衛星導航系統綜合仿真平臺設計

陳 杰，黃智剛，李 銳，韓春陽

(1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191；2.北京衛星導航中心，北京 100094)

1 引言

目前，全球衛星導航系統(global positioning system，GPS) 的開放服務定位精度為10 m左右[1]，尚不能滿足對精度和可靠性要求高的用戶需求，系統性能的提升技術已經成為衛星導航領域的研究熱點之一，其中差分增強技術作為有效提升全球衛星導航系統性能的手段之一，大大推動了全球衛星導航系統在不同領域的應用。差分增強技術根據服務區域的范圍分類，可分為廣域和局域，根據觀測值分類，可分為基于碼偽距的差分增強和基于載波相位的精密定位，典型代表分別為廣域增強系統(wide area augmentation system， WAAS)、全球差分GPS系統(global differential GPS， GDGPS)、局域增強系統(local area augmentation system， LAAS)和連續運行參考站(continuously operating reference stations， CORS)。

為了便于測試分析和縮短研發周期，科研單位和商業機構開發了多種仿真平臺，按照輸出方式可以分為射頻信號輸出和純數字輸出兩類。輸出射頻信號的典型仿真平臺是美國思博倫(Spirent)公司的GSS8000系統，該系統在控制器計算機上運行SimGEN軟件并通過信號發生器提供射頻輸出信號，可用于單個接收機的測試。受限于計算機硬件，組網的多臺機箱無法實現時鐘的納秒級同步，無法實現系統級仿真。純數字輸出的仿真平臺能夠克服時鐘同步的問題，歐洲航天局(European space agency，ESA)開發的伽利略系統仿真工具(Galileo system simulation facility， GSSF)[2]可配置星座、監測站和用戶，具備衛星可視性、監測站覆蓋深度等初步分析功能。然而GSSF僅能按照仰角配置用戶等效測距誤差，無法單獨配置各個偽距誤差影響因子，此外用戶段只支持靜態用戶或者區域網格，未提供用戶接收機動態模擬功能，限制了用戶定制仿真場景的深度。用戶獲得ESA授權才能使用GSSF，進一步限制了其應用范圍。

本文設計了面向差分和完好性研究需求的全球衛星導航系統綜合仿真平臺，能夠靈活深入配置仿真參數，特有完好性故障仿真功能，具備用戶接收機多類型運動能力，采用接收機自主交換格式[3](receiver independent exchange format， RINEX)和標準產品3軌道格式[4](extended standard product 3 orbit format， SP3-c)輸出，向用戶插件開放數據接口，支持差分增強技術的系統級和用戶級仿真數據生成與分析。

2 總體設計

全球衛星導航系統綜合仿真平臺主要用于衛星導航系統的數字仿真，為差分增強技術研究提供高逼真度的數據源。該平臺允許用戶通過文本和圖形界面兩種方式靈活配置星座、偽距誤差、監測站和用戶接收機等參數，具備完好性故障仿真的功能，按照普遍采用的RINEX和SP3格式輸出仿真數據，開放數據接口提高平臺可拓展能力。

該仿真平臺采用模塊化設計，分為五大模塊：控制模塊、交互模塊、數據庫模塊、運算模塊和輸出模塊，五大模塊的內部結構及模塊間關系如圖1所示。

圖1 全球衛星導航系統綜合仿真平臺

交互模塊包括文本文件讀取模塊和圖形界面交互模塊，前者負責從文本讀入星座和監測站配置信息，后者用于實現選擇衛導系統和查看衛星參數、查看和編輯監測站參數、設定用戶接收機類型和運動狀態參數、配置偽距誤差模型參數、配置完好性故障參數、設定仿真時間等功能。

