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摘 要：介紹了高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器的組成，闡述了模擬器的工作原理，給出了在研模擬器的主要技術指標，分析了模擬器研制涉及到的部分關鍵技術：高動態(tài)信號的產(chǎn)生與精度控制、電離層延遲誤差模擬、多徑信號模擬和差分數(shù)據(jù)產(chǎn)生，最后列舉了高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器的幾種應用。
關鍵詞：GPS；C/A碼；模擬器；高動態(tài)；應用
一、概述
GPS（Global Positioning System）是美國建立的高精度全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，可供陸地、空中和空間用戶使用。目前GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號有Ｌ１和Ｌ２兩個載波頻率，Ｌ１載頻上調(diào)制有C/A碼和P碼，Ｌ２載頻上僅調(diào)制有P碼。GPS衛(wèi)星信號模擬器就是模擬產(chǎn)生GPS衛(wèi)星導航信號，為GPS接收機的研制開發(fā)、測試提供仿真環(huán)境。
利用衛(wèi)星信號模擬器進行仿真實驗可劃分為３個階段［１］：
第一階段定義移動GPS接收機的工作環(huán)境；
第二階段根據(jù)移動GPS接收機的工作環(huán)境，由軟件控制信號模擬器產(chǎn)生相應環(huán)境下的GPS衛(wèi)星射頻信號，通過射頻口送GPS接收機，同時根據(jù)需要也可產(chǎn)生基準站的差分信息，供GPS接收機做差分使用；
第三階段分析試驗數(shù)據(jù)，對第二階段存儲的衛(wèi)星信號模擬器數(shù)據(jù)和GPS接收機數(shù)據(jù)進行處理，以圖表和數(shù)據(jù)文件的形式提供分析結果。高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器研制涉及偽碼擴頻調(diào)制與載波相位控制等許多高新技術，難度很大。國外對模擬器研制核心技術都嚴格保密，公開發(fā)表的技術文獻很少。為了防止將信號模擬器用于軍事目的，國外進口的高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器對模擬的目標類型有嚴格限制，在一定程度上制約了GPS衛(wèi)星信號模擬器的應用，不利于高動態(tài)GPS設備的研制。北京航空航天大學在國家自然科學基金的資助下，開展了高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器研制，攻克了部分技術難題，為我國今后在國防尖端領域拓展GPS應用創(chuàng)造了一些條件。由于P碼信號保密，國外非授權用戶不能使用，因此我們研制的信號模擬器僅模擬GPS L1頻率C/A碼信號。本文結合在研的高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器情況，介紹模擬器的組成、工作原理，分析模擬器研制的關鍵技術，最后給出模擬器的一些應用。
二、高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器工作原理
1.工作原理
GPS衛(wèi)星信號模擬器由GPS信號產(chǎn)生器、計算機和仿真控制軟件組成，GPS衛(wèi)星信號模擬器工作原理見圖1。
GPS衛(wèi)星信號模擬器就是要產(chǎn)生用戶天線端收到的可見GPS衛(wèi)星L1頻率C/A碼信號，這些信號的表達式為［２］
