BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王劍亮，樂亮，羅銀，劉奕宏（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州　510610）

BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王劍亮，樂亮，羅銀，劉奕宏
（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州510610）

0　引言

目前全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在軌運行的有四大系統(tǒng)，分別是美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng) （GLONASS）、歐盟的伽利略系統(tǒng)（Galileo）和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou（COMPASS）Navigation Satellite System）是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)基本完成第二個階段的建設(shè)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的第二個階段以及第三個階段統(tǒng)稱為北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)北斗系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，覆蓋全球的北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將于2020年左右建成［1］。

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是由空間段，地面段，用戶段三部分組成?？臻g段主要包括5個靜止軌道（GEO）衛(wèi)星、27個中圓地球軌道（MEO）衛(wèi)星、3個傾斜同步軌道（IGSO）衛(wèi)星。地面段包括主控站、衛(wèi)星導(dǎo)航注入站和監(jiān)測站［2］。用戶段由手持型、車載型和指揮型等各種類型的終端組成，也包括與其他導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端［3］。

BD觀測數(shù)據(jù)仿真對于BD導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有著特別重要的意義，觀測數(shù)據(jù)對于評判北斗衛(wèi)星的導(dǎo)航定位性能具有著重要的影響，對于北斗的無源定位來說，觀測站至少要在同一時刻觀測到四顆衛(wèi)星才能夠確定觀測站的位置［4］。觀測數(shù)據(jù)仿真模塊除了能夠生成觀測數(shù)據(jù)文件之外，還可以完成觀測站可見衛(wèi)星星座圖的繪制。

1　北斗導(dǎo)航綜合仿真測試平臺介紹

BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)是基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航綜合仿真測試平臺，是該平臺控制系統(tǒng)所要實現(xiàn)的重要部分。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航綜合仿真測試平臺主要由控制系統(tǒng)、模擬信號源、標(biāo)準(zhǔn)接收機、有線測試臺組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1　北斗導(dǎo)航綜合仿真測試平臺

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航綜合仿真測試平臺的基本原理：控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的測試參數(shù)實時生成仿真數(shù)據(jù)，同時通過網(wǎng)絡(luò)控制模擬信號源按照生成的仿真數(shù)據(jù)產(chǎn)生所需的衛(wèi)星導(dǎo)航射頻模擬信號 （在進(jìn)行干擾測試時還需要產(chǎn)生干擾信號），產(chǎn)生的模擬信號經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)接收機驗證正常后輸入到有線測試臺的被測設(shè)備，被測設(shè)備接收到射頻信號經(jīng)處理計算后解算出位置或速度信息并經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收到被測設(shè)備上報的結(jié)果后進(jìn)行實時評估。

（1）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是整個測試平臺運行管理控制中心，BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)通過它可以完成北斗衛(wèi)星星座圖、可見衛(wèi)星星座圖、電離層與對對流層延遲效應(yīng)、衛(wèi)星鐘差、觀測數(shù)據(jù)的實時仿真分析［5］?？刂葡到y(tǒng)以通用工作站計算機為主體設(shè)備，采用一臺在線一臺備份的工作模式。

（2）模擬信號源：BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)用的模擬信號源主要任務(wù)是把仿真的觀測數(shù)據(jù)精確地生成射頻模擬信號并且可以加載干擾信號以便進(jìn)行干擾測試［7］。

（3）標(biāo)準(zhǔn)接收機：標(biāo)準(zhǔn)接收機主要任務(wù)是監(jiān)測接收模擬信號源發(fā)射的衛(wèi)星導(dǎo)航射頻模擬信號是否正常，系統(tǒng)鏈路是否異常。另外，標(biāo)準(zhǔn)接收機還可以對控制系統(tǒng)所仿真的模擬場景進(jìn)行驗證，為系統(tǒng)提供在線或離線狀態(tài)下實現(xiàn)完好性監(jiān)測的重要手段。

（4）有線測試臺：有線測試臺主要任務(wù)是提供用戶終端、模塊、芯片等被測設(shè)備有線測試射頻信號和中頻信號線以及數(shù)據(jù)線的連接，同時還負(fù)責(zé)被測設(shè)備的擺放和固定。BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)的有線測試臺由4個獨立的測試平臺組成，每個測試平臺臺面尺寸約為2m×1m（長寬），可以滿足4臺被測設(shè)備的有線并行測試。

2　BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計與實現(xiàn)

BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成觀測數(shù)據(jù)文件生成和可見衛(wèi)星星座圖仿真。觀測數(shù)據(jù)文件中記錄偽據(jù)、電離層誤差值、對流層誤差值。觀測數(shù)據(jù)文件為.txt形式，對于所生成的觀測數(shù)據(jù)文件可以進(jìn)行保存和讀取操作。可見衛(wèi)星星座圖仿真是指觀測站可見的衛(wèi)星星座圖的仿真。

BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)運行于Windows平臺，使用VC、MATLAB和數(shù)據(jù)庫語言，實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)文件生成和可見衛(wèi)星星座圖仿真。它通過VC調(diào)用MATLAB引擎來實現(xiàn)VC與MATLAB相結(jié)合的繪制可見衛(wèi)星星座圖。

VC6.0環(huán)境設(shè)置：通過菜單 Tools/Options…，打開設(shè)置屬性頁，進(jìn)入Directories頁面，目錄下拉列表框中選擇Include Files，添加下面兩個路徑：D：PROGRAMFILESMATLABR2012AEXTERNINCLUDE；D：PROGRAMFILESMATLABR2012AEXTERNINCLUDE WIN32。再選擇 Library Files，添加路徑：D：PROGRAMFILESMATLABR2009AEXTERNLIBWIN32 MICROSOFT，選擇菜單Project/Settings，打開工程設(shè)置屬性頁，進(jìn)入Link頁面，在Object/library modules編輯框中，添加文件名libmx.lib libmat.lib libeng.lib，以空格隔開［8］。

（1）觀測數(shù)據(jù)仿真流程圖

觀測數(shù)據(jù)文件生成的具體流程如下：

①首先必須進(jìn)行觀測站初始設(shè)置。觀測站分為靜止?fàn)顟B(tài)和運動狀態(tài)，選擇好觀測站的運動狀態(tài)后設(shè)置觀測站在該狀態(tài)下的初始參數(shù)：靜止?fàn)顟B(tài)的設(shè)置包括觀測站位置（經(jīng)度、緯度、高度）、觀測時間間隔（單位是分鐘）和觀測時間段；運動狀態(tài)的設(shè)置包括觀測時間間隔（單位是秒）以及“簡單載體運動軌跡模擬”的相關(guān)運動參數(shù)的設(shè)置。如果選擇的是運動狀態(tài)，將會根據(jù)初始參數(shù)和運動模型模擬運動軌跡，并且可以保存運動軌跡的坐標(biāo)；

②分別進(jìn)行衛(wèi)星鐘差模型、電離層延遲模型、對流層延遲模型參數(shù)設(shè)置。這里的參數(shù)設(shè)置是可選性的，如果不進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體計算時就會使用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)；否則將新設(shè)置的參數(shù)記錄在數(shù)據(jù)庫中，供具體計算所使用；

③當(dāng)所有的參數(shù)都設(shè)置完成后，判斷對于觀測站來說的可見衛(wèi)星，并計算可見衛(wèi)星與觀測站之間的初始距離真值；

④根據(jù)誤差計算模型，計算可見衛(wèi)星所對應(yīng)的各種距離誤差值，結(jié)合第3步得到偽據(jù)的初值；

⑤根據(jù)“偽據(jù)迭代計算方法”計算最終偽據(jù)，保存?zhèn)螕?jù)、電離層誤差值、對流層誤差值到觀測文件。

觀測數(shù)據(jù)文件生成的具體流程如圖2所示。

（2）觀測站靜止時的觀測數(shù)據(jù)生成仿真

圖2　觀測數(shù)據(jù)文件生成的具體流程圖

相關(guān)參數(shù)設(shè)置：位置（經(jīng)度東經(jīng)，緯度北緯，高度1200米），觀測時間段（2014年12月1日10時0分0秒至2014年12月1日10時25分0秒），觀測時間間隔300秒，B1頻點，觀測站的高度截止角，結(jié)果如圖3所示。

（3）觀測站可見衛(wèi)星星座圖仿真流程

觀測站可見衛(wèi)星星座圖仿真的輸入初始參數(shù)只有觀測時間，并且該觀測時間必須在觀測站初始設(shè)置的時間范圍內(nèi)。該功能的具體實現(xiàn)過程如下：

①依據(jù)輸入的具體參考時刻以及觀測站的初始設(shè)置，計算出觀測站在該時刻的具體位置。如果觀測站靜止，則無需計算；否則依據(jù)具體的運動軌跡模擬模型計算出觀測站的位置；

圖3　觀測站靜止時觀測數(shù)據(jù)生成的仿真結(jié)果

②計算出每顆衛(wèi)星在該時刻的位置；

③依據(jù)觀測站的位置和衛(wèi)星的位置，判斷出可見衛(wèi)星，并且記錄衛(wèi)星名稱；

④依據(jù)記錄的衛(wèi)星名稱，從數(shù)據(jù)庫中讀出衛(wèi)星星座仿真函數(shù)所需要的其他參數(shù)，利用這些參數(shù)做為實際參數(shù)調(diào)用衛(wèi)星星座仿真函數(shù)，實現(xiàn)觀測站可見衛(wèi)星星座圖的仿真。

