CN105629267B - 基于径向动态控制的gnss模拟器测试场景生成方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法和系统，将复杂载体运动投影分解为匀加加速直线运动与匀变幅匀变频正弦运动，允许用户按照测试需求配置径向动态控制参数；再根据运动模型和星历计算载体三维动态轨迹，连同星历基准一起作为测试场景，可用于任意GNSS模拟器仿真信号。本发明既可逼近真实径向动态，又允许用户灵活配置，以提高测试效率并精确控制所仿真信号的码相位和载波相位变化特性，从而为受径向动态特性影响的模拟器及接收机性能指标的测试提供科学客观的测试场景；基于本方法的测试不要求在模拟器仿真卫星静止和单频输出时进行，也不需要对射频信号进行额外处理，能够适应所有调制体制的导航信号和正常星座动态。

Description

基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法和系统

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，尤其是涉及一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法和系统。

背景技术

GNSS模拟器能够精确可控地仿真产生GPS/BDS/GLONASS/Galileo卫星所发播的、经过空间传播到达接收机的导航信号，是GNSS系统用户接口与性能验证、用户设备联试和应用保障、导航产品测试检验和各种GNSS专题试验不可或缺的重要仪器设备。

GNSS模拟器必须能够逼真地模拟实际环境下GNSS接收机所接收导航信号的动态变化，其中码速率、码相位、载波多普勒、载波相位这些描述信号状态的重要参数的变化主要取决于卫星发射天线相位中心与接收机天线相位中心在其视线(LOS，Line Of Sight)方向(又称径向)上的相对动态，包括相对位置、相对速度、相对加速度和相对加加速度等；在此基础上还受到卫星星历误差、星钟误差、电离层延迟、对流层延迟、相对论效应、多径效应、硬件延迟等误差因素的影响，这些影响均可以等效归属到LOS方向的用户距离误差(URE,User Range Error)上。模拟器所能正常仿真或接收机所能正常接收的GNSS信号的动态参数应达到一定的范围、分辨率和准确度要求，这些动态性能指标不仅是模拟器、也是接收机产品性能指标体系中一个非常重要的方面。此外，根据模拟器/接收机的工作原理、设计技术和试验验证方法，不同的码相位、载波相位变化特性会在一定程度上影响模拟器仿真产生信号所能达到的精度/接收机跟踪信号所能达到的测量精度，包括模拟器仿真/接收机测量的伪距精度、伪距率精度、载波相位精度、不同信号或不同通道之间的一致性等性能指标。因此，研究这些受径向动态特性影响的指标测试所需的载体动态场景设计方法，是规范化模拟器/接收机性能指标测试评估的必要手段，对于模拟器/接收 机产品合格评定与质量认证，以及开展各种可控动态条件下的联调联试和系统试验，都具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种可用于受径向动态特性影响的模拟器和接收机性能指标测试的载体三维动态轨迹生成方法，以实现对模拟器所仿真信号的码相位变化和载波相位变化特性的精确控制，从而提高测试的科学性、客观性、可控性和测试效率。

第一方面，本发明提供了一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法，包括：

步骤S1，获取用户设置的卫星星历基准、仿真卫星号、仿真起始时刻t₀，计算每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数；所述卫星三维动态参数用于卫星天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息；

步骤S2，获取用户设置的径向动态场景；所述径向动态场景用于模拟载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的运动参数，包括初始动态、多个匀加加速直线运动段和多个匀变幅匀变频正弦运动段以及每一个运动段内的径向动态控制参数；其中，初始动态包括载体接收机天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的初始位置及相对于卫星天线相位中心的初始速度v₀、初始加速度a₀和初始加加速度j₀；对于任意正整数k，当第k个运动段为匀加加速直线运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、径向加速度跳变量径向加加速度当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、角频率初值ω_k、距离幅度初值D_k、角频率变化率距离幅度变化率

步骤S3，根据各个运动段内的径向动态控制参数及相应的运动模型计算每一个仿真历元时刻的径向动态参数；所述径向动态参数用于表示载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离、速度、加速度和加加速度信息；

步骤S4，根据每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数以及对应的径向动态参数确定载体接收机天线相位中心在该仿真历元时刻在ECEF空间直角坐标系中 的位置、速度、加速度和加加速度信息，得到在ECEF空间直角坐标系的载体三维动态轨迹；

步骤S5，将所述载体三维动态轨迹和所述卫星星历基准输出。

进一步的，所述径向动态参数包括：载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离d(t)、速度v(t)、加速度a(t)和加加速度j(t)。

进一步的，所述步骤S3包括：对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀加加速直线运动段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；a_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对加速度，v_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对速度；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离。

