CN106405586B - 卫星导航模拟器及时间同步的高逼真导航信号复现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航模拟器及时间同步的高逼真导航信号复现方法。使用本发明能够提高卫星导航模拟器仿真信号与真实导航信号的逼真度。本发明通过建立与真实可见星情况一致的可见星信号模拟通道，并通过通道的参数、状态设置，能够使卫星导航模拟器仿真信号与真实导航信号在时间、当前可见星状态、导航电文三个方面保持一致，提高了卫星导航模拟器仿真信号与真实导航信号的逼真度，缩短了卫星导航接收机在真实导航信号与卫星导航模拟器仿真信号切换时的不定位状态持续时间，实现了卫星导航接收机在真实导航信号与卫星导航模拟器仿真信号之间的无缝切换。

Description

卫星导航模拟器及时间同步的高逼真导航信号复现方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种卫星导航模拟器及时间同步的高逼真导航信号复现方法。

背景技术

卫星导航系统在军事、交通等领域得到广泛的应用，但是对于室内、隧道和地下车库等场所，卫星导航信号功率过小甚至根本没有卫星导航信号，要实现定位必须依赖室内卫星导航技术。

目前，室内卫星导航定位技术主要有转发定位、模拟器仿真定位及“伪卫星+专用设备”定位。转发定位通过正常的卫星信号接收天线接收没有遮挡的卫星信号，该卫星信号经过降噪、放大后，通过安装在室内的信号转发器转发。基于这种方法的室内定位不能获得室内的真实位置，定位误差大。模拟器仿真定位通过卫星导航模拟器仿真室内的真实位置，然后将模拟仿真信号通过发射天线发射。基于这种方法的室内定位优点是定位位置准确，缺点是模拟器仿真信号与真实导航信号差异大，卫星导航接收机在真实导航信号与模拟器仿真信号切换时不定位状态持续时间长。“伪卫星系统+专用车载终端”的方式，利用布设于室内的伪卫星发射类似GPS的信号，代替空中的GPS卫星以实现定位，该方式的工作原理与GPS卫星导航定位系统相同。但是，这一方式需对卫星导航接收机进行改造，成本较高，不便于推广应用。

利用模拟器仿真定位可以实现在不更改现有导航接收设备的基础上，实现室外定位与室内定位的切换。传统独立式的卫星导航模拟器在应用过程中存在卫星导航模拟器时间与真实时间不同步、卫星导航模拟器可见星状态与真实可见星状态不一致、卫星导航模拟器仿真电文与真实电文不一致等缺点，造成卫星导航接收机在真实导航信号与模拟器仿真信号切换过程中出现不定位状态持续时间过长。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种卫星导航模拟器及时间同步的高逼真导航信号复现方法，能够提高卫星导航模拟器仿真信号与真实导航信号的逼真度。

本发明的卫星导航模拟器，包括授时单元、数据处理单元和信号生成单元；

其中，所述授时单元根据真实的导航信号，为数据处理单元提供真实导航信号的时间、星历、历书、电离层信息，为信号生成单元提供与真实导航信号同步的秒脉冲信号；

所述数据处理单元由通道管理模块和至少10个数据处理通道组成；所述信号生成单元由至少10个信号生成通道和数字合路及DA转换模块组成；所述数据处理通道与信号生成通道一一对应，形成卫星信号通道，一个卫星信号通道对应一个可见星；

所述通道管理模块根据授时单元输出的星历信息中的卫星号构建可见星列表，根据当前时刻和自身地理位置对应的可见星状态，对各卫星信号通道的“建立”、“保持”和“撤消”三种状态进行切换，使得模拟器的可见星状态与当前时刻的真实的可见星状态一致；

所述数据处理通道包括电文填充模块、电文比特流处理模块、观测数据计算模块和环路参数计算模块；其中，电文填充模块依据授时单元提供的时间、所属卫星信号通道对应的可见星的星历、历书和电离层信息，生成规定格式的导航星完整电文；电文比特流处理模块将电文处理为宽度为1ms的电文比特流，并将电文比特流填充至电文缓冲表中的对应卫星处，其中，所述电文缓冲表中包含3个电文包，每个电文包包含1～32号星的电文比特流；观测数据计算模块依据当前仿真时间、星历参数和用户位置，计算出对应卫星的观测数据；环路参数计算模块将观测数据转换为三阶载波环的环路控制字和三阶码环的环路控制字；

