衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能測試方法研究

胥婕++胡立志++徐亮++馬志超++董蓮

摘 要：加速度性能是影響衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器動態(tài)特性的重要技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)前檢測衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能的方法雖從理論上進(jìn)行了分析研究，但在實際檢測工作中，缺少實用可行的測試方法。本文圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能測試方法展開研究，在對多普勒效應(yīng)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，分析衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能測量原理，搭建動態(tài)性能測試平臺，并開展實驗驗證測試方法的正確性、實用性和有效性。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器；加速度；多普勒效應(yīng)；測試方法

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，衛(wèi)星導(dǎo)航這個新興技術(shù)越來越受到各行各業(yè)的青睞[1]，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)也受到廣泛的應(yīng)用。由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)主要應(yīng)用于航海和航空測速、測繪高精度測量等領(lǐng)域，其輸出測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性至關(guān)重要[2-4]。衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器根據(jù)具體測試要求，生成和運(yùn)行多種不同的模擬場景，對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)開展測試與驗證，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器模擬輸出的射頻信號性能直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的測試結(jié)果[5]。為保證日益增長的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測試需求和正確可靠評估的需要，建立標(biāo)準(zhǔn)、完善的衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器關(guān)鍵指標(biāo)測量校準(zhǔn)方法極其重要[6]。

在對衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器進(jìn)行測試與校準(zhǔn)工作中，主要考察的是其射頻信號的性能指標(biāo)。射頻信號性能指標(biāo)主要包括信號功率控制、動態(tài)性能、偽距誤差控制、信號頻譜純度、內(nèi)部時基頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度等，動態(tài)性能是影響衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器動態(tài)特性的重要技術(shù)指標(biāo)，其中加速度性能是動態(tài)性能中重要的性能之一。由于衛(wèi)星與地球之間存在相對運(yùn)動，以及實際衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的動態(tài)性能，接收機(jī)接收到的射頻信號存在時變的多普勒，這要求衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器模擬的射頻信號在加速度上滿足指標(biāo)要求。然而，目前對于衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能測試方法的相關(guān)研究較少。

本文在多普勒頻移產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)上，設(shè)置衛(wèi)星和接收機(jī)相對運(yùn)動場景，通過放大器放大較小射頻導(dǎo)航信號電平，基于頻率計、自動采集卡和LabVIEW軟件構(gòu)建頻率自動采集裝置對模擬輸出的射頻信號實現(xiàn)自動采集，基于最小二乘擬合法并采用MATLAB軟件開發(fā)動態(tài)性能分析計算軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)頻率自動采集裝置獲取的多普勒頻移計算加速度結(jié)果，其測試方法可行，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠，能夠為衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能的檢測工作提供技術(shù)依據(jù)。

2 測量原理（Test principle）

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器工作原理

GNSS衛(wèi)星信號模擬器系統(tǒng)通常采用“DSP+FPGA+上位機(jī)”主體結(jié)構(gòu)方案，主要包括上位機(jī)數(shù)仿顯控模塊、DSP信息處理模塊、FPGA信號處理模塊、射頻模塊和DA數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊。其中，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)設(shè)置載體運(yùn)動軌跡、星歷、歷書、誤差等參數(shù)；DSP負(fù)責(zé)模擬信號生成過程中的核心計算工作，包括計算用戶軌跡，生成導(dǎo)航電文，實時計算可見衛(wèi)星位置信息，計算導(dǎo)航信號傳播延遲等；FPGA主要負(fù)責(zé)接收從DSP送入的載波控制字、碼控制字和導(dǎo)航電文，生成調(diào)制后的射頻信號。模擬器系統(tǒng)工作原理流程如圖1所示。

2.2 多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)，指當(dāng)發(fā)射源與接收體之間存在相對運(yùn)動時，接收體接收的發(fā)射源發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同的現(xiàn)象。當(dāng)信號源與接收機(jī)接近時，接收到的頻率升高，而離開時降低[7]。接收頻率與發(fā)射頻率之差稱為多普勒頻移。目前多普勒效應(yīng)已廣泛用于機(jī)載預(yù)警、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、戰(zhàn)場偵察、靶場測量、武器火控和氣象探測等方面[8]。

設(shè)發(fā)射源S，接收體L分別以速度和在靜止的介質(zhì)中運(yùn)動，接收體單位觀測矢量為，發(fā)射源發(fā)出頻率為fs的信號，信號在介質(zhì)中的傳播速度為v，如圖2所示[9]。

