CN103278826A - 一种北斗b1频点中频信号仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种北斗B1频点中频信号仿真方法。仿真系统主要实现任意给定仿真时间、仿真航迹、载噪比下的卫星信号仿真。方法通过对载体航迹及卫星星历的解算,得到该航迹下的卫星信号传输延时,以此延时加上电离层、对流层对传输延时的影响,生成相应卫星的测距码、导航电文及载波,之后多颗卫星信号合成一路信号之后再添加噪声并进行滤波、量化及信号的存储。考虑到传输延时计算量对仿真所耗时间的影响,采用了预先计算周期为0.2ms的航迹延时,进而插值计算每个采样点的传输延时,在保证了精度的同时大大节省了数据存储,提高了仿真效率。
Description
技术领域
本发明公开了一种北斗B1频点中频信号仿真方法,属于卫星导航系统中频信号仿真设计方法的技术领域,具体涉及一种考虑信号的传播延时、电离层、对流层、环境噪声等影响,对中频信号进行建模并设计实现任意航迹及载噪比环境下的卫星信号仿真方法。
背景技术
北斗卫星导航系统简称北斗系统,英文名称为BeiDou Navigation SatelliteSystem,缩写为BDS。北斗系统是中国自主建设、独立运行,与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,可在全球范围内全天候、全天时,为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。通过北斗一代系统的试验,中国早于欧洲人,成为继美国、俄罗斯之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。
北斗二代卫星导航系统于2004年8月31日正式立项,2011年12月27日提供试运行服务。自2007年4月第一颗北斗二代卫星成功发射,至2013年4月,已经有16颗卫星在轨运行,其中静止轨道卫星(GEO)6颗,倾斜轨道同步卫星(IGSO)5颗,中地球轨道卫星3颗。
北斗卫星导航系统目前信号处于建设阶段,无法满足全球导航的实际应用需求,且基带信号处理中需要的高动态航迹及复杂环境下卫星信号不易获取。目前,针对北斗卫星信号的需求主要由卫星信号模拟器来实现,但卫星信号模拟器成本较高,不适合一般用户对算法的仿真验证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种北斗B1频点中频信号仿真方法,通过考虑信号的传播延时、电离层、对流层、环境噪声的影响,设计实现任意仿真航迹及任意载噪比环境下的卫星信号仿真。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:一种北斗B1频点中频信号仿真方法,包括如下步骤:
步骤1.设置仿真时间、仿真卫星号、仿真卫星位置速度,以计算仿真起始时间、卫星信号采样频率、载噪比,同时设置接收机初始位置、速度、姿态及航迹,预先存储对应时间的星历及历书;
步骤2.解算仿真卫星的位置及速度;
步骤3.解算接收机的位置及速度;
步骤4.计算并修正信号传输延时,计算多普勒频移;
步骤5.解算大气层传输延时;
步骤6.计算所有采样点的传输延时;
步骤7.按照设置生成对应的单颗卫星信号,具体步骤如下:
(701)生成北斗测距码;
(702)生成导航电文:
(703)串/并转换:将步骤(701)生成的测距码与步骤(702)生成的导航电文相乘,通过串/并转换将输入的序列依次分为两个并行序列;
(704)生成载波数据,构造同相和正交支路信号;
(705)生成中频信号:将步骤(704)中同相和正交支路信号合成当前时刻卫星的中频信号;
步骤8.判断是否完成所有卫星仿真:
若完成,则将所有设置卫星号的北斗中频信号叠加为一路中频信号,进入步骤9;
若未完成,则返回步骤7;
步骤9.将步骤8生成的中频信号与本地震荡信号进行混频,并根据设定的载噪比加入相应功率的高斯白噪声;
步骤10.对步骤9得到的中频信号进行滤波处理;
步骤11.量化及存储信号。
进一步的,所述步骤9的具体处理过程为:
将所述接收机接收的中频信号表示为:
t'=t-TP-δtiono-δttrop+δtSV (1)
其中,上标j表示卫星星号,下标I、Q分别表示同相支路、正交支路,A表示调制于B1频点载波的测距码振幅,C表示测距码,D表示数据码,表示载波支路的初相,f表示B1载波频率,t'表示修正后的射频信号发射时间,Noise表示噪声影响,t为原射频信号发射时间,TP表示信号传输延时,δtiono表示电离层延时,δttrop表示对流层延时,δtSV表示卫星星钟误差;
δtSV=af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2+Δtr
