專(zhuān)利名稱(chēng)：一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法和衛(wèi)星信號(hào)模擬器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航仿真領(lǐng)域，特別涉及一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法和衛(wèi)星信號(hào)模擬器。
背景技術(shù)：
GNSS(Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))的應(yīng)用范圍已經(jīng)滲透到測(cè)繪、通信、軍事、航天、電力、遙感等多個(gè)領(lǐng)域，成為了衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要指標(biāo)之一。多系統(tǒng)的兼容與互操作，可以為用戶(hù)提供更好的星座覆蓋性能，通過(guò)有效聯(lián)合不同系統(tǒng)之間的導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行PVT(Position, Velocity and Time,位置,速度和時(shí)間)解算，大幅降低幾何精度因子和偽距測(cè)量誤差，從而向用戶(hù)提供完好性、可用性、連續(xù)性與穩(wěn)定性更高的PNT (Positioning, Navigation and Timing,定位，導(dǎo)航和定時(shí))服務(wù),有效提 升系統(tǒng)的整體服務(wù)質(zhì)量。由于GNSS的兼容與互操作已成為全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)和發(fā)展方向，因此世界各國(guó)對(duì)此均高度重視并紛紛開(kāi)展了一系列研究和協(xié)調(diào)工作。在目前階段，對(duì)GNSS進(jìn)行研究通過(guò)是通過(guò)多模衛(wèi)星信號(hào)模擬器，衛(wèi)星信號(hào)模擬器是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和各種接收設(shè)備研制的關(guān)鍵儀器，可以在不受時(shí)空限制特別是在真實(shí)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)尚未組網(wǎng)成功，系統(tǒng)不具備完備定位導(dǎo)航的情況下，根據(jù)載體動(dòng)態(tài)特性因素和載體所處復(fù)雜環(huán)境對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響，模擬產(chǎn)生載體接收到的全球衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，從而為載體的研制開(kāi)發(fā)、測(cè)試提供仿真環(huán)境。從目前階段的衛(wèi)星信號(hào)模擬器的實(shí)現(xiàn)形式來(lái)看，主要有軟件模式和軟硬件結(jié)合模式第一種，基于軟件的模式。在這種模式下，所有與導(dǎo)航有關(guān)的信息和信號(hào)都是由計(jì)算機(jī)處理得到，包括對(duì)各種模型的模擬和信號(hào)的產(chǎn)生都是由計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算后，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)介質(zhì)中，載體讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真研究。這種模式計(jì)算機(jī)會(huì)嚴(yán)格執(zhí)行軟件模型，產(chǎn)生信號(hào)精確，而且設(shè)計(jì)比較靈活，不僅費(fèi)用較低，而且可移植性以及重復(fù)性開(kāi)發(fā)擴(kuò)展成本較低；第二種，基于軟硬件結(jié)合的模式。這種模式下的計(jì)算機(jī)軟件負(fù)責(zé)與導(dǎo)航信息和信號(hào)有關(guān)的計(jì)算，利用與信號(hào)相關(guān)的參數(shù)控制硬件對(duì)信息進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)產(chǎn)生仿真數(shù)據(jù)，可以較好的支持各種算法驗(yàn)證。但是，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在如下問(wèn)題基于軟件形式的衛(wèi)星信號(hào)模擬器受到計(jì)算機(jī)硬件的限制，導(dǎo)致實(shí)時(shí)性較差，與時(shí)間密切的算法不能驗(yàn)證，而且不適合實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的仿真測(cè)試；基于軟硬結(jié)合的衛(wèi)星信號(hào)模擬器，模擬器的體系結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較為麻煩，技術(shù)難度大，可擴(kuò)展性極低，且對(duì)于研究導(dǎo)航定位算法成本極高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法和衛(wèi)星信號(hào)模擬器。所述技術(shù)方案如下
