（控制科学与工程专业论文）导航卫星信号模拟器软件设计与实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 摘要 随着卫星导航服务需求的不断增长，我国将在第一代卫星导航系统的基础上丌发未来 的“北斗 卫星导航系统。在此背景下，作为接收机测试的有力工具，基于新型导航系统 的卫星信号模拟器的研究具有十分重要的意义。本文针对监测接收机和普通导航定位接收 机测试的需要，分别对两种导航卫星信号模拟器，特别是其软件设计与实现进行了研究。 首先，本文对用于监测接收机测试和普通导航定位接收机测试两种不同应用的模拟器 进行了介绍，接着简要介绍了未来“北斗 卫星导航系统的测试仿真系统。在分析了测试 仿真系统的优缺点基础上，分析了分离测试仿真系统中接收机测试功能的需求和可行性， 并进而提出了用于监测接收机测试的专用型模拟器结构。面向普通导航接收机测试的需 要，本文分析并借鉴s p i r e n t 公司开发的成熟模拟器结构上的特性，提出了通用型模拟器的 结构，并分析了两种模拟器的异同。 其次，在分析了应用对象的特征后，本文对两种模拟器各自适用的数学模型进行了介 绍，并阐述了模拟器软件设计中的观测值生成原理，而且对通用型模拟器软件s n s s 在文 件用户、网络用户和联合运行三种运行模式下的运行机制进行了分析。 最后，在单元级层面上对s n s s 软件生成的卫星轨道、大气传播延迟和伪距等数据进 行了正确性验证，并且为了从系统级层面上验证伪距、载波相位和导航电文等数据的正确 性，对s n s s 软件三种运行模式下的几种典型用户进行了闭环定位测试。闭环测试结果表 明s n s s 软件生成的伪距、载波相位和导航电文等数据能满足普通导航定位接收机的测试 需要。 主题词：卫星导航；信号模拟器；接收机测试；软件设计；数据验证 第1 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t a st h ei n c r e a s i n gd e m a n d so fs a t e l l i t en a v i g a t i o ns e r v i c e s c h i n aw i l ld e v e l o pi t s f u t u r e - g e n e r a t i o n “b d n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e mo nt h eb a s i so fi t sf i r s tg e n e r a t i o nn a v i g a t i o n s a t e l l i t es y s t e m a n dn o w ，i ti sv e r ym e a n i n g f u lt om a k er e s e a r c ho n “b d - 2 s a t e l l i t es i g n a l s i m u l a t o r ，w h i c hi st h ei m p o r t a n tm e a s u r i n gi n s t r u m e n to fr e c e i v e r t om e e tt h et e s tn e e d so f m o n i t o r i n gs t a t i o nr e c e i v e ra n dg e n e r a ln a v i g a t i o nr e c e i v e r ，t w ot y p e so fs a t e l l i t en a v i g a t i o n s i g n a ls i m u l a t o r s ，e s p e c i a l l yt h es o f t w a r ed e s i g n ，w e r es t u d i e di nt h et h e s i s f i r s t l y ，a ni n t r o d u c t i o no ft w oa p p l i c a t i o nt y p e so fs i g n a l s i m u l a t o r sw a sp r e s e n t e d ， i n c l u d i n gm o n i t o r i n gs t a t i o nr e c e i v e rm e a s u r e m e n ta n dg e n e r a ln a v i g a t i o nr e c e i v e rm e a s u r e m e n t a n dt h e nt h et e s t i n gs i m u l a t i o ns y s t e mo ff u t u r e b d