中频数据模拟软件开发报告

中频数据模拟软件开发报告作者：李子月2012-7-10第1章 绪论1、1软件编写背景、意义卫星导航和惯性导航是现在运用最为广泛的两种导航模式，两种导航模式具有性能互补特性，GPS/INS组合导航是一种比较理想的导航模式。松组合、紧组合中两种系统相互辅助不够密切，并且理论上存在一定的误差，系统性能不够稳定，1999年被提出的GPS/INS深组合导航是现在国际上的研究热点。GPS/INS深组合导航理论上不同于松、紧组合模式，在数据同步、数据处理、误差分析、状态估计方面都存在难点，硬件实现非常困难。现在国外从事深组合研究的除了一些先进研究所以及军工单位搭建了硬件测试平台，大部分都是处于半实物仿真阶段；国内研究由于技术上受到种种限制，科研主要以仿真为主，其中，国防科技大学、哈工大、北航等导航基础较强的高校有的实验室搭建了简易的半实物仿真平台。由于深组合导航算法复杂，需要用到I、Q相关数据和惯导数据进行数据融合，并且数据同步难以实现，所以对数据要求也很高，真实数据有时难以满足软件需要，特别是在理论研究的初期，仿真数据的优势远大于真实采集数据。除此之外仿真中频数据还有其他方面的优势：（1）可以仿真现实中难以获得的运动轨迹数据。以高动态导航为研究背景的科研工作者很难获取高速、高动态载体的卫星数据，软件仿真中频数据可以仿真任意飞行轨迹参数下的数据。（2）可以任意设定信噪比，以及可以捕获到的卫星数目，这就方便了弱信号跟踪、抗干扰等技术的研究。（3）仿真的中频数据由于所有参数都是人为设定，科研人员就可以清楚的知道实验的理论值，方便了误差分析。不但在GPS/INS深组合研究中仿真中频数据具有很大的优势，在很多领域仿真中频数据都是一个很好的选择。国外很早就有了GPS中频数据仿真的matlab工具箱，但是价格十分昂贵，国内的很多实验室都开发了自己的仿真软件。1、2 软件的功能和系统概况本软件是全部采用matlab语言编写，基本功能就是仿真出可供软件接收机识别并处理、解算出位置、速度等信息的数据。基于本软件有些参数和数据可以任意选取，具体如下：（1）仿真中频数据必须采用RINEX格式的导航电文文件，其中包含了固定时间段之内的数据解算卫星信息，这种数据文件时可以任意选取的。（2）载体的轨迹信息可以任意设定，其中包含了载体的位置、速度以及加速度，并且要根据载体位置以及选取的仿真时刻确定可见星。（3）仿真数据的信噪比可以在一定范围之间任意设定，同时还可以设定电离层延迟、对流层干扰、多径效应等误差源模型。软件主要分为导航电文文件数据读取、卫星信息以及多普勒计算、卫星数据生成三部分组成，其中卫星数据读取中还包含改进的十进制转二进制、奇偶校验位计算、导航位编排等函数；卫星信息计算及多普勒计算中还包含可见性分析以及选取函数；卫星数据生成中还包含C/A码生成、采样、噪声计算等一些函数。第2章 GPS卫星信号 2.1 GPS信号仿真GPS信号的格式完全按照真实GPS信号进行仿真，真实的卫星发射的GPS信号由载波、伪码、导航电文调制而成，接收到的信号在传输过程中加入了一些噪声、数据延迟以及多普勒频移。导航电文中包含卫星的参数数据，但是由于导航电文频率为50HZ，不能从卫星发射到地球，卫星发射的信号是导航电文经过1.023MHZ的伪码进行扩频，然后调制在载波上形成的信号。GPS卫星采用的载波有两个频段，L1载波频率为1575.42MHZ，L2载波频率为1227.60MHZ，调制在两种载波上对应于两种GPS信号，即L1信号和L2信号，其中L2信号只调制有P(Y)码，是供军方使用的加密码，本软件没有对L2信号进行仿真。2.1.1 GPS信号结构本软件只进行仿真L1信号，完整的GPS信号的生成原理如下：120154Z计数器10C/A码发生器P码发生器90BPSK调制器BPSK调制器BPSK调制器-6dB-3dB20数据发生器选择器+L1载频L2载频P码C/A码10.23MHz频率标准数据数据码发射天线L1信号L2信号X1图2.1 GPS信号产生原理L1信号的表达式为： （2.1）其中，下标用来指代不同的卫星，表示P码的幅度，表示C/A码的幅度，表示P码，表示C/A码， 表示数据码，是载波L1的角频率，是载波L1信号的初始相位。去除掉P(Y)码，本软件中的信号表达式为：（2.2）式中表示信号的噪声。