进一步的，所述步骤S3包括：对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离；为正弦运动的初相。

进一步的，对于任意正整数n，第n个仿真历元时刻t_n的卫星三维动态参数包括卫星天线相位中心的三维位置矢量三维速度矢量三维加速度矢量和三维加加速度矢量

所述步骤S4具体包括：按照如下公式计算载体接收机天线相位中心在仿真历元时刻t_n在ECEF空间直角坐标系中的三维位置矢量和瞬时三维速度矢量 三维加速度矢量和三维加加速度矢量

第二方面，本发明提供了一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成系统，包括：

第一获取模块，用于获取用户设置的卫星星历基准、仿真卫星号、仿真起始时刻t₀，计算每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数；所述卫星三维动态参数用于卫星天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息；

第二获取模块，用于获取用户设置的径向动态场景；所述径向动态场景用于模拟载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的运动参数，包括初始动态、多个匀加加速直线运动段和多个匀变幅匀变频正弦运动段以及每一个运动段内的径向动态控制参数；其中，初始动态包括载体接收机天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的初始位置及相对于卫星天线相位中心的初始速度v₀、初始加速度a₀和初始加加速度j₀；对于任意正整数k，当第k个运 动段为匀加加速直线运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、径向加速度跳变量径向加加速度当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、角频率初值ω_k、距离幅度初值D_k、角频率变化率距离幅度变化率

径向动态计算模块，用于根据各个运动段内的径向动态控制参数及相应的运动模型计算每一个仿真历元时刻的径向动态参数；所述径向动态参数用于表示载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离、速度、加速度和加加速度信息；

载体三维动态轨迹生成模块，用于根据每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数以及对应的径向动态参数确定载体接收机天线相位中心在该仿真历元时刻在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息，得到在ECEF空间直角坐标系的载体三维动态轨迹；

输出模块，用于将所述载体三维动态轨迹和所述卫星星历基准输出。

进一步的，所述径向动态参数包括：载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离d(t)、速度v(t)、加速度a(t)和加加速度j(t)。

进一步的，所述径向动态计算模块具体用于对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀加加速直线运动段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；a_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对加速度，v_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对速度；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离。

进一步的，所述径向动态计算模块具体用于对于第k个运动段内的仿真历元 时刻t，当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离；为正弦运动的初相。

进一步的，对于任意正整数n，第n个仿真历元时刻t_n的卫星三维动态参数包括卫星天线相位中心的三维位置矢量三维速度矢量三维加速度矢量和三维加加速度矢量

所述载体三维动态轨迹生成模块具体用于按照如下公式计算载体接收机天线相位中心在仿真历元时刻t_n在ECEF空间直角坐标系中的三维位置矢量和瞬时三维速度矢量三维加速度矢量和三维加加速度矢量

本发明既可逼近真实径向动态，又允许用户灵活配置径向动态，以精确控制 所仿真信号的码相位和载波相位变化特性，从而为受径向动态特性影响的模拟器及接收机性能指标的测试提供科学严谨和客观公正的测试场景；本方法可将针对不同指标测试的动态合并到一个场景中以提高测试效率，并保证载体轨迹平滑和速度连续；基于本方法的测试不要求在模拟器仿真卫星静止和单频输出的特殊场景下进行，也不需要对射频信号进行额外处理，能够适应所有调制体制的导航信号和正常星座动态，合理化了、也极大地方便了模拟器和接收机一系列相关性能指标的测试。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明一实施例提供的一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例提供的一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法的流程示意图；

图3为一种径向动态用户配置文件的示意格式；

图4为按照图3中的径向动态用户配置文件格式得到的径向动态用户配置文件内容的示意图；

图5为一种径向动态场景设计实例计算结果的示意图；

图6为本发明提供的一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成系统的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供了一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法，参见图1，该方法可以包括：

步骤S1，获取用户设置的卫星星历基准、仿真卫星号、仿真起始时刻t₀，计 算每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数；所述卫星三维动态参数用于卫星天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息；

步骤S2，获取用户设置的径向动态场景；所述径向动态场景用于模拟载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的运动参数，包括初始动态、多个匀加加速直线运动段和多个匀变幅匀变频正弦运动段以及每一个运动段内的径向动态控制参数；其中，初始动态包括载体接收机天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的初始位置及相对于卫星天线相位中心的初始速度v₀、初始加速度a₀和初始加加速度j₀；对于任意正整数k，当第k个运动段为匀加加速直线运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、径向加速度跳变量径向加加速度当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、角频率初值ω_k、距离幅度初值D_k、角频率变化率距离幅度变化率

步骤S3，根据各个运动段内的径向动态控制参数计算每一个仿真历元时刻的径向动态参数；所述径向动态参数用于表示载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离、速度、加速度和加加速度信息；

步骤S4，根据每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数以及对应的径向动态参数确定载体接收机天线相位中心在该仿真历元时刻在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息，得到在ECEF空间直角坐标系的载体三维动态轨迹；

