一种联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统

摘要

本发明公开了一种联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统，包括：系统仿真模块、接口模块和时频模块；其中，系统仿真模块包括GNSS导航星座模拟器和GNSS接收机模拟器；GNSS导航星座模拟器根据预设的轨道信息生成导航观测信息，并将导航观测信息传输给所述GNSS接收机模拟器；GNSS接收机模拟器对导航观测信息进行环路跟踪仿真和加噪处理实现定位、定轨或者差分定位处理；所述时频模块采用内部或外部时钟产生标准1PPS信号；所述接口模块用于与外设控制进行信息交互和标准1PPS信号的输出。本发明可快速实现接收机在各种轨道场景下接收机接收导航星状态以及定位定轨的测量状态的模拟，减少了搭建射频收发射物理板卡实物的复杂度。

说明书

技术领域

本发明属于卫星应用技术领域，尤其涉及一种联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统。

背景技术

卫星导航系统的建立的主要目的是陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，目前全球导航定位系统有我国的BDS、美国的GPS、欧洲的Galileo和俄罗斯的Glonass，卫星导航系统的应用越来越广泛，目前已与人们的生活息息相关，随着导航系统在航天领域的发展，卫星导航接收机在中低高轨卫星的应用也越来越广泛，由于卫星应用导航接收机应用场景的特殊性，其不可回收、无法人工修复等问题，导致在轨导航接收机的对研制可靠性的要求较高，另外对于在轨卫星状况现象的表现，一般采用搭建地面模拟仿真系统对卫星接收机在轨可见导航的状态进行模拟。

卫星导航地面模拟仿真系统是以卫星导航系统为原型，并根据导航信号特性实现导航信号的硬件设备搭建，实现导航信号的调制信号播发。导航接收机接收地面模拟仿真系统播发的导航信号，进行信号解调，完成电文解译和观测量解算，实现定位、定轨解算和差分定位解算等功能，整体仿真系统硬件设备复杂，射频发射和处理模块对射频信号完整性处理要求较高，另外在采用射频信号物理硬件进行联合仿真时，不能进行快速仿真。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统，模拟系统可以同时模拟导航系统运行状态与模拟接收机运行状态，减少了传统模拟器在基带生成模块和射频模块设计的复杂度，可以直接模拟接收机伪距、载波相位等观测信息传递给接收机模拟器，接收机模拟器根据接收到的观测信息进行定位、定轨解算，减少了接收机的射频处理模块、基带处理模块设计；另外可同时仿真多台卫星导航接收机，实现接收机间的观测信息传递，实现卫星接收机在轨差分场景模拟。系统整体仿真以1pps为仿真时间基准，1pps的一个脉冲代表1s时间间隔，可通过调整1pps的时间间隔加速仿真。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统，包括：系统仿真模块、接口模块和时频模块；其中，系统仿真模块包括GNSS导航星座模拟器和GNSS接收机模拟器；GNSS导航星座模拟器根据预设的轨道信息生成观测数据和广播星历，并将观测数据和广播星历传输给所述GNSS接收机模拟器；GNSS接收机模拟器根据观测数据和广播星历进行环路跟踪仿真和加噪处理实现接收机的位置解算；所述时频模块采用内部或外部时钟产生标准1PPS信号；所述接口模块用于与外设控制进行信息交互和标准1PPS信号的输出。

上述联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统中，所述GNSS导航星座模拟器包括坐标系统和时间系统模块、常数和参数库、误差仿真模块、用户轨迹仿真模块、轨道仿真模块、空间传播仿真模块、天线方向图模块、观测数据仿真及切换模块、广域差分信息仿真模块、完好性信息仿真模块和导航电文生成模块；其中，坐标系统和时间系统模块产生基础数据；常数和参数库提供常数信息；误差仿真模块分别为轨道仿真模块、空间传播仿真模块、用户轨迹仿真模块提供可控的误差数据；用户轨迹仿真模块根据基础数据和误差数据模拟仿真计算不同载体在不同运动状态条件下的载体信息；轨道仿真模块根据基础数据、常数信息和误差数据计算任意时刻导航卫星的位置和速度的卫星信息；空间传播仿真模块根据卫星信息和载体信息以及电离层模型和对流程模型计算传播延迟信息；天线方向图模块用于提供卫星端和用户端的天线方向图仿真信息；观测数据仿真及切换模块根据载体信息、卫星信息、传播延迟信息和天线方向图仿真信息输出观测数据；广域差分信息仿真模块针对GEO卫星生成广域差分信息；完好性信息仿真模块生成通过对GNSS导航系统完好性的仿真生成系统完好性信息；导航电文生成模块根据卫星信息、广域差分信息和系统完好性信息计算观测值、状态方程以及观测方程，对观测值、状态方程以及观测方程进行最小二乘拟合得到广播星历。

