CN109782314B - Gnss卫星信号接收分级处理仿真实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，属于信号处理技术领域，包括GNSS卫星信号接收天线、射频前端处理设备以及数据处理计算机，数据处理计算机内的实验模块包括BDS/GPS星座实验模块、BDS/GPS卫星信号实验模块、BDS/GPS卫星信号捕获实验模块、BDS/GPS卫星信号跟踪实验模块和BDS/GPS定位实验模块，将硬件与具有GNSS卫星信号处理功能的软件平台结合到一起，能够实现GNSS卫星信号的接收和处理，同时具备多个仿真实验环节，解决了现有技术中软件运行时需要配置复杂的运行库，操作繁琐、对计算机的性能要求很高。软件的可操作性差，用户无法根据自身需求进行变量控制的技术问题。

Description

GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台

技术领域

本发明涉及一种GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，属于信号处理技术领域。

背景技术

GNSS信号是GNSS卫星向用户播发的一种用于导航定位的调制波，GNSS卫星信号接收仿真实验用于目前的教学平台中，现有技术中的仿真教学平台只包含软件部分，不能进行GNSS卫星数据的接收及回放，信号的捕获、跟踪和定位结果的解算一次完成，忽视中间过程，无法分级处理。软件运行时需要配置复杂的运行库，操作繁琐、对计算机的性能要求很高。软件的可操作性差，用户无法根据自身需求进行变量控制。在安全方面，同类产品大多使用看门狗加密，这种加密方法成本高，使用麻烦。

现有的GNSS仿真实验平台只能进行仿真实验，也就是说此类实验平台无法接收真实的卫星导航信号，只能靠模拟来解释GNSS原理。从接收导航卫星信号到得到最终定位结果要经过捕获、跟踪以及位置解算三大步，现有的GNSS仿真实验平台往往忽略捕获与跟踪这两步，导入原始观测数据后不经过中间过程直接输出最终的定位结果，用户不能获得捕获结果和跟踪结果，当然也就无法对捕获性能和跟踪性能进行分析，特别是在定位结果出现错误时，很难定位错误原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，将硬件与具有GNSS卫星信号处理功能的软件平台结合到一起，能够实现GNSS卫星信号的接收和分级处理，同时具备多个仿真实验环节，解决了现有技术中出现的问题。

本发明所述的GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，包括GNSS卫星信号接收天线、射频前端处理设备以及数据处理计算机，GNSS卫星信号天线接收GNSS卫星信号，射频前端处理设备将GNSS卫星信号经过前端处理后将处理后的信号通过通讯接口传输到数据处理计算机中，数据处理计算机接收到信号后进行信号捕捉、跟踪，得到GNSS卫星定位信息并对精度因子进行分析实验，数据处理计算机内的实验模块包括BDS/GPS星座实验模块、BDS/GPS卫星信号实验模块、BDS/GPS卫星信号捕获实验模块、BDS/GPS卫星信号跟踪实验模块和BDS/GPS定位实验模块，上述各个模块之间相互独立，数据分级处理，每一级的结算结果自动保存并且作为下一级的输入。

所述的射频前端处理设备包括第一级带通滤波器、第一级放大器、第二级带通滤波器、混频器、第三级带通滤波器、第二级放大器和A/D转换器，上述各个装置依次连接，其中第一级带通滤波器连接GNSS卫星信号接收天线，A/D转换器通过USB接口连接数据处理计算机。

所述的BDS/GPS星座实验模块包括卫星轨道实验子模块和卫星星下点轨迹实验子模块，其中卫星轨道试验子模块中通过设置轨道参数来模拟北斗和GPS卫星的运行轨道，轨道参数包括轨道升交点、平均近地角、轨道高度、轨道倾角和轨道长半轴。

所述的BDS/GPS卫星信号实验模块包括导航电文实验子模块、伪随机码分析实验子模块、扩频调制实验子模块和信号调制实验子模块，其中导航电文实验子模块用于生成导航电文并且进行保存，然后用户可以选择导航电文的帧号和子帧号，同时给出该子帧中十个字的具体比特信息并以示意图的方式显示；伪随机码分析实验子模块用于显示北斗和GPS系统所用的伪随机码，并且根据用户需要生成相应的伪随机序列并绘制自相关图像和互相关图像，扩频调制实验子模块用于导入导航电文数据，生成扩频后的基带信号并保存；信号调制实验子模块用于导入扩频调制实验子模块中生成的伪码基带信号，设置中频、采样频率、多普勒频率、伪码速率、初始伪码相位和仿真时间长度六个参数，生成中频信号并保存。

所述的BDS/GPS卫星信号捕获实验模块包括信号捕获实验子模块，信号捕获实验子模块中用户导入中频信号，并设置搜索带宽、搜索频点和捕获阈值三个参数来执行卫星捕获，完成后显示被捕获卫星的星空图以及星号、频率、多普勒和码相位偏移参数。

所述的BDS/GPS卫星信号跟踪实验模块包括环路滤波系数实验子模块、信号跟踪实验子模块、跟踪环路分析实验子模块、载波环路误差分析实验子模块和伪码环路误差分析实验子模块，其中环路滤波系数实验子模块用于设置PLL环路和DLL环路的环路噪声带宽、阻尼比和环路增益三个参数，软件给出自然频率、阻尼比、tau1carr和tau2carr四个环路系数；信号跟踪实验子模块用于用户导入卫星捕获结果数据，并根据需要设置环路滤波器系数以及跟踪参数，完成跟踪后得到卫星伪距ρ和I路Q路的超前、即时、滞后支路的跟踪结果；跟踪环路分析实验子模块中用户导入卫星跟踪结果数据并设置环路噪声带宽、阻尼比，最终绘制出DLL、PLL检相曲线；载波环路误差分析实验子模块和伪码环路误差分析实验子模块中，用户输入环路噪声带宽、CNR、CarrierPDI、W_n、阿伦均方差，得到热噪声均方差、稳态跟踪误差以及总体抖动误差。

