衛星導航模擬器及時間同步的高逼真導航信號復現方法與流程

2023-10-11 02:55:54

本發明涉及衛星導航技術領域，具體涉及一種衛星導航模擬器及時間同步的高逼真導航信號復現方法。

背景技術：

衛星導航系統在軍事、交通等領域得到廣泛的應用，但是對於室內、隧道和地下車庫等場所，衛星導航信號功率過小甚至根本沒有衛星導航信號，要實現定位必須依賴室內衛星導航技術。

目前，室內衛星導航定位技術主要有轉發定位、模擬器仿真定位及「偽衛星+專用設備」定位。轉發定位通過正常的衛星信號接收天線接收沒有遮擋的衛星信號，該衛星信號經過降噪、放大後，通過安裝在室內的信號轉發器轉發。基於這種方法的室內定位不能獲得室內的真實位置，定位誤差大。模擬器仿真定位通過衛星導航模擬器仿真室內的真實位置，然後將模擬仿真信號通過發射天線發射。基於這種方法的室內定位優點是定位位置準確，缺點是模擬器仿真信號與真實導航信號差異大，衛星導航接收機在真實導航信號與模擬器仿真信號切換時不定位狀態持續時間長。「偽衛星系統+專用車載終端」的方式，利用布設於室內的偽衛星發射類似GPS的信號，代替空中的GPS衛星以實現定位，該方式的工作原理與GPS衛星導航定位系統相同。但是，這一方式需對衛星導航接收機進行改造，成本較高，不便於推廣應用。

利用模擬器仿真定位可以實現在不更改現有導航接收設備的基礎上，實現室外定位與室內定位的切換。傳統獨立式的衛星導航模擬器在應用過程中存在衛星導航模擬器時間與真實時間不同步、衛星導航模擬器可見星狀態與真實可見星狀態不一致、衛星導航模擬器仿真電文與真實電文不一致等缺點，造成衛星導航接收機在真實導航信號與模擬器仿真信號切換過程中出現不定位狀態持續時間過長。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明提供了一種衛星導航模擬器及時間同步的高逼真導航信號復現方法，能夠提高衛星導航模擬器仿真信號與真實導航信號的逼真度。

本發明的衛星導航模擬器，包括授時單元、數據處理單元和信號生成單元；

其中，所述授時單元根據真實的導航信號，為數據處理單元提供真實導航信號的時間、星曆、曆書、電離層信息，為信號生成單元提供與真實導航信號同步的秒脈衝信號；

所述數據處理單元由通道管理模塊和至少10個數據處理通道組成；所述信號生成單元由至少10個信號生成通道和數字合路及DA轉換模塊組成；所述數據處理通道與信號生成通道一一對應，形成衛星信號通道，一個衛星信號通道對應一個可見星；

所述通道管理模塊根據授時單元輸出的星曆信息中的衛星號構建可見星列表，根據當前時刻和自身地理位置對應的可見星狀態，對各衛星信號通道的「建立」、「保持」和「撤消」三種狀態進行切換，使得模擬器的可見星狀態與當前時刻的真實的可見星狀態一致；

所述數據處理通道包括電文填充模塊、電文比特流處理模塊、觀測數據計算模塊和環路參數計算模塊；其中，電文填充模塊依據授時單元提供的時間、所屬衛星信號通道對應的可見星的星曆、曆書和電離層信息，生成規定格式的導航星完整電文；電文比特流處理模塊將電文處理為寬度為1ms的電文比特流，並將電文比特流填充至電文緩衝表中的對應衛星處，其中，所述電文緩衝表中包含3個電文包，每個電文包包含1～32號星的電文比特流；觀測數據計算模塊依據當前仿真時間、星曆參數和用戶位置，計算出對應衛星的觀測數據；環路參數計算模塊將觀測數據轉換為三階載波環的環路控制字和三階碼環的環路控制字；

所述信號生成通道包括電文緩衝區、三階碼環模塊和三階載波環模塊；其中，電文緩衝區從電文緩衝表中提取對應衛星的電文比特流並緩存；三階碼環模塊和三階載波環模塊採用相同的三階累加器結構；三階碼環模塊根據對應數據處理通道生成的環路控制字，將電文緩衝區緩存的電文比特流調製到偽碼上，三階載波環模塊根據數據處理通道生成的環路控制字將偽碼調製到載波上；

