一种实时高动态导航信号模拟器系统及方法

摘要

一种实时高动态导航信号模拟器系统及方法，包括：卫星导航电文生成模块、实时仿真控制模块、观测数据生成模块、导航信号处理模块、中频信号生成模块、上变频模块。通过本发明，可以解决外部用户轨迹实时导航信号生成，满足实时闭环仿真以及导航半物理仿真的研究开发要求，并支持飞行器控制系统指标测试。

说明书

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种实时高动态导航信号模拟器系统 及方法。

背景技术

近年来，随着全球卫星导航系统的技术发展，导航接收机得到广泛应用。 为了满足导航接收机的研发以及测试，需要使用卫星导航模拟器。

卫星导航模拟器用来模拟不同条件下接收机天线端接收到的多路导航卫星 信号。卫星导航模拟器能够充分模拟动态载体运动过程中导航接收机遇到的各 种复杂情况，可以为导航接收机特别是高动态接收机的研制开发、测试阶段提 供仿真环境，同时也可用于系统级导航仿真试验。

随着闭环实时仿真的需求，需要实时接收载体运动信息产生导航信号。国 内的研究尚属于起步阶段，国外未见公开文献发表。且目前对导航信号的仿真 实时性不高，难以满足闭环强实时要求。

发明内容

本发明的技术解决问题的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种实时 高动态导航信号模拟器系统，能够实时仿真高动态载体接收到的导航信号，满 足对各种实时闭环测试场景仿真及飞行器控制系统的半物理仿真。

本发明的技术解决方案是：一种实时高动态导航信号模拟器系统包括：卫 星导航电文生成模块、实时仿真控制模块、观测数据生成模块、导航信号处理 模块、中频信号生成模块、上变频模块；

卫星导航电文生成模块，根据实时仿真控制模块发送的控制指令和时间同 步信息，按照导航电文格式，编码生成卫星导航电文；

实时仿真控制模块，接收导航信号处理模块发送的时间同步信息，并将时 间同步信息发送给观测数据生成模块和卫星导航电文生成模块，完成系统的时 间同步；然后将控制信息发送给卫星导航电文生成模块、观测数据生成模块和 导航信号处理模块，完成对系统的控制；

观测数据生成模块，根据外部的载体运动信息及实时仿真控制模块发送的 时间同步信息和控制信息，实时生成接收机的观测数据，所述观测数据包括测 量伪距、1～3阶伪距、载波相位和功率；

导航信号处理模块，接收实时仿真控制模块发送的控制信息，卫星导航电 文生成模块发送的电文和观测数据生成模块生成的观测数据；当收到中频信号 生成模块的时间同步信息，即中断信号时，根据收到的电文和观测数据生成环 路参数和电文发送给中频信号生成模块；

中频信号生成模块，接收导航信号处理模块发送的环路参数和电文，生成 时间同步信息发送给导航信号处理模块，同时生成中频导航信号发送给上变频 模块；

上变频模块，根据中频信号生成模块生成的中频导航信号，将中频信号上 变频至射频信号。

所述观测数据生成模块包括：

时空系统仿真单元，将时间系统和空间系统转化为导航系统的时间和空间 坐标，并将时间和空间发送给卫星轨道仿真单元；

卫星轨道仿真单元，接收时空系统仿真单元发送的时间和空间坐标，根据 轨道计算公式，实时生成当前时刻的卫星轨道运动参数，将卫星轨道运动参数 发送给伪距生成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元；

卫星钟差仿真单元，实时计算当前时刻卫星钟差信息，并发送给伪距生成 单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元；

电离层效应仿真单元，实时计算电离层延迟，将电离层延迟发送给伪距生 成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元；

对流层效应仿真单元，实时计算当前时刻对流层延迟，将对流层延迟发送 给伪距生成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元；

相对论效应仿真单元，实时计算当前时刻相对论效应的延迟，将相对论延 迟发送给伪距生成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元；

地球自转效应仿真单元，实时计算当前时刻地球自转引起的延迟，将地球 自转延迟发送给伪距生成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单 元；

用户轨迹仿真单元，实时接收外部载体运动信息，发送给伪距生成单元、 伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元；或者实时生成自定义载体运 动信息，发送给伪距生成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单 元；

伪距生成单元，接收卫星轨道仿真单元仿真的轨道运动参数，接收卫星钟 差仿真单元仿真的卫星钟差信息，接收电离层效应仿真单元仿真的电离层时延， 接收对流层效应仿真单元仿真的对流层时延，接收相对论效应仿真单元的相对 论时延，接收地球自转效应仿真单元仿真的地球自转效应时延以及接收用户轨 迹仿真单元生成的载体运动信息，实时生成伪距；

