CN110031873B - Gnss多径信号模拟方法和gnss多径信号模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于卫星导航领域，提供了一种GNSS多径信号模拟方法和GNSS多径信号模拟器。所述方法包括：根据多径卫星信号模拟参数计算得到每个多径信道中的多径信号幅度以及多径信号和直射信号到达接收机前端的时间差；根据模拟源的仿真参数和多径信号到达接收机前端的时间计算得到满足多径信号相位延迟量要求的多径信号的频率控制字；根据多径信号的频率控制字生成一路或多路多径正弦载波和伪码信号；将伪码信号与卫星导航电文数据进行扩频调制，并将扩频调制后的数据再次调制到多径正弦载波上，得到多径数字中频信号。本发明的方法生成的多径信号的码相位和载波相位分辨率高、相位调控精细，且生成的卫星信号鲁棒性好、逼真度高和信号连续性优。

Description

GNSS多径信号模拟方法和GNSS多径信号模拟器
技术领域
本发明属于卫星导航领域，尤其涉及一种GNSS多径信号模拟方法和GNSS多径信号模拟器。
背景技术
近年来，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的用户对卫星导航定位的精度要求越来越高，所以如何解决卫星信号接收机的定位误差，提高定位精度是目前卫星导航领域研究的重点和趋势。
影响接收机定位精度的误差主要有星载时钟误差、星历精度误差、电离层对流层闪烁误差、多径效应误差等。这些影响接收机定位精度的误差中除了多径效应误差外其他的误差都可以利用差分技术纠正，因此多径效应成为各种卫星信号接收机实际使用环境中的主要误差来源。在多径效应干扰强烈的环境中，经过各种物体反射的多径信号对接收机的CA码跟踪环路和载波相位锁定环路的影响所造成的定位精度误差甚至可以达到几十米的量级，因此，在对卫星导航信号接收机的抗多径性能进行分析和对各种多径效应抑制算法的效果进行分析和检验时就需要GNSS卫星信号模拟器能反复产生相同的参数的多径信号，同时还要求模拟的GNSS多径信号与直射信号之间的时延和相位差均可精确控制。
在GNSS系统中，卫星导航信号的伪码相位延时量直接决定了导航接收机的定位精度，多径现象对卫星导航信号伪码造成的延时效应与对载波相位造成的滞后程度相关。现有技术的模拟GNSS多径信号的方法是将模拟的直射信号通过简单的延时得到多径信号分量，然而，这种方法受时钟的频率限制，导致生成的多径信号相位分辨率不高，相位调控精度粗糙。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GNSS多径信号模拟方法和GNSS多径信号模拟器，旨在解决现有技术的模拟GNSS多径信号的方法受时钟的频率限制，导致生成的多径信号相位分辨率不高，相位调控精度粗糙的问题。
第一方面，本发明提供了一种GNSS多径信号模拟方法，所述方法包括：
S101、数字信号处理器接收上位机发送的模拟源的仿真参数和多径卫星信号模拟参数；
S102、数字信号处理器根据多径卫星信号模拟参数计算得到每个多径信道中的多径信号幅度以及多径信号和直射信号到达GNSS接收机前端的时间差；
S103、数字信号处理器根据模拟源的仿真参数和多径信号到达GNSS接收机前端的时间，计算出多径信号相较于直射信号的载波相位延迟量和码相位延迟量，再由载波相位延迟量和码相位延迟量计算出相应的载波和伪码频率控制字偏差量，接着在直射信号的频率控制字的基础上增加或减少频率控制字偏差量作为满足多径信号载波和伪码相位延迟量要求的多径信号的频率控制字，并将多径信号的频率控制字和直射信号的频率控制字传给数字信号合成模块；
S104、数字信号合成模块生成直射信号，并根据要模拟的GNSS多径信号数量创建对应的多径信号分量通道，并根据多径信号的频率控制字生成一路或多路GNSS多径正弦载波和伪码信号；
S105、数字信号处理器每隔预设时间计算一次GNSS卫星导航电文数据并传入数字信号合成模块；
S106、数字信号合成模块将伪码信号与GNSS卫星导航电文数据进行扩频调制，并将扩频调制后的数据再次调制到GNSS多径正弦载波上，得到GNSS多径数字中频信号，经过数字合路后输出给卫星信号转换与变频模块；
S107、卫星信号转换与变频模块将GNSS多径数字中频信号转化为GNSS模拟中频信号，经频谱搬移后得到相应频点的直射卫星信号和多径卫星信号的叠加信号。
第二方面，本发明提供了一种GNSS多径信号模拟器，包括依次连接的数字信号处理器、数字信号合成模块、卫星信号转换与变频模块和卫星信号发射器，所述数字信号处理器、数字信号合成模块、卫星信号转换与变频模块和卫星信号发射器执行如上述的GNSS多径信号模拟方法的步骤。
本发明的方法生成的多径信号的码相位和载波相位分辨率高、相位调控精细，比传统的延时模型所生成的多径信号的相位分辨率提高了K倍，已十分接近真实的多径信号；且生成的卫星信号鲁棒性好、逼真度高和信号连续性优。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的GNSS多径信号模拟方法的流程图。
图2是本发明实施例二提供的GNSS多径信号模拟器的具体结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例一：