所述的BDS/GPS定位实验模块包括坐标转换实验子模块、卫星位置实验子模块、接收机定位实验子模块和DOP分析实验子模块，其中时间转换实验和坐标转换实验分别完成时间系统和坐标系统的转换；卫星位置实验子模块中用户导入跟踪结果，并进行计算卫星位置，得到跟踪到卫星的星空图；接收机定位实验子模块中，软件弹出两个窗口分别代表利用最小二乘法和卡尔曼滤波法的定位结果，软件根据输入的导航电文计算出接收机位置，并绘制出ENU方向上的定位结果以及给出误差分析；DOP分析实验子模块中，用户导入mat格式的数据，软件绘制PDOP、HDOP、TDOP、VDOP和GDOP的图像。

分级处理具体表现在该实验平台将传统GNSS仿真实验平台中的位置解算细分为三部分：捕获、跟踪和接收机定位。导入硬件采集的GNSS中频数据，执行卫星信号的捕获，完成后结果自动储存在计算机中；将捕获结果输入到跟踪部分完成卫星信号的跟踪，跟踪结果同样自动储存；将跟踪结果输入到接收机定位部分完成最终定位结果的解算。用户可以查看每一步的输出结果，从而对数据质量进行评估，尽早发现问题，避免不必要的时间浪费；当定位结果出现较大偏差时，可以回溯每一步的结果，从而定位错误原因，有助于问题的解决。

所述的信号捕获实验子模块中具体的数据处理流程为：将输入的数字中频信号分别与与本地产生的正弦波和余弦波混频，对混频后的信号做傅里叶变换，变换后的结果与本地产生的C/A码傅里叶变换的共轭做乘法运算，其结果再做一次傅里叶反变换后取模，如果模值大于所设定的门限值则认为捕获成功，否则认为该卫星未捕获。

所述的卫星位置实验子模块中计算卫星位置的步骤包括：

1)计算计划时间t_k

t_k＝t-t_oe

其中t_oe来自星历，它是所有参数的参考时间；

2)计算卫星的平均角速度n

n＝n₀+Δn

其中n₀＝1.458555×10^-4；

3)计算信号发射时的平近点角M_k

M_k＝M₀+nt_k

其中M₀来自星历表；

4)计算发射信号时的偏近点角E_k

E_k＝M_k+esinE_k(E_k、M_kare in rads)

其中e是轨道偏心率

5)计算发射信号时的真近点角v_k

6)计算发射信号时的升交点角距

Φ_k＝v_k+ω

其中ω是轨道近地角距；

7)计算发射信号时的摄动校正项

δ_u＝Cu_ccos2Φ_k+C_ucsin2Φ_k

δ_r＝C_rccos2Φ_k+C_rcsin2Φ_k

δ_i＝C_iccos2Φ_k+C_icsin2Φ_k

其中C_uc是升交点角距余弦调和校正振幅；C_rc轨道半径余弦调和校正振幅；C_ic轨道倾角余弦调和校正振幅；

8)计算出的升交点角距u_k、卫星轨道半径长度r_k、摄动校正后的轨道倾角i_k为

u_k＝Φ_k+δ_u

r_k＝a(1-ecosE_k)+δ_r

i_k＝i₀+it_k+δ_i

9)计算轨道平面上的卫星位置(x_k′，y_k′)

x_k′＝r_kcosu_k

y_k′＝r_ksinu_k

10)计算升交点赤经

Ω_k＝Ω₀+(Ω-Ω_e)t_k-Ω_et_oe

其中Ω_e＝7.292115×10^-5rad/s为地球自转角速度；Ω₀为周内时等于0时的轨道升交点赤经；Ω为轨道升交点赤经对时间的变化率；

11)计算卫星位置：WGS-84到地心固定坐标(x_k，y_k，z_k)的转换

x_k＝x_k′cosΩ_k-y_k′cosi_ksinΩ_k

y_k＝x_k′sinΩ_k-y_k′cosi_kcosΩ_k

z_k＝y_k′sini_k

所述的接收机定位实验子模块中确定接收机位置通过以下的基本方程实现：

接收器位置(x_u，y_u，z_u)和b_u是未知数，伪距ρ_i和卫星位置(x_i，y_i，z_i)是已知的；

当将到卫星的伪距测量值和卫星位置代入方程后，可以如下方程组：

当i≥4时，计算出来接收机位置(x_u，y_u，z_u)和b_u。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明所述的GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，将硬件与具有GNSS卫星信号处理功能的软件平台结合到一起，能够实现GNSS卫星信号的接收和处理，同时具备多个仿真实验环节，该平台交互性良好，通过动画演示、卫星信号仿真和真实GNSS数据接收处理三种方式对卫星导航相关的基础知识和原理进行分类讲解；

该实验平台分级处理数据，将传统GNSS仿真实验平台中的位置解算细分为三部分：捕获、跟踪和接收机定位。导入硬件采集的GNSS中频数据，执行卫星信号的捕获，完成后结果自动储存在计算机中；将捕获结果输入到跟踪部分完成卫星信号的跟踪，跟踪结果同样自动储存；将跟踪结果输入到接收机定位部分完成最终定位结果的解算。用户可以查看每一步的输出结果，从而对数据质量进行评估，尽早发现问题，避免不必要的时间浪费；当定位结果出现较大偏差时，可以回溯每一步的结果，从而定位错误原因，有助于问题的解决。

软件采用单变量设置与组合变量设置相结合的模式，用户可以根据自身需要调整所需参数，也可以对检测待测数据进行性能评估。此外，软件为可执行文件类型，安装后即可使用，无需配置使用环境，而且软件小巧，对计算机性能要求低；本软件在安全方面也独树一帜，软件绑定计算机的CPU序列号，安全性高，使用方便，不依赖硬件设备。解决了现有技术中出现的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的整体连接框图；