一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法，所述方法包括獲取仿真時(shí)間，并接收載體的當(dāng)前坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)模型；獲取衛(wèi)星的星歷信息，并根據(jù)所述星歷信息得到所述衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡；根據(jù)所述仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星，并計(jì)算衛(wèi)星的信號(hào)傳輸時(shí)間；根據(jù)星歷信息得到導(dǎo)航電文，并將所述導(dǎo)航電文和信號(hào)傳輸時(shí)間作為準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)輸出；利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)所述導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制，并將所述調(diào)制結(jié)果作為中頻信號(hào)輸出。
進(jìn)一步地，所述載體的運(yùn)動(dòng)模型與時(shí)間相關(guān)；相應(yīng)地，所述根據(jù)所述仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星之前，所述方法還包括根據(jù)所述載體的運(yùn)動(dòng)模型和相應(yīng)的仿真時(shí)間計(jì)算得到所述載體在任意時(shí)刻下的坐標(biāo)和速度，得到任意時(shí)刻下的所述載體的載體位置。進(jìn)一步地，所述計(jì)算衛(wèi)星的信號(hào)傳輸時(shí)間，具體包括將所述衛(wèi)星的坐標(biāo)和所述載體坐標(biāo)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，計(jì)算所述衛(wèi)星和所述載體之間的距離并除以光速得到所述衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間。進(jìn)一步地，在所述得到所述衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間之后，所述方法還包括根據(jù)地球自轉(zhuǎn)、對(duì)流層延遲、多路徑延遲、電離層延遲對(duì)所述衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，?duì)所述衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間進(jìn)行修正。進(jìn)一步地，所述利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)所述導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制，具體包括根據(jù)所述衛(wèi)星的IO) (Interface Control Document,接口控制文檔)接口文件,利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)所述導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制。一種衛(wèi)星信號(hào)模擬器，所述模擬器包括第一獲取模塊，用于獲取仿真時(shí)間，并接收載體的當(dāng)前坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)模型；第二獲取模塊，獲取衛(wèi)星的星歷信息，并根據(jù)所述星歷信息得到所述衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡；時(shí)間計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星，并計(jì)算衛(wèi)星的信號(hào)傳輸時(shí)間；準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)輸出模塊，用于根據(jù)星歷信息得到導(dǎo)航電文，并將所述導(dǎo)航電文和信號(hào)傳輸時(shí)間作為準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)輸出；中頻信號(hào)輸出模塊，用于利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)所述導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制，并將所述調(diào)制結(jié)果作為中頻信號(hào)輸出。進(jìn)一步地，所述載體的運(yùn)動(dòng)模型與時(shí)間相關(guān)；相應(yīng)地，所述模擬器還包括載體位置獲取模塊，用于在所述時(shí)間計(jì)算模塊根據(jù)所述仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星之前，根據(jù)所述載體的運(yùn)動(dòng)模型和相應(yīng)的仿真時(shí)間計(jì)算得到所述載體在任意時(shí)刻下的坐標(biāo)和速度，得到任意時(shí)刻下的所述載體的載體位置。
進(jìn)一步地，所述時(shí)間計(jì)算模塊，具體包括可見(jiàn)衛(wèi)星確定單元，用于根據(jù)所述仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星；統(tǒng)一單元，用于將所述衛(wèi)星的坐標(biāo)和所述載體坐標(biāo)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下；計(jì)算單元，用于計(jì)算所述衛(wèi)星和所述載體之間的距離并除以光速得到所述衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間。