CN102608624B - Gps模拟器与接收机闭环测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GPS模拟器与接收机闭环测试系统，GPS模拟器不但提供GPS射频信号，还向GPS接收机输出射频信号所对应的同步脉冲，以及对应的各个GPS信号的载波相位信息、伪码相位信息和卫星位置信息。这样GPS接收机不但可以在同步脉冲控制下处理GPS射频信息，进行传统的信号捕获跟踪，进行伪距测量和星历解码，再完成定位解算；还可以直接利用模拟器提供的相位信息和卫星位置进行定位解算。通过这两种计算过程，可以对比分析GPS接收机的伪距即伪码相位或载波相位的测量精度、星历误差分析、定位解算方法优劣或者检测GPS模拟器的模拟精度。
Description
技术领域
本发明涉及GPS卫星导航领域，具体涉及一种GPS模拟器与接收机闭环测试系统。
背景技术
美国的GPS（全球定位系统）是当前卫星导航系统的标杆，GPS定位具有全天候、精度高等特点，在世界上各个国家的军民用领域都有非常广泛的应用。现在的GPS接收机发展速度很快，无论是体积、功耗、灵敏度、精度等指标比十年前都有了很大提升。除了接收机本身的技术发展外，GPS系统建设上也在不断更新换代。未来的GPS卫星将具有更高的时间基准、更高的功率、更优化的信号体制，为用户提供更为优质的服务。
在GPS导航系统发展中，GPS系统建设和GPS接收机的发展是相互影响的，尤其是接收机的研制开发中，需要分别考虑到各种观测量、各种误差源的影响，并分别采取对应的措施，以期获得更高的测量精度。在GPS接收机研发、测试中，主要测定接收机的测量精度、信号接收灵敏度，以提高接收机的适用性。还要考虑接收机在弹载等复杂环境下的定位可用性。为方便地在实验室静态环境下实现这些测试，根据相对运动原理，不必把接收机放在导弹、星船等空间设备上，只需要模拟器模拟出接收机在这些轨迹下所接收到的导航卫星信号，在室内对静止接收机测试，接收机的定位结果就是模拟器所预先设定的轨迹，可以方便测试接收机在高空、高速运动条件下的定位效果，这样节约了接收机的测试成本。根据这样的应用需求，GPS模拟器运算发展起来。
GPS卫星信号模拟器就是模拟产生GPS卫星导航信号，为GPS接收机的研制开发、测试提供仿真环境，它是卫星导航系统和接收机(尤其是高动态接收机)研制的重要测试仪器。GPS信号模拟器所模拟的仿真环境环境越逼真，对于GPS接收机的性能测定则越为准确。但一般情况下，接收机对模拟器的信号测量是独立的，测量时间基准与模拟器无关。这样接收机的各种观测量精度无法精确测量，比如常用的伪距观测量，一般模拟器难以客观评价接收机的伪距测量精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种GPS模拟器与接收机闭环测试系统，它能够能把接收机和模拟器统一到一个时间基准上，并且对信号的观测实现闭环测试，从而可更为精确评估接收机的各个环节的技术以及算法的优劣，反过来也可以评价模拟器的信号模拟精度，并为导航系统的建设提供评价机制。
为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：
本发明一种GPS模拟器与接收机闭环测试系统，包括GPS模拟器和GPS接收机。所述GPS模拟器主要由信号处理单元、射频信号输出单元、同步脉冲信号输出单元、理想信号输出单元和结果比较单元构成；其中射频信号输出单元、同步脉冲信号输出单元和理想信号输出单元分别连接在信号处理单元的输出端上，结果比较单元则与信号处理单元的输入端相连。所述GPS接收机主要由传统接收单元、传统定位计算单元和理想定位计算单元构成。GPS模拟器的射频信号输出单元和同步脉冲信号输出单元均与GPS接收机的传统接收单元的输入端相连，传统接收单元的输出端连接传统定位计算单元的输入端；GPS模拟器的理想信号输出单元与GPS接收机的理想定位计算单元的输入端相连；GPS接收机的传统定位计算单元和理想定位计算单元的输出端共同连接至GPS模拟器的结果比较单元。