所述信号生成通道包括电文缓冲区、三阶码环模块和三阶载波环模块；其中，电文缓冲区从电文缓冲表中提取对应卫星的电文比特流并缓存；三阶码环模块和三阶载波环模块采用相同的三阶累加器结构；三阶码环模块根据对应数据处理通道生成的环路控制字，将电文缓冲区缓存的电文比特流调制到伪码上，三阶载波环模块根据数据处理通道生成的环路控制字将伪码调制到载波上；

所述数字合路及DA转换模块完成对所有信号生成通道的生成的载波进行合并，并对合并后的信号进行DA转换，获得仿真导航信号。

本发明还提供了一种卫星导航模拟器的时间同步高逼真导航信号复现方法，包括如下步骤：

步骤1，授时单元接收真实的卫星导航信号，得到当前时间信息与当前每颗可见星的星历、历书及电离层信息；数据处理单元根据授时单元得到的当前时间信息，将本地时间初始化为当前时间信息；

步骤2，数据处理单元的通道管理模块周期性地根据授时单元输出的星历信息中的卫星号构建可见星列表，根据当前时刻和自身地理位置对应的可见星状态，在导航卫星发出的真实导航信号秒脉冲信号到来前建立各可见星对应的卫星信号通道；

步骤3、各卫星信号通道电文缓冲及电文起始位置计算：

步骤3.1，数据处理单元中各数据处理通道根据授时单元得到的单颗可见星的星历、历书及电离层信息，生成对应卫星的规定格式的导航电文数据流；

步骤3.2，将生成的导航电文数据流进行扩比特操作，得到时间宽度为1ms的电文比特流，将电文比特流填充至电文缓冲表中的对应卫星处；

步骤3.3，根据导航信号的发射时刻，提取发射时刻电文缓冲表内对应的电文比特流，存入对应的信号生成通道的电文缓冲区；

步骤4，各卫星信号通道的数据处理通道依据当前仿真时间、对应卫星的星历参数和用户位置，计算出对应卫星的观测数据，并依据卫星观测数据计算获得三阶载波环和三阶码环的环路控制字；

步骤5，数据处理单元的通道管理模块在真实导航信号秒脉冲信号到来时刻启动卫星信号通道，生成对应卫星的仿真导航信号；当卫星变为不可见状态时，撤销该通道，通道参数归零，返回步骤2。

进一步地，所述三阶码环和三阶载波环的环路控制字依据下式计算：

其中：

f_m：对三阶载波环而言是载波频率，对三阶码环而言是码速率；

R₀为卫星的伪距初值；v为卫星的伪距速度；a为卫星的伪距加速度；b为卫星的伪距加加速度；N，c₁，c₂分别为三个累加器的字长；c为光速；f_c为三阶载波环和三阶码环的工作时钟。

进一步地，所述步骤2中，如果同时有多个卫星信号通道需要建立，则先建立其中一个，将剩余的卫星信号通道置为“撤销”状态，在下一个周期建立该卫星信号通道。

有益效果：

本发明克服了传统独立式卫星导航模拟器时间与真实时间不同步、卫星导航模拟器可见星状态与真实可见星状态不一致、卫星导航模拟器仿真电文与真实电文不一致等缺点，能够使卫星导航模拟器仿真信号与真实导航信号在时间、当前可见星状态、导航电文三个方面保持一致，提高了卫星导航模拟器仿真信号与真实导航信号的逼真度，缩短了卫星导航接收机在真实导航信号与卫星导航模拟器仿真信号切换时的不定位状态持续时间，实现了卫星导航接收机在真实导航信号与卫星导航模拟器仿真信号之间的无缝切换。

附图说明

图1为本发明卫星导航模拟器的系统示意图。

图2为本发明时间同步的高逼真导航信号复现方法的实现流程图。

图3为电文比特流的存储格式示意图。

图4为载波环和码环结构示意图。

图5为通道启动示意图。

图6为通道资源分配完成后，观测数据和仿真资源的通道对应关系。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种卫星导航模拟器，如图1所示，包括：授时单元、数据处理单元和信号生成单元；

其中，授时单元接收真实的导航信号，为数据处理单元提供真实导航信号的时间、星历、历书、电离层信息，为信号生成单元提供与真实导航信号同步的1pps(秒脉冲)信号。

数据处理单元由通道管理模块和n(n至少为10个，一般选择12个，2个备用)个数据处理通道组成。信号生成单元由n(n一般等于12)个信号生成通道和数字合路及DA转换模块组成。其中，n个数据处理通道与n个信号生成通道一一对应。一个数据处理通道与一个与之对应的信号生成通道构成一个单颗卫星的卫星信号通道，可以模拟一颗导航星的导航信号。