从公式2.2中可以看出，仿真的中频信号包含理论上包含伪码、导航电文和载波信号，这三种信号调制在一起再加上噪声就构成了GPS信号。伪码用来捕获和计算伪距，导航电文中包含了定位所需要的卫星轨道参数以及信号中的时间参数，载波中的多普勒频移可以计算速度，载波相位可以用来精确定位。三者在调制过程中的关系如下：载波L1：f1=1575.42MHz19cm每码片1540周载波每比特20周期C/A码C/A码：1.023Mcps数据码：50bps约1us图2.2 载波、C/A码、导航电文调制2.1.2 C/A码信号C/A码也就是PRN码，是一种由0、1数字组成的伪随机码。GPS官方文档ICD-GPS-200提供了C/A码的产生原理，如图2.3所示：1234567891012345678910相位选择器G2（x）G2G1C/A码10201023译码器G1发生器G2发生器全部置“1”脉冲10.23MHz频率标准X1历元同步50 bps图2.3 C/A码生成原理C/A码码片速率为1.023MHz，每个C/A码长度为1023码片，对应的C/A码周期为1ms，码片宽度大约为1。伪码具有良好的自相关特性，自相关函数如下： （2.3）由公式2.3可得，只有当同一个C/A码并且码相位误差很小的时候才能得到一个较大的峰值。GPS接收机每一个通道中的C/A 码与输入信号做相关运算，利用C/A码良好的自相关性就可以检测到输入信号中所包含哪几颗卫星。C/A码不但可以用来捕获卫星，还可以用来测量载体与卫星之间的距离，也就是伪距。通过捕获和跟踪可以精确的知道输入信号的码相位，然后计算出信号发射时间，接收时间可以从本地时钟获得，做差就可以得到伪距。每一个码片对应的距离大约为300米，通过C/A码求得伪距误差为几十米左右，如果想获得更高精度的伪距，可以借助于载波测距，精度可达厘米级。2.1.3 导航电文导航电文数据率为50bps，对应的每一个数据位长度为20ms，调制在GPS信号中导航电文是0、1组成的二进制数，这些二进制数代表了计算卫星轨道信息所需要的参数。导航电文每一帧包含5个子帧，每一子帧又包含10个字，每一个字包含30数据位，每一数据位占据20ms。导航电文结构图如下：GPS导航电文结构从图中可以看出，每一个字0.6s，每一子帧6s，30s传送完一帧。前三子帧包含当前时刻所有的卫星星历信息，历史信息保存的4、5子帧，25帧才组成完整的历书，所以完整的卫星星历需要25*6=12.5min才能发送完毕。由于前三子帧已包含计算所需要的星历数据，18s的卫星数据就可以进行定位。2.2 GPS信号误差卫星信号由卫星发射到接收机接收，这一过程需要信号传输2万多千米，这一过程会给信号带来很多误差。首先，卫星发射的卫星信号中本身就包含卫星星历误差以及卫星时钟带来的误差；其次卫星信号传输需要穿越大气层，这一过程带来的误差可以归结为电离层延时和对流层延时；另外，信号传输到地面被接收机接收还会带来多路径效应、电磁干扰以及接收机噪声等误差。总之，接收机接收到的信号包含了很多噪声，如果要精确的定位计算就必须要对这些噪声模型有一个清楚地认识，下面将分别对这些误差进行介绍。2.2.1 时钟误差由于卫星上的原子钟时间偏移和频率漂移，造成卫星时钟与标准的GPS系统时间相比，t时刻卫星时钟所包含的误差，可以表示如下： （2.4） 式中、为导航电文中提供的误差参数，为导航电文提供的时间参数，Time of Clock的缩写，表示时钟时刻。除此之外，卫星时钟误差还包含相对论校正量和群延迟校正，总的时钟误差为： （2.5）由导航电文提供，相对论校正量可以表示为： （2.6）其中，为卫星的轨道偏心率，表示轨道长度半径，为偏近点角，这三个参数都可以从导航电文获得。常熟的值为： （2.7）和为常数，可以查表获得。2.2.2 卫星星历误差通过地面监控部分计算出的卫星轨道参数用来描述卫星的运行轨道，这些参数理论上是正确的，但是卫星在运行过程中受到的作用力十分复杂，无法精确建模。通过星历参数计算出的卫星模型与真实的卫星运行轨道之间肯定存在着误差，但是这个误差没有精确的模型，由于地球转动十分缓慢，以及信号传输时间非常短，星历误差对定位造成的影响很小。2.2.3 电离层和对流层误差电离层是高度约为70100km出的大气层，电离层中充满了电离子和电子，当电磁波穿过时波的传输速度和方向会发生改变，电离层对电磁波的影响与其频率有关，当GPS信号穿过电离层时电离层会对伪码和载波造成相反的影响。