上述方案中，所述同步脉冲信号输出单元输出的同步脉冲为毫秒级。
上述方案中，所述同步脉冲信号输出单元输出的同步脉冲为1毫秒。
本发明的构思是：GPS模拟器和GPS接收机使用同一个时钟源，保持时间基准的一致；传统的GPS模拟器使用时仅提供射频信号给GPS接收机，而本发明涉及的GPS模拟器与接收机闭环测试系统中，GPS模拟器不但提供GPS射频信号，还向GPS接收机输出射频信号所对应的同步脉冲，以及对应的各个GPS信号的载波相位信息、伪码相位信息和卫星位置信息。这样GPS接收机不但可以在同步脉冲控制下处理GPS射频信息，进行传统的信号捕获跟踪，进行伪距测量和星历解码，再完成定位解算；还可以直接利用模拟器提供的相位信息和卫星位置进行定位解算。通过这两种计算过程，可以对比分析GPS接收机的伪距即伪码相位或载波相位的测量精度、星历误差分析、定位解算方法优劣或者检测GPS模拟器的模拟精度。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、GPS模拟器在输出GPS射频信号的基础上，多输出了同步脉冲，载波相位、伪码相位和卫星位置信息；
2、和普通的GPS接收机相比，本发明设计中的GPS接收机不但可以处理传统GPS射频信号，完成定位计算，还可以接收来自GPS模拟器的载波相位、伪码相位和卫星位置信息直接进行定位计算，获得理想的定位结果；
3、可以系统分析GPS系统各种误差源，为接收机设计和GPS导航系统建设提供有意义的参考；因而可广泛应用于GPS导航定位领域，并为中国的北斗导航提供借鉴。
附图说明
图1为本发明一种GPS模拟器与接收机闭环测试系统。
具体实施方式
参见图1，本发明一种GPS模拟器与接收机闭环测试系统，包括GPS模拟器和GPS接收机。所述GPS模拟器主要由信号处理单元、射频信号输出单元、同步脉冲信号输出单元、理想信号输出单元和结果比较单元构成。其中射频信号输出单元、同步脉冲信号输出单元和理想信号输出单元分别连接在信号处理单元的输出端上，结果比较单元则与信号处理单元的输入端相连。所述GPS接收机主要由传统接收单元、传统定位计算单元和理想定位计算单元构成。GPS模拟器的射频信号输出单元和同步脉冲信号输出单元均与GPS接收机的传统接收单元的输入端相连，传统接收单元的输出端连接传统定位计算单元的输入端；GPS模拟器的理想信号输出单元与GPS接收机的理想定位计算单元的输入端相连；GPS接收机的传统定位计算单元和理想定位计算单元的输出端共同连接至GPS模拟器的结果比较单元。
信号处理单元首先根据用户需求，设定所模拟的GPS接收机运动轨迹；根据预设星历参数，编码为导航电文；根据用户设定仿真时刻的运动轨迹和卫星位置信息，预测GPS卫星是否可见。然后在每个同步脉冲时刻，对于每颗可见星，根据用户位置和卫星位置计算相应仿真时刻的信号载波相位、伪码相位和信号频率。之后把可见星分配到相应的信号生成通道；根据步骤②计算的参数，设定每个卫星的初始载波相位、码相位和导航电文相位，再根据频率信息生成相应的载波、码和电文信号，并完成三者的扩频、调制，得到中频GPS模拟信号。
射频信号输出单元将信号处理单元产生的中频GPS模拟信号上变频到GPS的标准射频频率，并输出给GPS接收机。
同步脉冲信号输出单元将信号处理单元中的同步脉冲信号即信号生成的周期即伪码的周期输出给GPS接收机。同步脉冲信号输出单元输出的同步脉冲为信号生成的周期，即为伪码的周期时间。在本发明中，由于信号生成的周期为毫秒级，因此同步脉冲信号输出单元输出的同步脉冲也为毫秒级。在本发明优选实施例中，GPS模拟器在每毫秒同步脉冲时刻，均会根据用户位置和卫星位置计算相应仿真时刻的信号载波相位、伪码相位和信号频率，因此同步脉冲信号输出单元输出的同步脉冲为1毫秒。
理想信号输出单元将信号处理单元计算出的信号载波相位、伪码相位信息和卫星位置输出给GPS接收机。
传统接收单元在同步脉冲控制下，采集GPS模拟器发射的射频信号，进行传统的信号捕获跟踪、伪距测量和星历解码。