n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e mw a sb r i e f l y i n t r o d u c e d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft e s t i n gs i m u l a t i o n s y s t e m ，t h ed e m a n da n df e a s i b i l i t yo fs e p a r a t i n gr e c e i v e rt e s tf u n c t i o nf r o mt e s t i n gs i m u l a t i o n s y s t e mw a sa n a l y z e d ，a n dt h es t r u c t u r eo fs p e c i a ls i g n a ls i m u l a t o ru s e dt o t e s tm o n i t o r i n g r e c e i v e rw a sg i v e nt h e n t ot e s tg e n e r a ln a v i g a t i o nr e c e i v e r ，a f t e rd r a w i n gl e s s o n sf r o mt h e s i g n a ls i m u l a t o rs t r u c t u r ef e a t u r e so fs p i r e n tc o m m u n i c a t i o n s ，t h es t r u c t u r eo fg e n e r a ls i g n a l s i m u l a t o ra sw e l la si t sd i f f e r e n c ef r o ms p e c i a ls i g n a ls i m u l a t o rw a sp r e s e n t e d s e c o n d l y ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft w os i g n a ls i m u l a t o r sw e r ei n t r o d u c e da f t e rs t u d y i n g t h ef e a t u r e so fs i m u l a t o ru s e r s ，a n dt h e nt h et h e s i sp r e s e n t e dt h eo b s e r v a t i o ng e n e r a t i o n p r i n c i p l e so fs p e c i a ls i g n a ls i m u l a t o ra n da n a l y z e dt h eo p e r a t i n gm e c h a n i s m so fs n s si nt h r e e r u n n i n gm o d e s ，w h i c hi st h es o f t w a r eo fg e n e r a ls i g n a ls i m u l a t o r f i n a l l y ，u n i tl e v e lv a l i d a t i o n s o fs a t e l l i t e o r b i t ，a t m o s p h e r ep r o p a g a t i o nd e l a y a n d p s e u d o - r a n g et h a tg e n e r a t e db ys n s sa r ec a r r i e do u t ，a n dc l o s e d - l o o pp o s i t i o n i n gt e s t so f s e v e r a lk i n d so ft y p i c a lu s e r si nt h r e es n s sr t m n i n gm o d e sw e r ep r o c e s s e di no r d e rt ov a l i d a t e p s e u d o - r a n g e ，c a r t i e rp h a s ea n dn a v i g a t i o nm e s s a g e i ns y s t e ml e v e l c l o s e d - l o o pp o s i t i o n i n gt e s t r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep s e u d o r a n g e ，c a r r