步骤S5，将所述载体三维动态轨迹和所述卫星星历基准输出。

本发明提供的基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法中，既可以将任意复杂的真实的载体运动投影至特定卫星到载体的径向上、并分解为匀加加速直线运动段与匀变幅匀变频正弦运动段的组合进行逼近，又允许测试人员按照测试需求直接灵活设置径向运动分段和径向动态控制参数；根据径向动态场景计算径向动态参数并确定载体三维动态轨迹，使得模拟器能够按照径向动态精确控制所仿真信号的码相位和载波相位变化，从而为受径向动态特性影响的模拟器及接收机一系列性能指标的测试提供科学严谨和客观公正的测试场景；本方法能 够兼顾测试场景的覆盖性、真实性、连续性和可控性，将针对不同指标测试的动态合并到一个场景中，提高了测试效率；同时不要求模拟器仿真卫星静止和单频输出的特殊场景，能够适应所有调制体制的导航信号，极大地方便了测试的进行。

具体来说，所述径向动态参数包括：载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离d(t)、速度v(t)、加速度a(t)和加加速度j(t)。

在具体实施时，对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀加加速直线运动段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数，上述的步骤S3可以具体包括：

步骤S3-1，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；a_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对加速度，v_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对速度；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离。

通过这样的方式，能够准确地根据用户设置的径向动态控制参数，确定在匀加加速直线运动段内的任意一个仿真历元时刻，载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的运动参数。

另外，对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，上述的步骤S3可以具体包括：

步骤S3-2，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离；为正弦运动的初相。

通过这样的方式，能够准确地根据用户设置的径向动态控制参数，确定在匀变幅匀变频正弦运动段内的任意一个仿真历元时刻，载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的运动参数。

不难理解的是，上述的步骤S3-1和步骤S3-2可以相互独立执行，仅包含步骤S3-1或者仅包含步骤S3-2的技术方案也都能够使得所计算的载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的运动参数更为准确，相应的技术方案也应该落入本发明的保护范围。

当然在具体实施时，上述的步骤S3-1也可以通过其他方式执行，本发明实施例提供的方式不能理解为对本发明保护范围的限定。

在具体实施时，对于任意正整数n，第n个仿真历元时刻t_n的卫星三维动态参数包括卫星天线相位中心的三维位置矢量三维速度矢量三维加速度矢量和三维加加速度矢量

所述步骤S4具体包括：按照如下公式计算载体接收机天线相位中心在仿真历元时刻t_n在ECEF空间直角坐标系中的三维位置矢量和瞬时三维速度矢量 三维加速度矢量和三维加加速度矢量

下面结合实际场景对上述的基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法进行更为详细的说明。参见图2，该方法可以具体包括如下流程：

步骤12：用户根据测试需求设计LOS方向上的相对动态场景，将径向动态场景划分为匀加加速直线运动段、匀变幅匀变频正弦运动段这两种基本运动分段的组合；设置载体运动的初始状态，包括接收机天线相位中心的初始位置 及LOS方向上的初始速度v₀、初始加速度a₀和初始加加速度j₀，其中v₀、a₀、j₀背离卫星方向为正、默认值均为零；设置径向运动分段及每段运动的控制参数；测试场景生成系统根据上述设计形成径向动态用户配置文件，其格式如图3所示。具体方法如下：

(1)载体相对于卫星的初始距离可由下式计算：

(2)载体运动的动态控制参数可直接在LOS方向上进行设置和计算。将载体接收机天线相位中心的径向运动轨迹通过匀加加速直线运动段、匀变幅匀变频正弦运动段的组合进行近似，能够充分反映现实情况复杂载体动态在LOS方向上的投影，对复杂轨迹的近似程度仅取决于运动段划分的精细程度。

(3)在对径向运动段进行划分之后，对每个运动分段的径向动态控制参数进行设置。对于匀加加速直线运动段，需要设置的径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、径向加速度跳变量径向加加速度三个参数；对于匀变幅匀变频正弦运动段，需要设置的动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、角频率 初值ω_k、距离幅度初值D_k、角频率变化率距离幅度变化率五个参数。

(4)针对受径向动态特性影响的性能指标的测试需求，Δt_k应不短于达到要求测量精度所需要的时间。为了提高测试效率，可以将用于不同指标测试的运动分段组合到一个径向动态用户配置文件中，并在这些测试运动分段之间适当设计过渡运动分段，从而将前一运动分段的径向距离平滑过渡、相对速度连续过渡为下一运动分段的相应参数，同时保证在相邻运动分段之间的衔接处加速度跳变量能够满足测试要求的取值，并保证距离、速度、加速度、加加速度这些动态指标均不超限。