式中af0、af1、af2分别为时钟改正值,toc为星钟参考时间,Δtr为相对论效应的矫正量;
本地震荡信号为余弦载波,所述本地震荡信号表示为:
Slocal(t)=2cos(2πflocal(t+δtr)) (2)
其中,flocal为本地振荡频率,δtr为接收机钟差;
所述中频信号与本地震荡信号进行混频并高斯白噪声,具体表示为:
发射时间修正量td为:
td=δtSV-TP-δtiono-δttrop
接收机接收的北斗中频信号模型表示为:
其中,N为仿真卫星数目,取值范围为1~37;i为卫星序号,取值范围为1~N。
进一步的,所述步骤4中,信号传输延时和多普勒频移的具体计算方法如下:
卫星i的信号传输延时通过卫星和接收机的实时位置计算得到:
卫星i的多普勒频移通过卫星和接收机的位置和速度计算得到:
其中fBl为北斗信号B1波段载波频率,C为光速,为载体和卫星i相对速度在径向方向上的投影,表示为:
进一步的,所述步骤(702)中,导航电文包括D1导航电文和D2导航电文:
D1导航电文由超帧、主帧和子帧组成,每个超帧由24个主帧组成,每个主帧由5个子帧组成,每个子帧由10个字组成,每个字为30比特;
D2导航电文每个超帧由120个主帧组成,每个主帧由5个子帧组成,每个子帧由10个字组成,每个字为30比特;
若为非地球静止轨道卫星,则由预先存储的星历,构造D1导航电文第1、2、3子帧,根据预先存储的历书构造D1导航电文第4、5子帧,并在D1导航电文上调制速率为1kbps的Neumann-Hoffman码进行二次编码,之后进行纠错编码,每个子帧第1个字的信息位为26比特,前15比特信息不进行纠错编码,后11比特信息采用BCH(15,11,1)方式进行纠错编码,每个子帧其它9个字的信息位均为22比特,采用BCH(15,11,1)加交织方式进行纠错编码;
若为地球静止轨道卫星,则由预先存储的历书和星历构造D2导航电文,之后进行纠错编码,与D1导航电文纠错编码原则一致,编码之后每个字由导航电文数据及校验码两部分组成;
导航电文构造完成之后,根据采样频率以及步骤6中所有采样点的传输延时得到当前时刻导航电文。
进一步的,所述步骤10,滤波处理的过程中带通滤波设置的带宽[w1,w2]表示为:
w1=2*(fs/4-106)/fs (8)
w2=2*(fs/4+106)/fs
其中,fs为采样频率。
进一步的,所述步骤4中,采用迭代算法每0.2ms计算并修正信号传输延时,直至相邻两次传输延时相差在10-12数量级之内,与此对应的,步骤6中通过插值算法将0.2ms间隔的大气层传输延时扩展到每个采样点,对第N时刻前后5个数据点进行插值计算,得到第N时刻起±1ms内的采样数据,N代表采样时刻。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:本发明通过考虑信号的传播延时、电离层、对流层、环境噪声的影响,可实现任意仿真航迹及任意载噪比环境下的卫星信号仿真。该方法可任意设置航迹及载噪比,满足高动态航迹及任意载噪比环境下卫星信号模拟的需求,不需要硬件模块,节约成本。
附图说明
图1是本发明的原理流程示意图。
图2是本发明中北斗中频信号在时域的波形示意图。
图3是本发明中北斗中频仿真信号功率谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明提供一种北斗B1频点中频信号仿真方法,仿真流程如图1所示。首先设置仿真时间、仿真卫星号、卫星位置速度计算起始时间(GPS周秒)、采样频率、载噪比,及接收机初始位置、速度、姿态及航迹,预先存储对应时间的星历及历书,通过卫星星历解算出卫星位置、速度,通过航迹解算出接收机位置、速度,进而由卫星及接收机的位置、速度计算航迹传输延时及多普勒频移,由于航迹采用0.2ms为周期解算,通过插值算法,可将航迹传输延时扩展到每个采样点的传输延时。结合传输延时,加入电离层延时及对流层延时,生成对应卫星的测距码、导航电文、载波相乘,将所有卫星的中频信号叠加为一路卫星信号。考虑实际环境中存在噪声,在一路卫星信号中加入噪声影响,进行带通滤波之后量化并存储中频信号。
以下将结合具体实施例对本发明作详细介绍。
本发明为一种北斗B1频点中频信号仿真方法,包括如下步骤:
(1)初始设置:设置仿真时间30s、仿真卫星号11,19,28,32、卫星位置速度计算起始时间(GPS周秒)432000+11*3600、采样频率16.367667MHz、载噪比43dB/Hz,及接收机初始位置、速度、姿态及航迹,预先存储对应时间的星历及历书;
(2)解算卫星位置及速度:根据设置的卫星位置速度计算起始时间读取对应时间的卫星星历,利用t=ttr+δtSV修正卫星信号发射初始时间,其中,ttr为信号发射时刻,δtSV为星钟钟差,