上述联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统中，所述GNSS接收机模拟器包括接收机射频通道仿真模块、接收机环路跟踪仿真模块、观测数据接收仿真模块、导航电文接收模块、观测量处理模块、解算模块、通道跟踪状态处理模块、接收机时钟模型模块和接收机噪声模型模块；其中，接收机射频通道仿真模块对从GNSS导航星座模拟器接收的观测数据增加射频通道参数修正得到带射频通道改正的观测数据给接收机环路跟踪仿真模块和观测数据接收仿真模块；接收机时钟模型模块对接收机使用的时钟进行建模并得到时钟模型数据给接收机环路跟踪仿真模块和观测数据接收仿真模块；接收机噪声模型模块用于给观测数据接收仿真模块提供观测噪声参数；接收机环路跟踪仿真模块对接收到带射频通道改正的观测数据和时钟模型数据进行跟踪处理得到跟踪数据；通道跟踪状态处理模块对跟踪数据并依据预设的接收机跟踪门限输出通道跟踪状态和跟踪数据给解算模块；观测数据接收仿真模块接收到带射频通道改正的观测数据和时钟模型数据，并根据观测噪声参数对观测数据进行仿真处理得到加噪后观测数据给观测量处理模块；导航电文接收模块从GNSS导航星座模拟器接收到广播星历并对导航电文进行解译得到导航星轨道参数、电离层的参数给观测量处理模块；观测量处理模块根据加噪后观测数据、导航星轨道参数以及电离层的参数得到导航位置、速度以及观测伪距并将导航位置、速度以及观测伪距传递给解算模块；解算模块接收到通道跟踪状态和跟踪数据、导航位置、速度以及观测伪距，进行接收机的位置解算。

上述联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统中，导航观测信息包含伪距、载波相位、电离层延迟、对流层延迟。

上述联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统中，基础数据包括CGS2000坐标系统或WGS84坐标系统和时间系统。

上述联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统中，常数信息包括数学常数和地球物理基本常数。

上述联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统中，载体信息包括用户位置、速度、加速度和姿态。

上述联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统中，传播延迟信息包括电离层延迟和对流程延迟信息。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用GNSS导航星座与GNSS接收机同步模拟的方式，可快速实现接收机在各种轨道场景下接收机接收导航星状态以及定位定轨的测量状态的模拟，减少了搭建射频收发射物理板卡实物的复杂度。另外可通过CPU运行板的运算能力，实现接收机在轨运行时快速仿真，快速复现卫星在轨导航定位状态；

(2)本发明提供可控制的接口板卡，可实现准确1PPS授时功能，时频板卡的设计可实现10MHz的输入，实现仿真系统与外部测试系统或控制系统的同频处理，保证授时的相位准确性，提高整体仿真系统的时间精度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统结构图；

图2为信号源等效器系统流程图；

图3为接收机等效器流程图；

图4为同步模拟器硬件结构图；

图5为接口板卡原理结构图；

图6为时频板卡功能框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，该联合GNSS导航星座与接收机的同步模拟系统包括：系统仿真模块、接口模块和时频模块。其中，系统仿真模块包括GNSS导航星座模拟器和GNSS接收机模拟器；GNSS导航星座模拟器根据预设的轨道信息生成导航观测信息，并将导航观测信息传输给所述GNSS接收机模拟器；GNSS接收机模拟器对导航观测信息进行环路跟踪仿真和加噪处理实现定位、定轨或者差分定位处理；所述时频模块采用内部或外部时钟产生标准1PPS信号；所述接口模块用于与外设控制进行信息交互和标准1PPS信号的输出。

如图1所示，联合GNSS导航星座和接收机的同步模拟器集成了CPU运行模块、接口模块、时频模块和电源模块。CPU运行模块承担了整体的模拟仿真功能，可模拟仿真GNSS导航星座和GNSS接收机。