i e rp h a s ea n dn a v i g a t i o nm e s s a g eg e n e r a t e db ys n s s c a nm e e tt h en e e d so fg e n e r a ln a v i g a t i o nr e c e i v e rt e s t k e yw o r d s ：s a t e l l i t en a v i g a t i o n ；s i g n a ls i m u l a t o r ；r e c e i v e rt e s t ；s o f t w a r ed e s i g n ；d a t a v a l i d a t i o n 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图2 。1 测试仿真系统结构8 图2 2 专用型模拟器系统结构1 0 图2 3 专用型模拟器软件主要模块图1 l 图2 4s n s s 软件数据流图1 3 图2 5 两种模拟器的用途1 4 图3 1 卫星轨道计算模型1 7 图3 2 电子密度与高度关系图1 8 图3 3 倾斜因子与穿刺点2 0 图4 1 信号空j 日j 传播示意图31 图4 2 伪距迭代计算流程图3 2 图4 3 差分计算3 4 图4 4 伪距计算流程图3 5 图4 5 通用型模拟器数据生成机制3 7 图4 6 外部文件用户模式数据生成时序3 9 图4 7 网络用户模式数据生成时序3 9 图4 8s n s s 与s i m g e n 软件联合运行4 0 图4 9 联合运行时序4 l 图4 1 0s n s s 软件运行界面4 2 图4 1 1s i m g e n 软件运行界面4 3 图5 1 卫星轨道计算模型的测试方案4 6 图5 2m e o 测试星位置误差曲线4 7 图5 3g e o 测试星位置x 坐标误差曲线4 8 图5 4g e o 测试星的位置y 坐标误差曲线4 8 图5 5g e o 测试星的位置z 坐标误差曲线4 9 图5 6i g s o 测试星的位置x 坐标误差曲线4 9 图5 7i g s o 测试星的位置y 坐标误差曲线5 0 图5 8i g s o 测试星的位置z 坐标误差曲线5 0 图5 9 电离层延迟模拟值5 2 图5 1 0 对流层延迟模拟值5 2 图5 1l 测试星位置偏差5 4 图5 1 2 伪距偏差曲线5 4 图5 1 3 系统级测试方案5 5 图5 1 4 汽车用户的运动轨迹5 6 第i v 页 国防科学技术火学研究生院硕十学位论文 图5 1 5 汽车用户位置误差5 6 图5 16 汽车用户的伪距均方差c r o 5 7 图5 1 7 火箭用户的运动轨迹。5 7 图5 1 8 火箭用户的定位误差5 8 图5 1 9 火箭用户伪距均方差舐5 8 图5 2 0 圆周运动用户在s i m g e n 中的轨迹5 9 图5 2 l 圆周运动用户定位测试得到的用户轨迹5 9 图5 2 2 圆周运动用户定位误差5 9 图5 2 3 圆周运动用户的伪距均方差c r 0 6 0 第v 页 国防科学技术人学研究生院硕+ 学位论文 表目录 表3 1 电离层中各层的电子浓度l 8 表3 2 典型地物及对卫星l 频段信号的反射系数2 4 表4 1 伪距测量误差2 9 表4 2 用户文件输入格式3 8 表5 1 测试卫星的广播星历参数4 6 表5 2i g s 精密星历中测试卫星的位置4 7 表5 3s n s s 计算的测试卫星位置4 7 表5 4 电离层延迟验证中导航星的广播星历参数5 l 表5 5 电离层模型输入参数。5 l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 土 日期：伽口莎年m o 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：i 互盟 作者指导教师签名：之趔 日期：勘r 歹年77 月o 日 日期：9 0 - l , 4 r 年h 月 d - 日 国防科学技术入学研究生院硕十学位论文 1 1 1 卫星导航技术的发展 第一章绪论 1 1 论文背景和意义 卫星导航技术的产生是2 0 世纪后半叶航天和导航技术领域意义深远、影响重大的事 件，是现代空间技术、无线电通信技术和计算机技术等相结合的产物。随着科技的迅猛发 展，卫星导航服务已经成为各国信息化建设的关键组成部分，在经济、军事和社会生活中 发挥了非常重要的作用，尤其是美国的全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 在军 事上和经济上获得的巨大成就，极大的促进了导航定位技术的发展，取得的大量成果在社 会的各个领域得到了广泛应用【1 1 。卫星导航系统已成为当今发达国家国防及经济基础的重 要组成部分，是国家综合国力及科学技术发展水平的重要标志之一【2 j 。 