卫星信号模拟器的发展现状与趋势

侯 博,谢 杰,刘光斌

(解放军第二炮兵工程学院,西安 710025)

1 引 言

目前,世界卫星导航领域已经形成了GPS、GLONASS、“北斗二号”和Galileo四足鼎立之势,日本的QZSS和印度的区域导航系统(Indian Regional Navigation Satellite System,IRNSS)也正在建设与筹备中[1]。卫星导航系统已经成为大国必备的、关系国家安全的基础设施和重要战略资源。

在卫星导航系统中,卫星导航接收机无疑是最重要也是最直接发挥导航系统作用、体现其性能的环节。卫星信号模拟器作为接收机特别是高端接收机开发与验证的必备工具,其技术难点主要存在两个方面:由于模拟器仿真的卫星信号是扩频、调幅、调频、调相的复杂信号,模拟器需要非常合理的软硬件架构和信号的生成方案;实际卫星信号中存在多种干扰和延迟,模拟器中需要融入精确合理的误差模型,以实现信号的逼真模拟。相比于国外,国内无论是卫星信号系统架构、仿真理论还是相关误差模型的研究都显得不够细致深入。近年来,国外涌现出一大批软件、硬件以及混合架构的模拟器,其功能强大、门类齐全,国内也成功研发了多款模拟器产品。随着 GPS、GLONASS的广泛应用和“北斗”、Galileo等新系统的建设,卫星信号模拟器的相关理论研究和产品研发进入了一个全新阶段,也呈现出一些新的发展趋势。

2 国内外模拟器理论研究与产品现状

2.1 国外模拟器理论研究与产品现状

2.1.1 模拟器架构与系统设计研究现状

国外对于卫星导航仿真理论和模拟器技术的研究起步较早。最早在20世纪70年代后期,GPS尚处于方案论证阶段,美国空军就已经建立了地面测试与数据处理系统。近十余年来,加拿大Calgary大学和York大学、美国的Stanford大学和Ohio大学、德国航天中心等诸多著名大学和研究机构都对卫星信号仿真理论与应用进行了深入研究,取得了丰硕成果。

(1)软件模拟器

2001年,Calgary大学Luo Ning在其博士论文[2]中详细探讨GPS实际信号中存在的各种误差并建立了相应的模型,对各模型的有效性进行了验证。Corbell[3]和 Lei Dong[4]分别开发了基于Matlab的GPS中频信号软件模拟器。Lei Dong在论文中将卫星信号的多普勒频移表示为伪距的一部分,大大降低了仿真计算量。作者在文中证明了两种表示方法的统一性,其基本思想为:多普勒频移本身就是由相对距离的改变产生,而卫星与接收机载体间的伪距本身就是两者距离的表示。2009年,德国航天中心F.M.Schubert开发了基于C++的开源软件GNSS信号模拟器SNACS,该模拟器中引入了包含更多误差项的信道模型,可以提供更为复杂的信道仿真[5]。同年,加拿大York大学的Alexander Dolgansky等也开发了多模卫星信号软件模拟器(Multi-GNSS Observables Simulator,MGOS),文献[6]中介绍了该模拟器中所应用的误差模型并指出这些误差模型可以应用于各GNSS系统。此外,SATNAV等基于Matlab的工具包软件模拟器应用较为广泛。

(2)硬件模拟器

2008年,Christoph Abart[7]介绍了由欧盟科研架构计划资助,Agilent(安捷伦)、TeleConsult等公司参与研发的卫星信号模拟器。该卫星信号模拟器可以进行GPS L1、Galileo L1和SBAS信号的仿真,硬件部分包括信号API接口、基带信号生成器和射频前端,但是论文中没有具体涉及仿真的软硬件实现方法。David A.Hall介绍了Averna公司基于NI射频测试平台开发的录播式模拟器[8]。然而录播式模拟器主要存在两个缺陷,一是录制的信号中掺杂着现实环境中的多种干扰信号,二是录制条件决定其模拟的载体场景例如高度、速度、运动曲线都受到很大限制 。国外基于VXI、PCI、CPCI、USB 和以太网的模拟器技术较为成熟,但是由于卫星信号模拟器中涉及敏感技术,西方发达国家对中国实行严格的模拟器进口管制,公开发表的有价值的论文很少,而且软件模拟器相关论文居多,涉及硬件实现的论文寥寥无几。