進(jìn)一步地，所述時(shí)間計(jì)算模塊，還包括修正單元，用于在所述計(jì)算單元得到所述衛(wèi)星的信號(hào)傳輸時(shí)間之后，根據(jù)地球自轉(zhuǎn)、對(duì)流層延遲、多路徑延遲、電離層延遲對(duì)所述衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀瑢?duì)所述衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間進(jìn)行修正。進(jìn)一步地，所述中頻信號(hào)輸出模塊，具體包括調(diào)制單元，用于根據(jù)所述衛(wèi)星的ICD接口文件，利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)所述導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制；中頻信號(hào)輸出單元，用于將所述調(diào)制單元得到的調(diào)制結(jié)果作為中頻信號(hào)輸出。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案的有益效果是可以使得衛(wèi)星信號(hào)模擬器輸出兩路信號(hào)，其中，中頻信號(hào)實(shí)時(shí)性較差，可將中頻信號(hào)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不嚴(yán)格的跟蹤和捕獲驗(yàn)證，將準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的算法進(jìn)行驗(yàn)證，在使用軟件的基礎(chǔ)上完成了對(duì)衛(wèi)星信號(hào)模擬器各種仿真和算法的驗(yàn)證，同時(shí)仿真成本低。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中使用的附圖并做簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面所列附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明實(shí)施例I所提供的一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法的流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例2所提供的一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法的流程圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例2所提供的一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法的示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2所提供的BOC信號(hào)調(diào)制原理(a)圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例2所提供的BOC信號(hào)調(diào)制原理(b)圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例2所提供的傳統(tǒng)的平方根卡爾曼載波跟蹤環(huán)路的高動(dòng)態(tài)載波跟蹤方法的不意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例2所提供的早晚差冪早遲環(huán)的示意圖；圖8為本發(fā)明實(shí)施例2所提供的點(diǎn)積早遲環(huán)的示意圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例3所提供的一種衛(wèi)星信號(hào)模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明實(shí)施例3所提供的一種衛(wèi)星信號(hào)模擬器的第二種結(jié)構(gòu)示意圖；、
圖11為本發(fā)明實(shí)施例3所提供的一種衛(wèi)星信號(hào)模擬器中的時(shí)間計(jì)算模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為本發(fā)明實(shí)施例3所提供的一種衛(wèi)星信號(hào)模擬器中的時(shí)間計(jì)算模塊的第二種結(jié)構(gòu)意圖；圖13為本發(fā)明實(shí)施例3所提供的一種衛(wèi)星信號(hào)模擬器中的中頻信號(hào)輸出模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。實(shí)施例I本發(fā)明實(shí)施例I提出了一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法，其流程如圖I所示，具體包括步驟101、獲取仿真時(shí)間，并接收載體的當(dāng)前坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)模型； 步驟102、獲取衛(wèi)星的星歷信息，根據(jù)該星歷信息得到衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡；步驟103、根據(jù)仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星，并計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間；步驟104、根據(jù)星歷信息得到導(dǎo)航電文，并將導(dǎo)航電文和信號(hào)傳輸時(shí)間作為準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)輸出；步驟105、利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制結(jié)果作為中頻信號(hào)輸出。