图2为本发明实施例中卫星轨道显示图；

图3为本发明实施例中卫星星下点轨迹显示图；

图4为本发明实施例中导航电文帧结构图；

图5为本发明实施例中导航电文显示图；

图6为本发明实施例中m序列生成原理图

图7为本发明实施例中Gold序列生成原理图；

图8为本发明实施例中伪随机码分析实验子模块显示图；

图9为本发明实施例中导航电文数据码的生成原理图

图10为本发明实施例中BCH(15,11,1)编码框图；

图11为本发明实施例中扩频调制实验子模块显示图；

图12为本发明实施例中信号调制实验子模块显示图；

图13为本发明实施例中信号捕获实验子模块显示图；

图14为本发明实施例中信号捕获的流程图；

图15为本发明实施例中环路滤波系数实验子模块显示图；

图16为本发明实施例中信号跟踪原理图；

图17为本发明实施例中信号跟踪实验子模块显示图；

图18为本发明实施例中环路分析实验子模块显示图；

图19为本发明实施例中载波环路误差分析实验子模块显示图；

图20为本发明实施例中伪码环路误差分析实验子模块显示图；

图21为本发明实施例中时间转换实验子模块显示图；

图22为本发明实施例中坐标转换实验子模块显示图；

图23为本发明实施例中卫星位置实验子模块显示图；

图24为本发明实施例中接收机定位实验子模块显示图；

图25为本发明实施例中DOP分析实验子模块显示图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1：

如图1所示，本发明所述的GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，包括GNSS卫星信号接收天线、射频前端处理设备以及数据处理计算机，GNSS卫星信号天线接收GNSS卫星信号，射频前端处理设备将GNSS卫星信号经过前端处理后将处理后的信号通过通讯接口传输到数据处理计算机中，数据处理计算机接收到信号后进行信号捕捉、跟踪，得到GNSS卫星定位信息并对精度因子进行分析实验，数据处理计算机内的实验模块包括BDS/GPS星座实验模块、BDS/GPS卫星信号实验模块、BDS/GPS卫星信号捕获实验模块、BDS/GPS卫星信号跟踪实验模块和BDS/GPS定位实验模块，上述各个模块之间相互独立，数据分级处理，每一级的结算结果自动保存并且作为下一级的输入。

为了进一步说明上述实施例，射频前端处理设备包括第一级带通滤波器、第一级放大器、第二级带通滤波器、混频器、第三级带通滤波器、第二级放大器和A/D转换器，上述各个装置依次连接，其中第一级带通滤波器连接GNSS卫星信号接收天线，A/D转换器通过USB接口连接数据处理计算机。

本实施例的工作原理为：将具有GNSS卫星信号接收功能的硬件与具有GNSS卫星信号处理功能的软件平台结合到一起，使得该GNSS卫星信号接收分级处理回放研习平台可以进行仿真与真实GNSS信号的处理。

硬件部分由GNSS天线和射频前端两大部分组成，该部分的功能是接收GNSS卫星信号，并将数字中频信号通过USB串口传输到计算机中。软件部分共分为五大部分——BDS/GPS星座实验、BDS/GPS卫星信号实验、BDS/GPS卫星信号捕获实验、BDS/GPS卫星信号跟踪实验以及BDS/GPS定位实验，该平台交互性良好，通过动画演示、卫星信号仿真和真实GNSS数据接收处理三种方式对卫星导航相关的基础知识和原理进行分类讲解。软件采用单变量设置与组合变量设置相结合的模式，用户可以根据自身需要调整所需参数，也可以对检测待测数据进行性能评估。此外，软件为可执行文件类型，安装后即可使用，无需配置使用环境，本软件在安全方面也独树一帜，软件绑定计算机的CPU序列号，安全性高，使用方便，不依赖硬件设备；将传统GNSS仿真实验平台中的位置解算细分为三部分：捕获、跟踪和定位。导入硬件采集的GNSS中频数据，执行卫星信号的捕获，完成后结果自动储存在计算机中；将捕获结果输入到跟踪部分完成卫星信号的跟踪，跟踪结果同样自动储存；将跟踪结果输入到接收机定位部分完成最终定位结果的解算。用户可以查看每一步的输出结果，从而对数据质量进行评估，尽早发现问题，避免不必要的时间浪费；当定位结果出现较大偏差时，可以回溯每一步的结果，从而定位错误原因，有助于问题的解决。

实施例2：

如图2-25所示，在实施例1的基础上，BDS/GPS星座实验模块包括卫星轨道实验子模块和卫星星下点轨迹实验子模块，其中卫星轨道试验子模块中通过设置轨道参数来模拟北斗和GPS卫星的运行轨道，轨道参数包括轨道升交点、平近点角、轨道高度、轨道倾角、偏心率和轨道半长轴。

(1)轨道升交点Ω：从春分点到升交点(航天器从南半球到北半球通过赤道平面的点)的角度。

(2)偏心率e：确定轨道形状的参数。对于椭圆轨道，即椭圆轨道的偏心率。

(3)轨道高度：卫星在太空绕地球运行的轨道距地球表面的高度。

(4)轨道半长轴a：确定轨道面大小的参数。对于椭圆轨道，即椭圆轨道的半长轴。

(5)轨道倾角i：赤道平面与轨道平面之间的夹角。

(6)平近点角M：根据r＝a(1-e cos E)的定义，只能通过解析几何看到，E为偏近点角。E＝0和E＝180°分别对应近地点角和远地点角。偏近点角与真近点角的关系如下所述：

