CN104570012B - 一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的系统及方法，该系统包括卫星导航信号模拟器、信号采集模块、隔离放大器、信号处理模块；所述隔离放大器输出第一时钟信号和第二时钟信号；所述卫星导航信号模拟器将第一时钟信号作为工作时钟，并输出射频模拟信号和秒脉冲信号；所述信号采集模块将第二时钟信号作为采样时钟，用于采集所述射频模拟GEO卫星信号和秒脉冲信号；所述信号处理模块，基于采集到的射频模拟信号和秒脉冲信号，计算所述射频模拟GEO卫星信号的初始码相位与所述秒脉冲信号的秒脉冲上升沿之间的时延差，得到模拟器的自身时延。本发明所述技术方案，不需在模拟器中设置零伪距或固定伪距的特殊测试场景，在模拟器正常仿真输出的情况下，即可对模拟器时延进行校准。

Description

一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种时延校准方法。更具体地，涉及一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的系统及方法。

背景技术

随着中国北斗导航系统的建设和完善，目前实现了能够覆盖亚洲的区域导航系统，北斗系统在导航、大地测绘、时间传递及其它导航定位授时等领域已得到广泛应用。北斗导航信号模拟器是一种高精度的标准信号模拟源，可以模拟产生实际环境中北斗接收机收到的卫星信号，为北斗系列接收机的研制、测试提供仿真环境，也可以产生特定条件下的导航信号，用于测试及验证北斗接收机的各种性能及指标，是接收机设计的必备辅助工具。

鉴于导航信号模拟器被广泛地应用在接收机的测试以及校准中，因此模拟器自身参数的校准非常重要。在导航信号模拟器的各种参数中，其自身时延是影响其应用的重要指标之一，尤其是在定时型接收机设备的测试应用中，模拟器时延的精度直接影响了接收机指标。对GPS信号模拟器自身时延的校准，目前已有的方法是将GPS信号模拟器的仿真输出信号及秒脉冲信号送入高速采集存储示波器的两路通道，通过观测卫星导航信号伪码初始码相位与秒脉冲上升沿之间的时延差值确定模拟器时延；还可以通过高速采集存储设备将两路信号采集存储后送入后处理软件，通过互相关的方法得到导航信号伪码初始码相位的位置，然后计算模拟器时延。上述方法也同样适用于北斗导航信号模拟器时延的校准中，但上述校准方法需要在导航信号模拟器中设置零伪距的特殊测试场景。此外，通过特殊场景对模拟器时延进行校准时，由于特殊场景是为了测试模拟器指标的测试场景，与自然仿真场景下输出的模拟信号的生成方式不同，存在特殊测试场景与自然仿真场景下模拟器时延不一致的可能。

因此，需要提供一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的系统及方法，不需要设置零伪距或固定伪距的特殊场景，能够在模拟器正常仿真输出的情况下，即可对模拟器时延进行校准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的系统及方法，解决目前在进行校准时需要设置零伪距或固定伪距的特殊场景，在模拟器正常仿真输出的情况下，既可对模拟器时延进行校准，并且能够使校准不确定度达到1ns以内。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的系统，该系统包括卫星导航信号模拟器和信号采集模块，所述该系统进一步包括隔离放大器、信号处理模块；

所述隔离放大器，将外部时钟信号分为第一时钟信号和第二时钟信号；

所述卫星导航信号模拟器，将来自隔离放大器的第一时钟信号作为工作时钟，在接收机静止状态、各误差仿真项关闭状态和卫星导航信号模拟器为正常仿真输出状态的情况下输出射频模拟信号和秒脉冲信号；

所述信号采集模块，将来自隔离放大器的第二时钟信号作为采样时钟，用于采集来自卫星导航信号模拟器的射频模拟信号和秒脉冲信号；

所述信号处理模块，基于采集到的射频模拟信号和秒脉冲信号，计算得到所述射频模拟GEO卫星信号的初始码相位与所述秒脉冲信号的秒脉冲上升沿之间的时延差，去除GEO卫星与接收机之间的真实传输距离值和线缆时延值，得到卫星导航信号模拟器的自身时延。

优选的，所述信号处理模块包括采样点确定单元和初始码相位确定单元；

所述采样点确定单元用于确定秒脉冲信号上升沿所对应的采样点；

所述初始码相位单元用于确定射频模拟信号的初始码相位信息。

优选的，所述信号处理模块进一步包括

跟踪环路解算单元，用于解算出射频模拟信号的每个码周期中的初始码相位对应的采样点，并基于该点确定与秒脉冲信号上升沿对应的采样点之间的时延差。

优选的，所述

信号采集模块分别通过第一线缆和第二线缆采集所述射频模拟信号和秒脉冲信号；

所述线缆时延值包括第一线缆时延值和第二线缆时延值。

优选的，所述信号采集模块采集的频率不低于GHz。

优选的，所述该系统进一步包括原子钟，用于提供外部时钟信号。

一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的方法，所述该方法包括

将同一外部时钟信号分别提供给卫星导航信号模拟器和信号采集模块；

卫星导航信号模拟器将所述外部时钟信号作为工作时钟，在接收机静止状态、各误差仿真项关闭状态和卫星导航信号模拟器为正常仿真输出状态的情况下输出射频模拟信号和秒脉冲信号；