从g p s 计划的提出到该系统的建成使用，历经2 0 余年，耗资数百亿美元。这一工程 项目是美国政府继阿波罗登月计划和航天计划之后的第三项庞大空间项目。g p s 从根本上 解决了人类在地球及其周围空间的导航及定位问题，它不仅可以广泛应用于海上、陆地和 空间运动目标的导航和定位，而且可为空问航天器提供精密定轨服务，满足军事部门的需 要。同时，它在各种民用部门也获得了成功的应用，在大地测量、工程勘探、地形普查测 量和地壳监测等众多领域展现了极其广阔的应用前剽引。有人说，将来只有我们想象力的 限制才会限制g p s 的潜在应用1 4 j 。 卫星导航的应用前景得到各国的普遍承认和关注，各国不仅在g p s 的应用研究与g p s 信息资源开发中倾注了巨大的人力和物力，而且不少国家和地区亦在积极研制自己的卫星 导航系统。美国的g p s 系统最先建成并正式投入使用，在技术上处于领先地位【5 l 。前苏联 自1 9 7 8 年1 0 月开始，发射了自己的全球卫星无线电导航系统( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t e s y s t e m ，g l o n a s s ) ，但该系统后因经济上无力维持，目前面临进退维谷状态。由于 g l o n a s s 系统无法提供正常稳定的导航定位服务，g p s 系统在卫星导航领域长期处于垄 断地位。欧盟各国为打破美国的垄断，目前正在发展自己的伽利略民用卫星导航系统 ( g a l i l e o ) ! 1 1 。2 l 世纪以来，以德国、法国、意大利为代表的欧盟，亚洲的日本、印度以 及非洲的大国先后启动了自己的卫星导航计划，形成了对空间导航资源的激烈竞争局面。 目睹卫星导航在军事和民用应用方面带来的重大贡献，以快速手段建成自己的导航系统， 从而站在世界经济一体化的前列己成为各大国的共识1 2 ，6 n 。 第1 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 1 1 2 我国卫星导航系统的进展 2 0 0 0 年1 0 月3 1 日、1 2 月2 1 日中国成功发射了两颗“北斗导航卫星，建成了中国 第一代卫星导航定位系统，2 0 0 3 年5 月2 5 日发射了第三颗“北斗导航卫星，使系统进 入稳定运行阶段i l j 。这标志着我国己经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航定位系 统的大规模应用进入了实质性阶段1 2 j 。 g p s 和g l o n a s s 服务于用户位置确定的方式是卫星无线电导航业务( r a d i o n a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ，r n s s ) ，由用户根据接收到的卫星无线电导航信号，自主完成 定位和航速及航行参数计算1 8 j 。用该方式可以为包括地球上或近地空间任一点上的航天、 航空、航海及地面用户连续实现非应答式高精度定时、空间三维定位及运动速度测量。中 国的第一代卫星导航定位系统利用的是与g p s 、g l o n a s s 系统完全不相同的定位原理。 该系统由用户以外的地面控制系统完成用户定位所需的无线电导航参数的确定和位置计 算，并将用户的位置坐标传送给用户【2 1 。这种用户位置确定的方式为卫星无线电测定业务 ( r a d i o d e t e r m i n a t i o ns a t e l l i t es e r v i c e ，r d s s ) 。采用r d s s 方式的中国第一代卫星导航定位 系统在连续、自主导航方面存在弱点，而且系统还存在系统安全性不好、定位时间延迟大、 用户隐蔽性不好、用户容量有限和使用不便等缺点1 2 j 。 随着科技的发展，对导航定位的信息需求越来越高。第一代卫星导航系统仅是我国近 期满足国民经济建设需要的自主简易导航系统，在第一代系统的基础上，借鉴国外g p s 、 g l o n a s s 的成功经验，开发新一代“北斗 卫星导航系统已势在必行。根据国务院新闻 办公室2 0 0 6 年1 0 月1 2 日发布的 2 0 0 6 年中国的航天白皮书，北斗卫星导航定位系统 已作为中国未来5 年的五大航天科技工程( 2 2 1 工程) 之一列入国家航天事业的发展计划。我 国计划在未来几年里陆续发射一系列北斗导航卫星，计划2 0 0 8 年左右建成的导航系统能 满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全 球卫星导航系统一j 。 