如果定义卫星运行一圈的时间间隔为T(轨道周期)，卫星运动的平均角速度如下所述：

进一步的平近点角M＝n(t)，若卫星通过近地点的时刻为t_p,卫星的平均角速度为n,则任一时刻的平近点角M＝n(t-t_p)。

如图2-3所示，对卫星轨道参数的位置和状态的描述称为轨道参数，也称为轨道要素或轨道元素。需要六个参数以确定航天器运行轨道，这六个轨道参数包括轨道倾角i、轨道半长轴α、偏心率e、升交角Ω、轨道高度和平近点角M。这些参数决定了轨道平面的空间位置，航天器在轨道平面内的运动方向，轨道形状和航天器在轨道中的位置。在卫星轨道实验中用户可以设置升交点、平均近地角、轨道高度、轨道倾角、偏心率和轨道长半轴6个参数来模拟北斗和GPS卫星的运行轨道。北斗系统和GPS系统的卫星轨道参数是公开已知的，用户可以查询相关参数进行轨道模拟。

通常轨道运动中的航天器在地球表面的垂直投影点，被称为星下点。随着航天器围绕地球运动和地球自身的旋转运动，星下点相应地移动形成的星下点轨道被称为星下点轨迹。

计算的t时刻下卫星星下点的经度和纬度。

首先，给定一组熟知的航天器轨道设计参数e、i、Ω，当前时刻下升交点的地理经度。然后，可采用如下步骤计算时刻t下的航天器地理纬度和经度。

(1)找到近地点的时刻。M₀和τ可用下式计算：

(2)求解时刻t下的平近点角M₀可如下计算：

(3)偏近点角E的求解：

E_i+1＝M+esinE_i

(4)求解时间t下的真近点角f。

(5)计算U＝ω+f。

(6)求解时刻t下的地理纬度：

(7)求解时刻t下的地理经度λ：

λ＝Δλ+λ_Ω-ω_e(t-t₀)

其中ω_e是地球自传角速度，其值为0.0041781°/s或15°/小时(近似)；航天器轨道时间点(计算的点时刻)升交点的地理经度。

Δλ＝arctg(cositgu)

这样就可以得到t时刻下卫星星下点的经度和纬度，画出卫星的星下点轨迹。

BDS/GPS卫星信号实验模块包括导航电文实验子模块、伪随机码分析实验子模块、扩频调制实验子模块和信号调制实验子模块，其中导航电文实验子模块用于生成导航电文并且进行保存，然后用户可以选择导航电文的帧号和子帧号，同时给出该子帧中十个字的具体比特信息并以示意图的方式显示；伪随机码分析实验子模块用于显示北斗和GPS系统所用的伪随机码，并且根据用户需要生成相应的伪随机序列并绘制自相关图像和互相关图像，扩频调制实验子模块用于导入导航电文数据，生成扩频后的基带信号并保存；信号调制实验子模块用于导入扩频调制实验子模块中生成的伪码基带信号，设置中频、采样频率、多普勒频率、伪码速率、初始伪码相位和仿真时间长度六个参数，生成中频信号并保存。

中频：将基带信号上变频到中频，默认值为2倍的伪码速率。

采样频率：根据奈奎斯特采样定理，采样频率需要大于两倍的最高频率。

多普勒频率：默认值为9Khz。

伪码速率：北斗系统的伪码速率为2.046MHz，GPS系统的伪码速率为1.023MHz。

初始码相位：默认值为1500。

仿真时间长度：仿真持续时间，默认值为5秒。

如图4所示，D1导航电文由超帧、主帧和子帧组成。每个超帧为36000比特，历时12分钟，每个超帧由24个主帧组成(24个页面)；每个主帧为1500比特，历时30秒，每个主帧由5个子帧组成；每个子帧为300比特，历时6秒，每个子帧由10个字组成；每个字为30比特，历时0.6秒。每个字由导航电文数据及校验码两部分组成。每个子帧第1个字的前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，信息位共有26比特；其它9个字均采用BCH(15,11,1)加交织方式进行纠错编码，信息位共有22比特。

在导航电文实验子模块中,生成一周的导航电文并且以txt格式保存在软件所在文件夹下，然后用户可以选择导航电文的帧号和子帧号，软件便会给出该子帧中十个字的具体比特信息并以示意图的方式显示，实验结果如图5所示。

如图6所示，m序列由一个n级线性移位寄存器产生，m序列的周期为P＝2n-1。

如图7所示，Gold序列是由一对周期和速率都相同但码字不同的m序列是模2相加得到的。B1I和B2I信号测距码(以下简称CB1I码和CB2I码)的码速率为2.046Mcps，码长为2046。B1I码和B2I码均由两个线性序列G1和G2模二加产生平衡Gold码后截短1码片生成。

当运行伪随机码分析实验子模块时，软件会弹出三个窗口分别显示m序列、gold序列以及北斗和GPS系统所用的伪随机码，根据用户需要生成相应的伪随机序列并绘制自相关图像和互相关图像，实验结果如图8所示。

如图8所示，选择生成编号为01和08的PRN码，软件根据北斗或者GPS的伪随机码发生器生成相应的伪随机序列。软件将编号为01的PRN码以电平值的形式绘制出来，其中电平+1代表二进制0，电平-1代表二进制1。将两列编号为01的伪码序列做自相关运算并将结果归一化，可以绘制出伪码序列的自相关图像。将编号为01和08的伪随机序列做互相关运算并将结果归一化，可以绘制出伪码序列的互相关图像。

导航电文采取BCH(15,11,1)码加交织方式进行纠错。BCH码长为15比特，信息位为11比特，纠错能力为1比特，其生成多项式为g(X)＝X4+X+1。导航电文数据码按每11比特顺序分组，对需要交织的数据码先进行串/并变换，然后进行BCH(15,11,1)纠错编码，每两组BCH码，按1比特顺序进行并/串变换，组成30比特码长的交织码，其生成方式如图9所示。

如图10所示，BCH(15,11,1)编码框图。其中，4级移位寄存器的初始状态为全0，门1开，门2关，输入11比特信息组X，然后开始移位，信息组一路经或门输出，另一路进入g(X)除法电路，经11次移位后11比特信息组全部送入电路，此时移位寄存器内保留的即为校验位，最后门1关，门2开，再经过4次移位，将移位寄存器的校验位全部输出，与原先的11比特信息组成一个长为15比特BCH码。门1开，门2关，送入下一个信息组重复上述过程。

