衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器加速度性能測(cè)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(hào)模擬器動(dòng)態(tài)特性的重要技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)前檢測(cè)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)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(shí)際檢測(cè)工作中，缺少實(shí)用可行的測(cè)試方法。本文圍繞衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器加速度性能測(cè)試方法展開研究，在對(duì)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(hào)模擬器加速度性能測(cè)量原理，搭建動(dòng)態(tài)性能測(cè)試平臺(tái)，并開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試方法的正確性、實(shí)用性和有效性。

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

中圖分類號(hào)：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(gè)新興技術(shù)越來(lái)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(cè)速、測(cè)繪高精度測(cè)量等領(lǐng)域，其輸出測(cè)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(hào)模擬器根據(jù)具體測(cè)試要求，生成和運(yùn)行多種不同的模擬場(chǎng)景，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)開展測(cè)試與驗(yàn)證，因此，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器模擬輸出的射頻信號(hào)性能直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的測(cè)試結(jié)果[5]。為保證日益增長(zhǎng)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試需求和正確可靠評(píng)估的需要，建立標(biāo)準(zhǔn)、完善的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)量校準(zhǔn)方法極其重要[6]。

在對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器進(jìn)行測(cè)試與校準(zhǔn)工作中，主要考察的是其射頻信號(hào)的性能指標(biāo)。射頻信號(hào)性能指標(biāo)主要包括信號(hào)功率控制、動(dòng)態(tài)性能、偽距誤差控制、信號(hào)頻譜純度、內(nèi)部時(shí)基頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度等，動(dòng)態(tài)性能是影響衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器動(dòng)態(tài)特性的重要技術(shù)指標(biāo)，其中加速度性能是動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，以及實(shí)際衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，接收機(jī)接收到的射頻信號(hào)存在時(shí)變的多普勒，這要求衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器模擬的射頻信號(hào)在加速度上滿足指標(biāo)要求。然而，目前對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器加速度性能測(cè)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(duì)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，通過(guò)放大器放大較小射頻導(dǎo)航信號(hào)電平，基于頻率計(jì)、自動(dòng)采集卡和LabVIEW軟件構(gòu)建頻率自動(dòng)采集裝置對(duì)模擬輸出的射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，基于最小二乘擬合法并采用MATLAB軟件開發(fā)動(dòng)態(tài)性能分析計(jì)算軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)頻率自動(dòng)采集裝置獲取的多普勒頻移計(jì)算加速度結(jié)果，其測(cè)試方法可行，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠，能夠?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器加速度性能的檢測(cè)工作提供技術(shù)依據(jù)。

2 測(cè)量原理（Test principle）

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器工作原理

GNSS衛(wèi)星信號(hào)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(hào)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(dòng)軌跡、星歷、歷書、誤差等參數(shù)；DSP負(fù)責(zé)模擬信號(hào)生成過(guò)程中的核心計(jì)算工作，包括計(jì)算用戶軌跡，生成導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)計(jì)算可見衛(wèi)星位置信息，計(jì)算導(dǎo)航信號(hào)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(hào)。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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(hào)源與接收機(jī)接近時(shí)，接收到的頻率升高，而離開時(shí)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(chǎng)偵察、靶場(chǎng)測(cè)量、武器火控和氣象探測(cè)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(dòng)，接收體單位觀測(cè)矢量為，發(fā)射源發(fā)出頻率為fs的信號(hào)，信號(hào)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(dòng)態(tài)性能測(cè)量原理

在實(shí)際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，衛(wèi)星與接收機(jī)都相對(duì)于地球以一定速度在運(yùn)動(dòng)，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(jì)算相對(duì)速度時(shí)相當(dāng)復(fù)雜。然而在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)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(duì)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(dòng)，那么式（1）可簡(jiǎn)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(shí)接收到的射頻信號(hào)頻率值。

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

（3）

由于加速度可以通過(guò)速度改變量計(jì)算得到，利用以上原理，將衛(wèi)星狀態(tài)置為相對(duì)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(dòng)，在觀察時(shí)間ΔT內(nèi)，同樣可求得相對(duì)加速度表達(dá)式，如式（4）所示：

（4）

3 測(cè)試方案（Test platform）

3.1 測(cè)試平臺(tái)

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

3.2 測(cè)試方法

基于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器加速度性能測(cè)試原理和平臺(tái)，加速度性能測(cè)試步驟主要分為幾個(gè)過(guò)程，具體流程如圖4所示。

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

（2）選擇衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并設(shè)置信號(hào)頻率。

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

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

（5）設(shè)置接收機(jī)加速度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（6）運(yùn)行仿真場(chǎng)景。

（7）頻率自動(dòng)采集裝置采集記錄多普勒頻移。

（8）加速度性能分析計(jì)算軟件根據(jù)公式計(jì)算速度值。

4 實(shí)例驗(yàn)證（Experiments）

在GPS L2和BDS B1頻點(diǎn)下，分別進(jìn)行加速度值為

5m/s2、100m/s2、10000m/s2、192000m/s2的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示，圖中橫坐標(biāo)表示測(cè)試時(shí)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(cè)試結(jié)果，本論文研究的測(cè)試方法的測(cè)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(hào)模擬器加速度性能測(cè)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(hào)模擬器加速度性能測(cè)試平臺(tái)，形成加速度性能具體檢測(cè)方法，構(gòu)建頻率自動(dòng)采集裝置對(duì)模擬輸出的射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，開發(fā)加速度性能分析計(jì)算軟件對(duì)獲取的多普勒頻移通過(guò)最小二乘擬合法解算出加速度性能結(jié)果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該測(cè)試方法可行，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定可靠，能夠?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器加速度性能的檢測(cè)工作提供技術(shù)依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)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(cè)試和時(shí)間頻率計(jì)量.

胡立志（1983-），男，碩士，工程師.研究領(lǐng)域：導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試和時(shí)間頻率計(jì)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(cè)試和時(shí)間頻率計(jì)量.

馬志超（1989-），男，碩士，工程師.研究領(lǐng)域：導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試和時(shí)間頻率計(jì)量.

董 蓮（1964-），女，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試和時(shí)間頻率計(jì)量.