通過(guò)本發(fā)明實(shí)施例所提供的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法，可以使得衛(wèi)星信號(hào)模擬器輸出兩路信號(hào)，其中，中頻信號(hào)實(shí)時(shí)性較差，可將中頻信號(hào)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不嚴(yán)格的跟蹤和捕獲驗(yàn)證，將準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的算法進(jìn)行驗(yàn)證，在使用軟件的基礎(chǔ)上完成了對(duì)衛(wèi)星信號(hào)模擬器各種仿真和算法的驗(yàn)證，同時(shí)仿真成本低。實(shí)施例2本發(fā)明實(shí)施例2提出了一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法，是在實(shí)施例I基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)。需要說(shuō)明的是，在本實(shí)施例中，載體為衛(wèi)星導(dǎo)航仿真系統(tǒng)中的仿真得到的衛(wèi)星信號(hào)接收裝置，即被定位的對(duì)象或接受導(dǎo)航服務(wù)的對(duì)象。如圖2及圖3所示，該方法具體的包括步驟201、獲取仿真時(shí)間，并接收載體的運(yùn)動(dòng)特性信息，包括載體的當(dāng)前坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)模型；其中，載體的運(yùn)動(dòng)模型與時(shí)間相關(guān)，具體的可以由用戶(hù)設(shè)置為不同的模式I)靜止；2)勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；3)加速運(yùn)動(dòng)；4)由前面三種組合得到的復(fù)雜模型等
坐寸o相應(yīng)地，由上述運(yùn)動(dòng)模型可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)仿真時(shí)間下載體任意時(shí)刻下坐標(biāo)和速度。步驟202、獲取衛(wèi)星的星歷信息，根據(jù)該星歷信息得到衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡；其中，獲取衛(wèi)星的星歷，可由兩種方式獲得，一種是到相關(guān)網(wǎng)站下載獲得當(dāng)前系統(tǒng)真實(shí)星歷；另外一種是按照公布的ICD文件建模得到，第二種主要用于在建系統(tǒng)尚未能提供星歷的情況。步驟203、根據(jù)仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星；
步驟204、計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間；在本實(shí)施例中，計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間，具體的包括將衛(wèi)星坐標(biāo)與載體坐標(biāo)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，計(jì)算兩者距離并除以光速得到傳輸時(shí)間。需要說(shuō)明的是，衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間會(huì)受到其他因素的影響，因此在計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間時(shí)還包括建立地球自轉(zhuǎn)、對(duì)流層延遲、多路徑延遲、電離層延遲的模型，并根據(jù)上述模型對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間進(jìn)行修正，具體的I)地球自轉(zhuǎn)模型。在信號(hào)的傳輸過(guò)程中，衛(wèi)星與載體由于地球自轉(zhuǎn)，其相對(duì)距離將發(fā)生變化。衛(wèi)星與載體之間的距離是指衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻衛(wèi)星位置與接收時(shí)刻載體位置的 距離，而不是衛(wèi)星與載體在同一瞬間位置之間的距離。在假設(shè)信號(hào)傳輸過(guò)程中衛(wèi)星速度不變的條件下，給定初始化傳輸時(shí)間為70ms，利用迭代可以計(jì)算出信號(hào)傳輸時(shí)間。2)對(duì)流層延遲模型。對(duì)流層延遲一般泛指中性大氣對(duì)電磁波的折射。電磁波穿越大氣層到達(dá)地球表面時(shí)，在地表以上50km這一層大氣中，分子和原子均處于中性狀態(tài)，稱(chēng)之為中性大氣，它將引起電磁波傳播延遲比較大的變化。中性大氣包括對(duì)流層和同溫層，由于折射的80%發(fā)生在對(duì)流層，所以通常叫做對(duì)流層折射。對(duì)流層折射包括兩部分一是由于衛(wèi)星信號(hào)的傳播速度或光速在大氣中變慢造成路徑延遲，這占主要部分；二是由于衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)對(duì)流層時(shí)傳播路徑發(fā)生彎曲，從而使測(cè)量距離產(chǎn)生偏差。對(duì)流層折射與地面氣候、大氣壓力、溫度和濕度變化有密切關(guān)系。對(duì)于對(duì)流層折射的影響，在天頂方向的延遲約為2. 3m，隨高度角的余弦增大，在高度角為10°時(shí)，對(duì)流層延遲將增加至約20m。根據(jù)載體具體所處位置，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，建立對(duì)流層延遲模型，將延遲反映到信號(hào)傳輸時(shí)間上。3)多路徑延遲模型。