在扩频调制实验子模块中，导入mat格式的导航电文数据，生成扩频后的基带信号并保存，实验结果如图11所示。

在信号调制实验子模块中，导入扩频调制生成的伪码基带信号，设置中频、采样频率、多普勒频率、伪码速率、初始伪码相位和仿真时间长度六个参数，生成中频信号并保存，实验结果如图12所示。

BDS/GPS卫星信号捕获实验模块包括信号捕获实验子模块，信号捕获实验子模块中用户导入中频信号，并设置搜索带宽、搜索频点和捕获阈值三个参数来执行卫星捕获，完成后显示被捕获卫星的星空图以及星号、频率、多普勒和码相位偏移参数。

捕获的目的是识别所有用户可见卫星。在捕获过程中，必须确定信号的两个参数，分别为载波频率和伪码相位。接收信号s是来自所有n个可见卫星的信号的组合

s(t)＝s¹(t)+s²(t)+…+sⁿ(t)

当捕获卫星k时，输入信号s乘以对应于卫星k的本地B1I/B2I PRN码。不同卫星的B1I/B2I PRN码之间的互相关性近似为零，意味着该运算几乎可以去除来自其他卫星的信号。为避免同时滤除所需信号，本地B1I/B2I PRN码必须正确对齐，即与接收信号中的伪随机码的码相位相同。在乘以本地伪码之后，必须将结果信号再与NH码和本地载波分别相乘。这样做是为了滤除接收信号中的NH码和载波。为了从信号中滤除载波，本地载波信号的频率必须接近接收信号中真实的载波频率。载波频率的不确定范围为：标称频率±10kHz，因此必须测试该范围内的不同频率。为了确定真实的载波频率，以500Hz为步长搜索载波频率就足够了。对于快速移动的BDS接收机来说，需搜索41个不同的频率点，而静态接收机只需搜索21个频率点即可。在与本地载波混频之后，对所有信号分量进行平方和运算，输出运算结果。捕获过程是一种搜索过程。对于每个不同的载波频率、2046个不同的伪码相位进行搜索。当搜索完所有的码相位和载波频率时，区最大的相关输出值进行研究。如果最大相关值超过指定的阈值，则将对应的载波频率和伪码相位作为卫星信号捕获算法的输出。下图显示了典型的可见卫星捕获算法输出的结果。该图有显著的高峰，表明本地信号与输入信号高度相关。

BDS/GPS卫星信号捕获实验包含信号捕获实验子模块，用户导入bin格式的中频信号，并设置搜索带宽、搜索频点和捕获阈值三个参数来执行卫星捕获，完成后显示被捕获卫星的星空图以及星号、频率、多普勒和码相位偏移等参数，实验结果如图13所示。具体的数据处理流程为将输入的数字中频信号分别与与本地产生的正弦波和余弦波混频，对混频后的信号做傅里叶变换，变换后的结果与本地产生的C/A码傅里叶变换的共轭做乘法运算，其结果再做一次傅里叶反变换后取模，如果模值大于所设定的门限值则认为捕获成功，否则认为该卫星未捕获，如图14所示。

BDS/GPS卫星信号跟踪实验模块包括环路滤波系数实验子模块、信号跟踪实验子模块、跟踪环路分析实验子模块、载波环路误差分析实验子模块和伪码环路误差分析实验子模块，其中环路滤波系数实验子模块用于设置PLL环路和DLL环路的环路噪声带宽、阻尼比和环路增益三个参数，软件给出自然频率、阻尼比、tau1carr和tau2carr四个环路系数；信号跟踪实验子模块用于用户导入卫星捕获结果数据，并根据需要设置环路滤波器系数以及跟踪参数，完成跟踪后得到卫星伪距ρ和I路Q路的超前、即时、滞后支路的跟踪结果；跟踪环路分析实验子模块中用户导入卫星跟踪结果数据并设置环路噪声带宽、阻尼比，最终绘制出DLL、PLL检相曲线；载波环路误差分析实验子模块和伪码环路误差分析实验子模块中，用户输入环路噪声带宽、CNR、CarrierPDI、W_n、阿伦均方差，得到热噪声均方差、稳态跟踪误差以及总体抖动误差。

在环路滤波器系数实验中，用户可以分别设置PLL环路和DLL环路的环路噪声带宽、阻尼比和环路增益三个参数，软件给出自然频率、阻尼比、tau1carr和tau2carr四个环路系数，实验结果如图15所示。

自然频率W_n：压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率,称为电路的自然频率；

阻尼系数ζ：放大器的额定负载阻抗与功率放大器实际阻抗的比值。

tau1carr和tau2carr：载波环路滤波器系数，分别对应方程中的τ₁、τ₂；

(3)参照下面的源代码导出环路滤波器系数(τ₁，τ₂)

W_n＝str2num(LBW)*8*str2num(ζ)/(4*str2num(ζ)^2+1)；

tau1carr＝str2num(k)/(W_n*W_n)；

tau2carr＝2.0*str2num(ζ)/W_n；

跟踪信号的基本方法是建立一个让输入信号刚好通过的窄带滤波器并跟随该输入信号的变化。当输入信号的频率随时间变化时，滤波器的中心频率必须跟随信号的这一变化。在实际跟踪过程中，窄带滤波器的中心频率是固定的，但本地生产信号要跟随输入信号频率的变化。输入信号和本地信号的相位通过相位比较器进行比较，相位比较器的输出通过一个窄带滤波器。BDS信号中，B1I/B2I PRN码相位翻转会导致载波信号相位的移动，因此，为了跟踪BDS信号，必须首先剥离B1I/B2I PRN码。可见，BDS信号跟踪需要两个跟踪环路，一个环路用于跟踪载波频率，被称为载波环路。另一个用于跟踪B1I/B2I PRN码，被称为伪码跟踪环路。根据BDS信号采用BPSK调制，并且信号较弱，BDS接收机及其锁相环通常采用I/Q解调方法来实现对输入信号的载波和B1I/B2I PRN码的剥离、相位鉴别和数据解调；BDS信号跟踪原理如图16所示。