GPS信号穿过电离层伪码的传输速率会变慢，而载波的速率却会变快，二者变化的量相等，方向相反。多频接收机中电离层误差可以通过不同频率波之间的延时大小不同精确估计出延时，单频接收机中可以按照误差模型进行计算。对流层位于离地面约为40km的高度，对流层中包含了大气层中99%的质量，其中氧气、氮气、水蒸气是造成对流层延时的主要原因。与电离层相比，对流层对信号造成的误差要小得多，由于对流层和气象有关，实际中不方便实时获取精确的气象资料，一般的矫正都会采用简化的对流层模型，而这种模型有多种形式的近似。这里列举一种： （2.8）2.2.4 其他误差卫星信号传输到地面，经过周围的建筑物反射到达天线，这种经过反射的信号会对正确的信号造成影响，对给定位结果带来误差。另外，天线、放大器以及各部分的电子器件热噪声、信号量化误差、定位算法、软件接收机中的数值精度误差等都会给定位带来误差。这些误差都比较小，在实际结算过程中可以归结为一项进行估计。第三章 GPS中频数据仿真3.1 中频信号仿真模型GPS卫星发射的L1载波信号频率为1575.42MHz的高频信号，难以对其进行仿真，接收机的射频前端接收到射频信号之后首先对其进行下变频，使信号载波频率变换到中频，此时的卫星数据成为中频数据。本软件仿真的对象即为GPS中频数据。考虑所有的误差因素，仿真中频信号的表达式为： （3.1）其中表示可视卫星编号，表示可见星的总数目，表示信号的功率，表示导航电文，表示伪码，表示接收机时间，表示传输时间延时，、分别代表电离层、对流层、卫星时钟漂移、多径效应所带来的误差，表示中频信号角频率，表示多普勒频移角频率，表示信号噪声。本仿真软件的应用背景是高动态下的导航与定位，重点不在于电离层、对流层、多径效应等误差因素的影响，为了是问题更有利于分析算法的有效性，也为了软件仿真更有效率，本软件只考虑了卫星时钟误差带来的影响。简化之后的中频信号表达式如下： （3.2）在仿真过程中设置电离层、对流层、多径效应的影响为0，噪声设置为白噪声。在这个表达式中高动态体现在上，表示的是多普勒频移角频率，载体与卫星的相对运动速度越快，数值越大，载体的机动性越强，变化越快。当数值很大并且变化很快时，载波的频率就会变化的很快，造成跟踪环路无法锁定卫星信号，导致卫星信号失锁，无法导航定位。对应于3.2式中的中频信号模型，本软件的仿真框架图如下：图3.1中频数据仿真框架图对应于上式3.2中描述的中频信号模型，下面对中频信号的仿真过程做详细介绍。C/A码的生成按照2.1中介绍方法生成即可；导航电文可以通过网络下载IGS精密星历数据文件获取，首先，读取文件中的参数，然后按照一定的规则把这些十进制的参数乘以一些系数之后转化为二进制数据，最后把这些二进制数据按照导航电文的格式编排，最后一部中还需要用到奇偶校验位的计算；载波仿真中只要确定了中频信号的频率和多普勒频移就可以直接生成，中频频率是软件中设定的参数，这一步中软件计算的重点就集中于多普勒频移的计算。 3.2 导航电文仿真仿真导航电文需要先清楚其中包含的卫星参数，以及这些参数在导航定位中的作用。3.2.1 导航电文中的参数（软件接收机基础75页）前三子帧中包含了定位解算所需要的导航电文，本仿真实验中仿真了18秒数据，包含了前三子帧卫星轨道参数。第一子帧中的参数：（星期数）、用户位置精度、卫星健康状态、卫（星时钟的数据龄期）、（群延迟估计）、卫星时钟修正因子。第二子帧中的参数：（卫星星历数据的数据龄期）、（卫星轨道半径的正弦调和修正值）、（计算值的平均移动误差）、（参考时间的平近点角）、（纬度辐角的余弦调和修正项的幅度）、（椭圆离心率）、（纬度辐角的正弦调和修正项的幅度）、（卫星轨道长半轴平方根）、（时间星历的 参考时间）。第三子帧中的参数：（倾斜角的余弦调和修正项的幅度）、（卫星轨道的升交点经度）、（轨道倾角的正弦调和修正值）、（参考时刻的卫星轨道倾角）、（轨道半径的余弦调和修正值）、（轨道近地点角距）、（轨道倾角变化率）。以上GPS导航数据是导航解算必须的参数，仿真实验中这些参数可以通过网络下载RINEX格式的导航电文文件获得，下面对导航电文文件做简要介绍。