其中，通道管理模块根据授时单元输出的星历信息中的卫星号构建可见星列表，根据当前时刻和位置对应的可见星状态，实现对各数据处理通道的状态进行管理，通过维护当前可见星与各通道对应关系以及通道的“建立”、“保持”和“撤消”三种状态的切换，使最终生成的仿真导航信号的可见星状态与真实可见星状态保持一致，从而使得生成的仿真导航信号与真实导航信号一致。

数据处理通道包括电文填充模块、电文比特流处理模块、观测数据计算模块和环路参数计算模块。其中，电文填充模块依据授时单元提供的时间、所属卫星信号通道对应的可见星的星历、历书和电离层信息，依据导航系统ICD(接口控制文件)文件中规定导航电文格式生成对应导航星的完整电文，并将电文发送至电文比特流处理模块。电文比特流处理模块将每个20ms宽度的电文处理为20个宽度为1ms的电文比特流，并将电文比特流填充至电文缓冲表中的对应卫星处，所述电文缓冲表格中包含3个电文包，每个电文包包含1～32号星的电文比特流，如图3所示。观测数据计算模块依据当前仿真时间、星历参数和用户位置，计算出对应的卫星的伪距、伪距率、功率等卫星观测数据，并将计算出的卫星观测数据发送至环路参数计算模块。环路参数计算模块将卫星观测数据转换为三阶载波环和码环的环路控制字，并将环路控制字发送至信号生成单元的三阶码环和三阶载波环。

其中，信号生成通道包括电文缓冲区、三阶码环和三阶载波环，完成电文缓冲、伪码生成和载波生成功能。其中，电文缓冲区接收数据处理通道的电文比特流并缓存；三阶码环根据数据处理通道发送的环路控制字将电文调制到伪码上；三阶载波环根据数据处理通道发送的环路控制字将伪码调制到载波上，将载波发送至数字合路及DA转换模块。

数字合路及DA转换模块完成对n个信号生成通道的载波进行合并，并对合并后的信号进行DA转换，获得模拟的高逼真的仿真导航信号。

时间同步的高逼真导航信号复现方法，方法流程如图2所示，包括如下步骤：

步骤一，实现时间和电文与真实导航信号同步

授时单元接收真实的卫星导航信号，输出当前时间信息与当前每颗可见星的星历、历书及电离层信息。

数据处理单元接收到授时单元输出的时间信息后，将本地时间初始化，本地时间精度与真实导航系统时间误差在1秒以内。

数据处理单元接收到授时单元输出的星历、历书及电离层信息，将本地参数更新为与真实导航系统一致的参数。

步骤二，数据处理单元的通道管理模块周期性地根据授时单元输出的星历信息中的卫星号构建可见星列表，根据当前时刻和位置对应的可见星状态，在真实导航信号秒脉冲信号到来前建立各可见星对应的卫星信号通道。

步骤三、各卫星信号通道电文缓冲及电文起始位置计算

数据处理单元中数据处理通道依据导航系统ICD中规定的电文格式生成对应的导航电文数据流。然后将生成的导航电文数据流进行1比特扩展为20比特的扩比特操作，处理后得到时间宽度为1ms的电文比特流。电文的时间精度可以精确到1ms。将电文比特流填充至电文缓冲表中的对应卫星处，所述电文缓冲表格式如图3所示，一共可以存储3包导航电文，共计18s。导航电文每6s为一包，一包为6000*32比特，共占用200*32个字(一个字为32比特)，每个字使用前30比特。每一包里存储32颗导航星电文。每一颗星电文为6000比特，共占用200个字。

根据导航信号的发射时刻，提取发射时刻电文缓冲表内对应的电文比特流，存入对应的信号生成通道的电文缓冲区。

具体的，电文比特流提取的起始位置计算方法如下：

(1)计算当前使用第几包电文；

(2)计算当前使用该包电文里的第几颗星；

(3)计算当前使用该卫星电文里第几ms；

第(3)步计算当前使用的某颗卫星的电文起始比特zn0可以表示为：

其中，t为系统时间，R₀为该卫星的伪距，c为光速，M为电文缓冲区的长度，mod表示取模；即为发射时刻。

步骤四、各卫星信号通道的卫星观测数据计算及载波环和码环参数计算

依据当前仿真时间、星历参数和用户位置，计算出对应的伪距初值、伪距速度、伪距加速度和伪距加加速度等卫星观测数据。

采用相同的环路结构的三阶载波环和三阶码环，结构图如图4所示。载波环与码环累加参数主要包括载波环和码环的三阶累加器参数k₀、k₁、k₂、k₃。在实现过程中，图中，D₂、D₁、D₀代表各级累加器，实现对输入控制字的累加功能；各级累加器对应的输出分别为θ₂、θ₁和θ；k₃、k₂、k₁为各级累加器的控制参数，分别与加加速度、加速度、速度相对应；k₀代表初始相位；→c₂、→c₁、→c₀被作为各级累加器单独的移位操作。