载波环路的输出具有与输入信号相同的载波频率，该信号用于从数字化输入信号中剥离载波。这意味着使用该信号来乘以输入信号，输出信号中只有B1I/B2I PRN码而没有载频信号，该输出信号被输入到伪码环路的输入端。B1I/B2I PRN码环路生成三个输出：超前码、滞后码和即时码。即时码应用于数字化输入信号，并从输入信号中去除B1I/B2I PRN码。剥离B1I/B2I PRN码意味着将B1I/B2I PRN码以适当的相位与输入信号相乘。捕获程序确定B1I/B2I PRN码的开始相位。伪码环路产生超前和滞后的B1I/B2I PRN码，这两个B1I/B2I PRN码与即时码的时间偏移通常约为半个码片或更少。超前码、滞后码与输入B1I/B2IPRN码相关产生两个输出，比较这两个输出信号的幅度以便生成控制信号，去调整本地B1I/B2I PRN码的速率以匹配输入信号中的B1I/B2I PRN码，使码环复制出的即时码与接收到的B1I/B2I PRN码保持一致，即完成了信号的跟踪。码环复制出的B1I/B2I PRN码与本地码发生器生成的B1I/B2I PRN码存在相位差CP，对北斗系统而言。其值在0～2014码片之间，而且通常不是个整数。

利用如下公式得到卫星信号发射时间t_s

其中TOW是以秒为单位的周内时，由导航电文读出；

w是接收机已接收到的完整的导航电文数据码的字的个数；

b是在当前字中，接收机以接收到的完整的导航电文的比特数；

c为真空中光速，取299792457m/s；

然后利用如下公式得到卫星的伪距测量值ρ

P(t)＝c(t_u-t_s)

其中tu是接收机接收到信号的时间，由系统时间直接读出；t_s为卫星信号发射时间；c为真空中光速，取299792457m/s。

在信号跟踪实验中，用户导入bin格式的卫星捕获结果数据，并根据需要设置环路滤波器系数以及跟踪参数，完成跟踪后得到伪距ρ和I路Q路的超前、即时、滞后支路的跟踪结果，实验结果如图17所示。

在环路分析实验中，用户导入bin格式的卫星跟踪结果数据并设置环路噪声带宽、阻尼比，最终绘制出DLL、PLL检相曲线，实验结果如图18所示。

在载波环路误差分析和伪码环路误差分析两个实验中，用户输入环路噪声带宽、CNR、CarrierPDI、W_n、阿伦均方差，得到热噪声均方差、稳态跟踪误差以及总体抖动误差，实验结果如图19、20所示。

BDS/GPS定位实验模块包括坐标转换实验子模块、卫星位置实验子模块、接收机定位实验子模块和DOP分析实验子模块，其中时间转换实验和坐标转换实验分别完成时间系统和坐标系统的转换；卫星位置实验子模块中用户导入跟踪结果，并进行计算卫星位置，得到跟踪到卫星的星空图；接收机定位实验子模块中，软件弹出两个窗口分别代表利用最小二乘法和卡尔曼滤波法的定位结果，软件根据输入的导航电文计算出接收机位置，并绘制出ENU方向上的定位结果以及给出误差分析；DOP分析实验子模块中，用户导入mat格式的数据，软件绘制PDOP、HDOP、TDOP、VDOP和GDOP的图像。

卫星位置实验子模块中计算卫星位置的步骤包括：

1)计算计划时间t_k

t_k＝t-t_oe

其中t_oe来自星历，它是所有参数的参考时间；

2)计算卫星的平均角速度n

n＝n₀+Δn

其中n₀＝1.458555×10^-4

3)计算信号发射时的平近点角M_k

M_k＝M₀+nt_k

其中M₀来自星历表

4)计算发射信号时的偏近点角E_k

E_k＝M_k+esinE_k(E_k、M_kare in rads)

其中e是轨道偏心率；

5)计算发射信号时的真近点角v_k

6)计算发射信号时的升交点角距

Φ_k＝v_k+ω

其中ω是轨道近地角距

7)计算发射信号时的摄动校正项

δ_u＝C_uccos2Φ_k+C_ucsin2Φ_k

δ_r＝C_rccos2Φ_k+C_rcsin2Φ_k

δ_i＝C_iccos2Φ_k+C_icsin2Φ_k

其中C_uc是升交点角距余弦调和校正振幅；C_rc轨道半径余弦调和校正振幅；C_ic轨道倾角余弦调和校正振幅；

8)计算出的升交点角距u_k、卫星轨道半径长度r_k、摄动校正后的轨道倾角i_k为

u_k＝Φ_k+δ_u

r_k＝a(1-ecosE_k)+δ_r

i_k＝i₀+it_k+δ_i

9)计算轨道平面上的卫星位置(x_k′，y_k′)

x_k′＝r_kcosu_k

y_k′＝r_ksinu_k

10)计算升交点赤经

Ω_k＝Ω₀+(Ω-Ω_e)t_k-Ω_et_oe

其中Ω_e＝7.292115×10^-5rad/s为地球自转角速度；Ω₀为周内时等于0时的轨道升交点赤经；Ω为轨道升交点赤经对时间的变化率；

11)计算卫星位置：WGS-84到地心固定坐标(x_k，y_k，z_k)的转换

x_k＝x_k′cosΩ_k-y_k′cosi_ksinΩ_k

y_k＝x_k′sinΩ_k-y_k′cosi_kcosΩ_k

z_k＝y_k′sini_k

时间转换实验子模块显示如图21所示；坐标转换实验子模块显示如图22所示；在卫星位置实验中，用户导入bin格式的跟踪结果，点击“计算卫星位置”，得到跟踪到卫星的星空图，实验结果如图23所示。