式中Ai(t) 表示t時刻第i顆衛(wèi)星的信號幅度；
Ci(t) 表示t時刻第i顆衛(wèi)星發(fā)射的C/A碼信號；
Di(t) 表示在第i顆衛(wèi)星信號上調(diào)制的導航電文數(shù)據(jù)；
fi（t)表示第i顆衛(wèi)星的瞬時載波頻率；
φi(t)表示載波信號的相位；
τi表示第i顆衛(wèi)星信號傳播的群延遲。
在模擬器設計方案中，首先產(chǎn)生離散的中頻GPS信號，中頻GPS信號的采樣率為fs，對應采樣間隔為Ｔs，則在第k個采樣時刻，產(chǎn)生的離散中頻GPS信號為［２］
式中fIFi（kTs）為第k個采樣時刻瞬時GPS中頻信號頻率，包含多普勒頻率影響。
為了以較低的采樣頻率產(chǎn)生所需的中頻信號，并降低FPGA（大規(guī)模在線可編程器件）計算速度要求，對S(kTs）進行4倍零內(nèi)插［３］，即每隔1個采樣點插入3個零點，得到新的內(nèi)插信號Ｓ４（kTs），Ｓ４（kTs)經(jīng)D/A變?yōu)槟M信號，再由帶通濾波器濾出需要的中頻信號，通過上變頻便產(chǎn)生Ｌ１頻率的GPS信號。衰減器控制模擬器輸出的信號強度，使輸出信號電平保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。
2.軟件組成
仿真控制軟件是模擬器的核心，模擬器需要的控制參數(shù)由該軟件計算得到。它主要由以下模塊組成：初始化模塊、自檢模塊、通信控制模塊、衛(wèi)星導航參數(shù)計算模塊、電文控制模塊、目標運動軌跡計算模塊、誤差計算模塊、天線特性計算模塊、用戶輸入與顯示模塊及數(shù)據(jù)分析模塊。
初始化模塊和自檢模塊完成模擬器初始參數(shù)設置和模擬器硬件的自檢，確保模擬器各個部分處于正常狀態(tài)。
通信控制模塊完成計算機與PCI插卡之間的通信，向信號產(chǎn)生器發(fā)送導航數(shù)據(jù)和控制命令，接收信號產(chǎn)生器發(fā)送的狀態(tài)信息。
導航參數(shù)計算模塊選擇最佳GPS衛(wèi)星，根據(jù)星歷和目標運動狀態(tài)計算信號發(fā)射時刻偽碼的狀態(tài)、載波多普勒頻率、多普勒頻率變化率。衛(wèi)星電文控制模塊自動編輯各顆GPS衛(wèi)星的導航信息，管理電文數(shù)據(jù)中各種數(shù)據(jù)域和特殊標志，設定衛(wèi)星星歷誤差，包括衛(wèi)星徑向、切向和橫向誤差。修改衛(wèi)星電文參數(shù)供接收機進行RAIM檢測。
誤差計算模塊計算星歷誤差、電離層、對流層折射誤差、多徑效應等各種誤差源對碼相位和載波相位的影響。
載體運動軌跡計算模塊建有一系列復雜的載體運動模型，可生成載體運動軌跡。按載體類型可以分為以下子模塊：衛(wèi)星（飛船）、火箭、飛機、艦船和汽車運動軌跡子模塊。另外，該模塊允許用戶自定義載體的運動特性。
GPS接收機天線增益和相位具有一定的方向性，從不同方位、不同仰角入射的信號天線的增益和相位是不同的。特別目標姿態(tài)變化較大時，GPS接收天線方向性圖對信號的接收及測量精度會產(chǎn)生一定的影響。另外，若目標周圍環(huán)境有遮擋，會造成部分衛(wèi)星信號中斷。天線特性計算模塊考慮這些因素的影響，在方位和俯仰上分別按一定的分辨率，建立天線方向性圖，計算載體姿態(tài)變化對GPS信號接收的影響。
用戶輸入與顯示模塊擬采用交互式圖形式界面，允許用戶完成仿真的各種參數(shù)設置與修改，同時以動畫方式逼真顯示試驗過程。
數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)仿真軟件產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)和被試GPS接收機的測量數(shù)據(jù)，完成接收機捕獲時間、測量精度等項指標的評定。