所述數字合路及DA轉換模塊完成對所有信號生成通道的生成的載波進行合併，並對合併後的信號進行DA轉換，獲得仿真導航信號。

本發明還提供了一種衛星導航模擬器的時間同步高逼真導航信號復現方法，包括如下步驟：

步驟1，授時單元接收真實的衛星導航信號，得到當前時間信息與當前每顆可見星的星曆、曆書及電離層信息；數據處理單元根據授時單元得到的當前時間信息，將本地時間初始化為當前時間信息；

步驟2，數據處理單元的通道管理模塊周期性地根據授時單元輸出的星曆信息中的衛星號構建可見星列表，根據當前時刻和自身地理位置對應的可見星狀態，在導航衛星發出的真實導航信號秒脈衝信號到來前建立各可見星對應的衛星信號通道；

步驟3、各衛星信號通道電文緩衝及電文起始位置計算：

步驟3.1，數據處理單元中各數據處理通道根據授時單元得到的單顆可見星的星曆、曆書及電離層信息，生成對應衛星的規定格式的導航電文數據流；

步驟3.2，將生成的導航電文數據流進行擴比特操作，得到時間寬度為1ms的電文比特流，將電文比特流填充至電文緩衝表中的對應衛星處；

步驟3.3，根據導航信號的發射時刻，提取發射時刻電文緩衝表內對應的電文比特流，存入對應的信號生成通道的電文緩衝區；

步驟4，各衛星信號通道的數據處理通道依據當前仿真時間、對應衛星的星曆參數和用戶位置，計算出對應衛星的觀測數據，並依據衛星觀測數據計算獲得三階載波環和三階碼環的環路控制字；

步驟5，數據處理單元的通道管理模塊在真實導航信號秒脈衝信號到來時刻啟動衛星信號通道，生成對應衛星的仿真導航信號；當衛星變為不可見狀態時，撤銷該通道，通道參數歸零，返回步驟2。

進一步地，所述三階碼環和三階載波環的環路控制字依據下式計算：

其中：

fm：對三階載波環而言是載波頻率，對三階碼環而言是碼速率；

R0為衛星的偽距初值；v為衛星的偽距速度；a為衛星的偽距加速度；b為衛星的偽距加加速度；N，c1，c2分別為三個累加器的字長；c為光速；fc為三階載波環和三階碼環的工作時鐘。

進一步地，所述步驟2中，如果同時有多個衛星信號通道需要建立，則先建立其中一個，將剩餘的衛星信號通道置為「撤銷」狀態，在下一個周期建立該衛星信號通道。

有益效果：

本發明克服了傳統獨立式衛星導航模擬器時間與真實時間不同步、衛星導航模擬器可見星狀態與真實可見星狀態不一致、衛星導航模擬器仿真電文與真實電文不一致等缺點，能夠使衛星導航模擬器仿真信號與真實導航信號在時間、當前可見星狀態、導航電文三個方面保持一致，提高了衛星導航模擬器仿真信號與真實導航信號的逼真度，縮短了衛星導航接收機在真實導航信號與衛星導航模擬器仿真信號切換時的不定位狀態持續時間，實現了衛星導航接收機在真實導航信號與衛星導航模擬器仿真信號之間的無縫切換。

附圖說明

圖1為本發明衛星導航模擬器的系統示意圖。

圖2為本發明時間同步的高逼真導航信號復現方法的實現流程圖。

圖3為電文比特流的存儲格式示意圖。

圖4為載波環和碼環結構示意圖。

圖5為通道啟動示意圖。

圖6為通道資源分配完成後，觀測數據和仿真資源的通道對應關係。

具體實施方式

下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。

本發明提供了一種衛星導航模擬器，如圖1所示，包括：授時單元、數據處理單元和信號生成單元；

其中，授時單元接收真實的導航信號，為數據處理單元提供真實導航信號的時間、星曆、曆書、電離層信息，為信號生成單元提供與真實導航信號同步的1pps(秒脈衝)信號。

數據處理單元由通道管理模塊和n(n至少為10個，一般選擇12個，2個備用)個數據處理通道組成。信號生成單元由n(n一般等於12)個信號生成通道和數字合路及DA轉換模塊組成。其中，n個數據處理通道與n個信號生成通道一一對應。一個數據處理通道與一個與之對應的信號生成通道構成一個單顆衛星的衛星信號通道，可以模擬一顆導航星的導航信號。