(3)混合架构模拟器

混合架构即基于Matlab或其它软件计算得到中频信号存储在存储器中,而后将文件直接发送给接收机或通过硬件调制模块生成射频信号测试接收机整体性能。NAVSYS公司一直致力于 AGHS(Advanced GPS Hybrid Simulator)架构[9]的GPS卫星信号仿真产品的研制,该公司的模拟器多采用“Matlab+DSR存储器”式结构。

由于近年国外模拟器整体架构逐步成熟,相关产品较多,关于架构和实现方面的论文文献趋少。

2.1.2 主要相关模型的研究进展

(1)电离层误差模型

电离层误差的研究主要集中在电离层延迟和电离层闪烁之上。

早在1987年,John A.Klobuchar就给出了可以校正约70%电离层延迟的单频接收机电离层延迟校正算法[10],此算法成为了之后广泛应用的Klobuchar模型。由于Klobuchar模型不需要环境参数、计算量小、实时性好,GPS和“北斗二号”卫星信号的导航电文中均包含Klobuchar模型参数,为接收机提供电离层延迟校正数据。此外,常用的电离层模型还有 Bent模型、IRI模型、Nequick模型、VTEC模型等。近年来由于电离层监测网的建立,接近实时的电离层延迟补偿成为可能,得到了广泛应用。

电离层闪烁可以引起信号幅度、相位、时延的快速抖动,严重时可以造成接收机失去捕获。现阶段,电离层闪烁对于GNSS系统影响的研究正在国外广泛展开。2008年,Humphreys等建立了一种基于概率的电离层闪烁数学模型[11],用以检测GPS接收机相位跟踪环路性能。2010年,Rajendra Malla与Robert Fries分别使用Cornell大学和Air Force Research Laboratory开发的电离层闪烁仿真工具,结合Sprient公司的GPS信号模拟器分析电离层闪烁对接收机的性能影响,提出将闪烁造成接收机定位中断的概率作为反映接收机架构和算法性能指标的方法[12]。

(2)多径效应模型

2006年,Tao Hu在硕士论文中重点讨论了室内环境中复杂多径效应下的GPS卫星信号仿真[13],建立了多种室内场景的多径效应模型,使用了硬件模拟器在各场景内对仿真模型进行了验证。此论文是多径效应仿真较为经典的论文之一。近年来,室内、城市、丛林、环境等下的多径效应成为了国外研究的热点。

(3)其余误差模型

常用的对流层模型还有改进Hopfield模型、Saastamonien模型、Neill模型、Davis模型等。近年来,对流层校正研究主要方向有两个:一个是差分方法;另一个是使用气象观测机构(如NOAA,即美国国家海洋和大气管理局)根据观测网给出的对流层数据进行实时延迟校正。国外对于单频用户独立定位的对流层模型研究趋少。

相对论效应、星钟误差等模型已经能够满足甚至超出了卫星导航的精度需求,应用较多,相关研究较少。

2.1.3 国外模拟器产品现状

国外有众多公司推出了配置灵活、功能强大的卫星信号模拟器产品。其中,英国Sprient公司在卫星信号模拟器领域的研究起步较早并一直处于较为领先的地位。

表1 国外主要的模拟器生产商Table 1 Major foreign simulator manufacturers

以上各公司的产品大都实现了GPS L1/L2/L5、GLONASS L1/L2、Galileo E1/E5/E6、SBAS 的任意组合仿真。此外,美国Aeroflex、Pendulum公司推出的硬件模拟器产品也在市场上占有一定份额。

