CN101334463B - Gnss导航信号模拟器中时间参数的模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS导航信号模拟器中时间参数的模拟方法。该方法通过设置用户所在时区的标准时，并作为开始接收信号的时刻；将用户所在标准时区的接收时刻转换成UTC时的接收时刻；将UTC时的接收时刻转换成各导航系统时的接收时刻；在各导航系统时下，估算信号发射时刻，计算导航电文中相关的时间参数；在同一时间系统下，计算卫星和用户的位置，并精确计算得到该时间系统下的信号发射时刻和卫星信号传播延时；根据卫星时的卫星信号发射时刻，产生导航电文和伪距。实现了对GNSS导航信号模拟器中时间参数的模拟，该方法既适用于单系统单频点的导航信号模拟器，也适用于多系统多频点的导航信号模拟器。

Description

GNSS导航信号模拟器中时间参数的模拟方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，具体来说是指GNSS(Global Navigation Satellite System)导航信号模拟器中对时间参数的模拟方法。

背景技术

卫星导航信号模拟器模拟卫星导航系统所播发的卫星导航信号，与卫星导航信号接收机联合可用于卫星导航系统仿真验证与测试评估。

卫星导航信号模拟器可模拟产生各种动态环境下的接收机所接收到的卫星导航信号，用来作为接收机调试和测试的仿真信号源。卫星导航信号模拟器具有利用实际卫星信号进行试验所无法比拟的优点，即可以提供一种能够再现的、可控的仿真环境。将卫星导航信号模拟器、卫星导航接收机及相关的测试分析工具有机集成在一起，可构成完整的卫星导航系统仿真与接收机设计验证的平台。在此平台上，可以方便地进行卫星导航信号体制的研究、信号特性参数的设计、系统性能指标的验证，接收机的结构、功能、性能的测试和优化，新算法、新设计的研究等。

随着GNSS系统建设和应用的日益广泛，对卫星导航信号模拟器的研究和应用需求也处于不断的升温之中，尤其是与软件接收机构成的研发验证平台技术全面兴起。美国NAVSYSCorporation于2000年开发了基于Matlab的GPS数字IF信号软件模拟器，2001年推出了可以产生L2C信号和M码信号的GPS卫星信号模拟器。美国Data Fusion公司于2001年推出了Matlab/C Toolkits的形式GPS单频L1C/A码信号源开发工具。美国Center forRemote Sensing公司(CFRSI)于2003年开发出一套具有开放式结构的GPS软件接收机开发与测试平台，该平台各个软件模块可以通过图形用户界面进行连接和配置；2004年又开发出Galileo相关模块。欧盟的Deimos Space于2004年开发了一套运行于WindowsPC上的Galileo接收机分析和设计应用软件工具GRANADA，包含测试台和软件接收机两部分。

但是目前对导航信号模拟器的研究主要集中于对单一卫星导航系统的模拟，随着GPS现代化的展开以及BD和Galileo试验星的发射，多模卫星导航系统将成为卫星导航的主流发展方向。

多模卫星导航信号模拟器中涉及到多个与时间有关的参数的模拟，主要包括用户所在时区的标准时、UTC时、各个导航系统的系统时、导航电文中的时间参数、卫星钟差、用户钟差、接收机时间、导航信号总的传播延时、卫星信号发射时刻，以及基于发射时刻播发的导航电文和伪距的计算等，不同的时间参数要求模拟的精度也不一样。

发明内容

本发明提供了一种GNSS导航信号模拟器中的时间参数模拟方法，既适用于单系统单频点的导航信号模拟器，也适用于多系统多频点的导航信号模拟器.主要包括对用户所在时区的标准时、UTC时、各个导航系统的系统时、导航电文中的时间参数、卫星钟差、用户钟差、卫星时、接收机时间、卫星信号在空间的几何传输延时、卫星信号在空间总的传播延时、卫星信号发射时刻、电文比特和伪距这些参数的模拟.通过下列步骤来实现.