伪距率生成单元，接收卫星轨道仿真单元仿真的轨道运动参数，接收卫星 钟差仿真单元仿真的卫星钟差信息，接收电离层效应仿真单元仿真的电离层时 延，接收对流层效应仿真单元仿真的对流层时延，接收相对论效应仿真单元的 相对论时延，接收地球自转效应仿真单元仿真的地球自转效应时延以及接收用 户轨迹仿真单元生成的载体运动信息，实时生成伪距率；

载波相位生成单元，接收卫星轨道仿真单元仿真的轨道运动参数，接收卫 星钟差仿真单元仿真的卫星钟差信息，接收电离层效应仿真单元仿真的电离层 时延，接收对流层效应仿真单元仿真的对流层时延，接收相对论效应仿真单元 的相对论时延，接收地球自转效应仿真单元仿真的地球自转效应时延以及接收 用户轨迹仿真单元生成的载体运动信息，实时生成载波相位；

辅助单元，接收卫星轨道仿真单元仿真的轨道运动参数，接收卫星钟差仿 真单元仿真的卫星钟差信息，接收电离层效应仿真单元仿真的电离层时延，接 收对流层效应仿真单元仿真的对流层时延，接收相对论效应仿真单元的相对论 时延，接收地球自转效应仿真单元仿真的地球自转效应时延以及接收用户轨迹 仿真单元生成的载体运动信息，实时生成高阶观测数据，即伪距2、3阶量， 载波相位1～3阶量；

观测数据打包单元，接收伪距生成单元发送的伪距，接收伪距率生成单元 发送的伪距率，接收载波相位生成单元发送的载波相位和接收辅助单元生成的 高阶观测数据，打包成固定格式的观测数据，然后通过PCI总线将观测数据发 送给导航信号处理模块。

一种实时高动态导航信号模拟方法，实现步骤如下：

(1)中频信号生成模块生成时间同步信息，即100Hz(10ms)的硬件中 断信号，然后将时间同步信息发送给导航信号处理模块；

(2)导航信号处理模块接收中频信号生成模块发送的时间同步信息，将时 间同步信息发送给实时仿真控制模块；

(3)实时仿真控制模块接收导航信号处理模块的时间同步信息，然后将时 间同步信息发送给卫星导航电文生成模块和观测数据生成模块；

(4)观测数据生成模块接收实时仿真控制模块的时间同步信息，在收到时 间同步信息后，实时读取外部载体运动信息，生成观测数据发送给导航信号处 理模块；

(5)卫星导航电文生成模块接收实时仿真控制模块的时间同步信息，然后 实时生成导航电文发送给导航信号处理模块。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明具有强实时性。本发明通过各模块之间的协调运行，同时采用 时间同步的技术，保证了实时性，从而使整个系统的实时性＜10ms。

(2)具有高动态性能。

速度范围：-80000m/s～+80000m/s；

加速度范围：-8000m/s2～+8000m/s2；

加加速度范围：-8000m/s³～+8000m/s³。

(3)本发明采用观测数据生成模块后，使得仿真速度快，精度高。

附图说明

图1为实时高动态导航信号模拟器搭建半实物仿真系统示意图；

图2为本发明系统的原理框图；

图3为本发明的观测数据生成模块结构框图；

图4为本发明方法实现流程图；。

具体实施方式

如图1所示，本发明实时高动态导航信号模拟器和普通的导航信号模拟器 最主要的区别是其具备的实时性。图1是采用高动态导航信号模拟器搭建飞行 器控制系统的半实物仿真实例。在半实物仿真系统中，高动态导航信号模拟器 实时接收飞行器控制系统发出的飞行器运动信息，然后实时产生射频信号。从 接收飞行器运动信息到产生射频信号，实时高动态导航信号模拟器的时延 ＜10ms，满足整个系统闭环仿真需求。

如图2所示，本发明系统包括：卫星导航电文生成模块、实时仿真控制模 块、观测数据生成模块、导航信号处理模块、中频信号生成模块、上变频模块。 一种实时高动态导航信号模拟方法，中频信号生成模块生成时间同步信息，即 100Hz(10ms)的硬件中断信号，然后将时间同步信息发送给导航信号处理模 块；导航信号处理模块接收中频信号生成模块发送的时间同步信息，将时间同 步信息发送给实时仿真控制模块；实时仿真控制模块接收导航信号处理模块的 时间同步信息，然后将时间同步信息发送给卫星导航电文生成模块和观测数据 生成模块；观测数据生成模块接收实时仿真控制模块的时间同步信息，在收到 时间同步信息后，实时读取外部载体运动信息，生成观测数据发送给导航信号 处理模块；卫星导航电文生成模块接收实时仿真控制模块的时间同步信息，然 后实时生成导航电文发送给导航信号处理模块。