三、衛(wèi)星信號模擬器主要技術指標
綜合考慮各種條件，確定在研的高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器樣機技術指標如下：
載波 GPS L1頻率1 575.42 MHz
偽碼 C/A碼
通道數(shù) 12
信號電平變化范圍 60 dB
偽距精度 ≤80 mm
偽距變化率精度 ≤0.005 m/s
相位增量精度 1.0 mm
最大相對速度 12 km/s
最大相對加速度 360 g
最大相對沖擊 500 g/s
最大角速率 ２π／s
四、關鍵技術分析
GPS衛(wèi)星信號模擬器是一項高技術產(chǎn)品，涉及到偽碼調(diào)制、多路信號合成與幅度控制、誤差特性計算等，歸納起來主要有以下幾項：高動態(tài)信號的產(chǎn)生與精度控制；電離層折射誤差模擬；多徑信號模擬；差分數(shù)據(jù)產(chǎn)生。
下面對這些技術進行分析。
1.高動態(tài)信號的產(chǎn)生與精度控制
GPS衛(wèi)星模擬器可以產(chǎn)生從靜態(tài)目標到以每秒數(shù)公里高速運動的飛行器上安裝的接收機所接收的GPS衛(wèi)星信號，動態(tài)范圍很寬。假設某載體與衛(wèi)星相對徑向加速度為1 000 m/s２，相應多普勒頻率變化率fdmax＝±５．２５１ kHz/s。如果要保持0.005 m/s偽距變化率精度（相應多普勒頻率0.026 Hz），則每次修正頻率的最大步進間隔不能超過0.05 Hz，要求對fＩＦi（kTs）至少每10 μs修正一次。模擬器作為接收機精度測試的標準信號源，對所產(chǎn)生的偽碼延遲和載波頻率的精度要求很高。載體動態(tài)越大，碼相位和載波相位改變越快，當載體受到較大沖擊時，GPS載波會產(chǎn)生較劇烈的變化。為滿足精度要求，必須以較高頻率對模擬器的偽碼和載頻實施控制，使產(chǎn)生的信號能夠及時跟蹤上目標運動特性的變化。
2.電離層延遲誤差模擬
電離層延遲是一項非常重要的誤差源，是影響GPS定位精度的關鍵因素之一。如何建立精確的電離層延遲誤差模型，真實地反映目標受電離層影響的程度是衛(wèi)星信號模擬器要解決的難題。
電離層是地球高層大氣的一部分，一般認為電離層在離地高度60～2 000 km之間［４］，信號的電離層延遲主要取決于電離層中的電子濃度，即單位體積內(nèi)所含自由電子的個數(shù)。電離層延遲誤差為
式中f為信號頻率；
Ne為電離層的電子濃度；
θＥ電離層特征點處的折射仰角；
hr、hs分別為目標和GPS衛(wèi)星的高度；
為信號傳播路徑上積分電子總含量。對高度低于60 km的目標，單頻GPS接收機通常利用導航電文發(fā)布的8個電離層參數(shù)αi、βi(i=0,1,2,3)，通過簡化的Bent模型進行修正，該模型修正精度能達到60%左右。衛(wèi)星信號模擬器采用一組電離層參數(shù)αi、βi(i=0,1,2,3)來產(chǎn)生電離層延遲誤差，若將該組參數(shù)直接放入導航電文發(fā)布給用戶，則用戶可準確地扣除模擬器加入的電離層延遲誤差，使定位結果不包含電離層影響，這就不能反映實際定位情況。因此，需要對這些參數(shù)做適當調(diào)整。調(diào)整方法是，改變電離層垂直延遲幅度系數(shù)αi(i=0,1,2,3)，得到一組新的
，使得在目標運動區(qū)域內(nèi)，利用
計算的電離層誤差為利用αi、βi(i=0,1,2,3)計算的電離層誤差的60%左右。對高度大于60 km的空間飛行器，GPS信號到達接收機時僅穿越了部分電離層，可以根據(jù)（3）式采用電離層統(tǒng)計模型計算電離層延遲誤差，將目標到衛(wèi)星的高度分為n層，則有