将跟踪的结果输入到“卫星位置实验”中，根据上述公式便可以计算出某一时刻所有跟踪到的卫星在天空中的ECEF坐标(x_k，y_k，z_k)，然后根据坐标画出卫星的星空图。如图23所示，共有6颗卫星被跟踪到，分别是1、3、6、7、9、10号卫星，其中7号卫星的仰角约为72°，方位角约为北偏西45°。

接收机定位实验子模块中确定接收机位置通过以下的基本方程实现：

接收器位置(x_u，y_u，z_u)和接收机钟差b_u是未知数；卫星的伪距测量值ρ_i和卫星位置(x_i，y_i，z_i)是已知的；卫星的伪距测量值ρ在BDS/GPS卫星信号跟踪实验模块已经计算出来，ρ_i表示某一卫星的伪距测量值，与卫星的伪距测量值ρ计算相同。

当将到卫星的伪距测量值和卫星位置代入方程后，可以得到如下方程组：

当i≥4时，计算出来接收机位置(x_u，y_u，z_u)和b_u。

如图24所示，根据每时刻的卫星位置以及伪距可以计算出此时的接收机位置，由于伪距的测量存在误差，所以每一时刻的接收机位置都不会相同，图中画出了所有时刻离散的定位坐标以及E、N、U三个方向上的位置变化，最后取其平均值(5.133×10⁵，4.002×10⁶，-0.6452)作为接收机的位置，并得到误差三个方向上的误差分别为10.1082m、10.7665m和40.3751m。

已经开发出了求解非线性方程组的不同方法，例如最小二乘法(LSM)和扩展卡尔曼滤波器法。当运行接收机定位实验时，软件弹出两个窗口分别代表利用最小二乘法和卡尔曼滤波法的定位结果，软件根据输入的导航电文计算出接收机位置，并绘制出ENU方向上的定位结果以及给出误差分析，实验结果如图24所示。

在导航科学领域中，使用精度因子(DOP)的概念来表示误差放大倍数。为了计算定位误差的均值和方差，我们对测量误差模型做了以下两个假设：

(1)所有卫星的测量误差都呈现相同的正态分布，平均值为0，方差为/>/>

其中n＝1，2，...，N

(2)测量误差向量的协方差矩阵/>为对角矩阵；

定位误差协方差矩阵是：

矩阵H：

H＝(G^TG)^-1

通常称为权重系数矩阵，它是一个4×4的对称矩阵。

精度因子可以从权重系数矩阵H中获得。定位误差协方差矩阵，其对角元素是相应的定位误差的方差，即和/>h_ii表示权重系数矩阵H的对角线元素：

三维空间定位误差σ_ρ的标准偏差为

我们可以如下定义：

PDOP称为空间位置精度因子，TDOP称为钟差精度因子，GDOP称为几何精度因子，t_r表示矩阵轨迹算子。为了定义水平方向和垂直方向的定位精度因子，需要将地心直角坐标系转换为站心坐标系。通过坐标转换方程，可以导出站心坐标系下的定位误差协方差矩阵：

定义DOP值：

HDOP称为水平位置精度因子，VDOP称为高程精度因子。

最后，在DOP分析实验中，用户导入mat格式的观测数据，软件绘制PDOP、HDOP、TDOP、VDOP和GDOP的图像，实验结果如图25所示。

导入观测数据，利用上述公式计算得到PDOP、HDOP、TDOP、VDOP和GDOP，根据计算结果绘制出DOP曲线，如图25所示，实验过程中跟踪到的卫星数量始终保持在6颗，HDOP从6.39线性增加到6.41，VDOP由3.058增加到3.068，PDOP由7.084增加到7.108，TDOP由6.127增加到6.144，GDOP由9.365增加到9.393。

采用以上结合附图描述的本发明的实施例的GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，将硬件与具有GNSS卫星信号处理功能的软件平台结合到一起，能够实现GNSS卫星信号的接收和处理，同时具备多个仿真实验环节，解决了现有技术中出现的问题。但本发明不局限于所描述的实施方式，在不脱离本发明的原理和精神的情况下这些对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，其特征在于：包括GNSS卫星信号接收天线、射频前端处理设备以及数据处理计算机，GNSS卫星信号天线接收GNSS卫星信号，射频前端处理设备将GNSS卫星信号经过前端处理后将处理后的信号通过通讯接口传输到数据处理计算机中，数据处理计算机接收到信号后进行信号捕捉、跟踪，得到GNSS卫星定位信息并对精度因子进行分析实验，数据处理计算机内的实验模块包括BDS/GPS星座实验模块、BDS/GPS卫星信号实验模块、BDS/GPS卫星信号捕获实验模块、BDS/GPS卫星信号跟踪实验模块和BDS/GPS定位实验模块，各个模块之间相互独立，数据分级处理，每一级的结算结果自动保存并且作为下一级的输入；所述的BDS/GPS星座实验模块包括卫星轨道实验子模块和卫星星下点轨迹实验子模块，其中卫星轨道试验子模块中通过设置轨道参数来模拟北斗和GPS卫星的运行轨道，轨道参数包括轨道升交点、平均近地角、轨道高度、轨道倾角和轨道长半轴；所述的BDS/GPS卫星信号实验模块包括导航电文实验子模块、伪随机码分析实验子模块、扩频调制实验子模块和信号调制实验子模块，其中导航电文实验子模块用于生成导航电文并且进行保存，然后用户可以选择导航电文的帧号和子帧号，同时给出该子帧中十个字的具体比特信息并以示意图的方式显示；伪随机码分析实验子模块用于显示北斗和GPS系统所用的伪随机码，并且根据用户需要生成相应的伪随机序列并绘制自相关图像和互相关图像，扩频调制实验子模块用于导入导航电文数据，生成扩频后的基带信号并保存；信号调制实验子模块用于导入扩频调制实验子模块中生成的伪码基带信号，设置中频、采样频率、多普勒频率、伪码速率、初始伪码相位和仿真时间长度六个参数，生成中频信号并保存；所述的BDS/GPS卫星信号捕获实验模块包括信号捕获实验子模块，信号捕获实验子模块中用户导入中频信号，并设置搜索带宽、搜索频点和捕获阈值三个参数来执行卫星捕获，完成后显示被捕获卫星的星空图以及星号、频率、多普勒和码相位偏移参数。