通过这些运动分段的适当划分和动态控制参数的适当设置，能够逼近任意复杂载体运动在LOS方向上的动态情况；能够满足测试任务要求的不同运动分段之间各动态参数的变化特性，例如测试最大高度/最大速度/最大加速度/最大加加速度指标以及速度准确度/加速度准确度/加加速度准确度指标所要求的典型载体高度值/速度值/加速度值/加加速度值大小，测试速度分辨率/加速度分辨率/加加速度分辨率指标所要求的速度步进/加速度步进/加加速度步进，测试接收机动态跟踪性能所要求的加加速度值或在相邻运动分段之间的加速度跳变量大小；能够保证在所有运动分段上的载体位置、相对速度、相对加速度和相对加加速度不超出测试任务限定的动态参数范围，例如在测试最大加速度指标时要求在高的加速度下速度指标不能超过模拟器正常仿真或接收机正常跟踪所容许的范围；同时能够保证相邻运动分段之间的衔接，即上一运动段的末距离、末速度分别成为当前运动段的初始距离和初始速度。

步骤13：测试场景生成系统获取每一运动分段的径向动态控制参数，如果第k(k＝1,2……)个运动分段为匀加加速直线运动段，则可按照以下模型计算每一仿真历元时刻t载体到卫星的距离d(t)、相对速度v(t)、相对加速度a(t)和相对加加速度j(t)：

设载体相对于卫星运动的速度、加速度和加加速度在背离卫星方向时为正，并设第k个运动分段起始时的距离、相对速度、相对加速度和相对加加速度值分别为(d_k-1,v_k-1,)，第k个运动时段结束时的距离、相对速度、相对加速 度和相对加加速度值分别为(d_k,v_k,)。如果第k个运动分段时长设置为Δt_k，相对加速度跳变量设置为相对加加速度设置为则相应的径向相对加加速度、加速度、速度和距离在该时段的变化量由以下公式计算：

而该运动分段上任意时刻t(t_k-1≤t≤t_k)的相对距离d(t)、相对速度v(t)、相对加速度a(t)和相对加加速度j(t)则由以下公式计算：

如此便保证了在匀加加速直线运动段开始时初始位置和速度保持上一时段结束时的值；而且当设置时，加速度亦能够保持上一时段结束时的值，即当设置时即可仿真在该运动段开始时的加速度突变。当设置时即可仿真匀加速运动；当设置时即可仿真匀速运动；当设置v_k-1＝0时即可仿真静止状态。

步骤14：如果第k个运动分段为匀变幅匀变频正弦运动段，角频率初值设置为ω_k、距离幅度初值设置为D_k、角频率变化率设置为距离幅度变化率设置为则该运动分段上任意时刻t(t_k-1≤t≤t_k)的距离d(t)、相对速度v(t)、相对加速度a(t)和相对加加速度j(t)可由以下公式计算：

其中正弦运动的初相可由(D_k,ω_k,v_k-1)四个参数确定。要求正弦运动开始时初始速度保持上一时段结束时的速度v_k-1，则要求以保证能够由方程解出 需注意的是，应禁止设置D_k与同时为零(对应静止状态)，也禁止设置ω_k与同时为零(对应匀速直线运动状态)；并且仅当v_k-1＝0时才允许设置ω_k与同时为零(对应速度从零开始的恒幅匀变频正弦运动)。而加速度初值和加加速度初值则可能是不衔接的：

以下给出在特殊参数设置下上述匀变幅匀变频正弦运动的四个特例：

(1)当设置时即可仿真恒定频率的匀变幅正弦运动，径向动态参数的计算公式简化如下：

此时仍要求 而加速度初值和加加速度初值则可能是不衔接的：

(2)当设置时即可仿真恒定幅度的匀变频正弦运动，径向动态参数的计算公式简化如下：

此时对v_k-1的要求简化为|v_k-1|≤D_kω_k，解出的初相简化为 而加速度初值和加加速度初值则可能是不衔接的：

(3)当设置时即可仿真恒定幅度恒定频率的正弦运动，径向动态参数的计算公式简化如下：

此时要求|v_k-1|≤D_kω_k，而加速度初值和加加速度初值则可能是不衔接的：

(4)当设置D_k＝0、ω_k＝0时即可仿真幅度和频率均从零开始的匀变幅匀变频正弦运动，径向动态参数的计算公式简化如下：

此时要求而加速度初值和加加速度初值则可能是不衔接的：

步骤15：测试场景生成系统根据卫星星历计算每一仿真历元时刻t_n的卫星三 维位置矢量三维速度矢量以至三维加速度矢量和三维加加速度矢量在已知的t_n时刻卫星位置与t_n-1时刻载体位置的连线上找到距离为d_n的点作为t_n时刻的载体位置并将t_n时刻卫星瞬时速度/加速度/加加速度矢量加上LOS方向相对速度/加速度/加加速度矢量作为t_n时刻的载体瞬时速度/加速度/加加速度矢量根据上述载体动态参数计算结果形成载体三维动态轨迹文件。具体计算公式如下：