通過查閱資料［４］可得到hj、Nej數(shù)據(jù)，從而計算出真實的電離層延遲誤差。若從電離層底端（h=60 km）開始積分，可以得到全部電離層的延遲誤差Δρion總。根據(jù)Δρion總計算一組αi、βi(i=0,1,2,3)，使得在目標運動區(qū)域內(nèi)，利用αi、βi(i=0,1,2,3)計算的電離層誤差與Δρion總近似相等。將αi、βi(i=0,1,2,3)放入導航電文，發(fā)送給用戶。
3.多徑信號模擬
當GPS信號通過多條路徑到達接收機時便會產(chǎn)生多徑效應，通常由接收機附近的反射物引起，因此它與天線周圍環(huán)境密切相關。下面首先分析多徑信號對載波相位的影響。
設GPS接收機接收的直射信號為ＳＤ，ＳＤ可以表示為
式中α為衰減系數(shù)；
δφ為相位偏移；
δφ是幾何距離的函數(shù)。
接收機收到的是直射和反射信號的疊加信號，假設有n路反射信號，則合成信號為
式中
多徑信號對C/A碼的影響與載波相位的影響相似，但幅度上要高幾個量級［５］。
由上式可以看出，要描述每一路反射信號對載波相位和偽碼的影響需要4個參量（碼和載波各2個），當n較大時，合成信號的表達式非常復雜，要嚴格模擬多路反射信號非常困難，只能進行定性分析。在各種環(huán)境下為分析多徑效應而進行的試驗較多，通過搜集大量的試驗資料，得到不同環(huán)境下如海洋、湖泊、沙漠、城區(qū)的GPS信號多徑反射的先驗知識。用信號模擬器做仿真時，根據(jù)用戶設定的試驗環(huán)境，可大致得到反射體的介質(zhì)特性（介質(zhì)常數(shù)和傳導率），由于信號的反射幅值與反射面的傳導率有關［６］，這樣可首先給出多徑效應的大致范圍，再由用戶依據(jù)實際應用環(huán)境，對參數(shù)進行調(diào)整，這樣可以較真實地模擬多徑效應的影響。
4.差分數(shù)據(jù)的產(chǎn)生
為了檢驗差分GPS測量精度，要求模擬器能夠輸出差分信息。差分信息有２種產(chǎn)生方案：一種是模擬器根據(jù)基準站布設位置，經(jīng)誤差補償后，計算衛(wèi)星發(fā)信時刻狀態(tài)，據(jù)此狀態(tài)產(chǎn)生相應的偽碼和載波，將該路信號送差分接收機，差分接收機接收該信號，得到偽距、偽距變化率，經(jīng)計算可得到每一顆衛(wèi)星的差分修正量；另一種方法是模擬器根據(jù)基準站布設位置，直接計算星歷誤差、電波折射誤差等對差分接收機的影響，得到偽距、偽距變化率差分修正數(shù)據(jù)，然后按標準差分數(shù)據(jù)格式通過串口送給移動GPS接收機。顯然第二種方案更為簡單，在研的GPS衛(wèi)星信號模擬器擬采用該方案。
五、高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器的應用
GPS衛(wèi)星信號器是一種高精度的標準信號源，功能強大，應用非常廣泛，本文列舉高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器的幾種用途。
1.產(chǎn)生高動態(tài)GPS信號檢驗接收機的捕獲性能
箭載、星載GPS接收機安裝在高速運動的載體上，載體飛行的速度和加速度都很大，接收機必須在這種高動態(tài)環(huán)境下完成信號的捕獲與跟蹤。星載GPS接收機，長期工作在衛(wèi)星上，飛行區(qū)域很大，要頻繁切換所跟蹤的GPS衛(wèi)星。為保證有足夠的衛(wèi)星參與定位，接收機須很短時間捕獲新出現(xiàn)的可見衛(wèi)星。這種復雜的高動態(tài)環(huán)境，在地面若不借助高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器很難模擬這種環(huán)境下收到的GPS信號，也就不能檢驗接收機對信號的捕獲和跟蹤情況。