1 1 3 卫星信号模拟器的研究意义 在建设未来的“北斗 卫星导航系统的时候，地面监控站( 下文简称地面站) 的监测接 收机和地面信息处理中心的测试和验证工作都需要卫星导航信号的支持，但由于真实的导 航卫星尚未发射升空，系统不具备真实的卫星导航信号，因此，利用仿真系统模拟产生卫 星导航信号也成为未来叫匕斗卫星导航系统建设中的一个重要环节，g p s 系统和g a l i l e o 系统在建设阶段也同样开发了相应的卫星导航信号模拟系统，例如g a l i l e o 系统对应的 g s s f ( g a l i l e os y s t e ms i m u l a t i o nf a c i l i t y ) 系统1j u ，j 。 本文所研制的卫星信号模拟器基于我国未来的“北斗”卫星导航系统，能模拟产生导 航系统的卫星导航信号，为接收机的测试和验证工作提供数据支持和仿真环境。卫星信号 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 模拟器作为接收机功能测试、测量精度鉴定、性能评估的主要上具，能精确模拟接收机接 收到的导航卫星信号，充分模拟载体运动过程中接收机遇到的各种复杂环境，为接收机提 供逼真的仿真信号，降低或完全节省接收机现场测试的高昂费用1 1 列。 卫星信号模拟器的应用对象根据用途的不同可以分为监测接收机和普通的导航定位 接收机两种。监测接收机一般在地面监测站内部使用，根据接收到的卫星导航信号进行定 位，并收集相关的观测数据提供给地面信息处理中心。导航定位接收机主要用于普通定位、 汽车导航、海上搜救等用途。与导航定位接收机相比，监测接收机的定位精度更高、造价 更高昂。而且作为卫星导航系统地面运行控制系统的组成成员，地面监测站监测接收机接 收到的导航数据要求不仅能用于定位服务，还必须提供给地面信息处理中心进行信息处理 和分析。导航定位接收机则具有体积小、结构简单、成本低和携带方便等特点，而其定位 精度比监测接收机较低。 针对两种类型的接收机本文开发了两款卫星信号模拟器数据生成软件。由于监测接收 机有将接收到的导航信号提供给地面信息处理中心进行信息处理和分析的需求，所以在对 监测接收机进行测试时，卫星信号模拟器必须生成能够提供给地面信息处理中心的测试 数据。地面信息处理中心利用各个地面监测站传送来的观测数据进行卫星定轨和卫星钟 差、地面监测站钟差计算等处理工作，在这些工作的处理过程中，地面信息处理中心使用 的是模型复杂的高精度数学模型。为了能使地面信息处理中心的这些工作能顺利的进行， 地面监测站传送来的观测数据必须是由与地面信息处理中心的数学模型相匹配的模型产 生的。据此可知，卫星信号模拟器给地面监测站监测接收机模拟生成送给地面信息处理中 心的观测数据时，卫星信号模拟器应该采用与地面信息处理中心数学模型相匹配的相关数 学模型。 因此，提供测试数据给监测接收机进行测试的卫星信号模拟器软件采用的数学模型必 须具有高精度的特点，同时必须与地面信息处理中心的相关数学模型匹配。比如卫星轨道 的计算必须对卫星的受力( 包括多种摄动力) 进行积分，这种带摄动的积分计算模型复杂， 计算耗时较长；另外，其它的某些数学模型也同样具有类似的特点，比如电离层延迟模型 采用的是实测模型，而卫星钟差模型的相关参数由实测数据拟合得到等。 普通导航定位接收机一般仅需要具备动态定位导航的能力，相比监测接收机，其接收 到的导航信号只需要对定位进行支持，对导航信号不需要进行更深的处理和分析。所以， 用于导航定位接收机测试的卫星信号模拟器所采用的卫星轨道计算等模型可以在精度允 许的前提下尽量简化。 本文对基于未来“北斗 导航系统的两款卫星信号模拟器数据生成软件进行了研究， 一款软件能对普通的导航定位接收机提供模拟测试环境和测试数据，另一款则具备为地面 监测站的监测接收机提供模拟测试环境和测试数据的功能。在下文中，将用于地面监测站 监测接收机测试的卫星信号模拟器统一称为专用型模拟器，而将用于普通导航定位接收机 第3 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 测试的卫星信号模拟器统一称为通用型模拟器。 根据我国的卫星导航系统发展计划，在未来几年内，我国将建成新一代“北斗”卫星 导航系统【2 】。卫星信号模拟器的研制能为监测接收机测试提供技术支持，加快地面监测站 的建设步伐。同样，它能对“北斗普通导航定位接收机的测试和验证提供数据支持，为 导航定位接收机的性能测试提供仿真测试环境。至目前为止，新一代导航系统尚未有成熟 而配套的卫星信号模拟器。因此，不论从导航系统建设和卫星导航应用研究的需要出发， 还是从接收机开发厂商的需求出发，基于新一代“北斗”导航系统的卫星信号模拟器的研 制都刻不容缓。 1 2 卫星信号模拟器的研究动态 卫星信号模拟器作为一种高精度的测试设备，功能强大，在民用和国防科学试验领域 应用非常广泛。卫星信号模拟器作为高精度的标准信号源，能够模拟产生高精度的卫星导 航信号，为接收机的研制、开发和测试提供仿真环境【1 3 , 1 4 j 。