3.2.2 RINEX导航电文文件结构 RINEX(Receiver Independent Exchange)，共有三种格式观测文件、导航文件和气象文件（meteorological）。本软件所需要的是导航文件，导航文件分为前一部分的文件头和后面的数据记录部分。文件头中的参数具体如下：标签第61-80列，从零开始计数描述格式RINEX VERSION / TYPE- 版本 (2.10) - 文件类型 (N表示导航文件)F9.2,11X,A1,19XPGM / RUN BY / DATE- 创建当前文件的程序名称- 创建当前文件的机构名称- 创建文件的时间 A20,A20,A20*COMMENT注释语句A60*ION ALPHA历元的电离层参数A0-A32X,4D12.4*ION BETA历元的电离层参数B0-B32X,4D12.4*DELTA-UTC: A0,A1,T,W用于计算UTC的参数A0,A1: 多项式系数 T :UTC参考时间 W : UTC参考周3X,2D19.12, 2I9 *LEAP SECONDS跳秒I6END OF HEADER文件头部分的最后一行60X导航文件数据记录部分具体内容如下：观测记录描述格式PRN / EPOCH / SV CLK- 卫星编号 - 星历: Toc 时钟时间年(2字节，根据需要可补零)月日时分秒- SV 钟偏 (seconds) - SV 钟漂 (sec/sec) - SV 钟漂率 (sec/sec2) I2,1X,I2.2,1X,I2,1X,I2,1X,I2,1X,I2,F5.1,3D19.12BROADCAST ORBIT - 1- IODE 数据分发历书 - Crs (米) - Delta n (弧度/秒) - M0 (弧度) 3X,4D19.12BROADCAST ORBIT - 2- Cuc (弧度)- e 第一偏心率- Cus (弧度)- sqrt(A) (sqrt(m)3X,4D19.12BROADCAST ORBIT - 3- Toe 历元时间(GPS周内的秒)- Cic (弧度) - OMEGA (弧度) - CIS (弧度) 3X,4D19.12BROADCAST ORBIT - 4- i0 (弧度) - Crc (米) - omega (弧度) -OMEGA DOT (弧度/秒)3X,4D19.12BROADCAST ORBIT - 5-IDOT (弧度/秒)- L2载波上的码- GPS 周号 (和TOE一起使用) - L2 P 码数据标志 3X,4D19.12BROADCAST ORBIT - 6- SV 精度 (米) - SV 健康度 - TGD (秒) - IODC 数据分发时钟 3X,4D19.12BROADCAST ORBIT - 7- 信息传递时间（GPS周秒，从HOW字的Z计数计算得到 - 间隔 (小时) - 备用- 备用3X,4D19.123.2.3 导航电文生成通过RINEX格式的导航电文文件可以获取导航电文中的参数，本软件的Read_eph.m函数从导航电文文件wuhn2890.10n中读取星历数据（这个导航电文文件可以任意选取），读取的数据是十进制数，要转化为导航电文必须把这些数据转化为一定长度的二进制数。perfectdec2bin.m函数的作用是把导航电文中的数据转化为二进制位，区别于dec2bin.m，本函数的可以转化包括负数、小数在内的实数。GPS_navdata_generate.m函数的作用是生成每一颗卫星的导航电文，本函数首先调用Read_eph.m，读取导航电文文件中的参数到data变量中。data中包含的导航电文中的参数经过perfectdec2bin.m函数转变为二进制位，这些二进制位按照导航电文格式编排导航电文中每一个字的前24位，这样生成的导航电文每一帧为10*24的格式。每一个字的后6位为奇偶校验位，奇偶校验位是利用前24计算生成，本软件中计算奇偶校验位的函数为parity.m。生成的6位奇偶校验位附加在24位导航电文后面组成完整的导航电文。生成导航电文是生成中频数据中重要的一步，之后还要计算中频数据中的其他参数，码相位、载波相位、多普勒频移、信号传输时间等这些参数在下一节做详细介绍。3.3 中频数据中参数计算 3.3.1 卫星参数计算上文中已经计算出了导航电文中的计算卫星轨道所需要的参数，本软件中sat_position.m函数的作用是计算指定卫星的卫星速度、位置。