集成電離層閃爍仿真的數(shù)字中頻GPS信號模擬器設(shè)計驗證

王 娜，寇艷紅

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

1 引言

電離層閃爍會造成衛(wèi)星導(dǎo)航信號的幅度和相位隨機(jī)起伏變化[1-2]，使得接收機(jī)測量誤差增大、頻繁周跳，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)頻繁、持續(xù)的衛(wèi)星信號失鎖現(xiàn)象[3-4]。隨著全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)應(yīng)用的日益廣泛，電離層閃爍成為衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注的一個重要問題[5-7]。

目前較成熟的用于GPS接收機(jī)算法研究與性能評估的閃爍信號統(tǒng)計模型為AJ-Stanford模型[8]和Cornell模型[9]。它們是基于大量實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性提出的，用來模擬閃爍信號幅度和相位變化量的時間序列[10]。文獻(xiàn)[5]設(shè)計了基于AJ-Stanford模型的電離層閃爍仿真軟件，文獻(xiàn)[6]在此基礎(chǔ)上設(shè)計了集成特定閃爍模型的數(shù)字中頻GPS信號模擬器，但在功能豐富性、參數(shù)配置靈活性和測試便利性上有待加強(qiáng)。由于AJ-Stanford模型與Cornell模型各有優(yōu)缺點，為了滿足不同條件下GPS接收機(jī)抗閃爍算法研究及性能測試需求，首先完善了兩種模型的電離層閃爍仿真軟件，可以靈活配置閃爍模型各相關(guān)參數(shù)、閃爍仿真時長和數(shù)據(jù)更新周期，生成閃爍條件下的GPS信號幅度波動與載波相位波動數(shù)據(jù)；進(jìn)一步開發(fā)了具有多種電離層閃爍仿真功能的數(shù)字中頻GPS信號模擬器，能夠靈活配置閃爍衛(wèi)星PRN號、閃爍模型、閃爍開始時間、閃爍持續(xù)時間以及不同的閃爍量級。最后通過實驗室自研的軟件GPS接收機(jī)對集成電離層閃爍仿真功能的數(shù)字中頻GPS信號模擬器進(jìn)行了測試，驗證了該軟件的設(shè)計正確性，從而為GPS接收機(jī)抗閃爍算法研究及性能測試提供所需的平臺工具，同時該模擬器已被實際應(yīng)用到了有關(guān)GPS掩星技術(shù)研究中。

2 電離層閃爍仿真軟件

在沒有電離層閃爍影響的條件下，接收機(jī)接收到某一特定衛(wèi)星信號的簡單模型為

r(t)=A0cos[2π(fIF+fd)t+φ0]
b(t-τ)d+n(t)

(1)

式中，A0為接收到衛(wèi)星信號的幅度，fIF為中頻頻率，fd為多普勒頻率，φ0為載波相位，c為擴(kuò)頻碼，d為導(dǎo)航電文，n(t)為噪聲。

電離層閃爍會造成接收信號的幅度衰落和相位擾動，在閃爍條件下接收到信號的模型為

r(t)=A0δAcos[2π(fIF+fd)t+φ0+δφ]
b(t-τ)d+n(t)

(2)

式中，δA為閃爍引起的乘性的幅度衰落值，δφ為閃爍引起的加性的相位波動值。

AJ-Stanford模型和Cornell模型是兩種常用的電離層閃爍下GPS信號的統(tǒng)計模型。文獻(xiàn)[8]及文獻(xiàn)[9]詳細(xì)闡述了兩種閃爍模型的原理。本文開發(fā)了針對AJ-Stanford模型和Cornell模型的電離層閃爍仿真軟件，可以得到特定閃爍量級下的GPS信號幅度波動和載波相位波動序列。對于兩種模型均能靈活配置S4指數(shù)、數(shù)據(jù)更新周期及仿真時長；所不同的是，對于AJ-Stanford模型還可以配置相位波動標(biāo)準(zhǔn)差、幅度與相位間的相關(guān)系數(shù)，對于Cornell模型還可以配置解相關(guān)時間。

2.1 AJ-Stanford模型仿真及結(jié)果分析

表1 AJ-Stanford模型參數(shù)配置示例

圖1 AJ-Stanford閃爍模型仿真結(jié)果

從圖1可以看出，AJ-Stanford閃爍模型下所仿真信號的強(qiáng)度變化服從Nakagami-m分布，載波相位變化服從均值為零的高斯分布，信號強(qiáng)度譜密度和相位譜密度均服從一定的冪律分布，由仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的統(tǒng)計特征量與仿真設(shè)定值吻合，從而驗證了所開發(fā)軟件仿真AJ-Stanford閃爍模型的正確性。