信号采集模块将所述外部时钟信号作为采样时钟，用于同时采集卫星导航信号模拟器输出的射频模拟信号和秒脉冲信号；

基于采集到的射频模拟信号和秒脉冲信号，确认秒脉冲信号上升沿对应的采样点和卫星导航射频模拟信号的载波频率和初始码相位信息；

计算得到所述射频模拟GEO卫星信号的初始码相位与所述秒脉冲信号的秒脉冲上升沿之间的时延差，去除GEO卫星与接收机之间的真实传输距离值和线缆时延值，得到卫星导航信号模拟器的自身时延。

优选的，所述该方法进一步包括

载波跟踪环路算法和码跟踪环路算法，用于解算出射频模拟信号的每个码周期中的初始码相位对应的采样点，并基于该点确定与秒脉冲信号上升沿对应的采样点之间的时延差。

优选的，所述该方法进一步包括

信号采集模块分别通过第一线缆和第二线缆采集所述射频模拟信号和秒脉冲信号；

所述线缆延迟值包括第一线缆时延值和第二线缆延时值。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案优点在于：校准时不需要设置零伪距或固定伪距的特殊场景，在模拟器正常仿真输出的情况下，将模拟器输出的卫星导航模拟信号和基准秒脉冲信号通过双通道高速采集存储设备进行采集，采集的卫星导航模拟信号，通过捕获及跟踪算法，解算出GEO卫星导航信号伪码的初始码相位对应的采样点，与秒脉冲上升沿对应的采样点比较，两者之间对应的时间差值，去除模拟器仿真记录的GEO卫星与静止接收机距离所对应的时间，再去除线缆及接头等引入的时延，即为模拟器自身的时延值，并且能够使校准不确定度达到1ns以内。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例中一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准装置示意图；

图2示出本发明实施例中一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准装置中处理采集信号示意图；

图3示出本发明实施例中一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

由于北斗导航信号，其星座中包含5颗GEO卫星(对地静止的同步轨道卫星)，GEO卫星与静止接收机之间的距离是相对固定的，因此可以直接使用北斗导航信号硬件模拟器在自然仿真场景下输出的GEO卫星信号对模拟器时延进行校准，免去了特殊测试场景的设置，有效简化了校准操作，也避免了由于特殊测试场景下校准的模拟器时延与自然仿真场景下模拟器时延结果不一致的情况。

如图1所示，本发明公开了一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的系统，该系统包括原子钟1、隔离分配放大器2、高度采集存储设备3、卫星导航信号模拟器4、计算机5，线缆A和线缆B。

原子钟1为该系统提供外部时钟信号，隔离分配放大器2将外部时钟信号分为第一路时钟信号和第二路时钟信号；卫星导航信号模拟器4将来自隔离分配放大器2的第一路时钟信号作为工作时钟，在接收机静止状态、各误差仿真项关闭状态和卫星导航信号模拟器为正常仿真输出状态的情况下，模拟接收机接收GEO卫星发送的信号后，输出射频模拟信号和秒脉冲信号；高度采集存储设备3将来自隔离分配放大器2的第二路时钟信号作为采样时钟，并分别通过第一线缆A和第二线缆B采集射频模拟信号和秒脉冲信号；如图2所示，所述计算机5包括确定秒脉冲信号上升沿所对应的采样点的采样点确定单元和确定射频模拟信号的初始码相位信息的初始码相位确定单元，所述计算机5进一步包括跟踪环路解算单元，用于根据所采集的射频模拟信号，解算出射频模拟GEO卫星信号的每个码周期中的初始码相位对应的采样点，并基于该点确定与秒脉冲信号上升沿对应的采样点之间的时延差，去除GEO卫星与接收机之间的真实传输距离值和线缆时延值，得到卫星导航信号模拟器的自身时延。