δtSV=af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2+Δtr
其中,af0、af1、af2分别为时钟改正值;toc为星钟参考时间;Δtr为相对论效应的矫正量,这些信息均可以直接或间接从卫星星历中获取;按照其规范格式解算出轨道参数及卫星时钟参数,利用上述参数推算卫星在协议地球坐标系的位置及速度;
(3)解算接收机位置及速度:为保证航迹数据准确性,同时考虑存储数据大小,选取每0.2ms时间间隔,利用接收机初始位置、速度、姿态及航迹解算接
收机在地理系下的速度、地球系下的位置,并将地球系下的位置通过式
转化到地理系下,其中λ、L分别为接收机所处位置的经度和纬度;
计算初始传输延时,C为光速,再由初始传输延时计算出校正后的卫星位置,进而再次修正传输延时,直至相邻两次传输延时相差在1e-12数量级之内,由式计算多普勒频移,其中fB1为北斗信号B1波段载波频率,为载体和卫星i相对速度在径向方向上的投影
(5)计算所有采样点的传输延时:由步骤(4)得到的0.2ms间隔的传输延时通过插值算法扩展到每个采样点,第N ms时刻起1ms内的采样数据通过用Nms前后5个数据点(N±1ms)进行插值得到,同时加入电离层延时及对流层延时;
(6)按照设置生成对应卫星的信号,卫星信号生成分为以下子步骤:
(61)生成北斗测距码:根据北斗ICD文件公布的北斗数据结构,设置两个移位寄存器的初始相位,得到G1、G2序列,通过不同的抽头选择由G1、G2相加得到卫星测距码;根据采样频率及步骤(5)中传输延时得到当前时刻测距码;
(62)生成导航电文:若为非地球静止轨道卫星,由预先存储的星历,构造D1导航电文第1、2、3子帧,根据预先存储的历书构造D1导航电文第4、5子帧,并在D1导航电文上调制速率为1kbps的Neumann-Hoffman码;若为地球静止轨道卫星,则由预先存储的历书和星历构造D2导航电文;根据采样频率及步骤(5)中传输延时得到当前时刻导航电文;
(63)串/并转换:将步骤(61)生成的测距码与步骤(62)生成的导航电文相乘,通过串/并变换将输入的序列依次分为两个并行序列;
(64)生成载波数据:根据采样频率及步骤(5)中传输延时生成对应的同相载波和正交载波,分别与步骤(63)生成的两个并行序列相乘,构造同相和正交支路信号;
(65)生成中频信号:将步骤(64)中同相和正交支路合成当前时刻卫星的中频信号,将所有设置卫星号的北斗中频信号叠加为一路信号;
(7)加入高斯白噪声:根据设定的载噪比43dB/Hz,在步骤(65)生成的信号中加入高斯白噪声,此时北斗卫星信号,考虑了信号的传播延时、电离层、
对流层、环境噪声的影响,接收机天线接收到的信号表示:
t'=t-TP-δtiono-δttrop+δtSV
其中,TP表示信号传输延时;δtiono表示电离层延时;δttrop表示对流层延时;Noise表示噪声影响;
(8)滤波处理:根据设定的采样频率计算带通滤波系数,采用700阶数字滤波器对步骤(7)加入高斯白噪声的信号进行带通滤波处理,带通滤波设置的带宽[w1,w2]表示为:
w1=2*(fs/4-106)/fs=0.3778
w2=2*(fs/4+106)/fs=0.6222;
(9)量化及存储信号:将步骤(8)中滤波后的信号数据进行量化,正数量化为1,负数量化为-1,存储中频信号数据。
北斗B1频点中频信号仿真系统实验效果:
设计测试场景:载体以1g的初始加速度做匀加速直线运动,设置仿真时间30s、仿真卫星号11,19,28,32、卫星位置速度计算起始时间(GPS周秒)432000+11*3600、采样频率16.367667MHz、载噪比43dB/Hz。图2为对应中频信号在时域的波形,可以看出由±1构成,图3为中频仿真信号功率谱,功率集中在4MHz。
综上,本发明针对北斗B1频点中频信号仿真系统进行设计,通过考虑信号的传播延时、电离层、对流层、环境噪声的影响,可实现任意仿真航迹及任意载噪比环境下的卫星信号仿真。方法通过迭代算法计算信号传播延时,保证了信号传播延迟的高精度,并通过预先计算周期为0.2ms的航迹延时,进而插值计算每个采样点的传输延时,在保证了精度的同时大大节省了数据存储,提高了仿真效率。该方法可任意设置航迹及载噪比,满足高动态航迹及复杂环境下卫星信号模拟的需求,为实现中频信号仿真提供了一种新的、经济且易于实现的方法,具有很强的工程应用价值。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种北斗B1频点中频信号仿真方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1.设置仿真时间、仿真卫星号、仿真卫星位置速度,以计算仿真起始时间、卫星信号采样频率、载噪比,同时设置接收机初始位置、速度、姿态及航迹,预先存储对应时间的星历及历书;