它功能强大，应用非常广泛， 可以产生特定的卫星信号，以验证测量方案的可行性：也可以产生高动态卫星信号，检验 接收机在载体处于高动态环境下的捕获跟踪性能；还可以作为比较标准，检验接收机的测 量精度【1 5 ，l6 1 。 1 2 1 国外研制的g p s 信号模拟器 美国的g p s 系统作为最早开发和使用的卫星导航系统，已经成功运行十几年，在卫星 信号模拟器的研制方面拥有大量成熟的技术【1 7 1 8 j 。卫星信号模拟器的研制涉及伪码扩频调 制、载波相位精确控制和测量误差仿真等许多高精尖技术，研制的技术难度很大。国外较 早开展了g p s 卫星信号模拟器技术研究工作，已研制出多种型号的g p s 卫星信号模拟器 并投入使用【1 9 2 0 1 。例如英国s p i r e n t 通信公司研制的g s s 和s t r 系列卫星信号模拟器1 2 1 , 2 2 1 、 美国计算机应用软件技术有限公司研制的c c s g 2 0 0 0 卫星信号模拟器、美国c a s t 公司 研制的c a s t 4 0 0 0 g p s i n s 卫星模拟工程系统以及w e l n a v i g a t e 公司研制的w e l n a v i g a t e g s 6 0 0 模拟器等。高端的模拟器可以模拟g p sl 1 、l 2 频率上的c a 码和p 码。现在，国 际上g p s 卫星信号模拟器功能和性能更加先进，甚至可以模拟差分信号、姿态测量信号 【1 ，2 3 1 。 1 2 2 国外研制的非g p s 信号模拟器 g l o n a s s 、g a l i l e o 等卫星导航系统的卫星信号模拟器产品虽然不多，但是也有一 些相关产品【羽。面向g l o n a s s 系统的模拟器，目前s p i r e n t 公司研制的s t r 4 7 8 0g l o n a s s 仿真系统是市场上唯一的主流【2 2 1 。该g l o n a s s 仿真系统既可独立使用，也可与s p i r e n t 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 公司丌发的s t r 4 7 6 0 等其它g p s 模拟器配合使用，其具有远程控制能力和两个射频输出， 能够进行差分测试1 2 4 , 2 5 j 。 g a l i l e o 系统目前正处于建设阶段，系统最终的信号结构还有许多未确定因素。因 此，目前还没有成熟的g a l i l e o 卫星信号模拟器产品。但s p i r e n t 公司在g p s 信号模拟 系统g s s 7 7 0 0 的基础上，开发了g a l i l e o 卫星信号模拟器g s s 7 8 0 0 。目前该模拟器的核 心技术开发已经完成，将向市场提供支持l 1 、e 5 a e 5 b 的卫星信号模拟器，并将继续开发 支持p r s 和商业服务的g a l i l e o 信号模拟器。不过由于当前g a l i l e o 的l 1 、e 5 a e 5 b 信号格式还没有正式宣布，所以g s s 7 8 0 0 还没有正式上市【1 埘】。 1 2 3 国内研制的卫星信号模拟器 因涉及敏感技术，国外对卫星信号模拟器研制核心技术都严格保密，公开发表的技术 文献很少。为了防止将g p s 卫星信号模拟器用于军事目的，国外进口的g p s 卫星信号模 拟器对能模拟的载体运动类型有严格限制，在一定程度上制约了我国的g p s 卫星信号模拟 器的研究。 由于国外的技术封锁，国内对卫星信号模拟器的研究不多，北京的东方联星公司近期 成功研制了n s 6 0 0 、n s 7 0 0 型号的g p s 卫星信号模拟器。另外北京航空航天大学电子工程 系在国家自然科学基金的资助下，开发了一款高动态g p s 卫星信号模拟器l 巧洲。国内针对 g l o n a s s 、g a l i l e o 和中国的第一代卫星导航系统都没有开发出成熟的卫星信号模拟器 产品。 1 3 论文的主要内容 本文设计并实现了分别适用于地面监测站监测接收机和普通导航定位接收机测试的 两款导航卫星信号模拟器软件，并对模拟器软件的某些关键技术进行了研究，最后对模拟 器软件生成的数据进行了正确性验证。本文的结构如下： 第一章为绪论，首先介绍了导航卫星信号模拟器的研究背景，接着描述了监测接收机 和普通导航定位接收机两类接收机的测试对卫星信号模拟器的需求，最后介绍了当前国内 外的卫星信号模拟器研究动态。 第二章对导航卫星信号模拟器的软硬件结构进行了介绍。首先介绍了导航系统的测试 仿真系统的基本情况，然后分别对专用型模拟器和通用型模拟器的软硬件结构进行了介 绍，最后分析了二者的异同。 第三章详细介绍了模拟器软件的主要数学模型。首先对专用型模拟器软件采用的高精 度卫星轨道计算、电离层延迟、对流层延迟和多路径效应等模型进行了详细的阐述，然后 引入了用于通用型模拟器软件的卫星轨道计算和电离层延迟简化模型。 第四章对模拟器软件设计中的某些关键技术进行了分析。