卫星导航电文生成模块，根据实时仿真控制模块发送的控制指令和时间同 步信息，按照导航电文格式，编码生成卫星导航电文。

实时仿真控制模块，接收导航信号处理模块发送的时间同步信息，并将时 间同步信息发送给观测数据生成模块和卫星导航电文生成模块，完成系统的时 间同步；然后将控制信息发送给卫星导航电文生成模块、观测数据生成模块和 导航信号处理模块，完成对系统的控制。仿真控制模块主要功能包括：仿真模 型的选择，模型参数的配置等仿真场景任务设计、系统的运行控制管理以及时 间同步。

观测数据生成模块，根据外部的载体运动信息及实时仿真控制模块发送的 时间同步信息和控制信息，实时生成接收机的观测数据，所述观测数据包括测 量伪距、1～3阶伪距、载波相位和功率；观测数据生成模块主要功能是实时计 算导航卫星轨道、空间环境效应和用户轨迹，生成可见导航卫星的伪距、载波 相位以及伪距与载波相位的1～3阶变化率。观测数据生成模块主要包括时空系 统仿真单元、导航卫星轨道仿真单元、卫星钟差仿真单元、电离层效应仿真单 元、对流层效应仿真单元、相对论效应仿真单元、地球自转效应仿真单元、用 户轨迹仿真单元等。

导航信号处理模块，接收实时仿真控制模块发送的控制信息，卫星导航电 文生成模块发送的电文和观测数据生成模块生成的观测数据；当收到中频信号 生成模块的时间同步信息，即中断信号时，根据收到的电文和观测数据生成环 路参数和电文发送给中频信号生成模块。

中频信号生成模块，接收导航信号处理模块发送的环路参数和电文，生成 时间同步信息发送给导航信号处理模块，同时生成中频导航信号发送给上变频 模块。

上变频模块，根据中频信号生成模块生成的中频导航信号，将中频信号上 变频至射频信号。

卫星导航信号一般采用QPSK调制，包括载波、伪码和导航电文三种信息分 量，直达星信号生成的表达式如下：

(1)

其中S_Z表示直达星信号，A表示振幅，C、P分别表示测距码和精密测距 码(即通常所说的伪码)，D表示导航电文，f_m表示载波频率，表示初相，τ(t) 表示卫星信号到接收机的信号传输延迟，下标m表示卫星号，下标c、p分别表 示测距码和精密测距码的相应量。

如图3所示，观测数据生成模块包括：

时空系统仿真单元，将时间系统和空间系统转化为导航系统的时间和空间 坐标，并将时间和空间发送给卫星轨道仿真单元。

时空系统仿真单元实时仿真需要用到的时间和空间坐标系统。时间系统包 括：协调世界时UTC，Compass时间系统BDT，GPS时间系统GPST；空间 系统包括：J2000地心惯性坐标系、CGS2000、WGS84坐标系和站心坐标系 等。

卫星轨道仿真单元，接收时空系统仿真单元发送的时间和空间坐标，根据 轨道计算公式，实时生成当前时刻的卫星轨道运动参数，将卫星轨道运动参数 发送给伪距生成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元。卫星 轨道仿真单元采用基于广播星历轨道根数的运动学仿真+随机误差。

卫星钟差仿真单元，实时计算当前时刻卫星钟差信息，并发送给伪距生成 单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元；

卫星钟差仿真单元采用多项式拟合模型，求解得到任意时刻的卫星钟差：

δt^j＝A₀+A₁(t-t_oc)+A₂(t-t_oc)²    (2)

式中：A₀、A₁、A₂分别为卫星钟差、钟漂和老化率参数；t为当前时间；t_oc为参考时间。

电离层效应仿真单元，实时计算电离层延迟，将电离层延迟发送给伪距生 成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元；

电离层效应仿真单元采用8参数和14参数CHALUBUCHA模型。通过计 算随时间变化的时间延迟来对伪距延时、载波相位超前和多普勒效应进行仿真。

对流层效应仿真单元，实时计算当前时刻对流层延迟，将对流层延迟发送 给伪距生成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元；