如图2所示，GNSS导航星座模拟器包括坐标系统和时间系统模块、常数和参数库、误差仿真模块、用户轨迹仿真模块、轨道仿真模块、空间传播仿真模块、天线方向图模块、观测数据仿真及切换模块、广域差分信息仿真模块、完好性信息仿真模块和导航电文生成模块；其中，坐标系统和时间系统模块产生CGS2000坐标系统或WGS84坐标系统和时间系统等基础数据；常数和参数库提供数学常数、地球物理基本常数等常数信息；误差仿真模块主要为轨道仿真模块、空间传播仿真模块、用户轨迹仿真模块提供可控的误差数据；用户轨迹仿真模块根据基础数据、误差数据模拟仿真计算不同载体在不同运动状态条件下的用户位置、速度、加加速度和姿态等载体信息；轨道仿真模块根据基础数据、常数信息和误差数据计算任意时刻导航卫星的位置和速度等卫星信息；空间传播仿真模块根据卫星信息和载体信息以及电离层模型和对流程模型计算电离层延迟、对流程延迟等传播延迟信息；天线方向图模块主要进行卫星端和用户端天线方向图仿真信息；观测数据仿真及切换模块根据载体信息、卫星信息、传播延迟信息和天线方向图信息输出观测数据，用户可通过配置输出所需观测数据；广域差分信息仿真模块针对GEO卫星生成广域差分信息；完好性信息仿真模块生成通过对GNSS导航系统完好性的仿真生成系统完好性信息；导航电文生成模块根据卫星信息、广域差分信息和系统完好性信息，计算观测值、状态方程以及观测方程，对观测星历进行最小二乘拟合得到广播星历。

如图3所示，GNSS接收机模拟器包括接收机射频通道仿真模块、接收机环路跟踪仿真模块、观测数据接收仿真模块、导航电文接收模块、观测量处理模块、解算模块、通道跟踪状态处理模块、接收机时钟模型和接收机噪声模型模块；其中，接收机时钟模型根据接收机射频通道仿真模块根据对硬件接收机射频通道建模并对从GNSS导航星座模拟器接收观测数据增加射频通道参数修正得到带射频通道改正的观测数据给接收机环路跟踪仿真模块和观测数据接收仿真模块；接收机时钟模型模块主要对接收机使用的硬件时钟进行建模并计算出时钟模型数据给接收机环路跟踪仿真模块和观测数据接收仿真模块；接收机噪声模型模块根据硬件接收机模型对各处理模块提供噪声参数信息；接收机环路跟踪仿真模块对接收机的码环和载波环进行建模，根据模型对接收到带射频通道改正的观测数据和时钟模型数据进行跟踪处理得到跟踪数据；通道跟踪状态处理模块对跟踪数据并依据接收机跟踪门限等设置输出通道跟踪状态和跟踪数据给解算模块；观测数据接收仿真模块接收到带射频通道改正的观测数据和时钟模型数据，并根据接收机的观测噪声参数对观测数据进行仿真处理得到加噪后观测数据给观测量处理模块；导航电文接收模块从GNSS导航星座模拟器接收到导航电文并对导航电文进行解译得到导航星轨道参数、电离层等参数给观测量处理模块；观测量处理模块接收到加噪后观测数据、导航星轨道参数以及电离层等参数对导航位置、速度以及观测伪距进行处理并传递给解算模块；解算模块接收到通道跟踪状态和跟踪数据、导航位置、速度以及观测伪距等数据，进行定位解算，如果用户为在轨卫星可进行定轨解算，如果接收差分接收机数据可进行差分定位解算。

如图4所示，GPS接收机通用闭环模拟器设备主要通过网口、SPI接口、1553B接口与外部设备进行数据的交互，同时产生1PPS信号给GNC控制器进行时间调整。

CPU主板可运行模拟源等效器模块软件，通过网口与GNC测试设备连接，可实现接收机的信号模拟，并把模拟测量结果通过共享内存发送给接收机等效器，接收机等效器实现接收机处理信号行为的模拟，并通过CPCI总线把接收机测试结果发送给接口板，用于对GNC控制器的控制。

CPCI背板提供连接总线，电源等，有多个插槽，可供CPU板、时频板和接口板安装。时频板实现了基准时钟生成。接口板实现专用接口和通用接口，包括1PPS输出接口、SPI接口和1553B接口。