三阶累加器累加参数的计算公式如下：

其中：

f_m：对载波累加器而言是载波频率，对码累加器而言是码速率；载波频率和码速率可变，依据仿真信号的实际参数设置，例如GPS L1/CA频点的载波频率为1575420000Hz，码速率为1023000Hz。

R₀为伪距初值；v为伪距速度；a为伪距加速度；b为伪距加加速度；N，c₁，c₂分别为三个累加器的字长(位数)；c为光速，299792458m/s；f_c＝163.68MHz，为三阶载波环和三阶码环的工作时钟。

步骤五、通道启动及导航信号生成：数据处理单元的通道管理模块在真实导航信号秒脉冲信号到来时刻启动卫星信号通道，生成对应卫星的仿真导航信号；当卫星变为不可见状态时，撤销该通道，通道参数归零，返回步骤二。

具体的，数据处理通道完成电文填充、电文比特流处理、电文起始位置计算、观测数据生成及载波环和码环参数计算操作后，该通道具备启动条件。

通道启动示意图如图5所示。每个通道启动时刻严格与授时单元提供的1pps对齐。在该1pps信号到来之前，将上述各个参数准备好。1pps到来时刻，通道启动，这样可以保证该通道生成导航信号与真实导航信号高度一致。

通道启动后，对应的信号生成通道将电文缓冲区模块中的电文调制到由三阶码环模块生成的伪码上，然后将伪码调制到由三阶载波环模块生成的载波上，最后数字合路及DA转换模块完成n个信号生成通道的载波的合路以及DA转换。

一个单颗卫星信号模拟通道可以模拟一颗导航星的导航信号，一般情况下用户可见的真实导航星有多颗，并且可见星还在动态的变化。为了模拟与真实导航系统一致的可见性，需要通道管理功能完成可见星状态的切换。

通道管理负责管理的通道资源为n个单颗卫星信号模拟通道，n个通道各有三种状态：“建立”，“保持”，“撤销”。通道管理需要判断n个通道是处于哪一种状态，并执行相应的操作。

数据处理单元根据授时单元输出的星历信息中的卫星号构建可见星列表。可见星列表为长度为32的数组，分别于32颗导航卫星一一对应。数组中的值为卫星号表示该颗卫星可见，数组中的值为0表示该颗卫星不可见。通道管理要能够解析出可见星列表中每颗卫星的可见性，并且对应到单颗卫星信号模拟通道，具体算法如下。

(1)在每20ms中断服务函数中，把可见星列表中的卫星号和本地的n个单颗卫星信号模拟通道卫星号相比较，查询一遍；

(3)如果本可见星列表的卫星号为0，说明该通道数据无效；

(3)如果找到相同的卫星号，说明本卫星已经存在，需要保持卫星，卫星保持标志置位；

(4)如果没有找到相同的卫星号，说明是新出现的卫星，需要建立卫星，卫星建立标志置位；

(5)这样查询两轮过后，对单颗卫星信号模拟通道状态进行检查，如果哪个通道的卫星保持标志和卫星建立标志都无效，说明本卫星已经消失，卫星撤销标志置位。

通道资源分配完成之后，观测数据和仿真资源的通道大致的对应关系如图6所示：

通道资源分配完成后，每个通道需要根据由于其状态是“建立”，“保持”，“撤销”中的哪一种执行相应的操作，状态不同执行的操作也不同，耗费的时间也是不一样的。

其中，通道建立时执行的步骤比较多，运行时间比较长，尤其在系统启动的时候可能同时有多个通道建立，为了保证实时性，采用时间打散的策略。

如果发现某个通道处于“建立”状态，则将其后的所有应该处于“建立”状态的通道都置为“撤销”状态，从而保证在每个20ms内只有一个通道建立，这样某些通道的建立将被延后x个20ms，必然x<n，所以这个时间延迟完全是可以接受的。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种卫星导航模拟器，其特征在于，包括授时单元、数据处理单元和信号生成单元；