t_n时刻的载体位置为

其中为从n时刻卫星位置到n-1时刻载体位置的方向矢量，在ECEF座标系中由三个方向余弦分量构成，“·”表示矢量的点乘运算。

而t_n时刻的载体瞬时速度/加速度/加加速度分别为

步骤16：测试场景生成系统将所生成的载体三维动态轨迹文件与所用的星历基准文件一起作为测试场景提供GNSS模拟器仿真信号之用，由此即可按照指标测试要求直接控制载体始终在朝向/背离卫星的方向上进行轨迹平滑、速度连续的运动，直接精确控制模拟器所仿真信号的径向动态，从而精确控制信号的码速率/码相位、载波多普勒/载波相位这些信号状态参数。

本发明实施例提供的方法具有以下优点：

1、本方法既可逼近真实情况下的径向动态，又允许用户对径向动态进行灵活配置，以精确控制所仿真信号的码相位和载波相位变化特性，从而为受径向动态特性影响的模拟器及接收机性能指标的测试提供科学严谨和客观公正的测试场景；

2、本方法可将针对多个不同指标测试的动态场景合并到一个文件中以提高 测试效率，并保证载体运动轨迹的平滑性和速度的连续性；

3、基于本方法的测试不要求在模拟器仿真卫星静止和单频载波输出的特殊场景下进行，也不需要对射频信号进行下变频或其他额外处理，且能够适应所有调制体制的导航信号和正常星座动态，使得测试结果与真实应用更为吻合，也极大地方便了模拟器和接收机一系列相关性能指标的测试。

下面以具体测试场景设计实例进一步说明本发明。假设待测GNSS信号模拟器的标称射频信号最大载体动态指标如表1要求，利用本发明提供的方法进行载体动态测试场景设计的具体步骤为：

表1.模拟器仿真射频信号最大载体动态性能指标

射频信号载体动态性能	指标要求	指标实例
			最大高度	>H0	H0＝10000000(m)
最大相对速度	±V	V＝15000(m/s)
			最大相对加速度	±A	A＝2000(m/s2)
最大相对加加速度	±J	J＝10000(m/s3)

步骤21：用户根据模拟器工作原理和测试任务需求选定从IGS(InternationalGNSS Service，国际GNSS服务)网站下载的某一测站RINEX格式(Receiver INdependentEXchange format，与接收机无关的交换格式)的卫星星历文件作为模拟器仿真的星历基准文件，选定待仿真的卫星号为某一颗高仰角的可见卫星，设定仿真起始时刻为载体运动起始时刻的系统时t₀，该时刻应处于星历有效时段内、且距星历失效的时间应大于测试时长；根据卫星星历计算t₀时刻的卫星天线相位中心在ECEF坐标系中的三维位置和三维速度 以GPS信号的仿真为例，所采用坐标系为WGS84坐标系。

步骤22：根据测试需求设计LOS方向上的相对动态场景，将径向动态场景划分为匀加加速直线运动段、匀变幅匀变频正弦运动段两种基本运动段的组合；设置载体运动的初始状态，包括接收机天线相位中心的初始位置LOS方向上的初始速度v₀、初始加速度a₀和初始加加速度j₀，其中v₀、a₀、j₀背离卫星方向为正；设置径向运动分段及每段运动的控制参数；根据上述设计形成径向动态用户配置文件，其格式如图3所示。具体方法如下：

(2)如果全部采用简单的径向直线运动来测试表1中的所有指标，由于需要达到的加速度和加加速度值很大，在很短的时间内速度值就会超出所规定的最大速度，距离值也很容易超出系统所能容许的范围。如果对于最大加速度和最大加加速度的测试采用如下的径向恒幅恒频正弦运动场景来进行：

则距离幅度D和角频率ω的设置应满足：

这样的径向正弦运动周期、距离变化范围、角频率大小都比较适合测试的高效进行。因此，对于最大速度的测试采用径向速度为v(t)＝V＝15000m/s的匀速直线运动段，时长为2分钟，以保证采用先验多普勒信息辅助信号捕获、跟踪的测试接收机能够获得足够多的数据用于定时同步和达到多普勒测量所需的精度；对于最大加速度和最大加加速度的测试采用距离幅度为D＝80m、角频率为ω＝5rad/s的径向正弦运动段，由于仅能够在正弦动态的波峰处获得达到指标的测量值，可将该测试段的时长延长为4分钟以保证能有足够多的测量数据用于统计分析。