數據庫模塊用于存儲、讀取和修改衛星數據庫、偽距誤差模型數據庫、監測站數據庫、用戶接收機數據庫和完好性故障數據庫。衛星數據庫包含星座、名稱、軌道、時鐘等參數，偽距誤差模型數據庫包含星歷、星鐘、電離層、對流層、接收機鐘差、熱噪聲及多徑誤差等模型參數，監測站數據庫包含名稱、位置、時鐘、觀測高度截止角等參數，用戶數據庫包含位置、運動狀態、接收機觀測類型等參數，完好性故障數據庫包含星歷故障、星鐘故障、電離層風暴、監測站故障的起止時間和故障模型參數。

運算模塊包括偽距誤差模型、完好性故障模型和用戶接收機動態模型。偽距誤差模型分為星鐘誤差模型、星歷誤差模型、電離層誤差模型、對流層誤差模型、接收機鐘差模型和熱噪聲及多徑誤差模型，用于模擬信號從產生到接收運算過程中的關鍵影響因素。完好性故障模型分為星歷故障模型、星鐘故障模型、電離層風暴模型、監測站時鐘故障模型和接收機單通道故障模型。用戶接收機動態模型用于生成用戶接收機的實時位置，并計算多普勒頻移對觀測值的影響。

輸出模塊負責輸出仿真結果。為了便于數據交換，該平臺采用標準格式輸出數據：根據RINEX 2.10格式輸出導航電文和觀測數據，其中每個監測站包含3臺接收機，經過一致性校驗后輸出2臺接收機的觀測數據，觀測類型包括多個頻點的碼偽距和載波相位；根據SP3-c格式輸出精密星歷。此外能夠以動畫形式演示星下點軌跡。

控制模塊實現仿真平臺整體控制，提供接口用于各模塊間數據交換。此外，控制模塊具備調用用戶插件的功能，預置了格網電離層垂直誤差(grid ionospheric vertical error，GIVE)、接收機自主完好性監測 (receiver autonomous integrity monitoring，RAIM)、用戶測距精度(user range accuracy， URA)、用戶差分距離誤差(user differential range error， UDRE)和監測站覆蓋深度等插件的按鈕。

圖2 仿真平臺界面(BDS和GPS雙系統)

3 關鍵技術

3.1 參數配置靈活

差分增強系統一般針對特定的衛星導航系統向一定區域內用戶提供服務，大氣條件、接收環境根據區域不同而存在差異。為了滿足用戶深入便捷定制仿真場景的需求，該平臺向用戶提供了文本和圖形化界面兩種方式，允許用戶配置星座、偽距誤差、監測站和用戶接收機等參數。

星座參數可通過圖形界面和文本兩種方式配置，圖形界面提供衛星系統選擇、衛星信息查閱功能，文本包含衛星的名稱、健康狀況和軌道參數。該平臺預置我國的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system， BDS)、美國的全球定位系統(global positioning system，GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system， GLONASS)和歐盟的伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)的星座配置文本。

偽距誤差模型參數可通過圖形界面配置。星鐘誤差模型采用高斯馬爾科夫模型，可配置參數為天穩定度、秒穩定度、初始頻偏、初始鐘偏；星歷誤差模型采用高斯馬爾科夫模型，可配置參數為相關時間、采樣間隔和星歷誤差標準差；電離層誤差模型采用Klobuchar模型[5]，可配置參數分為生成參數和廣播參數兩部分，預置太陽黑子平靜期和活躍期兩組參數；對流層誤差模型采用WAAS的對流層模型[6]，可配置不同緯度區域的對流層參數；接收機鐘差模型采用原子鐘模型[7]，可配置參數為初始頻偏、初始鐘偏和采樣間隔；熱噪聲及多徑誤差模型采用WAAS的熱噪聲和多徑模型[6]。該平臺以實測數據為依據預設各個模型參數。

監測站參數配置方式分為文本和圖形界面兩種方式，文本僅包含監測站的名稱、類別、健康狀況和經緯高，圖形界面顯示的監測站信息除了文本文件所含內容外，還包括監測站時鐘初始鐘差和頻差、對流層延遲干分量和濕分量，用戶還可通過直接點擊主界面地圖實現新建、刪除和編輯監測站信息。該平臺預置中國區域27個監測站配置文本。