首先介绍了专用型模拟器软 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 件中的伪距和载波相位的生成原理；然后对通h j 型模拟器软件在三种运行模式卜的运行机 制进行了详细的介绍。 第五章主要为通用型模拟器软件s n s s 生成的数据进行了正确性验证。验证工作分为 单元级和系统级两个层面进行。单元级测试中首先对三种类型的轨道进行了卫星轨道计算 模型的正确性验证，然后分别对电离层延迟和对流层延迟模型进行了验证，最后对伪距数 据进行了对比分析。系统级测试中用闭环测试的方式对s n s s 软件三种运行模式下的几种 典型运动类型的用户接收机进行了定位精度分析，从整体上验证了伪距、载波相位和导航 电文等数据的j 下确性。 论文的最后为结论部分，对本文的研究内容进行了总结和评价，并对以后进一步的工 作进行了展望。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 第二章模拟器软硬件结构 本章首先对卫星导航系统的测试仿真系统进行了简要介绍；然后提出了用于监测接收 机测试的专用型模拟器以及用于导航定位接收机测试的通用型模拟器的软硬件结构；最 后，结合两种模拟器的特点，分析了它们之间的异同。 2 1 测试仿真系统简介 与g p s 、g l o n a s s 和g a l i l e o 等卫星导航系统一样，我国第一代卫星导航系统由 空间段导航卫星、地面段运行控制系统和用户段三部分构成1 2 , 6 , 7 j 。同样，未来的“北斗 卫星导航系统也将由这三部分构成。 g p s 、g l o n a s s 系统导航星座全部由中轨卫星( m e d i u me a r t ho r b i t ，m e o ) 组成。由于 m e o 卫星具有很好的全球覆盖性能，所以m e o 类型的卫星是全球卫星导航系统导航星的 最佳选择。我国未来的“北斗 导航系统是在第一代卫星导航系统的基础上开发的，而第 一代卫星导航系统的导航星座是由2 颗地球静止轨道卫星( g e o s t a t i o n a r y0 r b i t , g e o ) 组成 【6 1 7 j ；另外，为了加强系统的区域导航性能，导航系统引入了区域覆盖性能良好的地球倾斜 同步轨道卫星( i n c l i n e dg e o s y n c h r o n o u ss a t e l l i t eo r b i t ，i g s o ) u j 。因此，与g p s 、g l o n a s s 系统不同，我国将开发的“北斗 导航系统的空间段导航星座是由地球静止轨道卫星与 地球倾斜同步轨道卫星结合中轨卫星组成的混合星座1 2 j 。 导航系统的地面段运行控制系统一般由主控站、导航信号监测站、时问同步站和注入 站组成。主控站是运行控制系统的中枢，完成对星座内全部卫星导航信号观测数据处理， 包括卫星精密轨道计算、信号传播时延修正与预报计算、卫星导航信号完好性计算和卫星 时间同步计算等。导航信号监测站通过多频段监测接收机和地面卫星遥测、遥控系统接收 处理卫星导航信号和卫星系统遥测信号，形成精密定轨数据与完好性判定数据，并送主控 站进行综合处理。主控站的地面信息处理中心对各个导航信号监测站采集的数据进行处理 和分析，解算出导航卫星的精密轨道和钟差等信息，并将相关信息编制成电文，通过注入 站将电文、钟差信息、卫星星历和其它控制指令等注入到卫星的存贮器中。时间同步站执 行卫星和地面站间的时间同步测量，从而完成卫星间同步参数的测量与预报。注入站完成 对卫星星历、历书、钟差、控制参数及电离层校正参数和导航信号完好性参数的注入睇j 。 用户段指为用户提供导航和定位服务的各种接收机设备。各种接收机不仅能为飞机、 导弹、舰艇、战车及野外作战人员提供军事方面的导航和定位服务，而且广泛应用于交通、 大地测量和地质勘探等领域。目前，接收机的研制厂商很多，相关技术较成熟，接收机的 体积越来越小，制造成本也不断降低1 4 j 。 第7 页 囡防科学技术人学研究生冼硕十学位论文 在个导航系统的丌发阶段，至少需要个等门的测试系统能给导航系统备个模块的 测试提供测试数据支持。比如g s s f 仿真系统就是g a l h e o 系统丌发阶段的测试系统。 我国未来的“北斗”导航系统的开发同样也拥有一个测试仿真系统对导航系统的测试提供 数据支持。眩测试仿真系统能在导航系统建设阶段为各种接收机的测试提供所需要的测试 数据，实时模拟生成系统的导航电文，为地面信息处理中心的测试提供数据支持。匿测试 仿真系统是一个实时分布式仿真系统，对实肘性的婴求非常严格。导航系统的现场测试结 果表明：浚测试仿真系统在精度、实叫性和稳定性方面都能很好的满足导航系统的各种测 试需要。该测试仿真系统的分布式结构如图21 所示。 凹2 】测试仿真系统结构 瞠“系统 从罔2 1 中可以看出该系统的软件系统部分山轨道计算模块、导航电文编码模块、观 测值生成模块和仿真控制管理模块组成。