其中，通道管理模塊根據授時單元輸出的星曆信息中的衛星號構建可見星列表，根據當前時刻和位置對應的可見星狀態，實現對各數據處理通道的狀態進行管理，通過維護當前可見星與各通道對應關係以及通道的「建立」、「保持」和「撤消」三種狀態的切換，使最終生成的仿真導航信號的可見星狀態與真實可見星狀態保持一致，從而使得生成的仿真導航信號與真實導航信號一致。

數據處理通道包括電文填充模塊、電文比特流處理模塊、觀測數據計算模塊和環路參數計算模塊。其中，電文填充模塊依據授時單元提供的時間、所屬衛星信號通道對應的可見星的星曆、曆書和電離層信息，依據導航系統ICD(接口控制文件)文件中規定導航電文格式生成對應導航星的完整電文，並將電文發送至電文比特流處理模塊。電文比特流處理模塊將每個20ms寬度的電文處理為20個寬度為1ms的電文比特流，並將電文比特流填充至電文緩衝表中的對應衛星處，所述電文緩衝表格中包含3個電文包，每個電文包包含1～32號星的電文比特流，如圖3所示。觀測數據計算模塊依據當前仿真時間、星曆參數和用戶位置，計算出對應的衛星的偽距、偽距率、功率等衛星觀測數據，並將計算出的衛星觀測數據發送至環路參數計算模塊。環路參數計算模塊將衛星觀測數據轉換為三階載波環和碼環的環路控制字，並將環路控制字發送至信號生成單元的三階碼環和三階載波環。

其中，信號生成通道包括電文緩衝區、三階碼環和三階載波環，完成電文緩衝、偽碼生成和載波生成功能。其中，電文緩衝區接收數據處理通道的電文比特流並緩存；三階碼環根據數據處理通道發送的環路控制字將電文調製到偽碼上；三階載波環根據數據處理通道發送的環路控制字將偽碼調製到載波上，將載波發送至數字合路及DA轉換模塊。

數字合路及DA轉換模塊完成對n個信號生成通道的載波進行合併，並對合併後的信號進行DA轉換，獲得模擬的高逼真的仿真導航信號。

時間同步的高逼真導航信號復現方法，方法流程如圖2所示，包括如下步驟：

步驟一，實現時間和電文與真實導航信號同步

授時單元接收真實的衛星導航信號，輸出當前時間信息與當前每顆可見星的星曆、曆書及電離層信息。

數據處理單元接收到授時單元輸出的時間信息後，將本地時間初始化，本地時間精度與真實導航系統時間誤差在1秒以內。

數據處理單元接收到授時單元輸出的星曆、曆書及電離層信息，將本地參數更新為與真實導航系統一致的參數。

步驟二，數據處理單元的通道管理模塊周期性地根據授時單元輸出的星曆信息中的衛星號構建可見星列表，根據當前時刻和位置對應的可見星狀態，在真實導航信號秒脈衝信號到來前建立各可見星對應的衛星信號通道。

步驟三、各衛星信號通道電文緩衝及電文起始位置計算

數據處理單元中數據處理通道依據導航系統ICD中規定的電文格式生成對應的導航電文數據流。然後將生成的導航電文數據流進行1比特擴展為20比特的擴比特操作，處理後得到時間寬度為1ms的電文比特流。電文的時間精度可以精確到1ms。將電文比特流填充至電文緩衝表中的對應衛星處，所述電文緩衝表格式如圖3所示，一共可以存儲3包導航電文，共計18s。導航電文每6s為一包，一包為6000*32比特，共佔用200*32個字(一個字為32比特)，每個字使用前30比特。每一包裡存儲32顆導航星電文。每一顆星電文為6000比特，共佔用200個字。

根據導航信號的發射時刻，提取發射時刻電文緩衝表內對應的電文比特流，存入對應的信號生成通道的電文緩衝區。

具體的，電文比特流提取的起始位置計算方法如下：

(1)計算當前使用第幾包電文；

(2)計算當前使用該包電文裡的第幾顆星；

(3)計算當前使用該衛星電文裡第幾ms；

第(3)步計算當前使用的某顆衛星的電文起始比特zn0可以表示為：

其中，t為系統時間，R0為該衛星的偽距，c為光速，M為電文緩衝區的長度，mod表示取模；即為發射時刻。

步驟四、各衛星信號通道的衛星觀測數據計算及載波環和碼環參數計算

依據當前仿真時間、星曆參數和用戶位置，計算出對應的偽距初值、偽距速度、偽距加速度和偽距加加速度等衛星觀測數據。

採用相同的環路結構的三階載波環和三階碼環，結構圖如圖4所示。載波環與碼環累加參數主要包括載波環和碼環的三階累加器參數k0、k1、k2、k3。在實現過程中，圖中，D2、D1、D0代表各級累加器，實現對輸入控制字的累加功能；各級累加器對應的輸出分別為θ2、θ1和θ；k3、k2、k1為各級累加器的控制參數，分別與加加速度、加速度、速度相對應；k0代表初始相位；→c2、→c1、→c0被作為各級累加器單獨的移位操作。