在載體定位時(shí)，載體不僅接收從衛(wèi)星直射而來(lái)的信號(hào)，而且也接收從其它物體反射而來(lái)的信號(hào)。因此，接收信號(hào)是直射信號(hào)和反射信號(hào)的組合信號(hào)。由于直射信號(hào)和反射信號(hào)的路徑不同，從而使信號(hào)產(chǎn)生變形，產(chǎn)生測(cè)量誤差，稱(chēng)為多路徑誤差。建立多路徑延遲模型，將延遲反映到信號(hào)傳輸時(shí)間上。4)電離層延遲模型。電離層是地球高層大氣的一部分，在太陽(yáng)紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)和高能粒子作用下，地球高層大氣的分子和原子電離，產(chǎn)生自由電子和帶電離子，形成電離層，使無(wú)線(xiàn)電波的傳播方向、速度、相位、振幅及偏振狀態(tài)等發(fā)生變化。一般認(rèn)為電離層在離地高度60-2000km之間，信號(hào)的電離層延遲主要取決于電離層中的電子濃度，即單位體積內(nèi)所含自由電子的個(gè)數(shù)。電子濃度一般隨著高度和時(shí)間而變化，這種變化主要取決于太陽(yáng)輻射的能量強(qiáng)度及大氣密度。根據(jù)已有研究成果，建立電離層延遲模型，將延遲反映到信號(hào)傳輸時(shí)間上。步驟205、根據(jù)星歷信息得到導(dǎo)航電文，并將導(dǎo)航電文和信號(hào)傳輸時(shí)間作為準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)輸出；步驟206、利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制結(jié)果作為中頻信號(hào)輸出；在本實(shí)施例中，利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制具體的包括目前各衛(wèi)星系統(tǒng)都定義了I⑶接口文件，描述了其調(diào)制原理方式，下面以BOC(Binary Offset Carrier, 二進(jìn)制偏移載波)調(diào)制為例,進(jìn)行介紹。
如圖4和圖5所示，BOC調(diào)制是以一個(gè)方波作為子載波，對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的碼信號(hào)進(jìn)行模二加運(yùn)算，之后再調(diào)制到主載波f上，即信號(hào)s (t)和一個(gè)頻率為fs的次載波相乘，使得信號(hào)的頻譜分裂成兩部分，位于主載波頻率的兩邊。而對(duì)于常見(jiàn)的GPS(Global Positioning System,全球定位系統(tǒng))L波段BPSK (Binary Phase Shift Keying，二進(jìn)制相移鍵控)調(diào)制方式，只需要將圖4之中的BOC調(diào)制模塊去掉即可。步驟207、載體將上述中頻信號(hào)作為接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行捕獲和跟蹤驗(yàn)證；首先，對(duì)進(jìn)行捕獲驗(yàn)證進(jìn)行說(shuō)明在本實(shí)施例中，捕獲的目的是為了獲取所有可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào)的載波頻率和碼相位的粗略估計(jì)值，初始化跟蹤環(huán)路，以幫助載體通道展開(kāi)對(duì)信號(hào)的跟蹤。進(jìn)一步地，在本發(fā)明中進(jìn)行捕獲驗(yàn)證以采用基于最大似然可見(jiàn)度估計(jì)算法的衛(wèi)星 快捕方法進(jìn)行舉例說(shuō)明。其中，基于最大似然可見(jiàn)度估計(jì)算法的衛(wèi)星快捕方法用于對(duì)用戶(hù)視野內(nèi)的衛(wèi)星進(jìn)行快速捕獲。具體地，上述基于最大似然可見(jiàn)度估計(jì)算法的衛(wèi)星快捕方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下搜索開(kāi)始前，先初始化衛(wèi)星平均可見(jiàn)度函數(shù)meanVis (SV)，該值可以根據(jù)各星座的星歷及歷書(shū)計(jì)算得到。然后根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果選擇一個(gè)最大值所對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星進(jìn)行搜索，若捕獲成功，將其從衛(wèi)星ID列表中刪除，并重新計(jì)算meanVis(SV);若捕獲失敗，則說(shuō)明該衛(wèi)星不可見(jiàn)，應(yīng)將其衛(wèi)星ID和所對(duì)應(yīng)的時(shí)間(或坐標(biāo))從上述相應(yīng)集合中剔除并重新計(jì)算meanVis (SV)。重復(fù)上述步驟，直到所有衛(wèi)星搜索完畢。其次，對(duì)進(jìn)行跟蹤驗(yàn)證進(jìn)行說(shuō)明載體對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤的信號(hào)跟蹤環(huán)路由載波跟蹤環(huán)路和碼跟蹤環(huán)路兩部分構(gòu)成，它們分別用來(lái)跟蹤接收信號(hào)的載波和擴(kuò)頻碼。載波跟蹤環(huán)路的目的是盡力使其所復(fù)制的載波信號(hào)和接收到的衛(wèi)星載波信號(hào)保持一致，從而通過(guò)混頻機(jī)制徹底地剝離衛(wèi)星信號(hào)中的載波。而碼跟蹤環(huán)路則是盡量復(fù)制一個(gè)與接收信號(hào)的擴(kuò)頻碼相一致的擴(kuò)頻碼，然后讓兩者相關(guān)，以剝離信號(hào)中的擴(kuò)頻碼。在兩者共同作用下，使得載體和衛(wèi)星發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的前提下，一直可以持續(xù)的接收衛(wèi)星信號(hào)，為后續(xù)的仿真計(jì)算提供數(shù)據(jù)。