卫星导航模拟测试系统原理与实现

梁书忠，唐 斌，李 腾

（北京卫星导航中心，北京100094）

卫星导航模拟测试系统原理与实现

梁书忠，唐 斌，李 腾

（北京卫星导航中心，北京100094）

简要介绍了当前广泛应用的几种卫星导航系统，根据卫星导航系统的特点阐述了卫星导航模拟测试系统的工作原理，通过基于并行DSP/FPGA的高速基带数字合成技术和正交中频、射频调制技术以及高倍率及高精度数字延时滤波器技术，利用面向对象的软件工程化编程方法，完成了系统的设计与实现。

卫星导航；模拟测试系统；面向对象

0 引 言

卫星导航系统已成为当今发达国家国防与经济建设的重要组成部分，是国家综合国力及科学技术发展水平的重要标志之一，并且已成为在现代高技术战争条件下及时获取高精度测量信息资源不可缺少的空间基础设施[1］，在战场建设、精确打击、指挥决策、态势感知等方面发挥了巨大作用，成为国家遏制危机、控制战局、保障长治久安与和平发展的重要战略保障。卫星导航系统在国家经济建设中也有着广阔的应用前景[2］，它不仅在交通、电信、电力、金融等国家基础设施建设中发挥着重大作用，是社会数字化、信息化的重要支撑，而且，在日常生活中为人们提供全方位的导航定位与授时服务。

随着各国卫星导航系统的建设发展，各种卫星导航用户设备在国民经济和国防建设中的应用越来越广泛，其性能也越来越受到用户的重视和关心，如何进行卫星导航用户设备的测试与试验，是很多用户必须面临的问题。采用卫星导航模拟测试系统，通过仿真真实的导航信号环境，建立自动化的测试平台，对卫星导航用户设备进行功能检查和性能试验，是解决这一问题的有效途径。

1 卫星导航系统简介

卫星导航系统是一种天基无线电导航定位与时间传递系统[3］，包括卫星星座、地面系统及用户终端设备等三大部分，可为地球表面和近地空间的广大用户提供全天候、全天时、高精度的三维位置、速度和时间信息。

当前，全球主要在建和在轨运营的卫星导航系统包括美国的GPS全球定位系统、欧洲的GALILEO卫星导航系统、俄罗斯的GLONASS卫星导航系统以及中国的北斗卫星导航系统[4］。卫星导航系统一般均由三部分组成[5］，分别为：空间卫星星座、地面控制/监测网络和用户接收设备，空间卫星负责播发用户定位所需的导航信号，地面控制/监测网络负责维护空间卫星星座的正常功能，包括将卫星保持在正确的轨道位置和监测卫星的健康状况，用户接收设备用来处理从卫星发射的导航信号，进而确定用户位置信息。卫星导航系统工作原理如图1所示。

图1 卫星导航系统工作原理

2 卫星导航模拟测试系统组成

卫星导航模拟测试系统主要功能是通过仿真真实的卫星导航信号以及空间电磁环境，对卫星导航用户设备进行卫星不在轨、室内或临界条件下的性能及功能项目测试，以检测卫星导航用户设备是否满足设计要求。根据功能要求，卫星导航模拟测试系统一般由卫星导航数据仿真模块、卫星导航信号生成模块、测试管理与控制模块、测试结果评估模块等几部分组成。卫星导航数据仿真模块主要功能是计算仿真卫星导航用户设备在不同运动状态条件下接收到的多星座、多频点的各类观测数据，包括卫星星座仿真、用户轨迹仿真以及观测数据仿真等，可为卫星导航信号生成模块和测试结果评估模块提供必需的数据源。卫星导航信号生成模块主要功能是根据卫星导航数据仿真模块计算的仿真数据生成射频模拟卫星导航信号。测试管理与控制模块主要功能是完成测试完整过程的任务调度和管理控制，包括各功能模块间的任务序列管理以及卫星导航模拟测试系统与用户机间的数据交互控制等。测试结果评估模块主要功能是完成测试结果的评估分析，包括单项指标的结果统计以及全项指标测试报告的生成和打印等。卫星导航模拟测试系统各功能模块组成关系如图2所示。

图2 卫星导航模拟测试系统功能组成框图

3 卫星导航模拟测试系统原理与组成

测试流程开始时，测试管理与控制模块首先根据用户配置参数向卫星导航信号生成模块发送射频信号仿真指令，同时测试管理与控制模块向卫星导航数据仿真模块发送数据仿真指令；卫星导航数据仿真模块收到数据仿真指令后根据指令内容生成相应的仿真数据，并将仿真数据发送给卫星导航信号生成模块；卫星导航信号生成模块待收到卫星导航信号生成模块发送的仿真数据后向测试管理与控制模块发送射频信号仿真指令回执，同时根据仿真数据生成相应的射频模拟信号并发送给被测用户机；被测用户机根据接收到的卫星导航信号生成模块发送的射频模拟导航信号解算出PVT等用户导航信息，并将解算结果发送给测试管理与控制模块；测试管理与控制模块将被测用户机上报的测试结果按照相应的数据结构发送给测试结果评估模块并进行数据库入库操作，测试结果评估模块根据卫星导航数据仿真模块生成的测试仿真数据对用户机上报的测试结果进行评估分析，并生成相应的测试报表或测试报告，测试流程结束。卫星导航模拟测试系统工作流程如图3所示，图中数字序号表示测试流程执行过程中各功能模块之间数据交互的先后顺序。