三階累加器累加參數的計算公式如下：

其中：

fm：對載波累加器而言是載波頻率，對碼累加器而言是碼速率；載波頻率和碼速率可變，依據仿真信號的實際參數設置，例如GPS L1/CA頻點的載波頻率為1575420000Hz，碼速率為1023000Hz。

R0為偽距初值；v為偽距速度；a為偽距加速度；b為偽距加加速度；N，c1，c2分別為三個累加器的字長(位數)；c為光速，299792458m/s；fc＝163.68MHz，為三階載波環和三階碼環的工作時鐘。

步驟五、通道啟動及導航信號生成：數據處理單元的通道管理模塊在真實導航信號秒脈衝信號到來時刻啟動衛星信號通道，生成對應衛星的仿真導航信號；當衛星變為不可見狀態時，撤銷該通道，通道參數歸零，返回步驟二。

具體的，數據處理通道完成電文填充、電文比特流處理、電文起始位置計算、觀測數據生成及載波環和碼環參數計算操作後，該通道具備啟動條件。

通道啟動示意圖如圖5所示。每個通道啟動時刻嚴格與授時單元提供的1pps對齊。在該1pps信號到來之前，將上述各個參數準備好。1pps到來時刻，通道啟動，這樣可以保證該通道生成導航信號與真實導航信號高度一致。

通道啟動後，對應的信號生成通道將電文緩衝區模塊中的電文調製到由三階碼環模塊生成的偽碼上，然後將偽碼調製到由三階載波環模塊生成的載波上，最後數字合路及DA轉換模塊完成n個信號生成通道的載波的合路以及DA轉換。

一個單顆衛星信號模擬通道可以模擬一顆導航星的導航信號，一般情況下用戶可見的真實導航星有多顆，並且可見星還在動態的變化。為了模擬與真實導航系統一致的可見性，需要通道管理功能完成可見星狀態的切換。

通道管理負責管理的通道資源為n個單顆衛星信號模擬通道，n個通道各有三種狀態：「建立」，「保持」，「撤銷」。通道管理需要判斷n個通道是處於哪一種狀態，並執行相應的操作。

數據處理單元根據授時單元輸出的星曆信息中的衛星號構建可見星列表。可見星列表為長度為32的數組，分別於32顆導航衛星一一對應。數組中的值為衛星號表示該顆衛星可見，數組中的值為0表示該顆衛星不可見。通道管理要能夠解析出可見星列表中每顆衛星的可見性，並且對應到單顆衛星信號模擬通道，具體算法如下。

(1)在每20ms中斷服務函數中，把可見星列表中的衛星號和本地的n個單顆衛星信號模擬通道衛星號相比較，查詢一遍；

(3)如果本可見星列表的衛星號為0，說明該通道數據無效；

(3)如果找到相同的衛星號，說明本衛星已經存在，需要保持衛星，衛星保持標誌置位；

(4)如果沒有找到相同的衛星號，說明是新出現的衛星，需要建立衛星，衛星建立標誌置位；

(5)這樣查詢兩輪過後，對單顆衛星信號模擬通道狀態進行檢查，如果哪個通道的衛星保持標誌和衛星建立標誌都無效，說明本衛星已經消失，衛星撤銷標誌置位。

通道資源分配完成之後，觀測數據和仿真資源的通道大致的對應關係如圖6所示：

通道資源分配完成後，每個通道需要根據由於其狀態是「建立」，「保持」，「撤銷」中的哪一種執行相應的操作，狀態不同執行的操作也不同，耗費的時間也是不一樣的。

其中，通道建立時執行的步驟比較多，運行時間比較長，尤其在系統啟動的時候可能同時有多個通道建立，為了保證實時性，採用時間打散的策略。

如果發現某個通道處於「建立」狀態，則將其後的所有應該處於「建立」狀態的通道都置為「撤銷」狀態，從而保證在每個20ms內只有一個通道建立，這樣某些通道的建立將被延後x個20ms，必然x<n，所以這個時間延遲完全是可以接受的。

綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。