请参阅图1，本发明实施例一提供的GNSS多径信号模拟方法包括以下步骤：
S101、数字信号处理器接收上位机发送的模拟源的仿真参数和多径卫星信号模拟参数。
所述多径卫星信号模拟参数包括反射面的多径衰减系数αk、多径信号与直射信号传播路程差Δs和模拟的GNSS多径信号数量M；模拟源的仿真参数包括GNSS模拟信号的仿真时间t、坐标和运动场景等参数。所述GNSS可以是GPS和北斗卫星等。
在本发明实施例一中，S101还可以包括：
接收上位机预设的数种多径环境下的多径卫星信号模拟参数，能一键式设置并下发多径卫星信号模拟参数，不需再手动输入，操作便捷，上位机存储了城市高楼、森林、峡谷、海面等环境下的多径卫星信号模拟参数，用户可根据实际需求选择下发某一环境下的多径卫星信号模拟参数。
S102、数字信号处理器根据多径卫星信号模拟参数计算得到每个多径信道中的多径信号幅度Ak以及多径信号和直射信号到达GNSS接收机前端的时间差τk。
在本发明实施例一中，S102具体可以为：
数字信号处理器根据式Ak＝A·αk计算得到多径信号幅度，其中A为直射信号的幅度值，再由式
Figure BDA0002030945210000041
计算得到多径信号和直射信号到达GNSS接收机前端的时间差τk，其中，Δs为多径信号与直射信号传播路程差，c为光速。
S103、数字信号处理器根据模拟源的仿真参数和多径信号到达GNSS接收机前端的时间，计算出多径信号相较于直射信号的载波相位延迟量和码相位延迟量，再由载波相位延迟量和码相位延迟量计算出相应的载波和伪码频率控制字偏差量ΔK，接着在直射信号的频率控制字的基础上增加或减少频率控制字偏差量ΔK作为满足多径信号载波和伪码相位延迟量要求的多径信号的频率控制字，并将多径信号的频率控制字和直射信号的频率控制字传给数字信号合成模块。
在本发明实施例一中，S103具体可以为：
数字信号处理器根据GNSS模拟信号的仿真时间t和多径信号到达GNSS接收机前端的时间t+τk，根据
Figure BDA0002030945210000042
计算出直射信号的频率控制字，其中，f0为GNSS卫星的数字中频信号频率，fc为对GNSS卫星的数字中频信号进行抽样处理的抽样频率(例如取fc＝68MHz)，K和N都是正整数，K为直射信号的频率控制字，根据奈奎斯特采样定理的要求，K的最大值应小于2N的一半，根据式
Figure BDA0002030945210000051
得到多径信号的频率控制字K′(fo′为多径信号的中频频率，是未知量)；再由式
Figure BDA0002030945210000052
计算多径信号与直射信号的相位差
Figure BDA0002030945210000053
接着由式
Figure BDA0002030945210000054
计算多径信号与直射信号的频率控制字偏差量ΔK，然后根据
Figure BDA0002030945210000055
计算得出用于生成多径信号的频率控制字K′，并将多径信号的频率控制字和直射信号的频率控制字传给数字信号合成模块。
S104、数字信号合成模块生成直射信号，并根据要模拟的GNSS多径信号数量M创建对应的多径信号分量通道，并根据多径信号的频率控制字K′生成一路或多路GNSS多径正弦载波和伪码信号。
S105、数字信号处理器每隔预设时间计算一次GNSS卫星导航电文数据并传入数字信号合成模块。
S106、数字信号合成模块将伪码信号与GNSS卫星导航电文数据进行扩频调制，并将扩频调制后的数据再次调制到GNSS多径正弦载波上，得到GNSS多径数字中频信号，经过数字合路后输出给卫星信号转换与变频模块。
S107、卫星信号转换与变频模块将GNSS多径数字中频信号转化为GNSS模拟中频信号，经频谱搬移后得到相应频点的直射卫星信号和多径卫星信号的叠加信号。
在本发明实施例一中，直射卫星信号和多径卫星信号的叠加信号S(t)可表示为：
Figure BDA0002030945210000056
其中，M为模拟的GNSS多径信号数量，当k为0时表示直射卫星信号，αk表示多径卫星信号相比较直射信号的幅度衰减系数，其值一般在0到1之间，A是卫星信号的幅度值，d(t)为导航电文数据比特，c(t)是导航信号的伪码序列，
Figure BDA0002030945210000061
表示多径卫星信号的载波相位延迟量，f0为数字卫星信号的中频频率。
实施例二：
图2示出了本发明实施例二提供的GNSS多径信号模拟器的具体结构框图，一种GNSS多径信号模拟器包括依次连接的数字信号处理器101、数字信号合成模块102、卫星信号转换与变频模块103和卫星信号发射器104，数字信号处理器101、数字信号合成模块102、卫星信号转换与变频模块103和卫星信号发射器104执行如本发明实施例一提供的GNSS多径信号模拟方法的步骤。
本发明的方法生成的多径信号的码相位和载波相位分辨率高、相位调控精细，比传统的延时模型所生成的多径信号的相位分辨率提高了K倍，已十分接近真实的多径信号；且生成的卫星信号鲁棒性好、逼真度高和信号连续性优。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GNSS多径信号模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S101、数字信号处理器接收上位机发送的模拟源的仿真参数和多径卫星信号模拟参数；