步骤一：设置用户所在时区的标准时，并作为开始接收信号的时刻。

步骤二：将用户所在时区的标准时接收时刻转换成UTC时的接收时刻。

步骤三：将UTC时的接收时刻转换成各导航系统时的接收时刻。

步骤四：在各导航系统时下，估算信号发射时刻，计算导航电文中相关的时间参数。

步骤五：在同一时间系统下，计算卫星和用户的位置，并精确计算得到该时间系统下的信号发射时刻和卫星信号传播延时。

步骤六：根据卫星时的卫星信号发射时刻，产生导航电文和伪距。本发明的优点在于：解决了GNSS导航信号模拟器中涉及到的与时间有关的参数的模拟问题。

附图说明

图1是GNSS导航信号模拟器中仿真模拟的流程图；

图2是在某时间系统下计算卫星位置及卫星信号总的传输延迟的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的GNSS导航信号模拟器中时间参数的模拟方法具有如下具体步骤，流程图如图1所示：

步骤一：设置用户所在时区的标准时。

开始仿真的时候，设置用户初始位置，并设置仿真起始时间，即用户开始接收信号的时刻，以年、月、日、时、分、秒为单位表示用户所在时区的标准时。

步骤二：将用户所在时区的标准时接收时刻转换成UTC时的接收时刻；

全球各时区都以中央经线的地方平太阳时作为本区的标准时，全世界多数国家都采用以区时为单位的标准时，并保持与UTC时相差整小时数。考虑到在模拟器的仿真时刻可以任意设置用户位置，因此需要根据设置的用户初始位置计算出用户所在的时区，然后将用户所在时区的标准时转换成UTC时，得到用UTC时表示的信号接收时刻。

步骤三：将UTC时的接收时刻转换成各导航系统时的接收时刻。

各卫星导航系统(如GPS、BD和Galileo系统)为了满足精密定位与导航的需要，都建立了自己专用的时间系统，由主控站的高精度原子钟守时与授时。但各卫星导航系统时之间仍存在系统时差，在多模卫星导航信号模拟器中要模拟出各系统时之间的系统时差。

以UTC时为基准，分别模拟产生各个导航系统时与UTC时的时间偏差，由于产生的各时间偏差不同，也就相当于模拟了各导航系统时之间的系统时差。UTC时加上时间偏差即可得到各导航系统的系统时表示的信号接收时刻。

步骤四：在各导航系统时下，估算信号发射时刻，计算导航电文中相关的时间参数。

在满足导航电文时间参数的精度需求下，利用步骤三中得到的用各导航系统时表示的信号接收时刻，估算信号发射时刻.根据估算的信号发射时刻，计算导航电文中相关的时间参数.

步骤五：在同一时间系统下，计算卫星和用户的位置，并精确计算得到该时间系统下的信号发射时刻和卫星信号传播延时。

计算卫星和用户的位置，首先将卫星位置和用户位置统一到一个时间系统下，然后按照如下步骤进行计算，计算流程图如图2所示：

(1)选定某一时间系统，已知该时间系统下的信号接收时刻；

(2)根据卫星的轨道高度大致估算卫星信号在空间的传播时延，用选定的时间系统下的信号接收时刻减去估算的传播时延得到该时间系统下的信号发射时刻；

(3)将导航系统时下的星历参数参考时刻转换到选定的时间系统下；

(4)利用(2)中的信号发射时刻和导航系统时下的星历参数计算卫星的三维位置和三维速度，计算过程中考虑了地球自转效应；

(5)根据卫星和用户(接收机)之间的距离，得到信号的几何传输延时；

(6)计算信号总的误差传播延时；

(7)用接收时刻减去信号总的传播延时(包括几何传输延时和误差传播延时)，得到新的信号发射时刻；

(8)重复步骤(4)到步骤(7)，迭代计算直到满足精度需求，得到卫星的三维位置和三维速度；

(9)将本次计算的传输延迟保存起来，在下一个接收时刻计算卫星位置的时候利用上一接收时刻计算出来的传播延时来估算信号发射时刻。

经过计算，得到了所选定时间系统下的卫星发射时刻，卫星位置以及卫星信号总的传播延迟。

步骤六：根据卫星时的卫星信号发射时刻，产生导航电文和伪距。

导航电文播发的节奏是由卫星时钟控制的，将步骤五计算得到的特定时间系统下的卫星信号发射时刻转换到各颗卫星时间系统下，由于卫星时钟不同步，所以计算得到的各颗卫星当前播发的导航电文位置也不相同，根据规定的播发速率，卫星播发导航电文。

用户接收机的时钟与系统时存在偏差，模拟器模拟用户钟差，将导航系统时的接收时刻转换到用户本地时钟下；将用户本地时的信号接收时刻减去卫星时的信号发射时刻乘以光速即可得到伪距。