其中，所述授时单元根据真实的导航信号，为数据处理单元提供真实导航信号的时间、星历、历书、电离层信息，为信号生成单元提供与真实导航信号同步的秒脉冲信号；

所述数据处理单元由通道管理模块和至少10个数据处理通道组成；所述信号生成单元由至少10个信号生成通道和数字合路及DA转换模块组成；所述数据处理通道与信号生成通道一一对应，形成卫星信号通道，一个卫星信号通道对应一个可见星；

所述通道管理模块根据授时单元输出的星历信息中的卫星号构建可见星列表，根据当前时刻和自身地理位置对应的可见星状态，对各卫星信号通道的“建立”、“保持”和“撤消”三种状态进行切换，使得模拟器的可见星状态与当前时刻的真实的可见星状态一致；

所述数据处理通道包括电文填充模块、电文比特流处理模块、观测数据计算模块和环路参数计算模块；其中，电文填充模块依据授时单元提供的时间、所属卫星信号通道对应的可见星的星历、历书和电离层信息，生成规定格式的导航星完整电文；电文比特流处理模块将电文处理为宽度为1ms的电文比特流，并将电文比特流填充至电文缓冲表中的对应卫星处，其中，所述电文缓冲表中包含3个电文包，每个电文包包含1～32号星的电文比特流；观测数据计算模块依据当前仿真时间、星历参数和用户位置，计算出对应卫星的观测数据；环路参数计算模块将观测数据转换为三阶载波环的环路控制字和三阶码环的环路控制字；

所述信号生成通道包括电文缓冲区、三阶码环模块和三阶载波环模块；其中，电文缓冲区从电文缓冲表中提取对应卫星的电文比特流并缓存；三阶码环模块和三阶载波环模块采用相同的三阶累加器结构；三阶码环模块根据对应数据处理通道生成的环路控制字，将电文缓冲区缓存的电文比特流调制到伪码上，三阶载波环模块根据数据处理通道生成的环路控制字将伪码调制到载波上；

所述数字合路及DA转换模块完成对所有信号生成通道的生成的载波进行合并，并对合并后的信号进行DA转换，获得仿真导航信号。

2.一种采用如权利要求1所述的卫星导航模拟器的时间同步高逼真导航信号复现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，授时单元接收真实的卫星导航信号，得到当前时间信息与当前每颗可见星的星历、历书及电离层信息；数据处理单元根据授时单元得到的当前时间信息，将本地时间初始化为当前时间信息；

步骤2，数据处理单元的通道管理模块周期性地根据授时单元输出的星历信息中的卫星号构建可见星列表，根据当前时刻和自身地理位置对应的可见星状态，在导航卫星发出的真实导航信号秒脉冲信号到来前建立各可见星对应的卫星信号通道；

步骤3、各卫星信号通道电文缓冲及电文起始位置计算：

步骤3.1，数据处理单元中各数据处理通道根据授时单元得到的单颗可见星的星历、历书及电离层信息，生成对应卫星的规定格式的导航电文数据流；

步骤3.2，将生成的导航电文数据流进行扩比特操作，得到时间宽度为1ms的电文比特流，将电文比特流填充至电文缓冲表中的对应卫星处；

步骤3.3，根据导航信号的发射时刻，提取发射时刻电文缓冲表内对应的电文比特流，存入对应的信号生成通道的电文缓冲区；

步骤4，各卫星信号通道的数据处理通道依据当前仿真时间、对应卫星的星历参数和用户位置，计算出对应卫星的观测数据，并依据卫星观测数据计算获得三阶载波环和三阶码环的环路控制字；

步骤5，数据处理单元的通道管理模块在真实导航信号秒脉冲信号到来时刻启动卫星信号通道，生成对应卫星的仿真导航信号；当卫星变为不可见状态时，撤销该通道，通道参数归零，返回步骤2。

3.如权利要求2所述的时间同步高逼真导航信号复现方法，其特征在于，所述三阶码环和三阶载波环的环路控制字依据下式计算：

其中：

f_m：对三阶载波环而言是载波频率，对三阶码环而言是码速率；

R₀为卫星的伪距初值；v为卫星的伪距速度；a为卫星的伪距加速度；b为卫星的伪距加加速度；N，c₁，c₂分别为三个累加器的字长；c为光速；f_c为三阶载波环和三阶码环的工作时钟。

4.如权利要求2所述的时间同步高逼真导航信号复现方法，其特征在于，所述步骤2中，如果同时有多个卫星信号通道需要建立，则先建立其中一个，将剩余的卫星信号通道置为“撤销”状态，在下一个周期建立该卫星信号通道。