外部原子钟1通过隔离分配放大器2分出两路10MHz频率信号，一路信号输入到卫星导航信号模拟器4，替换模拟器内部时钟作为工作时钟，另一路信号输入高速采集及存储设备3作为采用时钟，目的是使整个校准系统工作在统一的高稳定频率标准之下，消除由于各测量设备内时基的准确度和稳定度差异带来的测量误差。卫星导航信号模拟器4输出一路卫星导航射频模拟信号及一路秒脉冲信号，射频模拟信号通过第一线缆A输出至高度采集存储设备3的一路采集通道，秒脉冲信号通过第二线缆B输送至高度采集存储设备3的另一路采集通道，两路信号同时采集；采集的两路信号数据送给计算机5进行解算处理，得到秒脉冲上升沿及初始码相位之间的时延差值。数据处理时也要对第一线缆A和第二线缆B的延迟误差加以修正，第一线缆A和第二线缆B延迟值可以提前借助矢量网络分析仪6测定。最后，两路信号的时延差，去除模拟器仿真记录的GEO卫星与静止接收机距离所对应的时间，再扣除线缆及接头等引入的时延，即为卫星导航信号模拟器自身的时延值。

如图3所示，基于上述装置，本发明又公开了一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的方法，该方法包括

S1、将同一外部时钟信号分别提供给卫星导航信号模拟器和高速采集及存储设备；

S2、卫星导航信号模拟器将所述外部时钟信号作为工作时钟，在接收机静止状态、各误差仿真项关闭状态和卫星导航信号模拟器为正常仿真输出状态的情况下，模拟接收机接收GEO卫星发送的信号后，输出射频模拟信号和秒脉冲信号；

S3、高速采集及存储设备将所述外部时钟信号作为采用时钟，用于同时采集卫星导航信号模拟器输出的射频模拟信号和秒脉冲信号；

S4、基于采集到的射频模拟信号和秒脉冲信号，确定秒脉冲信号上升沿对应的采样点和卫星导航射频模拟GEO卫星信号的载波频率和初始码相位信息；

S5、根据所确定的射频模拟GEO卫星信号的初始码相位对应的采样点和确定的秒脉冲信号的秒脉冲上升沿对应的采样点之间的时延差，去除模拟器仿真记录的GEO卫星与静止接收机距离所对应的时间，再扣除线缆及接头等引入的时延，即为卫星导航信号模拟器自身的时延值。

结合上述装置及方法对本发明实施方式做进一步描述：

第一步，为所有设备接入统一的外部频率标准。

将外部原子钟1输出的10MHz信号，通过隔离分配放大器2分为两路：一路输入到卫星导航信号模拟器4，替换模拟器内部时钟作为工作时钟；一路输入给高速采集存储设备3，作为采样时钟，使整个系统工作在统一的高稳定频率标准之下，这样可以消除由于各测量设备内时基的准确度和稳定度差异带来的测量误差，保证校准结果的高精度和高准确性。

第二步，卫星导航信号模拟器的仿真场景设置。

为了保证校准过程的准确、稳定，将卫星导航信号模拟器4的仿真场景设置为不包含卫星轨道和星钟误差、星历误差、电离层及对流层误差、多径等误差项；同时，为了避免由于接收机与卫星的相对运动带来多普勒误差影响，将接收机设置为静止状态，在自然仿真场景下输出卫星导航模拟信号。

第三步，秒脉冲信号及GEO卫星导航模拟信号的采集和存储。

采用高采样率的采集设备3，对卫星导航信号模拟器4输出的1PPS秒脉冲信号和GEO卫星射频模拟信号同时进行采集。在实施例中，采样率的大小直接影响到最终校准结果的准确度，因此，为了保证校准结果的高准确度及低不确定度，数据采集过程所使用的采样率最好不低于1GHz，且至少采集10秒以上的数据信号，用于最终时延数据结果的平滑处理，降低校准结果的不确定度。

第四步，对采集的秒脉冲信号及GEO卫星导航模拟信号进行处理及解算。

首先，对采集的秒脉冲信号，找出其上升沿对应的精确采样点，为了更精确的判断上升沿对应的位置，可通过内插提高秒脉冲信号上升沿的判定精度；然后，对采集的GEO卫星导航模拟信号，经导航信号的捕获处理，初步解算出卫星信号的载波频率及初始码相位信息，之后，通过载波跟踪环路及码跟踪环路解算，待环路输出稳定后，得到精确的载波频率与初始码相位信息，得到卫星信号的每个码周期内初始码相位的位置，并找到与脉冲信号上升沿距离最近的那个初始码相位点，该点与脉冲信号上升沿对应的采样点之间的时间差值，即为采集得到的卫星导航模拟信号初始码相位与脉冲上升沿之间的时延差值。每秒的1PPS上升沿与初始码相位之间的差值对应的即是GEO卫星与接收机之间的真实距离、模拟器时延以及各个传播时延之和。