2008年,美国国家仪器(NI)有限公司发布了基于LabView和PXI软件无线电平台的GPS工具包,可以模拟GPS L1频段C/A码信号,在配备磁盘阵列时可以进行GPS信号录播,其系统架构与AGHS相似。Agilent在部分信号源产品上也可以增加简单的GPS信号生成功能。

2.2 国内模拟器理论研究与产品现状

2.2.1 模拟器研究现状

北京航空航天大学依托国家自然基金,率先开展了GPS卫星信号模拟器和接收机领域的研究,对GPS卫星信号仿真基本原理和构架、误差仿真数学模型和实现方法进行了深入的理论研究,从软件架构和硬件实现上对GPS卫星信号模拟器进行了探索[14—16]。

国防科技大学也开展了模拟器的相关研究。张惠军等针对模拟器中信号延迟、卫星位置等参数计算量大、迭代次数多等特点,提出在精度要求不高情况下使用插值和拟合减少计算量的方法[17]。罗益鸿等在其论文中给出了基于迭代的精密伪距计算方法[18],针对计算时间过长的问题,作者进一步提出了迭代生成与插值相结合的组合伪距生成方法,大大降低了计算量。单庆晓等提出在FPGA中采用延迟滤波器仿真GPS伪随机码的延迟方案[19],这种方案实际应用可行,但硬件代价较大。罗显志等在其论文中介绍了基于Matlab的GPS/Galileo信号软件模拟器并给出了模拟器中所应用的各种误差模型[20]。

2008年,第二炮兵工程学院范志良硕士对GLONASS卫星信号仿真理论进行了深入研究,研制了GLONASS卫星信号模拟器,文献[21]中给出了该模拟器的软硬件架构。2009年,程俊仁硕士成功开发了多模卫星信号模拟器的上位机软件,解决了各卫星导航系统时空表示不统一情况下的信号同步仿真问题[22]。

2010年,北京理工大学宋媛媛等提出了一种基于三阶DDS的卫星信号多普勒模拟方法[23—24],通过三阶DDS级联,在模型中引入卫星和接收机相对运动的速度、加速度、加加速度因素,解决了一阶DDS下载波和码波形的不平滑问题,多普勒效应仿真更加逼真,但是作者没有给出各阶DDS控制字的具体计算方法。此外,哈尔滨工程大学、西安理工大学等多家单位也都在进行卫星信号模拟器的研究。

国内近年来的40余篇卫星信号模拟器相关文献中结果大多是计算机仿真得出,多篇硬件模拟器论文缺乏接收机实验验证。当前尚无公开发表的“北斗二号”卫星信号模拟器相关论文。

2.2.2 国内模拟器产品现状

在产品和应用方面,第二炮兵工程学院和国防科技大学推出了GNS8000系列模拟器,可以实现GPS、GLONASS、Galileo卫星信号的仿真。第二炮兵工程学院研制了世界上第一款可以实现GPS、GLONASS和“北斗一号”信号任意时空同步仿真的NS300系列多模卫星模拟器。东方联星、华力创通等公司也推出了能够实现GPS、GLONASS信号仿真的产品系列,产品具体状态和性能不详。

航天恒星科技有限公司借助卫星领域的研究优势,开发出了“CSG-5000单端口北斗卫星导航信号源”,可以产生“北斗二号”B1、B2、B3三个频点的粗码和精码仿真和信号传播的多径效应仿真。据悉,国防科技大学已经成功研制“北斗二号”卫星模拟器。此外,多家国内公司也都发布了“北斗二号”卫星信号模拟器产品的宣传广告,但经咨询得知并无实物或现货。

由于卫星信号模拟器特别是“北斗二号”模拟器应用前景广阔,多家院校、研究所和地方公司都在进行此领域的研究。第二届中国卫星导航学术年会(CSNC 2011)将于2011年5月在上海举行,届时必将有更新的模拟器产品亮相。