用戶接收機參數通過圖形界面配置，可配置參數包括初始經緯高、單頻或雙頻接收機、接收機高度截止角和用戶運動信息，用戶運動類型可分為靜止、勻速直線和勻速圓周運動三類。

3.2 完好性故障仿真

差分增強系統通過播發完好性信息來提升衛星導航系統的可靠性，當衛星導航系統出現故障或某項運行參數偏差過大，使系統提供的定位結果超出規定限值時，增強系統需及時發現并及時通告用戶。

為了滿足用戶分析差分增強技術對完好性風險處理能力的需求，該平臺設計了完好性故障仿真功能。根據實測數據分析可知，星鐘誤差、星歷誤差和電離層誤差是導致完好性風險的主要因素，此外接收機鐘差也會導致定位結果超差。因此將完好性故障分為衛星故障、電離層風暴和監測站故障三類，可單獨設定每一類故障的起止時間。

(1)

Ik=IKlobuchar+IError

(2)

監測站故障分為監測站時鐘故障和接收機單通道故障，用戶可對每一個監測站單獨設定時鐘故障etk和接收機通道故障。在監測站故障有效期間，由于監測站的3臺接收機時鐘共源，時鐘故障疊加到每一臺接收機的觀測量。

tk=tk|k-1+etk

(3)

接收機天線間距離較近，因此接收機單通道故障可由一致性檢驗算法檢出，僅輸出無故障的2臺接收機數據。

3.3 平臺可擴展

為了提高該平臺的可擴展性，便于用戶在該平臺基礎上開展后續研究工作，用戶自定義插件可通過該平臺開放的數據接口，獲取衛星數據、偽距誤差模型數據、監測站數據、用戶接收機數據和完好性故障數據，可按照RINEX格式和SP3格式讀取該平臺輸出數據。程序預留了GIVE、RAIM、URA、UDER和監測站覆蓋深度等5個插件按鈕，用戶可直接點擊調用相應的插件。

以“監測站覆蓋深度分析”插件為示例，該插件通過數據接口獲取該平臺預置的GPS星座和27個監測站，完成監測站覆蓋深度分析，分析結果如圖4所示。

圖4 監測站覆蓋深度插件示例

4 性能測試

該平臺旨在為差分和完好性研究提供規范逼真的數據源，因此需要對其進行性能測試，以確保該平臺輸出數據達到接收機實測數據的性能，并可滿足差分增強技術仿真需求。對于用戶接收機端完好性算法而言，并不關心各誤差源分量的特性，只關心偽距殘差的整體數學特征，并且性能測試以定位誤差為評估標準。GrafNav是美國NovAtel公司開發的全球衛星導航系統(global navigation satellite system， GNSS)后處理軟件，具備高精度定位和長距離實時動態差分法(real-time kinematic，RTK)解算能力，本節利用GrafNav 8.40在定位域上對該平臺輸出數據進行性能分析。

4.1 靜態單點定位

為了驗證該平臺輸出數據符合標準、分析輸出數據的定位精度，進行了靜態定位測試。以BJFS站在2012-01-01的觀測數據為對比，在仿真平臺中添加與BJFS站相同坐標的監測站BEIJ，仿真時長為1 d，采樣間隔為30 s，均為雙頻接收機。

首先，利用GrafNav進行基本定位，如圖5所示，左側為仿真數據定位結果，右側為實測數據定位結果，可以得到如下結論：

其一，定位誤差相近：仿真數據定位落在半徑為6 m的圓內(99%)，實測數據定位落在半徑為6 m的圓內(99%)。

其二，定位分布存在差異：仿真數據定位呈條狀，實測數據定位呈散點狀。星歷誤差和星鐘誤差是定位的主要誤差源，該平臺采用馬爾科夫模型，前后時隙相關性較強，難以逼真地模擬真實誤差。