实施例：

利用本发明提供的时间参数的模拟方法，以模拟产生GPS-L1频点和Galileo-E1频点的合路信号为例，说明具体实施步骤：

步骤一：设置用户所在时区的标准时，作为开始接收信号的时刻。

首先设置用户初始位置——东经116度；北纬39度；高程100米；设置的用户开始仿真时刻是2007年11月16日8时0分4.0秒。

步骤二：将用户所在时区的标准的接收时刻转换成UTC时的接收时刻。

用户的初始位置位于东经116度，可以计算出用户位于东八区；东八区的标准时比UTC时早8小时，因此将用户所在时区的标准时2007年11月16日8时0分4.0秒转换成UTC时是2007年11月16日0时0分4.0秒。

步骤三：将UTC时的接收时刻转换成各导航系统时的接收时刻。

(1)用两个不同的二阶高斯——马尔科夫过程序列分别模拟产生GPS时和Galileo时与UTC时的系统时间偏差，分别记为Δt_GPS和Δt_Galileo。

(2)将UTC时表示的接收时刻用各导航系统时的周计数和周内秒计数表示，可以借助儒略日来完成这个转换。下面是适用于1900年3月至2100年2月的换算公式。将年Y(整数)、月M(整数)、日D(整数)转化成儒略日的公式为：

JD＝INT[365.25y]+INT[30.6001(m+1)]+D+1720981.5            (1)

式中，INT表示对一个实数取整，y、m按以下规则计算：

如果M≤2，则y＝Y-1，m＝M+12；

如果M＞2，则y＝Y，m＝M；

按照上述公式计算，得

2007年11月16日0时＝JD 2454420.5

GPS系统时的时间原点是1980年1月6日0时0分0秒，Galileo系统时的时间原点是1999年8月22日0时0分0秒。

经过计算，得

1980年1月6日0时＝JD2444244.5

1999年8月22日0时＝JD2451412.5

计算各导航系统时的周计数和周内秒计数：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{WN}}_{\mathrm{GPS}\_\mathrm{temp}}=\mathrm{INT}[(\mathrm{JD}-2444244.5)/7]\\ {\mathrm{WN}}_{\mathrm{Galileo}\_\mathrm{temp}}=\mathrm{INT}[(\mathrm{JD}-2451412.5)/7]\\ {\mathrm{SOW}}_{\mathrm{GPS}\_\mathrm{temp}}=[(\mathrm{JD}-2444244.5)-{\mathrm{WN}}_{\mathrm{GPS}}\×7]\×86400+H\×3600+\mathrm{MIN}\×60+\mathrm{SEC}\\ {\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Galileo}\_\mathrm{temp}}=[(\mathrm{JD}-2451412.5)-{\mathrm{WN}}_{\mathrm{Galileo}}\×7]\×86400+H\×3600+\mathrm{MIN}\×60+\mathrm{SEC}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中的JD是用户设置的UTC时的2007年11月16日0时对应的儒略日；H是小时；MIN是分钟；SEC是秒。

按照上面的公式(1)、(2)计算，得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{WN}}_{\mathrm{GPS}\_\mathrm{temp}}=1453\\ {\mathrm{WN}}_{\mathrm{Galileo}\_\mathrm{temp}}=429\\ {\mathrm{SOW}}_{\mathrm{GPS}\_\mathrm{temp}}=432004\\ {\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Galileo}\_\mathrm{temp}}=432004\end{array}\right.$

(3)Δt_GPS和Δt_Galileo分别表示GPS时和Galileo时与UTC时的系统时差，计算用各个导航系统时表示的信号接收时刻，

则：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{GPS}}={\mathrm{SOW}}_{\mathrm{GPS}\_\mathrm{temp}}+{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{GPS}}\\ {\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Galileo}}={\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Galileo}\_\mathrm{temp}}+{\mathrm{\Δt}}_{\mathrm{Galileo}}\end{array}\right.$

如果SOW_GPS＞604800，则 $\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{GPS}}}^{\′}={\mathrm{SOW}}_{\mathrm{GPS}}-604800\\ {{\mathrm{WN}}_{\mathrm{GPS}}}^{\′}={\mathrm{WN}}_{\mathrm{GPS}\_\mathrm{temp}}+1\end{array}\right.,$

否则 $\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{GPS}}}^{\′}={\mathrm{SOW}}_{\mathrm{GPS}}\\ {{\mathrm{WN}}_{\mathrm{GPS}}}^{\′}={\mathrm{WN}}_{\mathrm{GPS}\_\mathrm{temp}}\end{array}\right.;$