图3 卫星导航模拟测试系统工作流程图

4 卫星导航模拟测试系统设计与实现

4.1 系统设计

卫星导航模拟测试系统测试管理与控制模块、卫星导航数据仿真模块、测试结果评估模块均采用软件方式实现，卫星导航信号生成模块采用软硬件结合的方式实现。

测试管理与控制模块、卫星导航数据仿真模块、测试结果评估模块均在高性能计算机上编程实现，可以完成人机交互、管理控制、数据仿真、测试评估等功能。卫星导航信号生成模块硬件结构上采用标准VXI总线机箱，内置射频信号仿真模块、时间频率综合模块等，软件上采用高性能VXI软件无线电处理技术、数字基带合成技术和射频调制技术，实现卫星导航射频信号的仿真生成，另外，VXI总线机箱通过IEEE1394口与上位机控制软件连接，以实现对卫星导航射频信号仿真的实时控制。

测试管理与控制模块、卫星导航数据仿真模块、测试结果评估模块通过工程化的编程接口实现数据交互，测试管理与控制模块以及卫星导航数据仿真模块通过以太网和卫星导航信号生成模块使用TCP/IP协议进行数据交换。被测用户机的上报数据经由RS232串口通过串口服务器经以太网送入测试管理与控制模块。

4.2 软件设计与实现

卫星导航模拟测试系统软件代码采用Microsoft.NET Framework框架结构，使用模块化、工程化的编程思想进行设计[67］，有效保证了软件代码的重用性和执行效率。在软件设计过程中，采用N层设计结构，对通讯层、数据库层、业务逻辑处理层、人机界面层进行独立封装的设计和实现，极大提高开发效率和系统的易维护、易升级性能。

卫星导航模拟测试系统软件结构设计上主要包括卫星导航数据仿真模块、测试管理与控制模块、测试结果评估模块以及数据库等几部分。各系统业务模块根据功能要求又细化为多个功能子模块，分别负责完成各自的系统功能，系统软件结构组成框图如图4所示。

根据系统软件整体框架设计，测试管理与控制模块主要负责测试过程中的任务调度和管理控制，其模块实现代码中的类间关系图如图5所示。

图4 卫星导航模拟测试系统软件结构框图

图5 测试管理与控制模块类间关系图

4.3 硬件设计与实现

卫星导航信号生成模块硬件结构VXI机箱选用Agilent公司的13槽C尺寸机箱E8401A实现，0槽选用Agilent的E8491B。通过0槽可以对每个槽位上对应的模块进行控制，并可以更新升级程序软件，改变信号体制和导航电文格式，达到多信号体制仿真扩展的功能。

卫星导航信号生成模块设计采用基于并行DSP/FPGA的高速基带数字合成技术和正交中频、射频调制技术[8］。一个用户的全部通道以数字形式在高性能软件无线电处理平台上计算并合成，有效提高系统通道间的一致性，消除了卫星通道间的误差，也消除了内部时间误差，确保了高精度。该方案与射频合成方案相比增加了软件无线电数字部分设计的难度，使得伪距控制精度、多普勒变化和幅度等均在数字部分计算，简化了射频设计，避免了由射频群时延不一致产生的通道间误差和卫星间的钟差，且数值计算、钟差可控，有效保证了系统的设计指标。卫星导航信号生成模块原理结构图如下图6所示。

图6 卫星导航信号生成模块原理结构图

卫星导航信号生成模块在模拟仿真导航信号时涉及到高精度高动态范围的多通道信号实时产生问题。为了保证多通道实时产生的精度和动态范围，必须实现多星之间伪码相位的高精度时延和相位控制的一致性。卫星导航信号生成模块采用高倍率及高精度数字延时滤波器技术，实现了多星之间伪码相位时延的高精度控制。

一个信号X（t）通过一个滤波器h（t）时，必将产生一定的群时延。对于模拟滤波器，这种时延受到包括温度等外界的影响。但对于数字滤波器来说，其群延时却是一个恒定值。改变滤波器的群延时就可以改变信号的时延，在理论上这种时延的改变可以做到非常精细，然而受到计算代价和内存容量的限制，一般根据需要选择符合精度要求的步长就可以实现码相位精确控制。