步骤2.解算仿真卫星的位置及速度;
步骤3.解算接收机的位置及速度;
步骤4.计算并修正信号传输延时,计算多普勒频移;
步骤5.解算大气层传输延时;
步骤6.计算所有采样点的传输延时;
步骤7.按照设置生成对应的单颗卫星信号,具体步骤如下:
(701)生成北斗测距码;
(702)生成导航电文:
(703)串/并转换:将步骤(701)生成的测距码与步骤(702)生成的导航电文相乘,通过串/并转换将输入的序列依次分为两个并行序列;
(704)生成载波数据,构造同相和正交支路信号;
(705)生成中频信号:将步骤(704)中同相和正交支路信号合成当前时刻卫星的中频信号;
步骤8.判断是否完成所有卫星仿真:
若完成,则将所有设置卫星号的北斗中频信号叠加为一路中频信号,进入步骤9;
若未完成,则返回步骤7;
步骤9.将步骤8生成的中频信号与本地震荡信号进行混频,并根据设定的载噪比加入相应功率的高斯白噪声;
步骤10.对步骤9得到的中频信号进行滤波处理;
步骤11.量化及存储信号。
2.如权利要求1所述的一种北斗B1频点中频信号仿真方法,其特征在于,所述步骤9的具体处理过程为:
将所述接收机接收的中频信号表示为:
t'=t-TP-δtiono-δttrop+δtSV (1)
其中,上标j表示卫星星号,下标I、Q分别表示同相支路、正交支路,A表示调制于B1频点载波的测距码振幅,C表示测距码,D表示数据码,表示载波支路的初相,f表示B1载波频率,t'表示修正后的射频信号发射时间,Noise表示噪声影响,t为原射频信号发射时间,TP表示信号传输延时,δtiono表示电离层延时,δttrop表示对流层延时,δtSV表示卫星星钟误差;
δtSV=af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2+Δtr
式中af0、af1、af2分别为时钟改正值,toc为星钟参考时间,Δtr为相对论效应的矫正量;
本地震荡信号为余弦载波,所述本地震荡信号表示为:
Slocal(t)=2cos(2πflocal(t+δtr)) (2)
其中,flocal为本地振荡频率,δtr为接收机钟差;
所述中频信号与本地震荡信号进行混频并高斯白噪声,具体表示为:
发射时间修正量td为:
td=δtSV-TP-δtiono-δttrop
接收机接收的北斗中频信号模型表示为:
其中,N为仿真卫星数目,取值范围为1~37;i为卫星序号,取值范围为1~N。
4.如权利要求1所述的一种北斗B1频点中频信号仿真方法,其特征在于:所述步骤(702)中,导航电文包括D1导航电文和D2导航电文:
D1导航电文由超帧、主帧和子帧组成,每个超帧由24个主帧组成,每个主帧由5个子帧组成,每个子帧由10个字组成,每个字为30比特;
D2导航电文每个超帧由120个主帧组成,每个主帧由5个子帧组成,每个子帧由10个字组成,每个字为30比特;
若为非地球静止轨道卫星,则由预先存储的星历,构造D1导航电文第1、2、3子帧,根据预先存储的历书构造D1导航电文第4、5子帧,并在D1导航电文上调制速率为1kbps的Neumann-Hoffman码进行二次编码,之后进行纠错编码,每个子帧第1个字的信息位为26比特,前15比特信息不进行纠错编码,后11比特信息采用BCH(15,11,1)方式进行纠错编码,每个子帧其它9个字的信息位均为22比特,采用BCH(15,11,1)加交织方式进行纠错编码;
若为地球静止轨道卫星,则由预先存储的历书和星历构造D2导航电文,之后进行纠错编码,与D1导航电文纠错编码原则一致,编码之后每个字由导航电文数据及校验码两部分组成;
导航电文构造完成之后,根据采样频率以及步骤6中所有采样点的传输延时得到当前时刻导航电文。
5.如权利要求1所述的一种北斗B1频点中频信号仿真方法,其特征在于:所述步骤10,滤波处理的过程中带通滤波设置的带宽[w1,w2]表示为:
w1=2*(fs/4-106)/fs (8)
w2=2*(fs/4+106)/fs
其中,fs为采样频率。
6.如权利要求1所述的一种北斗B1频点中频信号仿真方法,其特征在于:所述步骤4中,采用迭代算法每0.2ms计算并修正信号传输延时,直至相邻两次传输延时相差在10-12数量级之内,与此对应的,步骤6中通过插值算法将0.2ms间隔的大气层传输延时扩展到每个采样点,对第N时刻前后5个数据点进行插值计算,得到第N时刻起±1ms内的采样数据,N代表采样时刻。
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