如果SOW_Galileo＞604800，则 $\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Galileo}}}^{\′}={\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Galileo}}-604800\\ {{\mathrm{WN}}_{\mathrm{Galileo}}}^{\′}={\mathrm{WN}}_{\mathrm{Galileo}\_\mathrm{temp}}+1\end{array}\right.,$

否则 $\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Galileo}}}^{\′}={\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Galileo}}\\ {{\mathrm{WN}}_{\mathrm{Galileo}}}^{\′}={\mathrm{WN}}_{\mathrm{Galileo}\_\mathrm{temp}}\end{array}\right.,$

假设：Δt_GPS＝30ms，Δt_Galileo＝20ms代入上式，

则：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{GPS}}}^{\′}=432004.03\\ {{\mathrm{WN}}_{\mathrm{GPS}}}^{\′}=1453\end{array}\right.,$ $\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Galileo}}}^{\′}=432004.02\\ {{\mathrm{WN}}_{\mathrm{Galileo}}}^{\′}=429\end{array}\right.$

步骤四：在各导航系统时下，估算信号发射时刻，计算导航电文中相关的时间参数。

下面均以GPS为例说明计算过程。利用步骤三中计算得到的GPS系统下的接收时刻，估算得到信号的发射时刻，再计算出该发射时刻所对应的导航电文超帧的第一个子帧的Z计数(Z计数＝周内秒/6+1)和周计数WN，该超帧后面各子帧的Z计数按照Z计数的变化规律计算即可，即首先初始化GPS一个超帧的导航电文。步骤如下：

(1)根据接收时刻估算得到发射时刻。

SOW_{Tx_GPS}＝SOW′_GPS-0.075

式中0.075是卫星信号在空间传播延时的估算值。

如果SOW_{Tx_GPS}＜0.0，则 $\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Tx}\_\mathrm{GPS}}}^{\′}={\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Tx}\_\mathrm{GPS}}+604800\\ {{\mathrm{WN}}_{\mathrm{Tx}\_\mathrm{GPS}}}^{\′}={\mathrm{WN}}_{\mathrm{GPS}}-1\end{array}\right.;$

否则 $\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Tx}\_\mathrm{GPS}}}^{\′}={\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Tx}\_\mathrm{GPS}}\\ {{\mathrm{WN}}_{\mathrm{Tx}\_\mathrm{GPS}}}^{\′}={\mathrm{WN}}_{\mathrm{GPS}}\end{array}\right.$

对于本实施例来说，则有 $\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Tx}\_\mathrm{GPS}}}^{\′}=432003.955\\ {{\mathrm{WN}}_{\mathrm{Tx}\_\mathrm{GPS}}}^{\′}=1453\end{array}\right.$

(2)计算该发射时刻所对应的超帧的第一个子帧的Z计数和周计数WN：

$\left\{\begin{array}{c}t\sec =\mathrm{INT}[\left({{\mathrm{SOW}}_{\mathrm{Tx}\_\mathrm{GPS}}}^{\′}\right)/750]\×750\\ \mathrm{ZCount}=t\sec /6+1\end{array}\right.$

WN＝WN′_{Tx_GPS}-1024＝429

根据前面计算的参数，得到GPS系统当前超帧的第一个子帧的Z计数是ZCount＝72001，周计数是WN＝429。

(3)对于GPS系统，计算出了某个超帧的第一子帧的Z计数后，后面各个子帧的Z计数在上一子帧Z计数的基础上加1。

(4)前面初始化了GPS一个超帧的导航电文，在程序的分线程中实时监测电文子帧，并适时更新导航电文中的时间参数，保证在仿真时间长度内所生成的导航电文的正确性.

步骤五：在同一时间系统下，计算卫星和用户的位置，并计算得到该时间系统下的信号发射时刻和卫星信号传播延时。

选择在UTC时间系统下计算卫星和用户的位置。具体计算过程为：

(1)根据卫星的轨道高度大致估算卫星信号在空间的传播时延，在第一次计算卫星位置的时候，首先要用UTC时下的信号接收时刻减去估算的传播延迟来得到卫星信号发射时刻t，将GPS卫星在空间的传播延迟的初始值设定为75ms；

(2)将GPS的星历参数参考时刻转换到UTC时间系统下。使用的GPS星历参数参考时刻是2007年11月16日0时0分0.0秒，即t_oe＝432000，转换到UTC时间系统下，得t′_oe＝t_oe-Δt_GPS＝432000-0.03＝431999.97；