S102、数字信号处理器根据多径卫星信号模拟参数计算得到每个多径信道中的多径信号幅度以及多径信号和直射信号到达GNSS接收机前端的时间差；
S103、数字信号处理器根据模拟源的仿真参数和多径信号到达GNSS接收机前端的时间，计算出多径信号相较于直射信号的载波相位延迟量和码相位延迟量，再由载波相位延迟量和码相位延迟量计算出相应的载波和伪码频率控制字偏差量，接着在直射信号的频率控制字的基础上增加或减少频率控制字偏差量作为满足多径信号载波和伪码相位延迟量要求的多径信号的频率控制字，并将多径信号的频率控制字和直射信号的频率控制字传给数字信号合成模块；
S104、数字信号合成模块生成直射信号，并根据要模拟的GNSS多径信号数量创建对应的多径信号分量通道，并根据多径信号的频率控制字生成一路或多路GNSS多径正弦载波和伪码信号；
S105、数字信号处理器每隔预设时间计算一次GNSS卫星导航电文数据并传入数字信号合成模块；
S106、数字信号合成模块将伪码信号与GNSS卫星导航电文数据进行扩频调制，并将扩频调制后的数据再次调制到GNSS多径正弦载波上，得到GNSS多径数字中频信号，经过数字合路后输出给卫星信号转换与变频模块；
S107、卫星信号转换与变频模块将GNSS多径数字中频信号转化为GNSS模拟中频信号，经频谱搬移后得到相应频点的直射卫星信号和多径卫星信号的叠加信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多径卫星信号模拟参数包括反射面的多径衰减系数αk、多径信号与直射信号传播路程差△s和模拟的GNSS多径信号数量M；模拟源的仿真参数包括GNSS模拟信号的仿真时间t、坐标和运动场景。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述GNSS是GPS和北斗卫星。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S101还包括：
接收上位机预设的数种多径环境下的多径卫星信号模拟参数，一键式设置并下发多径卫星信号模拟参数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，多径卫星信号模拟参数包括城市高楼、森林、峡谷和/或海面环境下的多径卫星信号模拟参数。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S102具体为：
数字信号处理器根据式Ak＝A·αk计算得到多径信号幅度，其中A为直射信号的幅度值，再由式
Figure FDA0004117584670000021
计算得到多径信号和直射信号到达GNSS接收机前端的时间差τk，其中，△s为多径信号与直射信号传播路程差，c为光速。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S103具体为：
数字信号处理器根据GNSS模拟信号的仿真时间t和多径信号到达GNSS接收机前端的时间t+τk，根据
Figure FDA0004117584670000022
计算出直射信号的频率控制字，其中，f0为GNSS卫星的数字中频信号频率，fc为对GNSS卫星的数字中频信号进行抽样处理的抽样频率，K和N都是正整数，K为直射信号的频率控制字，根据式
Figure FDA0004117584670000023
得到多径信号的频率控制字K′，fo′为多径信号的中频频率；再由式
Figure FDA0004117584670000024
计算多径信号与直射信号的相位差
Figure FDA0004117584670000025
接着由式
Figure FDA0004117584670000026
计算多径信号与直射信号的频率控制字偏差量△K，然后根据
Figure FDA0004117584670000031
计算得出用于生成多径信号的频率控制字K′，并将多径信号的频率控制字和直射信号的频率控制字传给数字信号合成模块。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，直射信号的频率控制字K的最大值小于2N的一半。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，直射卫星信号和多径卫星信号的叠加信号S(t)表示为：
Figure FDA0004117584670000032
其中，M为模拟的GNSS多径信号数量，当k为0时表示直射卫星信号，d(t)为导航电文数据比特，c(t)是导航信号的伪码序列，
Figure FDA0004117584670000033
表示多径卫星信号的载波相位延迟量。
10.一种GNSS多径信号模拟器，其特征在于，包括依次连接的数字信号处理器、数字信号合成模块、卫星信号转换与变频模块和卫星信号发射器，所述数字信号处理器、数字信号合成模块、卫星信号转换与变频模块和卫星信号发射器执行如权利要求1至9任一项所述的GNSS多径信号模拟方法的步骤。
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