2.2 Cornell模型仿真及結(jié)果分析

Cornell模型僅能模擬S4<1時的情況[9]。具體數(shù)據(jù)的參數(shù)配置示例如表2所示。同樣提取幅度波動序列與相位波動序列的相關(guān)特征量，包括概率密度函數(shù)曲線以及冪律譜特性，見圖2所示。

表2 Cornell模型參數(shù)配置示例

圖2 Cornell閃爍模型仿真結(jié)果

從圖2可以看出，Cornell閃爍模型下所仿真信號的強(qiáng)度變化服從萊斯(Rice)分布，載波相位變化服從均值為零的高斯分布，信號強(qiáng)度譜密度和相位譜密度均服從一定的冪律分布，由仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的統(tǒng)計特征量與仿真設(shè)定值吻合，從而驗證了所開發(fā)軟件仿真仿真Cornell閃爍模型的正確性。

3 集成電離層閃爍仿真功能的數(shù)字中頻GPS信號模擬器

3.1 模擬器原理

電離層閃爍條件下的數(shù)字中頻GPS信號可表示成[6]

(3)

A(t)=A0δA(t)φ(t)=φ0+δφ(t)

(4)

式中，信號幅度波動序列δA(t)與載波相位波動序列δφ(t)可由電離層閃爍仿真軟件產(chǎn)生的一系列閃爍幅度值與相位值經(jīng)插值運(yùn)算得到，即δA(t)與δφ(t)與數(shù)字中頻信號模擬器的采樣頻率相匹配。

集成電離層閃爍仿真功能的數(shù)字中頻信號模擬器原理框圖如圖3所示。本文開發(fā)的模擬器可以靈活調(diào)整閃爍衛(wèi)星PRN號、閃爍模型(AJ-Stanford模型/Cornell模型)、閃爍開始時間、閃爍持續(xù)時間、S4指數(shù)、相位閃爍因子、閃爍數(shù)據(jù)更新速率等參數(shù)，滿足不同條件下GPS接收機(jī)抗閃爍算法研究及性能測試需求。

圖3 集成閃爍仿真的數(shù)字中頻GPS信號模擬器框圖

3.2 數(shù)據(jù)仿真及結(jié)果分析

為了驗證所設(shè)計的集成電離層閃爍仿真功能的數(shù)字中頻GPS信號模擬器的功能完整性和正確性，針對兩種不同的閃爍模型，對模擬器進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真及結(jié)果分析。首先利用電離層閃爍仿真軟件，生成所需的閃爍信號幅度波動數(shù)據(jù)文件和相位波動數(shù)據(jù)文件；并作為數(shù)字中頻GPS信號模擬器的輸入文件，利用該模擬器合成電離層閃爍條件下的數(shù)字中頻GPS信號；繼而將中頻信號輸入到實驗室自研的軟件GPS接收機(jī)中，提取信號的載波相位值以及跟蹤通道相關(guān)器的同相和正交積分值，進(jìn)一步得到電離層閃爍相關(guān)參數(shù)的變化趨勢[10-12]，并與模擬器原始仿真配置的相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行對比。

1)Cornell模型下的數(shù)據(jù)仿真及結(jié)果分析

首先仿真分析閃爍模型為Cornell模型的數(shù)字中頻GPS信號。為了驗證閃爍時間設(shè)置的正確性，從仿真開始后20 s加入電離層閃爍影響，閃爍持續(xù)時間500 s。一共仿真12 min的中頻數(shù)據(jù)。模擬器各閃爍參數(shù)配置如表3所示。

表3 模擬器電離層閃爍仿真參數(shù)配置表之一

利用軟件GPS接收機(jī)對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取閃爍相關(guān)參數(shù)，結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)為接收機(jī)對PRN1衛(wèi)星信號的載噪比估計值，可見載噪比波動較大的區(qū)間與設(shè)定的閃爍時間相對應(yīng)；圖4(b)是根據(jù)同相和正交積分值計算的S4指數(shù)估計值，可見閃爍影響下S4 指數(shù)在預(yù)設(shè)值0.5附近波動，未施加閃爍時接近0值；圖4(c)為由接收機(jī)提取的電離層閃爍條件下數(shù)字中頻GPS信號的強(qiáng)度冪律譜，圖4(d)為電離層閃爍仿真軟件輸出的閃爍信號強(qiáng)度冪律譜，對比可見，兩者的冪律譜指數(shù)比較接近；圖4(e)為接收機(jī)提取的電離層閃爍條件下數(shù)字中頻信號的載波相位冪律譜，圖4(f)為電離層閃爍仿真軟件輸出的閃爍信號載波相位冪律譜，對比可見，相位冪律譜指數(shù)相差較大，這是因為接收機(jī)提取的載波相位值受接收機(jī)跟蹤環(huán)路配置和其他誤差因素的影響較大[10]。這些結(jié)果驗證了模擬器仿真Cornell模型電離層閃爍條件下數(shù)字中頻GPS信號的正確性。