2.根据权利要求1所述的GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，其特征在于：所述的射频前端处理设备包括第一级带通滤波器、第一级放大器、第二级带通滤波器、混频器、第三级带通滤波器、第二级放大器和A/D转换器，各个装置依次连接，其中第一级带通滤波器连接GNSS卫星信号接收天线，A/D转换器通过USB接口连接数据处理计算机。

3.根据权利要求1所述的GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，其特征在于：所述的BDS/GPS卫星信号跟踪实验模块包括环路滤波系数实验子模块、信号跟踪实验子模块、跟踪环路分析实验子模块、载波环路误差分析实验子模块和伪码环路误差分析实验子模块，其中环路滤波系数实验子模块用于设置PLL环路和DLL环路的环路噪声带宽、阻尼比和环路增益三个参数，软件给出自然频率、阻尼比、tau1carr和tau2carr四个环路系数；信号跟踪实验子模块用于用户导入卫星捕获结果数据，并根据需要设置环路滤波器系数以及跟踪参数，完成跟踪后得到伪距ρ和I路Q路的超前、即时、滞后支路的跟踪结果；跟踪环路分析实验子模块中用户导入卫星跟踪结果数据并设置环路噪声带宽、阻尼比，最终绘制出DLL、PLL检相曲线；载波环路误差分析实验子模块和伪码环路误差分析实验子模块中，用户输入环路噪声带宽、CNR、CarrierPDI、W_n、阿伦均方差，得到热噪声均方差、稳态跟踪误差以及总体抖动误差；其中：W_n为自然频率，压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的自然频率；tau1carr和tau2carr为载波环路滤波器系数。

4.根据权利要求1所述的GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，其特征在于：所述的BDS/GPS定位实验模块包括坐标转换实验子模块、卫星位置实验子模块、接收机定位实验子模块和DOP分析实验子模块，其中时间转换实验和坐标转换实验分别完成时间系统和坐标系统的转换；卫星位置实验子模块中用户导入跟踪结果，并进行计算卫星位置，得到跟踪到卫星的星空图；接收机定位实验子模块中，软件弹出两个窗口分别代表利用最小二乘法和卡尔曼滤波法的定位结果，软件根据输入的导航电文计算出接收机位置，并绘制出ENU方向上的定位结果以及给出误差分析；DOP分析实验子模块中，用户导入mat格式的数据，软件绘制PDOP、HDOP、TDOP、VDOP和GDOP的图像。

5.根据权利要求1所述的GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，其特征在于：所述的信号捕获实验子模块中具体的数据处理流程为：将输入的数字中频信号分别与本地产生的正弦波和余弦波混频，对混频后的信号做傅里叶变换，变换后的结果与本地产生的C/A码傅里叶变换的共轭做乘法运算，其结果再做一次傅里叶反变换后取模，如果模值大于所设定的门限值则认为捕获成功，否则认为该卫星未捕获。

6.根据权利要求4所述的GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，其特征在于：所述的卫星位置实验子模块中计算卫星位置的步骤包括：

1)计算计划时间t_k

t_k＝t-t_oe

其中t_oe来自星历，它是所有参数的参考时间；

2)计算卫星的平均角速度n

n＝n₀+Δn

其中n₀＝1.458555×10^-4；

3)计算信号发射时的平近点角M_k

M_k＝M₀+nt_k

其中M₀来自星历表；

4)计算发射信号时的偏近点角E_k

E_k＝M_k+e sinE_k(E_k、M_kare inrads)

其中e是轨道偏心率；

5)计算发射信号时的真近点角v_k

6)计算发射信号时的升交点角距

Φ_k＝v_k+ω

其中ω是轨道近地角距；

7)计算发射信号时的摄动校正项

δ_u＝C_uccos2Φ_k+C_ucsin2Φ_k

δ_r＝C_rccos2Φ_k+C_rcsin2Φ_k

δ_i＝C_iccos2Φ_k+C_icsin2Φ_k

其中C_uc是升交点角距余弦调和校正振幅；C_rc轨道半径余弦调和校正振幅；C_ic轨道倾角余弦调和校正振幅；

8)计算出的升交点角距u_k、卫星轨道半径长度r_k、摄动校正后的轨道倾角i_k为

u_k＝Φ_k+δ_u

r_k＝a(1-e cosE_k)+δ_r

i_k＝i₀+it_k+δ_i

9)计算轨道平面上的卫星位置(x_k′，y_k′)

x_k′＝r_kcosu_k

y_k′＝r_ksinu_k

10)计算升交点赤经

Ω_k＝Ω₀+(Ω-Ω_e)t_k-Ω_et_oe

其中

Ω_e＝7.292115×10^-5rad/s为地球自转角速度；Ω₀为周内时等于0时的轨道升交点赤经；Ω为轨道升交点赤经对时间的变化率；

11)计算卫星位置：WGS-84到地心固定坐标(x_k，y_k，z_k)的转换

x_k＝x_k′cosΩ_k-y_k′cos i_ksinΩ_k

y_k＝x_k′sinΩ_k-y_k′cos i_kcosΩ_k

z_k＝y_k′sini_k。

7.根据权利要求4所述的GNSS卫星信号接收分级处理仿真实验平台，其特征在于：所述的接收机定位实验子模块中确定接收机位置通过以下的基本方程实现：

接收器位置(x_u，y_u，z_u)和b_u是未知数，卫星伪距测量值ρ_i和卫星位置(x_i，y_i，z_i)是已知的；

当将到卫星的伪距测量值和卫星位置代入方程后，可以如下方程组：

当i≥4时，计算出来接收机位置(x_u，y_u，z_u)和b_u。