(3)为了提高测试效率，可以将上述两个测试运动分段组合到一个径向动态场景控制文件中，并在这两个测试段之间适当设计两个过渡运动分段，从而可将前一运动分段的径向距离平滑过渡、相对速度连续过渡为下一运动分段的相应参数，同时保证在相邻运动分段之间的衔接处加速度跳变量能够满足测试要求的取值，并保证距离、速度、加速度、加加速度这些动态指标均不超限。首先在第一个测试段(段1)的匀速直线运动之后，设计过渡段(段2)采用加加速度为 -j_Δ＝-3m/s的匀加加速直线运动，直至速度减为零，需要的时长为Δt₂＝100s；其次设计下一个过渡段(段3)为距离幅度和频率均从零开始的匀变幅匀变频正弦运动，时长为Δt₃＝100s，每隔0.02s(一个仿真历元时间间隔)角速度增加0.001rad/s(即)、正弦幅度增加0.016m(即)，直至角速度增为ω＝5rad/s、距离幅度增为最后到达距离幅度为80m、角速度为5rad/s的正弦运动分段作为最大加速度A＝2000m/s²和最大加加速度J＝10000m/s³指标的测试段(段4)。这样加速度跳变仅存在于在过渡段2与过渡段3之间，为300m/s²；加加速度跳变在测试段1与过渡段2之间为-3m/s³，在过渡段2与过渡段3之间为3m/s³。不同运动分段衔接处如此小的加速度跳变和加加速度跳变对于采用先验多普勒信息辅助的测试接收机而言既不会造成跟踪环路失锁、也不会造成暂态响应时间太长而使得稳态测量值的有效数据量不足。按照图3的格式形成描述上述运动分段和每段运动控制参数的径向动态用户配置文件内容如图4所示。

步骤23：测试场景生成系统从径向动态用户配置文件中获取载体运动每一分段的径向动态控制参数；从步骤21设定的起始时刻t₀开始，每隔0.02s计算一次径向动态参数。第1个运动分段(测试段1)为匀加加速直线运动段的一种特例，即的匀速直线运动，可按照表2第2列中的公式计算该分段上每一仿真历元时刻t₀+t(0≤t≤240)载体到卫星的距离d(t)、相对速度v(t)、相对加速度a(t)和相对加加速度j(t)。第2个运动分段(过渡段2)为匀加加速直线运动段，可按照表2第2列中的公式计算径向动态参数。

表2.模拟器最大速度、加速度和加加速度合并测试径向动态场景设计实例

步骤24：第3个运动分段(过渡段3)为匀变幅匀变频正弦运动段的第4种特例，即D_k＝0、ω_k＝0时幅度和频率均从零开始的匀变幅匀变频正弦运动，测试场景生成系统可按照表2第3列中的公式计算该分段上每一仿真历元时刻t₀+t(240≤t≤340)载体到卫星的距离d(t)、相对速度v(t)、相对加速度a(t)和相对加加速度j(t)。第4个运动分段(测试段4)为匀变幅匀变频正弦运动段的第3种特例，即时恒定幅度恒定频率的正弦运动，可按照表2第4列中的公式计算径向动态参数。

图5所示为用于模拟器最大速度、最大加速度、最大加加速度合并测试的径向动态场景设计实例计算结果，其中图(a)示出了测试段1和过渡段2载体到卫星的距离d(t)、相对速度v(t)、相对加速度a(t)和相对加加速度j(t)；图(b)则示出了过渡段3和测试段4的计算结果。

步骤25：测试场景生成系统根据卫星星历计算每一仿真历元时刻t_n的卫星三维位置矢量三维速度矢量以至三维加速度矢量和三维加加速度 矢量在已知的n时刻卫星位置与n-1时刻载体位置的连线上找到距离为d_n的点作为第n个历元时刻的载体位置并将n时刻卫星瞬时速度/加速度/加加速度矢量加上LOS方向相对速度/加速度/加加速度矢量作为第n个历元时刻的载体瞬时速度/加速度/加加速度矢量 根据上述载体动态计算结果形成载体动态轨迹文件。具体计算公式如下：

第n个仿真历元时刻的载体位置为

而第n个历元时刻的载体瞬时速度/加速度/加加速度分别为

步骤6：测试场景生成系统将所生成的载体动态轨迹文件与所用的星历基准文件一起作为测试场景提供GNSS模拟器仿真信号之用，由此即可按照指标测试要求直接控制载体始终在朝向/背离卫星的方向上进行轨迹平滑、速度连续的运动，直接精确控制模拟器所生成信号的径向动态，从而精确控制所生成信号的码速率/码相位、载波多普勒/载波相位这些信号状态参数。