本發(fā)明中載體進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤驗(yàn)證采用基于改進(jìn)的平方根卡爾曼載波跟蹤環(huán)路的高動(dòng)態(tài)載波跟蹤方法和基于優(yōu)化窄相關(guān)算法的高精度偽距測(cè)量方法(碼跟蹤方法)。其中，如圖6所示，基于改進(jìn)的平方根卡爾曼載波跟蹤環(huán)路的高動(dòng)態(tài)載波跟蹤方法具體如下首先，卡爾曼濾波的原理是利用當(dāng)前時(shí)刻的觀測(cè)值和上一時(shí)刻對(duì)狀態(tài)的估計(jì)值來(lái)估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)值，因此，整個(gè)環(huán)路濾波過(guò)程可以分為狀態(tài)更新和測(cè)量修正兩部分。其中，狀態(tài)更新過(guò)程需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用建立相應(yīng)的狀態(tài)方程，并通過(guò)環(huán)路更新方程對(duì)其進(jìn)行時(shí)域更新；測(cè)量修正則需要建立觀測(cè)方程，根據(jù)當(dāng)前的觀測(cè)量對(duì)更新后得到的狀態(tài)值進(jìn)行修正。I狀態(tài)方程的建立根據(jù)卡爾曼濾波原理，系統(tǒng)的狀態(tài)方程式如公式2-1所示X(k) = ox(k-l)+ n (k-l)公式 2-1
其中，X(k)為k時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量，O為系統(tǒng)的一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，n (k)為系統(tǒng)k時(shí)刻的策動(dòng)噪聲。對(duì)于高動(dòng)態(tài)載波跟蹤環(huán)路來(lái)說(shuō)，為了能夠提高跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)在高加速度甚至是高加加速度的情況下對(duì)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)跟蹤不失鎖，一般采用四階跟蹤環(huán)路，即建立狀態(tài)向量的狀態(tài)值包括載波的瞬時(shí)相位，瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)頻率的變化率以及瞬時(shí)頻率的加速度。若環(huán)路積分時(shí)間為T(mén)s，則上述狀態(tài)值可以展開(kāi)為0{k) = e(k -權(quán)利要求
1.一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法，其特征在于，所述方法包括 獲取仿真時(shí)間，并接收載體的當(dāng)前坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)模型； 獲取衛(wèi)星的星歷信息，并根據(jù)所述星歷信息得到所述衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡； 根據(jù)所述仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星，并計(jì)算衛(wèi)星的信號(hào)傳輸時(shí)間； 根據(jù)星歷信息得到導(dǎo)航電文，并將所述導(dǎo)航電文和信號(hào)傳輸時(shí)間作為準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)輸出； 利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)所述導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制，并將所述調(diào)制結(jié)果作為中頻信號(hào)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述載體的運(yùn)動(dòng)模型與時(shí)間相關(guān)； 相應(yīng)地，所述根據(jù)所述仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星之前，所述方法還包括 根據(jù)所述載體的運(yùn)動(dòng)模型和相應(yīng)的仿真時(shí)間計(jì)算得到所述載體在任意時(shí)刻下的坐標(biāo)和速度，得到任意時(shí)刻下的所述載體的載體位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算衛(wèi)星的信號(hào)傳輸時(shí)間，具體包括 將所述衛(wèi)星的坐標(biāo)和所述載體坐標(biāo)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，計(jì)算所述衛(wèi)星和所述載體之間的距離并除以光速得到所述衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所述得到所述衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間之后，所述方法還包括 根據(jù)地球自轉(zhuǎn)、對(duì)流層延遲、多路徑延遲、電離層延遲對(duì)所述衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀瑢?duì)所述衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間進(jìn)行修正。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)所述導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制，具體包括 根據(jù)所述衛(wèi)星的接口控制文檔ICD接口文件，利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)所述導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制。