其中，从实时性的角度考虑，轨道计算、导航电 文编码和观测值生成功能都分别由单独的计算机负责。仿真控制管理模块不仪维持着个 大容量的数据库，而且需负责将承担轨道计算、导航电立编码和观测值生成功能的备台 算机按功能结合起来，按一定的时序模拟生成导航系统的导航r 乜文、伪距及载波相位观测 值等测试数据，并将测试数据通过光纤网络发送给硬件系统的射频仿真模块。仿真管理控 制模块同时还提供人机交互界面。以便操作人员对仿真进行控制和管理。仿真管理控制模 块承担任务多，单台微机难以满足需求，在测试仿真系统中采用。台服务器承担计算和管 理控制任务。 测试仿真系统结构复杂，山图2l 可知，软件系统至少需要4 台计算机的支持，所占 计算机资源过多、体积大、移植性筹。山于导航系统的导航信号监测站数目多达几十个 所监测站监测接收机的测试都需要仿真测试系统的数据支持，而仿真测试系统每次仅能 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 同时给一台监测接收机提供测试数据，从而造成仿真测试系统资源紧张。 由此可知，图2 1 所示的测试仿真系统造价高、可移植性差，而配置多个测试仿真系 统又成本太高。因此，如何压缩测试仿真系统，使之所需资源减少、成本降低以及系统可 移植性得到提高成为监测接收机测试的需要。 现场测试结果表明：该测试仿真系统的性能指标大大超出接收机测试所需的技术要 求，可见测试仿真系统从结构上有可压缩的空间。将测试仿真系统软件系统中的接收机测 试功能单独分离出来，不需提供地面信息处理中心测试的功能，从而使测试仿真系统的压 缩成为可能。在不需要提供测试地面信息处理中心的数据前提下，将测试仿真系统中的仿 真管理控制模块、轨道计算模块、导航电文编码模块和观测值生成模块等集成到一台微机 上，就形成了专用型模拟器的软件系统。 2 2 专用型模拟器的结构 2 2 1 主流模拟器的结构分析 目前，国内外对卫星信号模拟器的研究主要是围绕g p s 系统进行的，以g p s 卫星信 号模拟器为例，卫星信号模拟器有两种主流结构【2 4 1 。 1 数据与信号都由软件模拟产生 在这种模式下，各种模型的模拟和信号都是由计算机软件进行计算产生后，存储到存 储器中的。然后，再由硬件的d a 转换器将计算机产生的数据转换为中频信号或射频信号。 这种结构的导航信号模拟器的典型产品是w e l n a v i g a t e 公司的w e l n a v i g a t eg s 6 0 0 模拟器。 2 信号由硬件产生，各种数据由软件模拟生成 在这种模式下，计算机软件对卫星轨道、接收机的运动和各种误差进行建模模拟。根 据模拟结果产生对信号的调整参数，这些参数送入硬件使最终输出的信号模拟出各种效 应。当前，s p i r e n t 公司的卫星信号模拟器产品、北京航空航天大学开发的高动态g p s 卫星 信号模拟器就是这种模式。 在导航数据与信号都由软件模拟产生的情况下，模拟器的体系结构比较清晰。软件模 拟与硬件的信号转换彼此独立，在模拟器进行信号试验时，软件的模拟运算可以继续进行。 由于多个通道的模拟和功率合成都在软件中进行数字化计算，所以模拟器产生的信号精度 很高。但是这种方法的缺点也是明显的，由于所有的信号和模型数据都由计算机的软件运 算得到，受制于计算速度和接口速度的限制，使用这种方式，当前还不能实时产生测试数 据。软件产生的数据一般存储在硬件存储卡上，由于存储空间有限，当前能够模拟的测试 场景一般不超过1 2 小时，例如：g s 6 0 0 模拟器的存储卡上，只存有3 小时的静态导航数 据和3 小时的动态导航数据。这就导致很难用这种导航信号模拟器进行一些长期测试。 导航信号由硬件产生，各种数据由软件模拟生成的情况下，硬件在产生导航信号的时 第9 页 国防科学技术人学研究牛院硕十学位论文 候，需要软件的仿真数据参数支持，才能使产生的信号具有各种干扰特性。由于软硬件相 互交叉，模拟器的体系结构比较复杂。此时，各路通道之间都使用独立的信号产生硬件， 因此要保证各路信号的时延一致性比较困难。这种实现方式下，硬件不但包括d a 转换模 块，还包括多路径信号发生、功率合成等模块，导致硬件的设计也比第一种实现方式要复 杂得多。但是这种实现方法的优点也很突出，这就是能够实时产生测试数据。由于软件主 要模拟缓慢变化的误差，因此软件能够对这些需要模拟的模型完成计算；另外由于所有的 信息调制、伪码调制以及中频调制都由硬件完成，它能保证信号的实时产生与发送。采用 这种实现方式的导航信号模拟器能够进行长时间的测试。 2 2 2 专用型模拟器结构介绍 专用型模拟器的功能是为监测接收机的测试提供数据支持和仿真环境，它是在测试仿 真系统的基础上建立的。由上一节的分析可知，第一种结构的模拟器实时性较差，难以实 现系统的长时间运行，不能对接收机进行长时间的测试。专用型模拟器要求能对监测接收 机的测试