如图5所示，接口板采用ARM+FPGA的结构，ARM控制器的总线分别与FPGA和1553B总线控制器相连，并通过ARM向总线控制器发送片选等控制信号。FPGA实现专用接口和通用接口。

如图6所示，时频板在有外频标10MHz输入时，输出10MHz信号选择外频标10MHz输出；内部10MHz晶振锁定于外10MHz信号，使时钟模块的输出信号与外输入10MHz信号同步；当外频标丢失后，时钟模块将自动切换到内频标10MHz输出，时钟模块的频率准确度由内部10MHzVCO晶振的频率准确度维持。时频板探测1PPS的输入并进行内外1PPS信号的切换，传递给CPU板，保证仿真时间的准确性。

(1)利用卫星轨道信息、天线姿态信息、卫星机动信息等，对GNSS接收机接收到的卫星信号、可见星状态、导航测量信息进行模拟，另外对空间信息如电离层延迟、对流层延迟等信息进行模拟推算，用来模拟实际太空运动中接收机观测导航星状态。

(2)利用接收机天线延迟、硬件设备延迟、热噪声等信息，根据GNSS接收机卫星捕获跟踪策略、测量量处理方法、定位解算等处理方法，对GNSS接收机进行单点定位模拟，模拟实现接收机的单点定位功能。

(3)利用模拟接收机观测量信息、定位信息、轨道参数信息等，模拟接收机的定轨解算，此部分功能可实现接收机定轨解算以及在不满足定轨解算时进行定轨外推。

(4)通过模拟双卫星运动、双接收机定位，通过双接收机的数据交互，以其中一个模拟接收机为基准站，一个为移动站，实现双用户差分定位解算模拟，进而实现双星或双飞行器的模拟，可模拟交汇对接等场景。

(5)通过接口板、时频板实物可实现与GNC测试系统、GNC控制器或其他控制器进行数据交互和对系统进行授时，实现与整体飞行器的系统模拟测试，可有效模拟整体系统的在轨运行状态。

步骤(1)中利用GNC测试系统输入的用户轨迹或卫星的轨道参数、姿态或机动数据，结合仿真时间和GNSS星座卫星轨道参数，可计算出导航星到用户的各卫星的伪距、多普勒、可见性，根据伪距可推算出信号到达用户接收机的信号功率等信息。

步骤(2)中GNSS接收机模拟时，模拟接收机的热噪声对信号功率的影响，计算出信号的信噪比，并根据信噪比模拟GNSS对卫星的捕获、跟踪、失锁等处理过程；通过天线延迟、设备延迟等信息计算接收机计算出的观测量信息(包含伪距、载波相位等信息)，根据观测量信息进行单点定位解算。

步骤(3)中在GNSS接收机模拟时，自主定轨系统的滤波模型初始值根据观测信息、轨道参数等进行解算获得，定轨模拟可根据接收机当前工作状态进行切换，当接收机无法定位时，进行定轨外推解算。

步骤(4)中在GNSS接收机可根据设置进行两个或超过两个接收机实时模拟，两个接收机进行模拟时，一台接收机可作为基准站，另外一台接收机作为移动站，可模拟差分定位解算功能；另外两台接收机可相互作为基准站/移动站，实现双移动接收机的差分模拟。

步骤(5)中在设计有时频模块，可产生标注秒脉冲信号给控制系统和测试系统进行授时，同时可接收外部秒脉冲信号和10MHz，与外部输入设备实现同频授时；另外设计有网口可与测试设备进行数据通信，实现模拟观测数据、定轨数据、差分结果等数据的输出。

本发明采用GNSS导航星座与GNSS接收机同步模拟的方式，可快速实现接收机在各种轨道场景下接收机接收导航星状态以及定位定轨等测量状态的模拟，减少了搭建射频收发射物理板卡实物的复杂度。另外可通过CPU运行板的运算能力，实现接收机在轨运行时快速仿真，快速复现卫星在轨导航定位状态；本发明提供可控制的接口板卡，可实现准确1PPS授时功能，时频板卡的设计可实现10MHz的输入，实现仿真系统与外部测试系统或控制系统的同频处理，保证授时的相位准确性，提高整体仿真系统的时间精度。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。