2)AJ-Stanford模型下的數(shù)據(jù)仿真及結(jié)果分析

接下來仿真分析在閃爍模型為AJ-Stanford模型、多顆可見衛(wèi)星信號在不同時間發(fā)生閃爍以及不同閃爍量級條件下的數(shù)字中頻GPS信號。為了驗證對多顆可見星施加閃爍的正確性，選取PRN1與PRN3作為試驗衛(wèi)星，共仿真14 min的中頻數(shù)據(jù)。對于PRN1從仿真開始后20 s開始施加閃爍，先后受兩種不同閃爍量級的影響，兩種閃爍量級影響時間均為300 s，即閃爍共持續(xù)600 s；對于PRN3從仿真開始后50 s加入閃爍影響，同樣先后受兩種不同閃爍量級的影響，兩種閃爍量級影響時間均為300 s，即閃爍共持續(xù)600 s。模擬器各相關(guān)參數(shù)配置如表4所示。

圖4 閃爍相關(guān)特征量變化圖

閃爍模型閃爍衛(wèi)星PRN閃爍開始時間/s(從仿真開始時刻算起)閃爍持續(xù)時間/sS4指數(shù)相位波動標(biāo)準(zhǔn)差相關(guān)系數(shù)數(shù)據(jù)更新周期/msAJ-Stanford1203000.60.45-0.623000.40.25-0.613503000.60.45-0.623000.40.25-0.61

利用軟件GPS接收機(jī)對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取閃爍相關(guān)參數(shù)，結(jié)果如圖5所示。其中圖5(a)、5(b)、5(e)、5(f)分別為接收機(jī)提取的PRN1信號在20～320 s(從仿真開始時刻算起)、PRN1信號在320～620 s、PRN3信號在20～320 s、PRN3信號在320～620 s時間區(qū)間內(nèi)的閃爍信號強(qiáng)度譜，圖5(c)、5(d)、5(g)、5(h)分別為電離層閃爍仿真軟件輸出的PRN1信號在20～320 s(從仿真開始時刻算起)、PRN1信號在320～620 s、PRN3信號在20～320 s、PRN3信號在320～620 s時間區(qū)間內(nèi)的閃爍信號強(qiáng)度譜，對比可見，兩者的冪律譜指數(shù)比較接近；圖5(i)、5(g)、5(m)、5(n) 分別為接收機(jī)提取的PRN1信號在20～320 s、PRN1信號在320～620 s、PRN3信號在20～320 s、PRN3信號在320～620 s時間區(qū)間內(nèi)的閃爍信號載波相位冪率譜，圖5(k)、5(l)、5(o)、5(p)分別為電離層閃爍仿真軟件輸出的PRN1信號在20～320 s(從仿真開始時刻算起)、PRN1信號在320～620 s、PRN3信號在20～320 s、PRN3信號在320～620 s時間區(qū)間內(nèi)的閃爍信號載波相位冪率譜。圖5(q)及圖5(r)為接收機(jī)每1 min輸出一個的PRN1與PRN3信號的S4指數(shù)估計值，可見在前5 min中S4指數(shù)在0.6附近變化，6～10 min中S4指數(shù)在0.4附近波動，與模擬器設(shè)置值相吻合。類似地，圖5(s)及圖5(t)為為接收機(jī)每1 min輸出一個的PRN1與PRN3信號的載波相位波動標(biāo)準(zhǔn)差估計值，可見在前5 min中估計值在0.45附近波動，6～10 min中估計值在0.25附近波動，與模擬器設(shè)置值相吻合。由上述實驗結(jié)果可知，在閃爍模型設(shè)置為AJ-Stanford模型、多顆可見衛(wèi)星信號閃爍以及不同閃爍量級條件下，模擬器可以正確模擬電離層閃爍條件下的數(shù)字中頻信號。

圖5 接收機(jī)提取的閃爍相關(guān)特征量變化圖

4 結(jié)束語

本文基于AJ-Stanford模型與Cornell模型開發(fā)了電離層閃爍仿真軟件，并進(jìn)一步設(shè)計了集成電離層閃爍仿真功能的數(shù)字中頻GPS信號模擬器，可以靈活調(diào)整閃爍衛(wèi)星PRN號、閃爍模型及相關(guān)參數(shù)、閃爍開始時間、閃爍持續(xù)時間等；通過實驗室自研的軟件GPS接收機(jī)對該模擬器進(jìn)行了測試，實驗結(jié)果驗證了其設(shè)計正確性及功能完整性，從而為電離層閃爍科學(xué)研究、GPS接收機(jī)抗閃爍算法研究和性能測試提供適用的平臺工具。

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