(3)利用(1)中计算得到的卫星信号发射时刻t和(2)中得到的UTC时下的星历参数参考时刻t′_oe，计算UTC时间系统下卫星在ECEF(地心地固)坐标系中的坐标；

(4)计算用户此时在ECEF坐标系中的坐标，利用(3)中计算得到的卫星坐标，来计算卫星信号的几何传输延迟τ_R；

(5)计算各种误差传输延迟，包括星钟误差τ_CLK，相对论效应误差τ_Relative，电离层延迟τ_Iono，对流层延迟τ_Tropo，连同(4)中计算得到的卫星信号的几何传输延迟τ_R，则卫星信号总的传输延迟为：

 τ＝τ_R-τ_CLK-τ_Relative+τ_Iono+τ_Tropo

 (6)用接收时刻减去(5)中计算得到的卫星信号总的传输延迟，得到一个新的卫星信号发射时刻；

(7)重复步骤(3)到步骤(6)，使得前后两次计算得到的传播时延之差小于1ns即满足精度要求，一般迭代4次即可；

 (8)保存本次计算的传输时延，在下一个接收时刻计算卫星位置的时候利用上一接收时刻计算出来的传播延时来估算信号发射时刻。

步骤六：根据卫星时的卫星信号发射时刻，产生导航电文和伪距。

GPS导航电文速率是50bps，设每20ms发送一次导航电文和伪距，则每次应该取1比特GPS电文。利用步骤三中计算得到的GPS导航系统时下的信号接收时刻(周内秒SOW_GPS)，减去步骤五中计算得到的卫星信号总的传输延迟τ，得到GPS系统时下的信号发射时刻再转换到卫星时下(也是用周内秒表示的)，在第一次通信时，根据这个发射时刻计算出取导航电文的位置，并取出1比特的GPS电文，后续再取电文的时候，只需要从上次取电文的位置顺序取1比特的导航电文即可。

模拟器可以提供两级的输出，一是向中频调制卡发送数据，二是输出基带数据到文件中。这两级的输出除了实时获得导航电文外，还需要获得实时计算的伪距。向中频调制卡发送的伪距就是步骤五中计算得到的卫星信号总的传输延迟τ，这是用时间表示的伪距；对于向基带数据文件中输出的伪距，应该考虑用户钟差，设用户钟差为τ_Rec，则伪距为

τ＝τ_R-τ_CLK-τ_Relative+τ_Iono+τ_Tropo+τ_Rec。   

Claims (3)

1.GNSS导航信号模拟器中时间参数的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：设置用户所在时区的标准时，并作为开始接收信号的时刻；

步骤二：将用户所在标准时区的接收时刻转换成UTC时的接收时刻；

步骤三：将UTC时的接收时刻转换成各导航系统时的接收时刻；

步骤四：在各导航系统时下，估算信号发射时刻，计算导航电文中相关的时间参数；

步骤五：在同一时间系统下，计算卫星和用户的位置，并精确计算得到该时间系统下的信号发射时刻和卫星信号传播延时；

步骤六：根据卫星时的卫星信号发射时刻，产生导航电文和伪距。

2.根据权利要求1所述的GNSS导航信号模拟器中时间参数的模拟方法，其特征在于，所述步骤三具体为：

以UTC时为基准，分别模拟产生各个导航系统时与UTC时的时间偏差，UTC时加上时间偏差即得到各导航系统的系统时表示的信号接收时刻。

3.根据权利要求1所述的GNSS导航信号模拟器中时间参数的模拟方法，其特征在于，所述步骤五具体为：

步骤a：选定某一时间系统，已知该时间系统下的信号接收时刻；

步骤b：根据卫星的轨道高度大致估算卫星信号在空间的传播时延，用选定的时间系统下的信号接收时刻减去估算的传播时延得到该时间系统下的信号发射时刻；

步骤c：将导航系统时下的星历参数参考时刻转换到选定的时间系统下；

步骤d：利用步骤b中信号发射时刻和导航系统时下的星历参数计算卫星的三维位置和三维速度；

步骤e：根据卫星和用户之间的距离，得到信号的几何传输延时；

步骤f：计算信号总的误差传播延时；

步骤g：用接收时刻减去信号总的传播延时，即几何传输延时和误差传播延时，得到新的信号发射时刻；

步骤h：重复步骤d到步骤g，迭代计算直到满足精度需求，得到卫星的三维位置和三维速度；

步骤i：将本次计算的传输时延保存起来，在下一个接收时刻计算卫星位置的时候利用上一接收时刻计算出来的传播延时来估算信号发射时刻。

Images