第五步，测定各个额外部件的时延值及最终模拟器时延计算。

引起传播延迟的线缆、连接器、低噪放等时延值，由矢量网络分析仪6提前测定，而卫星与接收机之间的真实距离由模拟器记录输出。因此，每秒的1PPS上升沿与初始码相位之间对应的时间差值，扣除模拟器中记录的卫星到接收机的真实距离对应的时间以及线缆等时延，即为模拟器自身时延值。

综上所述，本发明所述技术方案，在对北斗导航信号硬件模拟器自身时延校准时，不需要设置零伪距或固定伪距的特殊场景，在模拟器正常仿真输出的情况下，将模拟器输出的卫星导航模拟信号和基准秒脉冲信号通过双通道高速采集存储设备进行采集，采集的卫星导航模拟信号，通过捕获及跟踪算法，解算出卫星导航信号伪码的初始码相位对应的采样点，与秒脉冲上升沿对应的采样点比较，两者之间对应的时间差值，去除模拟器仿真记录的GEO卫星与静止接收机距离所对应的时间，再去除线缆及接头等引入的时延，即为模拟器自身的时延值，并且能够使校准不确定度达到1ns以内。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的系统，该系统包括卫星导航信号模拟器和信号采集模块，其特征在于，所述该系统进一步包括隔离放大器、信号处理模块；

所述隔离放大器，将外部时钟信号分为第一时钟信号和第二时钟信号；

所述卫星导航信号模拟器，将来自隔离放大器的第一时钟信号作为工作时钟，在接收机静止状态、各误差仿真项关闭状态和卫星导航信号模拟器为正常仿真输出状态的情况下输出射频模拟信号和秒脉冲信号；

所述信号采集模块，将来自隔离放大器的第二时钟信号作为采样时钟，用于采集来自卫星导航信号模拟器的射频模拟信号和秒脉冲信号；

所述信号处理模块，基于采集到的射频模拟信号和秒脉冲信号，计算得到所述射频模拟GEO卫星信号的初始码相位与所述秒脉冲信号的秒脉冲上升沿之间的时延差，去除GEO卫星与接收机之间的真实传输距离值和线缆时延值，得到卫星导航信号模拟器的自身时延。

2.根据权利要求1所述的时延校准的系统，其特征在于，所述信号处理模块包括采样点确定单元和初始码相位确定单元；

所述采样点确定单元用于确定秒脉冲信号上升沿所对应的采样点；

所述初始码相位单元用于确定射频模拟信号的初始码相位信息。

3.根据权利要求1所述的时延校准的系统，其特征在于，所述信号处理模块进一步包括

跟踪环路解算单元，用于解算出射频模拟信号的每个码周期中的初始码相位对应的采样点，并基于该点确定与秒脉冲信号上升沿对应的采样点之间的时延差。

4.根据权利要求1所述的时延校准的系统，其特征在于，所述

信号采集模块分别通过第一线缆和第二线缆采集所述射频模拟信号和秒脉冲信号；

所述线缆时延值包括第一线缆时延值和第二线缆时延值。

5.根据权利要求1所述的时延校准的系统，其特征在于，所述信号采集模块采集的频率不低于GHz。

6.根据权利要求1所述的时延校准的系统，其特征在于，所述该系统进一步包括原子钟，用于提供外部时钟信号。

7.一种用于北斗导航信号硬件模拟器时延校准的方法，其特征在于，所述该方法包括

将同一外部时钟信号分别提供给卫星导航信号模拟器和信号采集模块；

卫星导航信号模拟器将所述外部时钟信号作为工作时钟，在接收机静止状态、各误差仿真项关闭状态和卫星导航信号模拟器为正常仿真输出状态的情况下输出射频模拟信号和秒脉冲信号；

信号采集模块将所述外部时钟信号作为采样时钟，用于同时采集卫星导航信号模拟器输出的射频模拟信号和秒脉冲信号；

基于采集到的射频模拟信号和秒脉冲信号，确定秒脉冲信号上升沿对应的采样点和卫星导航射频模拟信号的载波频率和初始码相位信息；

计算得到所述射频模拟GEO卫星信号的初始码相位与所述秒脉冲信号的秒脉冲上升沿之间的时延差，去除GEO卫星与接收机之间的真实传输距离值和线缆时延值，得到卫星导航信号模拟器的自身时延。

8.根据权利要求7所述的时延校准的方法，其特征在于，所述该方法进一步包括

载波跟踪环路算法和码跟踪环路算法，用于解算出射频模拟信号的每个码周期中的初始码相位对应的采样点，并基于该点确定与秒脉冲信号上升沿对应的采样点之间的时延差。

9.根据权利要求7所述的时延校准的方法，其特征在于，所述该方法进一步包括

信号采集模块分别通过第一线缆和第二线缆采集所述射频模拟信号和秒脉冲信号；

所述线缆延迟值包括第一线缆时延值和第二线缆延时值。