软件中首先调用Read_eph.m函数，读取的卫星参数保存在变量navdata中，calculate_satalite.m函数调用navdata，计算得出卫星的位置、速度，calculate_satalite.m输出的变量经过整理，变为所需要的位置、速度格式作为函数sat_position.m的输出量。卫星位置、速度的计算过程具体如下。卫星的轨道计算需要建立在对卫星轨道理论分析的基础之上，需要用到开普勒定律、开普勒方程式、坐标系之间的转换、真近点角和平近点角的含义。除了理论分析之外，计算过程还需要知道所需的16项星历数据参数。具体计算过程如下所示：（1）计算归一化时间。因为卫星的星历数据都是相对于参考时刻toe而言的，所以需要将观测时刻做归一化处理（3.3）归一化之后的时间控制在-到之间。（2）计算卫星的平均角速度n。将导航电文中的扰动修正项带入（3.4）式中为地心引力常数，为椭圆半长轴，由星历数据提供，在利用星历数据中提供的修正项得到平均角速度（3.5）（3）计算信号发射时刻的平近点角Mk（3.6）（4）计算卫星在信号发射时刻的偏近点角（3.7）式中为卫星椭圆轨道的偏心率，这是个超越方程，需要用迭代法求解，一般来说只需迭代十次即可。（5）计算信号发射时刻的真近点角。（6）计算卫星的地心向径（3.8）（7）计算信号发射时刻的升交点角距。利用卫星星历中提供的卫星轨道的近地点角距，代入如下公式：（3.9）（8）计算信号发射时刻摄动修正项，和。升交点角距修正项： （3.10）卫星地心向径修正项： （3.11）卫星轨道倾角修正项： （3.12）、都来自于卫星星历数据。得到的这三个修正项用来校正，和: （3.13） （3.14） （3.15）（9）计算卫星信号发射时刻在椭圆轨道平面直角坐标系中的位置。 （3.16） （3.17）（10）计算信号发射时刻的升交点赤经，计算公式如下： （3.18）式中、为星历数据提供的卫星参数，等于7.10-5rad/s，是地球自转角速度。（11）计算卫星在WGS-84地心地固直角坐标系中的位置，公式如下： （3.19） （3.20） （3.21）计算出的是在WGS-84地心地固坐标系中的坐标，如果想要得到最为广泛应用的大地坐标系，即经纬高，还需要转换到WGS-84大地坐标系。计算出卫星的坐标之后对位置函数求导数即可得到计算卫星的速度。到这里已经计算出了卫星的速度、位置，如果想要得到卫星信号仿真所需要的多普勒频移、码相位、载波相位还必须知道载体的轨迹，下面介绍载体轨迹的仿真过程。3.3.2 载体轨迹仿真载体的运动轨迹要参照导航电文数据的采集地点，以保证在生成的运动轨迹环境下的可视卫星与仿真的卫星吻合，如果采用的导航电文文件包含32颗卫星，运载体的轨迹可随意生成，然后根据载体轨迹计算特定时间段之内的可视卫星，然后对可视卫星进行仿真。本仿真实验采用的导航电文文件是接收机定点采集的，文件中只包含了可视卫星的星历数据，所以载体轨迹也应该参照星历采集地点的经纬度，然后按照轨迹生成算法进行计算。为了证明仿真的中频数据正确性本实验中采用了三个轨迹，定点，直线，圆周运动。3.3.3 信号传输时间计算上文中已经计算出了卫星的速度、位置和载体的速度位置，接下来要计算载波相位和伪码相位，相位的计算必须要利用载体与卫星之间的距离信息，也就是伪距的计算。伪距是接收时刻载体的位置与信号发射时刻卫星的位置之间的距离，计算伪距可以通过计算信号传播时间乘以光速获得，具体过程如下。相对于卫星地心地固坐标系时刻在转动，计算的每一时刻的卫星位置都是相对于当前的地心地固坐标系。以卫星信号发射时刻地心地固坐标系为参考，接收机位置已知，接收时刻卫星的位置已知，发射时刻卫星的位置。给赋初值为67ms， (3.22)其中表示信号接收时间，表示信号发射时间，表示信号传输时间。根据和卫星星历可以计算出卫星在信号发射时刻地心地固坐标系下的坐标，计算伪距必须要在同一个坐标系下，考虑地球自转，对地心地固坐标系进行转换： (3.23)坐标系转换之后可以计算得到新的： (3.24)进行迭代计算，得到，其中3.23和3.24中的参数定义如下。：相对于frame为接收时刻地心地固坐标系下的接收时刻接收机位置。：相对于frame为接收时刻地心地固坐标系下的发射时刻卫星位置。：