GPS衛(wèi)星信號模擬器根據(jù)飛行器飛行軌道，調(diào)整模擬器偽碼時鐘和載頻多普勒頻率，產(chǎn)生高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號，GPS接收機接收模擬器信號，完成信號的捕獲和跟蹤，從而檢驗接收機的捕獲跟蹤能力。這在高動態(tài)接收機的研制階段尤其方便，可以通過反復利用模擬器進行實驗，不斷優(yōu)化接收機環(huán)路參數(shù)，使接收機的捕獲和跟蹤能力達到最佳。
2.作為精度比較標準檢驗GPS接收機的動態(tài)測量精度
鑒定一種設備的測量精度理論上應選用精度高10倍以上的另一種設備作為比較標準，工程應用時要求雖有降低，但比較標準的精度至少也要比被鑒定設備精度高3倍。目前，載波相位型GPS接收機靜態(tài)測量精度可以達到毫米級，動態(tài)測量采用RTK技術定位精度可以達到厘米級。將接收機放置在由大地測量部門建立的精密基線上，可以檢驗接收機的靜態(tài)測量精度。但對動態(tài)測量精度，目前還沒有測量設備精度達到鑒定GPS接收機測量精度的要求，對GPS接收機動態(tài)測量精度的鑒定還是一個難題。退一步講，即使能找到一種比較標準鑒定接收機的動態(tài)測量精度，進行一次試驗將耗費大量人力和物力。
由于衛(wèi)星信號模擬器可以根據(jù)目標飛行的軌跡產(chǎn)生相應的動態(tài)的GPS信號，任何時刻目標位置和速度、目標到各星的距離、距離變化率是精確已知的。接收機測量得到的目標軌跡與設定的目標軌跡進行比較，可以檢驗接收機的動態(tài)測量精度。同時各個時刻接收機測量的衛(wèi)星偽距、偽距變化率與其理論值比較，可以得到接收機測量元素的精度�？梢�，利用GPS衛(wèi)星信號器鑒定GPS設備的測量精度是一條可以借鑒的途徑，能節(jié)省大量試驗費用。
3.產(chǎn)生特定的GPS信號驗證測量方案的可行性
利用GPS測量目標，要求天線能夠通視GPS衛(wèi)星。在飛行器運動時若姿態(tài)有較大變化，則可導致信號中斷，引起接收機失鎖。為保證測量的連續(xù)性，需要使用2個或多個天線同時接收衛(wèi)星信號，各天線信號送相加器進行射頻合成后送GPS接收機接收，見圖2。這雖然有利于天線對GPS衛(wèi)星有較好覆蓋，但會產(chǎn)生因兩天線之間的干涉造成信號質(zhì)量下降問題。天線干涉區(qū)與2個天線的相對安裝位置、衛(wèi)星位置、載體姿態(tài)、天線方向性圖等因素有關，直接進行理論分析比較困難。利用GPS衛(wèi)星信號模擬器，可根據(jù)飛行器飛行軌道和2個天線的相對位置，產(chǎn)生2個天線合成輸出的GPS信號。不斷改變兩天線安裝相對位置參數(shù)，觀察接收機的工作情況，為選擇最有利的天線安裝位置提供參考。
六、結束語
本文介紹了高動態(tài)GPS衛(wèi)星信號模擬器的工作原理，提出了模擬器研制涉及的部分關鍵技術并進行了相應分析。當然，模擬器作為一種高技術產(chǎn)品，還有許多技術難題需要我們進一步研究和解決。模擬器的研制將為GPS設備開發(fā)提供有利支持，進一步推動GPS的廣泛應用。隨著我國“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成并投入運營，需要對“北斗”衛(wèi)星動態(tài)信號進行仿真，以便為“北斗”接收機研制提供測試環(huán)境，GPS衛(wèi)星信號模擬技術可直接應用于 “北斗”衛(wèi)星信號仿真，為“北斗”衛(wèi)星信號模擬器研制奠定基礎。
參考文獻
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摘自 電訊技術