采用自研的数字中频GPS信号模拟器，读取上述星历基准文件和载体动态轨迹文件，产生所选卫星号为PRN16的单颗卫星GPS L1 C/A数字中频信号，正常信号结构和卫星动态，在仿真中关闭星历误差、星钟误差、电离层延迟、对流层延迟、多径等各距离误差项，载噪比设为110dB-Hz，同时记录每一历元时刻的仿真载波多普勒值作为测试接收机的辅助信息；采用自研的能够利用外部辅助信息进行高精度测量的软件GPS接收机作为测试接收机，对所述的数字中频信号进行捕获、跟踪、高精度测量和单星定时解算，将接收机测得的载波多普勒及其一阶导数和二阶导数换算为载体与卫星的相对速度、加速度和加加速度值，其结果均和图5所示的设计值相符。进一步统计测试分段内接收机解算得到与模拟器仿真记录的相对速度、相对加速度、相对加加速度数据的偏差，结果分别为0.000258m/s、 -5.8326×10^-7m/s²、-2.7563×10^-6m/s³，说明数字中频GPS信号模拟器能够按照所设计的载体径向动态测试场景精确控制所生成信号的码速率/码相位、载波多普勒/载波相位这些信号状态参数，同时也说明在此极高动态场景下采用先验多普勒信息辅助的接收机测得的径向动态参数能够忠实反映控制模拟器仿真的径向动态参数。

本发明的基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法，通过将复杂载体运动投影到径向上并分解为匀加加速直线运动与匀变幅匀变频正弦运动的组合，允许用户按照测试需求配置径向动态控制参数；再根据运动模型和星历计算载体三维动态轨迹，为受径向动态特性影响的模拟器及接收机性能指标的测试提供信号码相位和载波相位变化精确可控的测试场景。这种方法既可逼近真实径向动态，又允许用户灵活配置径向动态，可将针对不同指标测试的动态合并到一个场景中以提高测试效率，并保证载体轨迹平滑和速度连续，不要求模拟器仿真卫星静止和单频输出的特殊场景，能够适应所有调制体制的导航信号。本发明所提供的方法适合各类GNSS模拟器的载体动态测试场景的生成。

基于相同的构思，本发明还提供了一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成系统，参见图6，该系统包括：

第一获取模块61，用于获取用户设置的卫星星历基准、仿真卫星号、仿真起始时刻t₀，计算每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数；所述卫星三维动态参数用于卫星天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息；

第二获取模块62，用于获取用户设置的径向动态场景；所述径向动态场景用于模拟载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的运动参数，包括初始动态、多个匀加加速直线运动段和多个匀变幅匀变频正弦运动段以及每一个运动段内载体的径向动态控制参数；其中，初始动态包括载体接收机天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的初始位置及相对于卫星天线相位中心的初始速度v₀、初始加速度a₀和初始加加速度j₀；对于任意正整数k，当第 k个运动段为匀加加速直线运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间 径向加速度跳变量径向加加速度当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、角频率初值ω_k、距离幅度初值D_k、角频率变化率距离幅度变化率

径向动态计算模块63，用于根据各个运动段内载体的径向动态控制参数计算每一个仿真历元时刻的径向动态参数；所述径向动态参数用于表示载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离、速度、加速度和加加速度信息；

载体三维动态轨迹生成模块64，用于根据每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数以及对应的径向动态参数确定载体接收机天线相位中心在该仿真历元时刻在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息，得到在ECEF空间直角坐标系的载体三维动态轨迹；

输出模块65，用于将所述载体三维动态轨迹和所述卫星星历基准输出。

进一步的，所述径向动态参数包括：载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的相对距离d(t)、相对速度v(t)、相对加速度a(t)和相对加加速度j(t)。

进一步的，所述径向动态计算模块63具体用于对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀加加速直线运动段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；a_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对加速度，v_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对速度；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离。

进一步的，所述径向动态计算模块63具体用于径向动态计算模块具体用于对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动 段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离；为正弦运动的初相。

进一步的，对于任意正整数n，第n个仿真历元时刻t_n的卫星三维动态参数包括卫星天线相位中心的三维位置矢量三维速度矢量三维加速度矢量和三维加加速度矢量

所述载体三维动态轨迹生成模块64具体用于按照如下公式计算载体接收机天线相位中心在仿真历元时刻t_n在ECEF空间直角坐标系中的三维位置矢量和瞬时三维速度矢量三维加速度矢量和三维加加速度矢量

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成方法，其特征在于，包括：

步骤S1，获取用户设置的卫星星历基准、仿真卫星号、仿真起始时刻t₀，计算每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数；所述卫星三维动态参数用于卫星天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息；