对流层效应仿真单元将采用改进的Hopfield模型和Saastamoinen模型。

相对论效应仿真单元，实时计算当前时刻相对论效应的延迟，将相对论延 迟发送给伪距生成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元。

地球自转效应仿真单元，实时计算当前时刻地球自转引起的延迟，将地球 自转延迟发送给伪距生成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单 元。

地球自转效应仿真单元：由于地球自转，导航卫星信号到达信号接收机时 的卫星在轨位置不同于卫星信号发射时刻的卫星在轨位置，因而，需要进行地 球自转效应修正：

α＝ω_e(t_R-t_T)    (3)

$\left(\begin{array}{c}X=X^{\prime }\cos \alpha +Y^{\prime }\sin \alpha \\ Y=-X^{\prime }\sin \alpha +Y^{\prime }\cos \alpha \\ Z=Z^{\prime }\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中：(X，Y，Z)为接收信号时刻的卫星位置坐标；(X′，Y′，Z′)为卫星发射信号 时刻的卫星位置坐标；ω_e为地球自转角速度；t_R为接收信号时刻的时间；t_T为 发射信号时刻的时间；α为当前时刻地球自转转过的角度。

用户轨迹仿真单元，实时接收外部载体运动信息，发送给伪距生成单元、 伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单元；或者实时生成自定义载体运 动信息，发送给伪距生成单元、伪距率生成单元、载波相位生成单元和辅助单 元。

伪距生成单元，接收卫星轨道仿真单元仿真的轨道运动参数，接收卫星钟 差仿真单元仿真的卫星钟差信息，接收电离层效应仿真单元仿真的电离层时延， 接收对流层效应仿真单元仿真的对流层时延，接收相对论效应仿真单元的相对 论时延，接收地球自转效应仿真单元仿真的地球自转效应时延以及接收用户轨 迹仿真单元生成的载体运动信息，实时生成伪距；

伪距生成单元生成观测数据中的伪距信息，其计算公式如下：

$\tilde{\rho }=\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}+d_{\mathrm{ion}}+d_{\mathrm{trop}}+d_m+d_{\mathrm{rel}}+c({\mathrm{dt}}_u-{\mathrm{dt}}_s)---\left(5\right)$

$\left(\begin{array}{c}{x}_s=x_s^{\prime }\cos \alpha -y_s^{\prime }\sin \alpha \\ y_s=x_s^{\prime }\sin \alpha +y_s^{\prime }\cos \alpha \\ z_s=z_s^{\prime }\end{array}\right)---\left(6\right)$

α＝ω_e(t_R-t_T)    (7)

式中：(x′_s，y′_s，z′_s)为接收信号时刻的卫星位置坐标；(x_s，y_s，z_s)为加上地球自转 效应后的卫星位置坐标；(x_u，y_u，z_u)为用户位置坐标；ω_e为地球自转角速度；t_R为 接收信号时刻的时间；t_T为发射信号时刻的时间；d_ion为电离层延迟；d_trop为对 流层延迟；d_m为多路径效应；d_rel为相对论效应；c为光速；dt_u为用户接收机钟 差；dt_s为卫星钟差；α为当前时刻地球自转转过的角度。

伪距率生成单元，接收卫星轨道仿真单元仿真的轨道运动参数，接收卫星 钟差仿真单元仿真的卫星钟差信息，接收电离层效应仿真单元仿真的电离层时 延，接收对流层效应仿真单元仿真的对流层时延，接收相对论效应仿真单元的 相对论时延，接收地球自转效应仿真单元仿真的地球自转效应时延以及接收用 户轨迹仿真单元生成的载体运动信息，实时生成伪距率；

伪距率生成单元生成观测数据中的伪距率信息，其计算公式如下：

$\stackrel{·}{\stackrel{~}{\rho }}=a_1({\stackrel{·}{x}}_s-{\stackrel{·}{x}}_u)+a_2({\stackrel{·}{y}}_s-{\stackrel{·}{y}}_u)+a_3({\stackrel{·}{z}}_s-{\stackrel{·}{z}}_u)+{\stackrel{·}{d}}_{\mathrm{ion}}+{\stackrel{·}{d}}_{\mathrm{trop}}+{\stackrel{·}{d}}_m+{\stackrel{·}{d}}_{\mathrm{rel}}+c({\stackrel{·}{\mathrm{dt}}}_u-{\stackrel{·}{\mathrm{dt}}}_s)---\left(8\right)$

$a_1=\frac{x_s-x_u}{\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}};---\left(9\right)$

$a_2=\frac{y_s-y_u}{\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}};---\left(10\right)$

