模型和實現(xiàn)方法進行了深入的理論研究,從軟件架構(gòu)和硬件實現(xiàn)上對GPS衛(wèi)星信號模擬器進行了探索[14—16]。

國防科技大學(xué)也開展了模擬器的相關(guān)研究。張惠軍等針對模擬器中信號延遲、衛(wèi)星位置等參數(shù)計算量大、迭代次數(shù)多等特點,提出在精度要求不高情況下使用插值和擬合減少計算量的方法[17]。羅益鴻等在其論文中給出了基于迭代的精密偽距計算方法[18],針對計算時間過長的問題,作者進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,大大降低了計算量。單慶曉等提出在FPGA中采用延遲濾波器仿真GPS偽隨機碼的延遲方案[19],這種方案實際應(yīng)用可行,但硬件代價較大。羅顯志等在其論文中介紹了基于Matlab的GPS/Galileo信號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GLONASS衛(wèi)星信號仿真理論進行了深入研究,研制了GLONASS衛(wèi)星信號模擬器,文獻[21]中給出了該模擬器的軟硬件架構(gòu)。2009年,程俊仁碩士成功開發(fā)了多模衛(wèi)星信號模擬器的上位機軟件,解決了各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時空表示不統(tǒng)一情況下的信號同步仿真問題[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)星信號多普勒模擬方法[23—24],通過三階DDS級聯(lián),在模型中引入衛(wèi)星和接收機相對運動的速度、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題,多普勒效應(yīng)仿真更加逼真,但是作者沒有給出各階DDS控制字的具體計算方法。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行衛(wèi)星信號模擬器的研究。

國內(nèi)近年來的40余篇衛(wèi)星信號模擬器相關(guān)文獻中結(jié)果大多是計算機仿真得出,多篇硬件模擬器論文缺乏接收機實驗驗證。當(dāng)前尚無公開發(fā)表的“北斗二號”衛(wèi)星信號模擬器相關(guān)論文。

2.2.2 國內(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)院和國防科技大學(xué)推出了GNS8000系列模擬器,可以實現(xiàn)GPS、GLONASS、Galileo衛(wèi)星信號的仿真。第二炮兵工程學(xué)院研制了世界上第一款可以實現(xiàn)GPS、GLONASS和“北斗一號”信號任意時空同步仿真的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)域的研究優(yōu)勢,開發(fā)出了“CSG-5000單端口北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號源”,可以產(chǎn)生“北斗二號”B1、B2、B3三個頻點的粗碼和精碼仿真和信號傳播的多徑效應(yīng)仿真。據(jù)悉,國防科技大學(xué)已經(jīng)成功研制“北斗二號”衛(wèi)星模擬器。此外,多家國內(nèi)公司也都發(fā)布了“北斗二號”衛(wèi)星信號模擬器產(chǎn)品的宣傳廣告,但經(jīng)咨詢得知并無實物或現(xiàn)貨。

由于衛(wèi)星信號模擬器特別是“北斗二號”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行此領(lǐng)域的研究。第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(CSNC 2011)將于2011年5月在上海舉行,屆時必將有更新的模擬器產(chǎn)品亮相。

2.3 國內(nèi)外理論研究、產(chǎn)品現(xiàn)狀對比與分析

國內(nèi)模擬器領(lǐng)域無論是理論研究還是產(chǎn)品性能,水平依然較國外有著較大差距,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,國外已經(jīng)達到了非常精細的水準,例如室內(nèi)、叢林、海洋等環(huán)境的影響、信號多徑效應(yīng)、電離層閃爍、電離層和對流層延遲網(wǎng)格校正等更為細致深入的研究早已在國外廣泛開展,國內(nèi)對此研究依舊較少。究其主要原因,一方面我國衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究起步晚,一直沒有屬于自己的導(dǎo)航系統(tǒng)和相應(yīng)觀測手段;另一方面,西方對高動態(tài)模擬器進行了嚴格的技術(shù)封鎖,且人為限制出口我國的模擬器可仿真載體速度和高度。