圖5 基本定位對比

隨后，利用GrafNav進行精密單點定位(precise point positioning，PPP )，PPP利用精密星歷消除軌道誤差和星鐘誤差對定位的影響，電離層延遲、對流層延遲、接收機鐘差等因素對定位結果起主導作用。如圖6所示，左側為仿真數據精密定位結果，落在半徑為0.5 m的圓內(99%)，右側為實測數據精密定位結果，落在半徑為0.3 m的圓內(99%)。由此可知，仿真數據定位結果略差于實測數據定位結果相比，但都顯示出條狀的分布特性。

圖6 精密單點定位對比

通過分析基本定位和精密單點定位的結果可知，該平臺接收機輸出數據規范有效，在靜態條件下與實測數據的定位性能相當。

4.2 動態差分增強

為了驗證該平臺可支持差分增強技術研究，進行了動態差分增強仿真。模擬民航飛機航路區飛行進行分析，以監測站BEIJ為基準站，飛機起始位置為(115.0°E，39.6°N)，飛行高度為10 000 m，航行速度為東向200 m/s，仿真時長為15 min，采樣間隔為1 s，均為雙頻接收機。圖7為GrafNav解算得到的飛行軌跡，用戶接收機由西向東經過BEIJ站上空，地面投影的航跡長約140 km。

圖7 運動軌跡

為了分析差分增強效果，在圖8繪制了實曲線和虛曲線，分別表示差分前和差分后的水平定位誤差。定位誤差(均方根)從2.30 m降到0.11 m，定位精度大幅提高，與實測數據性能相當[9]，可見該平臺能夠支持差分增強技術的仿真。用戶可通過布設多個監測站，實現差分增強技術和精密定位技術的系統級分析研究。

圖8 水平差分增強效果

5 結束語

本文設計了以差分和完好性研究需求為導向的全球衛星導航系統綜合仿真平臺，具備參數靈活配置、數據標準化輸出和平臺可擴展的特點，特有完好性故障仿真功能。性能測試結果表明，該平臺模擬接收機性能達到真實接收機的性能，可以同時支持WAAS、GDGPS、LAAS和CORS等差分增強技術與精密定位技術的用戶級和系統級仿真研究。

[1] U.S. Department of Defense. Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard[EB/OL]. [2013-09-07].http：//www.gps.gov/technical/ps/2008-SPS-performance-standard.pdf.

[2] ZIMMERMANN F， HAAK T， HILL C. Galileo System Simulation Facility[EB/OL]. [2013-09-07].http：//www.gssf.info/Documents/SESP%202004%20-%20Galileo%20System%20Simulation%20Facility%20-%20Issue%201%20-%20Revision%201.pdf .

[3] GURTNER W. RINEX：The Receiver Independent Exchange Format Version 2.10[EB/OL].[2013-09-07].http：//igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex210.txt.

[4] HILLA S. The Extended Standard Product 3 Orbit Format (SP3-c)[EB/OL].[2013-09-07].http：//igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/sp3c.txt.

[5] KLOBUCHAR J A. Ionospheric Time-delay Algorithm for Single-frequency GPS Users [EB/OL]. [2013-09-07].http：//www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a229968.pdf.

[6] RTCA. DO-229D， Minimum Operational Performance Standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System Airborne Equipment [S].

[7] SHIN M Y， PARK C， LEE S J. Atomic Clock Error Modeling for GNSS Software Platform[C]//Proceedings of Position， Location and Navigation Symposium， 2008 IEEE/ION. Monterey， CA：[s.n.]，2008：71-76.

[8] LUO Ming， PULLEN S， DENNIS J， et al. LAAS Ionosphere Spatial Gradient Threat Model and Impact of LGF and Airborne Monitoring[EB/OL]. [2013-09-07].http：//gps.stanford.edu/papers/LuoIONGPS03.pdf.

[9] 黑志堅， 周秋生， 曲建光， 等. GPS RTK 測量成果的精度估計及應用探討[J]. 哈爾濱工業大學學報， 2006， 38(8)：1295-1298.