$a_3=\frac{z_s-z_u}{\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}}---\left(11\right)$

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{x}}_s={\stackrel{·}{x}}_s^{\prime }\cos \alpha -x_s^{\prime }{\omega }_e\sin \alpha -{\stackrel{·}{y}}_s^{\prime }\sin \alpha -y_s^{\prime }{\omega }_e\cos \alpha \\ {\stackrel{·}{y}}_s={\stackrel{·}{x}}_s^{\prime }\sin \alpha +x_s^{\prime }{\omega }_e\cos \alpha +{\stackrel{·}{y}}_s^{\prime }\cos \alpha -y_s^{\prime }{\omega }_e\sin \alpha \\ {\stackrel{·}{z}}_s={\stackrel{·}{z}}_s^{\prime }\end{array}\right)---\left(12\right)$

式中：为接收信号时刻的卫星速度；为加上地球自转效 应后的卫星速度；(x_s，y_s，z_s)为加上地球自转效应后的卫星位置坐标；(x_u，y_u，z_u)为 用户位置坐标；为电离层延迟变化率；为对流层延迟变化率；为多路 径效应变化率；为相对论效应变化率；c为光速；为用户接收机时钟频率 误差；为卫星时钟频率误差；ω_e为地球自转角速度；α₁、α₂、α₃为中间变量。

载波相位生成单元，接收卫星轨道仿真单元仿真的轨道运动参数，接收卫 星钟差仿真单元仿真的卫星钟差信息，接收电离层效应仿真单元仿真的电离层 时延，接收对流层效应仿真单元仿真的对流层时延，接收相对论效应仿真单元 的相对论时延，接收地球自转效应仿真单元仿真的地球自转效应时延以及接收 用户轨迹仿真单元生成的载体运动信息，实时生成载波相位；

载波相位生成单元生成观测数据中的伪距率信息，其计算公式如下：

式中：(x_s，y_s，z_s)为加上地球自转效应后的卫星位置坐标；(x_u，y_u，z_u)为用户位 置坐标；λ为卫星发射信号的载波波长；d_ion为电离层对载波相位延迟影响；d_trop为对流层对载波相位延迟影响；d_rel为相对论效应对载波相位延迟影响；为天 线对卫星的载波相位观测量；为多路径效应对载波相位的影响；c为光速；dt_u为用户接收机当前时刻的载波相位；dt_s为卫星信号当前时刻的载波相位；N为 初始观测历元的整周模糊度，可以在启动系统时随机设定。

辅助单元，接收卫星轨道仿真单元仿真的轨道运动参数，接收卫星钟差仿 真单元仿真的卫星钟差信息，接收电离层效应仿真单元仿真的电离层时延，接 收对流层效应仿真单元仿真的对流层时延，接收相对论效应仿真单元的相对论 时延，接收地球自转效应仿真单元仿真的地球自转效应时延以及接收用户轨迹 仿真单元生成的载体运动信息，实时生成高阶观测数据，即伪距2、3阶量， 载波相位1～3阶量。

观测数据打包单元，接收伪距生成单元发送的伪距，接收伪距率生成单元 发送的伪距率，接收载波相位生成单元发送的载波相位和接收辅助单元生成的 高阶观测数据，打包成固定格式的观测数据，然后通过PCI总线将观测数据发 送给导航信号处理模块。

图4为时间同步方法处理流程图，主要描述整个系统的时序关系。

1)中频信号生成模块产生100Hz的中断信号，信号间隔为10ms；

2)导航信号处理模块收到中断信号以后，进入中断服务程序，然后将中断 信息发送给实时仿真控制模块；实时仿真控制模块控制卫星导航电文生成模块 和观测数据生成模块实时产生卫星导航电文和观测数据；导航信号处理模块等 待卫星导航电文生成模块发送的导航电文和观测数据生成模块观发送的测数 据；

3)卫星导航电文生成模块和观测数据生成模块收到实时仿真控制模块发送 的中断信号，收到时刻滞后于10ms中断，滞后时间小于100μs(0.1ms)；

4)观测数据生成模块实时读取外部输入的用户轨迹，然后实时生成观测数 据，然后发送给导航信号处理模块，整个处理时间保证在6ms以内；

5)导航信号处理模块在6ms时刻读取观测数据和导航电文，然后进行处 理，将处理后的环路参数和导航电文发送给中频信号生成模块；

6)中频信号生成模块接收环路参数和导航电文，然后在下一个10ms中断 时刻产生中频导航信号；

7)整个时间保证在10ms。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。