步骤S2，获取用户设置的径向动态场景；所述径向动态场景用于模拟载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的运动参数，包括初始动态、多个匀加加速直线运动段和多个匀变幅匀变频正弦运动段以及每一个运动段内的径向动态控制参数；其中，初始动态包括载体接收机天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的初始位置p_u0＝{x₀,y₀,z₀}及相对于卫星天线相位中心的初始速度v₀、初始加速度a₀和初始加加速度j₀；对于任意正整数k，当第k个运动段为匀加加速直线运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、径向加速度跳变量径向加加速度当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、角频率初值ω_k、距离幅度初值D_k、角频率变化率距离幅度变化率

步骤S3，根据各个运动段内的径向动态控制参数及相应的运动模型计算每一个仿真历元时刻的径向动态参数；所述径向动态参数用于表示载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离、速度、加速度和加加速度信息；

步骤S4，根据每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数以及对应的径向动态参数确定载体接收机天线相位中心在该仿真历元时刻在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息，得到在ECEF空间直角坐标系的载体三维动态轨迹；

步骤S5，将所述载体三维动态轨迹和所述卫星星历基准输出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述径向动态参数包括：载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离d(t)、速度v(t)、加速度a(t)和加加速度j(t)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀加加速直线运动段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；a_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对加速度，v_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对速度；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离；为正弦运动的初相。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对于任意正整数n，第n个仿真历元时刻t_n的卫星三维动态参数包括卫星天线相位中心的三维位置矢量三维速度矢量三维加速度矢量和三维加加速度矢量

所述步骤S4具体包括：按照如下公式计算载体接收机天线相位中心在仿真历元时刻t_n在ECEF空间直角坐标系中的三维位置矢量和瞬时三维速度矢量三维加速度矢量和三维加加速度矢量

其中，d_n为第n个仿真历元时刻的相对距离；v_n为第n个仿真历元时刻的相对速度；a_n为第n个仿真历元时刻的相对加速度；j_n为第n个仿真历元时刻的相对加加速度。

6.一种基于径向动态控制的GNSS模拟器测试场景生成系统，其特征在于，包括：

第一获取模块，用于获取用户设置的卫星星历基准、仿真卫星号、仿真起始时刻t₀，计算每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数；所述卫星三维动态参数用于卫星天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息；

第二获取模块，用于获取用户设置的径向动态场景；所述径向动态场景用于模拟载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的运动参数，包括初始动态、多个匀加加速直线运动段和多个匀变幅匀变频正弦运动段以及每一个运动段内的径向动态控制参数；其中，初始动态包括载体接收机天线相位中心在ECEF空间直角坐标系中的初始位置及相对于卫星天线相位中心的初始速度v₀、初始加速度a₀和初始加加速度j₀；对于任意正整数k，当第k个运动段为匀加加速直线运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、径向加速度跳变量径向加加速度当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，径向动态控制参数包括运动段持续时间Δt_k、角频率初值ω_k、距离幅度初值D_k、角频率变化率距离幅度变化率

径向动态计算模块，用于根据各个运动段内的径向动态控制参数及相应的运动模型计算每一个仿真历元时刻的径向动态参数；所述径向动态参数用于表示载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离、速度、加速度和加加速度信息；

载体三维动态轨迹生成模块，用于根据每一个仿真历元时刻的卫星三维动态参数以及对应的径向动态参数确定载体接收机天线相位中心在该仿真历元时刻在ECEF空间直角坐标系中的位置、速度、加速度和加加速度信息，得到在ECEF空间直角坐标系的载体三维动态轨迹；

输出模块，用于将所述载体三维动态轨迹和所述卫星星历基准输出。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述径向动态参数包括：载体接收机天线相位中心相对于卫星天线相位中心的距离d(t)、速度v(t)、加速度a(t)和加加速度j(t)。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述径向动态计算模块具体用于对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀加加速直线运动段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；a_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对加速度，v_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对速度；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述径向动态计算模块具体用于对于第k个运动段内的仿真历元时刻t，当第k个运动段为匀变幅匀变频正弦运动段时，按照如下公式计算对应的径向动态参数：

Δt＝t-t_k-1

其中，t_k-1是第k-1个运动段的结束时刻；d_k-1为第k-1个运动段结束时刻的相对距离；为正弦运动的初相。

10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，对于任意正整数n，第n个仿真历元时刻t_n的卫星三维动态参数包括卫星天线相位中心的三维位置矢量三维速度矢量三维加速度矢量和三维加加速度矢量

所述载体三维动态轨迹生成模块具体用于按照如下公式计算载体接收机天线相位中心在仿真历元时刻t_n在ECEF空间直角坐标系中的三维位置矢量和瞬时三维速度矢量三维加速度矢量和三维加加速度矢量

其中，d_n为第n个仿真历元时刻的相对距离；v_n为第n个仿真历元时刻的相对速度；a_n为第n个仿真历元时刻的相对加速度；j_n为第n个仿真历元时刻的相对加加速度。