6.一種衛(wèi)星信號(hào)模擬器，其特征在于，所述模擬器包括 第一獲取模塊，用于獲取仿真時(shí)間，并接收載體的當(dāng)前坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)模型； 第二獲取模塊，獲取衛(wèi)星的星歷信息，并根據(jù)所述星歷信息得到所述衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡； 時(shí)間計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星，并計(jì)算衛(wèi)星的信號(hào)傳輸時(shí)間； 準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)輸出模塊，用于根據(jù)星歷信息得到導(dǎo)航電文，并將所述導(dǎo)航電文和信號(hào)傳輸時(shí)間作為準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)輸出； 中頻信號(hào)輸出模塊，用于利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)所述導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制，并將所述調(diào)制結(jié)果作為中頻信號(hào)輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬器，其特征在于，所述載體的運(yùn)動(dòng)模型與時(shí)間相關(guān)； 相應(yīng)地，所述模擬器還包括 載體位置獲取模塊，用于在所述時(shí)間計(jì)算模塊根據(jù)所述仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星之前，根據(jù)所述載體的運(yùn)動(dòng)模型和相應(yīng)的仿真時(shí)間計(jì)算得到所述載體在任意時(shí)刻下的坐標(biāo)和速度，得到任意時(shí)刻下的所述載體的載體位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的模擬器，其特征在于，所述時(shí)間計(jì)算模塊，具體包括 可見(jiàn)衛(wèi)星確定單元，用于根據(jù)所述仿真時(shí)間、星歷信息、載體位置以及預(yù)設(shè)的截止仰角確定仿真過(guò)程的可見(jiàn)衛(wèi)星； 統(tǒng)一單元，用于將所述衛(wèi)星的坐標(biāo)和所述載體坐標(biāo)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下； 計(jì)算單元，用于計(jì)算所述衛(wèi)星和所述載體之間的距離并除以光速得到所述衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述時(shí)間計(jì)算模塊，還包括 修正單元，用于在所述計(jì)算單元得到所述衛(wèi)星的信號(hào)傳輸時(shí)間之后，根據(jù)地球自轉(zhuǎn)、對(duì)流層延遲、多路徑延遲、電離層延遲對(duì)所述衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，?duì)所述衛(wèi)星信號(hào)的傳輸時(shí)間進(jìn)行修正。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述中頻信號(hào)輸出模塊，具體包括 調(diào)制單元，用于根據(jù)所述衛(wèi)星的ICD接口文件，利用擴(kuò)頻碼和載波中頻對(duì)所述導(dǎo)航電文進(jìn)行調(diào)制； 中頻信號(hào)輸出單元，用于將所述調(diào)制單元得到的調(diào)制結(jié)果作為中頻信號(hào)輸出。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理仿真方法和衛(wèi)星信號(hào)模擬器，屬于衛(wèi)星導(dǎo)航仿真領(lǐng)域。本發(fā)明所提供的衛(wèi)星導(dǎo)航原理仿真方法，可以使得衛(wèi)星信號(hào)模擬器輸出兩種格式的信號(hào)中頻信號(hào)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)。其中，中頻信號(hào)實(shí)時(shí)性較差，可將中頻信號(hào)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不嚴(yán)格的跟蹤和捕獲驗(yàn)證，將準(zhǔn)實(shí)時(shí)信號(hào)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的算法進(jìn)行驗(yàn)證，可以基于軟件架構(gòu)完成了對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理的仿真和算法的驗(yàn)證，同時(shí)仿真成本低。
文檔編號(hào)G05B17/02GK102736520SQ20111009196
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者孫剛, 尹露, 張璐, 徐連明, 李曉敏, 楊磊, 鄧中亮 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)