根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，接收體接收到的多普勒頻移如式（1）所示：

（1）

2.3 動態(tài)性能測量原理

在實際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，衛(wèi)星與接收機(jī)都相對于地球以一定速度在運(yùn)動，衛(wèi)星和接收機(jī)速度矢量與徑向方向的夾角一直在變化，因此根據(jù)多普勒頻移計算相對速度時相當(dāng)復(fù)雜。然而在衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器中，由于衛(wèi)星和接收機(jī)的狀態(tài)可設(shè)，如果將衛(wèi)星狀態(tài)置為相對于地球靜止，接收機(jī)置為沿著衛(wèi)星徑向方向做速度為的勻速運(yùn)動，那么式（1）可簡化為式（2）：

（2）

式中，fd為多普勒頻移，c為光速，fs為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)靜止時接收到的射頻信號頻率值。

根據(jù)式（2），衛(wèi)星與接收機(jī)的相對速度可通過接收機(jī)接收到信號的多普勒頻移計算得到，如式（3）所示：

（3）

由于加速度可以通過速度改變量計算得到，利用以上原理，將衛(wèi)星狀態(tài)置為相對于地球靜止，接收機(jī)置為沿著衛(wèi)星徑向方向做加速度為的勻加速運(yùn)動，在觀察時間ΔT內(nèi)，同樣可求得相對加速度表達(dá)式，如式（4）所示：

（4）

3 測試方案（Test platform）

3.1 測試平臺

搭建衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能測試平臺，如圖3所示，測試平臺包括導(dǎo)航信號控制模塊，衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器、放大器、頻率自動采集裝置和加速度性能分析計算軟件。其中導(dǎo)航信號控制模塊連接于衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器，用于控制衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器以自由配置檢測場景；衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器用于生成衛(wèi)星導(dǎo)航信號；放大器，例如低噪放大器，連接于衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器與頻率計之間，若需要測試強(qiáng)度較小的信號，則需要放大器將衛(wèi)星導(dǎo)航信號放大，以供頻率計接收；頻率自動采集裝置基于LABVIEW軟件開發(fā)頻率自動采集程序?qū)㈩l率計測量的射頻導(dǎo)航信號頻率值自動采集至計算機(jī)文本中；加速度性能分析計算軟件根據(jù)頻率自動采集裝置獲取的多普勒頻移計算加速度結(jié)果。

3.2 測試方法

基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能測試原理和平臺，加速度性能測試步驟主要分為幾個過程，具體流程如圖4所示。

（1）衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器關(guān)閉大氣延遲，消除大氣延遲帶來的多普勒頻移。

（2）選擇衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并設(shè)置信號頻率。

（3）設(shè)置一顆地球靜止軌道衛(wèi)星，仿真衛(wèi)星相對地球靜止場景。

（4）設(shè)置衛(wèi)星發(fā)射信號，使其只發(fā)送單載波調(diào)制信號。

（5）設(shè)置接收機(jī)加速度運(yùn)動狀態(tài)。

（6）運(yùn)行仿真場景。

（7）頻率自動采集裝置采集記錄多普勒頻移。

（8）加速度性能分析計算軟件根據(jù)公式計算速度值。

4 實例驗證（Experiments）

在GPS L2和BDS B1頻點下，分別進(jìn)行加速度值為

5m/s2、100m/s2、10000m/s2、192000m/s2的測試，測試結(jié)果如圖5和圖6所示，圖中橫坐標(biāo)表示測試時間，單位為s，縱坐標(biāo)表示多普勒頻移，單位為Hz，根據(jù)式（4）可得到斜率值為。根據(jù)測試結(jié)果，本論文研究的測試方法的測量結(jié)果分辨率達(dá)到1mm/s2。

5 結(jié)論（Conclusion）

本文提出衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能測試方法，在多普勒頻移產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)上，搭建一套衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能測試平臺，形成加速度性能具體檢測方法，構(gòu)建頻率自動采集裝置對模擬輸出的射頻信號實現(xiàn)自動采集，開發(fā)加速度性能分析計算軟件對獲取的多普勒頻移通過最小二乘擬合法解算出加速度性能結(jié)果。通過實驗驗證該測試方法可行，測試結(jié)果穩(wěn)定可靠，能夠為衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器加速度性能的檢測工作提供技術(shù)依據(jù)。

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作者簡介：

胥 婕（1989-），女，碩士，助理工程師.研究領(lǐng)域：導(dǎo)航接收機(jī)測試和時間頻率計量.

胡立志（1983-），男，碩士，工程師.研究領(lǐng)域：導(dǎo)航接收機(jī)測試和時間頻率計量.

徐 亮（1989-），男，碩士，助理工程師.研究領(lǐng)域：導(dǎo)航接收機(jī)測試和時間頻率計量.

馬志超（1989-），男，碩士，工程師.研究領(lǐng)域：導(dǎo)航接收機(jī)測試和時間頻率計量.

董 蓮（1964-），女，本科，教授級高級工程師.研究領(lǐng)域：導(dǎo)航接收機(jī)測試和時間頻率計量.