数字延时滤波器的原理是基于多抽样率数字信号处理理论的，数字延时滤波器算法的本质是通过插值得到高密度采样波形信号、时延所需要的时延样点个数，最后再抽取至DAC转换频率。为了节省计算量，采样率转换器SRC采用多级实现的方式。当SRC的转换因子较大时，直接一次完成转换，从计算量和存储量来说往往不如经过两次或以上的转换更为经济。通常把一次抽取或内插就完成所需要的抽样率转换成为抽样率转换的单级实现，而把两次或两次以上的转换称为多级实现。

在总的内插因子I和级联数M已知的情况下，如何分配每一级的内插因子Im成为多级内插系统设计的关键，内插因子的分配原则是使总的运算量最小：

式中，Nm为第m级内插滤波器阶数，并定义

由于满足I＝I1I2…Im条件的内插因子分配方案是有限的，所以可通过计算机枚举算法预先找出最优结果。

4.4 仿真实例

根据卫星导航模拟测试系统应用中的实际需求，以几个比较典型的仿真场景实例说明模拟各种场景下用户轨迹和卫星星座的实际过程。仿真实例1为直线加速运动场景，适用于地表低动态用户的性能验证，仿真的用户轨迹和卫星星下点轨迹如图7所示，其运动参数分别为：速度0～300m/s，加速度2m/s2.仿真实例2为静态场景，适用于地表低动态用户的功能及性能验证，仿真的用户轨迹和卫星星下点轨迹如图8所示，其点位坐标为（X＝－2 113 208.012m，Y＝4 332 718.505m，Z＝4 162 423.200m）。仿真实例3为圆形轨迹匀速运动场景，适用于低空高动态用户的性能验证，仿真的用户轨迹和卫星星下点轨迹如图9所示，其运动参数分别为：速度1 800m/s，加速度15m/s2.

图7 仿真实例1

图8 仿真实例2

图9 仿真实例3

5 结束语

根据卫星导航系统的工作原理研究了实验室环境下用于卫星导航用户终端测试试验的卫星导航模拟测试系统的工作原理，并且通过基于并行DSP/FPGA的高速基带数字合成技术和正交中频、射频调制技术以及面向对象的软件工程化设计方法，完成了系统的设计与实现。卫星导航模拟测试系统的研究目标是为了尽可能全面的模拟空间卫星导航信号，在实验室环境下对卫星导航用户终端的功能和性能指标进行验证，随着国内卫星导航产业的迅猛发展，如何进一步提高卫星导航模拟测试系统的集成化程度和对复杂电磁场景的模拟能力，是下一阶段需要更深入研究的问题。

[1]谭述森.卫星导航定位工程[M］.2版.北京：国防工业出版社，2010.

[2]樊昌信，张甫翊，徐炳祥，等.通信原理[M］.5版.北京：国防工业出版社，2001.

[3]PARKINSON B W.A history of satellite navigation[J］.Navigation，1995，42（1）：109－164.

[4]卡普兰（美），赫加蒂（美）.GPS原理与应用[M］.2版.寇艳红译，北京：电子工业出版社，2007.

[5]PARKINSON B.Global Positioning System：Theory and applications，volsⅠandⅡ[M］.American Institute of Aeronautics and Astronautics，Inc.Washington DC，1996.

[6]沃森（美）.C＃入门经典[M］.5版.齐立波，黄静译，北京：清华大学出版社，2010.

[7]JOHANSEN B，REYNOLDS M.Windows应用高级编程——C＃编程篇[M］.张哲峰译.北京：清华大学出版社，2002.

[8]BROWN R G，HUANG P Y C.Introduction to random signals and applied Kalman fitering[M］.3nd ed.NY：Wiley，1992.

Principles and Realization of Simulation Test System for Satellite Navigation

LIANG Shuzhong，TANG Bin，LI Teng
（Beijing Satellite Navigation Center，Beijing100094，China）

This paper has introducted several satellite navigation system current widely used.According to the characteristics of the satellite navigation system，we expounded the working principles of satellite navigation simulation test system.The design and realization of the system was completed through parallel DSP/FPGA high－speed baseband digital synthesis technology，orthogonal IF，RF modulation technology，high multiplication accuracy digital time delay filter technology and object－oriented software engineering.

Satellite navigation；simulation test system；object－oriented

P228.4

A

1008－9268（2015）01－0052－05

10.13442/j.gnss.1008－9268.2015.01.011

梁书忠（1978－），男，山东嘉祥人，硕士，工程师，主要从事卫星导航用户终端测试技术研究。

唐 斌（1978－），男，江苏大丰人，博士，工程师，主要从事卫星导航系统技术研究。

李 腾（1986－），男，陕西宝鸡人，硕士，工程师，主要从事卫星导航用户终端测试技术研究。

2014－07－22

联系人：梁书忠E－mail：liangshuzhong＿123＠163.com