传统定位计算单元根据传统接收单元输出的计算结果，并进行定位计算。
理想定位计算单元直接接收理想信号输出单元输出的信号载波相位、伪码相位信息和卫星位置，直接进行定位解算。
结果比较单元将传统定位计算单元和理想定位计算单元输出的定位解算结果进行比对，并将比对结果送入信号处理单元中进行分析。
采用上述系统所实现的GPS模拟器与接收机闭环测试方法，包括如下步骤：
①GPS模拟器根据用户需求，设定所模拟的GPS接收机运动轨迹；根据预设星历参数，编码为导航电文；根据用户设定仿真时刻的运动轨迹和卫星位置信息，预测GPS卫星是否可见；
②GPS模拟器在每个同步脉冲时刻，对于每颗可见星，根据用户位置和卫星位置计算相应仿真时刻的信号载波相位、伪码相位和信号频率；
③GPS模拟器把可见星分配到相应的信号生成通道；根据步骤②计算的参数，设定每个卫星的初始载波相位、码相位和导航电文相位，再根据频率信息生成相应的载波、码和电文信号，并完成三者的扩频、调制，得到中频GPS模拟信号；
④GPS模拟器的射频模块将步骤③的中频GPS模拟信号上变频到GPS的标准射频频率，并输出给GPS接收机；
⑤同时，GPS模拟器将步骤②的同步脉冲信号，以及计算的信号载波相位、伪码相位信息和卫星位置输出给GPS接收机；
GPS模拟器输出的同步脉冲为信号生成的周期，即为伪码的周期时间。在本发明中，由于信号生成的周期为毫秒级，因此GPS模拟器输出的同步脉冲也为毫秒级。在本发明优选实施例中，GPS模拟器在每毫秒同步脉冲时刻，均会根据用户位置和卫星位置计算相应仿真时刻的信号载波相位、伪码相位和信号频率，因此GPS模拟器输出的同步脉冲为1毫秒。
⑥GPS接收机在同步脉冲控制下，采集GPS模拟器发射的射频信号，进行传统的信号捕获跟踪、伪距测量和星历解码，再完成定位解算；
⑦同时，GPS接收机接收来自GPS模拟器发射的信号载波相位、伪码相位信息和卫星位置，直接进行定位解算；
⑧GPS接收机将步骤⑥和步骤⑦步所得的两种定位结果都反馈给GPS模拟器，通过对比两种定位结果即可检测出GPS接收机的定位解算效果和/或GPS模拟器的信号模拟精度。
步骤⑦的定位结果是GPS模拟器输出的理想信息，该理想定位结果和模拟器所模拟的用户位置完全一致。因此，在保证GPS模拟器的信号模拟精度的前提下，当按照步骤⑥所获得的实际定位结果与步骤⑦所获得的理想定位结果越接近时，GPS接收机的定位接收效果越佳，即GPS接收机的伪距即伪码相位或载波相位的测量精度越高、星历误差越小、定位解算方法越优秀；反之，则GPS接收机的定位接收效果越差。另外，在保证GPS接收机的定位解算效果的前提下，当按照步骤⑥所获得的实际定位结果与步骤⑦所获得的理想定位结果越接近时，GPS模拟器的信号模拟精度越高；反之，GPS模拟器的信号模拟精度越低。
Claims (3)
1.GPS模拟器与接收机闭环测试系统，包括GPS模拟器和GPS接收机，其特征在于：
所述GPS模拟器主要由信号处理单元、射频信号输出单元、同步脉冲信号输出单元、理想信号输出单元和结果比较单元构成；其中射频信号输出单元、同步脉冲信号输出单元和理想信号输出单元分别连接在信号处理单元的输出端上，结果比较单元则与信号处理单元的输入端相连；
所述GPS接收机主要由传统接收单元、传统定位计算单元和理想定位计算单元构成；
GPS模拟器的射频信号输出单元和同步脉冲信号输出单元均与GPS接收机的传统接收单元的输入端相连，传统接收单元的输出端连接传统定位计算单元的输入端；GPS模拟器的理想信号输出单元与GPS接收机的理想定位计算单元的输入端相连；GPS接收机的传统定位计算单元和理想定位计算单元的输出端共同连接至GPS模拟器的结果比较单元。
2.根据权利要求1所述的GPS模拟器与接收机闭环测试系统，其特征是：所述同步脉冲信号输出单元输出的同步脉冲为毫秒级。
3.根据权利要求2所述的GPS模拟器与接收机闭环测试系统，其特征是：所述同步脉冲信号输出单元输出的同步脉冲为1毫秒。
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