（4）觀測站觀測到的衛(wèi)星星座圖仿真

條件設(shè)置：位置（經(jīng)度東經(jīng)，緯度北緯，高度1200米），觀測時間2014年12月1日10時50分0秒，B1頻點，觀測站的高度截止角。圖4是觀測站觀測到北斗衛(wèi)星星座 （此例的觀測站觀測到的衛(wèi)星星座圖仿真是在觀測站靜止?fàn)顟B(tài)下）。

觀測數(shù)據(jù)仿真主界面如圖5所示，它包括觀測站的初始設(shè)置、衛(wèi)星鐘差設(shè)置、電離層延遲設(shè)置、衛(wèi)星設(shè)備時延設(shè)置等功能。

圖4　觀測站觀測到的衛(wèi)星星座圖仿真結(jié)果

圖5　觀測數(shù)據(jù)仿真主界面

點擊觀測數(shù)據(jù)仿真主界面的衛(wèi)星鐘差按鈕后，系統(tǒng)將進(jìn)入衛(wèi)星鐘差模型參數(shù)設(shè)置界面，如圖6所示。

圖6　衛(wèi)星鐘差模型參數(shù)設(shè)置

3　結(jié)語

本文設(shè)計和實現(xiàn)了BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)，使用VC、MATLAB和數(shù)據(jù)庫語言，實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)文件生成和可見衛(wèi)星星座圖仿真功能。但是本文只是完成了BD觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，并沒有生成BD導(dǎo)航電文以及與北斗導(dǎo)航綜合仿真測試平臺配套調(diào)試使用。所以，進(jìn)一步將控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送給模擬信號源，控制模擬信號源產(chǎn)生北斗導(dǎo)航信號，是下一步需要完成的工作。

［1］許建利，王俊峰，董偉.北斗II衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座仿真分析研究［J］.計算機工程與設(shè)計，2012（10）.

［2］趙樹強，許愛華，張榮之，郭小紅.北斗一號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位算法及精度分析［J］.全球定位系統(tǒng)，2008（1）：20-24.

［3］HAN C H，YANG Y X，CAI Z W.Beidou navigation satellite system and its time scales［J］.Metrologia 48，2011：S213-S218.

［4］許國昌.GPS理論、算法與應(yīng)用［M］.2版.李強，等，譯，北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［5］劉天旻.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)B1頻段信號分析研究［D］.上海交通大學(xué)，2013.

［6］北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務(wù)信號B1I（1.0版）.北京：中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2012.

［7］中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報告（1.0版）.

［8］湯長存.GPS衛(wèi)星定位仿真分析與系統(tǒng)程序設(shè)計［D］.上海同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

王劍亮，男，江西人，助理工程師，碩士研究生，研究方向為軟件質(zhì)量工程、軟件評測理論與技術(shù)、衛(wèi)星定位

樂亮（1988-），男，江西人，碩士研究生，工程師，研究方向為軟件質(zhì)量工程、軟件評測理論與技術(shù)

羅銀（1984-），男，湖南人，碩士研究生，工程師，研究方向為軟件結(jié)構(gòu)與軟件測評

劉奕宏（1983-），男，湖南人，碩士研究生，工程師，研究方向為嵌入式軟件測試

BD2 Satellite Navigation System；Simulation of Observational Data；Ionospheric Delay；Tropospheric Delay

Design and Implementation of Simulation System for BD Observed Data

WANG Jian-liang，LE Liang，LUO Yin，LIU Yi-hong
（The Fifth Electronic Research Institute of MIIT，Guangzhou 510610）

1007-1423（2015）27-0045-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.013

2015-07-21

2015-09-10

基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位原理，對北斗衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的生成進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計和實現(xiàn)Beidou（BD）觀測數(shù)據(jù)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)已知測站的三維位置恢復(fù)得出該測站可接收的衛(wèi)星信號并計算出星站之間的距離，并且可以模擬如衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對流層延遲等各種系統(tǒng)誤差。

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；觀測數(shù)據(jù)仿真；電離層延遲；對流層延遲

Based on Beidou satellite positioning system positioning principle，studies how to generate the Beidou satellite observation data.On this basis，designs and implements the simulation system of the Beidou observed data.The system can obtain the satellite signals received based on the three-dimensional position of the known station and compute the distance between the star and observed station.In addition，it can simulate many system errors，for example，the satellite clock error，the ionospheric delay，the tropospheric delay and so on.