3 模擬器發(fā)展趨勢

衛(wèi)星信號模擬器發(fā)展趨勢主要呈現(xiàn)在以下幾個方面。

(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)航定位問題,多模多頻是接收機未來發(fā)展的必然方向?？梢詫崿F(xiàn)多系統(tǒng)多頻點衛(wèi)星信號組合仿真的模擬器將成為必然趨勢。

(2)高精度、高動態(tài)化

隨著電子元器件性能的提升、軟件無線電理論的發(fā)展和新型模擬器架構(gòu)的提出,衛(wèi)星信號模擬器的精度和動態(tài)范圍必將隨之提高,以實現(xiàn)高性能接收機的算法和功能驗證。

(3)真實化、實時化

模擬器提供的仿真信號越接近實際衛(wèi)星的信號就越能驗證接收機的真實工作性能,這就需要建立更為精準的衛(wèi)星信號誤差模型并將其融入仿真的信號中,例如多徑效應(yīng)模型、信號衰減模型、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的仿真信號生成也將成為未來模擬器必不可少的功能,用以驗證接收機抗干擾性能。

未來模擬器將更多地要求任意時空的實時仿真,單一的錄播轉(zhuǎn)發(fā)式的衛(wèi)星信號仿真最終將被淘汰,錄播將作為輔助功能存在。

(4)小型化、專業(yè)化、標準化

針對不同市場的需求,更為專業(yè)的接收機驗證模擬器和小型嵌入式模擬器將分別占據(jù)高低端市場。另一方面,國內(nèi)對于接收機已經(jīng)實施了部分標準,模擬器作為一種標準的信號源也需要一個行業(yè)標準進行規(guī)范。多家研究院所現(xiàn)在都在擬定模擬器的規(guī)范,以期申報為國家標準。

(5)與測試系統(tǒng)融為一體的“硬件在環(huán)”(Hardware-in-loop)仿真

未來的模擬器將提供多樣的標準化接口,提供與被測系統(tǒng)的交互,構(gòu)成完整的閉環(huán)測試回路,在驗證接收機性能的同時驗證定位數(shù)據(jù)處理和使用方案的可行性。

(6)軟件、硬件和AGHS架構(gòu)模擬器互補并存

軟件模擬器價格相對低廉,信號建模和調(diào)理方法靈活、簡便易行;硬件模擬器具有實時性高、可實施“硬件在環(huán)”仿真和接收機系統(tǒng)進行整體測試等優(yōu)勢;AGHS架構(gòu)模擬器則各取其半。在未來一段時間里,這種“三足鼎立”之勢不會改變。

(7)成為接收機檢定的標準源

我國現(xiàn)行接收機檢定手段多依賴于標準檢定場的各種基線,然而標準檢定場對于場地地質(zhì)、視野及周邊環(huán)境有較高要求,建設(shè)維護費用高昂,且檢定場易受基線向量誤差、點位漂移誤差、天氣等諸多不確定因素影響[25]。衛(wèi)星信號模擬器作為低成本的靈活測試工具,可以為接收機提供時空無約束的仿真信號,在未來將逐步取代檢定場基線成為接收機檢定的標準工具。

4 結(jié) 論

國內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域方興未艾,各方面研究仍較國外有很大差距。隨著“北斗二號”的建成,我國的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)必將得到長足的發(fā)展。然而,“北斗二號”星座尚未布滿,接收機開發(fā)缺乏信號源和驗證工具,國內(nèi)對于擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“北斗二號”衛(wèi)星信號模擬器需求十分緊迫。各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在未來互補并存,多模接收機必然得到廣泛應(yīng)用,開展的“北斗二號”及其它各系統(tǒng)的衛(wèi)星信號模擬器的研究具有巨大的經(jīng)濟效益和重大的軍事戰(zhàn)略意義。

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