2.3 国内外理论研究、产品现状对比与分析

国内模拟器领域无论是理论研究还是产品性能,水平依然较国外有着较大差距,掌握模拟器核心技术的单位屈指可数。在辅助精确定位的各种误差模型研究领域,国外已经达到了非常精细的水准,例如室内、丛林、海洋等环境的影响、信号多径效应、电离层闪烁、电离层和对流层延迟网格校正等更为细致深入的研究早已在国外广泛开展,国内对此研究依旧较少。究其主要原因,一方面我国卫星导航领域研究起步晚,一直没有属于自己的导航系统和相应观测手段;另一方面,西方对高动态模拟器进行了严格的技术封锁,且人为限制出口我国的模拟器可仿真载体速度和高度。

3 模拟器发展趋势

卫星信号模拟器发展趋势主要呈现在以下几个方面。

(1)多模、多频化

为满足用户高精度定位需求以及卫星覆盖率引起的导航定位问题,多模多频是接收机未来发展的必然方向。可以实现多系统多频点卫星信号组合仿真的模拟器将成为必然趋势。

(2)高精度、高动态化

随着电子元器件性能的提升、软件无线电理论的发展和新型模拟器架构的提出,卫星信号模拟器的精度和动态范围必将随之提高,以实现高性能接收机的算法和功能验证。

(3)真实化、实时化

模拟器提供的仿真信号越接近实际卫星的信号就越能验证接收机的真实工作性能,这就需要建立更为精准的卫星信号误差模型并将其融入仿真的信号中,例如多径效应模型、信号衰减模型、电离层闪烁模型、天线方向增益模型等。此外,添加各类可控干扰信号的仿真信号生成也将成为未来模拟器必不可少的功能,用以验证接收机抗干扰性能。

未来模拟器将更多地要求任意时空的实时仿真,单一的录播转发式的卫星信号仿真最终将被淘汰,录播将作为辅助功能存在。

(4)小型化、专业化、标准化

针对不同市场的需求,更为专业的接收机验证模拟器和小型嵌入式模拟器将分别占据高低端市场。另一方面,国内对于接收机已经实施了部分标准,模拟器作为一种标准的信号源也需要一个行业标准进行规范。多家研究院所现在都在拟定模拟器的规范,以期申报为国家标准。

(5)与测试系统融为一体的“硬件在环”(Hardware-in-loop)仿真

未来的模拟器将提供多样的标准化接口,提供与被测系统的交互,构成完整的闭环测试回路,在验证接收机性能的同时验证定位数据处理和使用方案的可行性。

(6)软件、硬件和AGHS架构模拟器互补并存

软件模拟器价格相对低廉,信号建模和调理方法灵活、简便易行;硬件模拟器具有实时性高、可实施“硬件在环”仿真和接收机系统进行整体测试等优势;AGHS架构模拟器则各取其半。在未来一段时间里,这种“三足鼎立”之势不会改变。

(7)成为接收机检定的标准源

我国现行接收机检定手段多依赖于标准检定场的各种基线,然而标准检定场对于场地地质、视野及周边环境有较高要求,建设维护费用高昂,且检定场易受基线向量误差、点位漂移误差、天气等诸多不确定因素影响[25]。卫星信号模拟器作为低成本的灵活测试工具,可以为接收机提供时空无约束的仿真信号,在未来将逐步取代检定场基线成为接收机检定的标准工具。

4 结 论

国内卫星导航领域方兴未艾,各方面研究仍较国外有很大差距。随着“北斗二号”的建成,我国的卫星导航技术必将得到长足的发展。然而,“北斗二号”星座尚未布满,接收机开发缺乏信号源和验证工具,国内对于拥有自主知识产权的“北斗二号”卫星信号模拟器需求十分紧迫。各卫星导航系统将在未来互补并存,多模接收机必然得到广泛应用,开展的“北斗二号”及其它各系统的卫星信号模拟器的研究具有巨大的经济效益和重大的军事战略意义。

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