GLONASS衛星導航信號模擬器的設計與實現

曹春輝+劉鈞濤

【摘 要】 介紹了GLONASS衛星導航信號模擬源的設計與實現，根據GLONASS導航系統頻分多址的特點給出了基帶信號產生和數字濾波技術兩項關鍵技術的解決方案;給出模擬器總體框架設計，分解主要組成部分，分別予以概要設計。完成設計后進行了試驗驗證，給出了定位結果，證明該方案合理可行。

【關鍵詞】 GLONASS ?頻分 ?模擬器 ?基帶

任何接收機的研制及接收技術的突破，都離不開信號模擬器。GPS、GLONASS是較成熟的導航系統。隨著GLONASS星座的日趨完善，及衛星導航系統在各個領域應用的不斷深入，各國越來越重視GLONASS 接收機和多模GNSS兼容接收機的研發。

國外衛星信號仿真器的研究較早。英國SPIRENT多年前已完成GLONASS衛星信號仿真器的研發，因涉及敏感技術問題，特別是高動態型號產品對我國禁運。國內這方面起步較晚，尤其在GLONASS衛星信號仿真器的研發上，相關研究較少。本文提出的設計方案成本低，可實現用戶任意設定位置、模擬衛星軌跡、模擬多徑功能，并具備較高的動態性能。

1 GLONASS系統簡介

GLONASS空間段由24顆衛星組成，工作星21顆，分布在互成120°夾角軌高19100km的3個軌面上，每軌8顆衛星，周期11時15分，確保任何地點同時能觀測到4顆衛星。GLONASS地面段實現星座的維護與控制，由控制中心和分散于俄羅斯領土的指令跟蹤控制站組成。

系統使用頻分多址播發方式，衛星通過其發送的載波頻率來獲得識別，根據已發布的ICD 2008文件，每顆衛星發送L1、L2載波頻率是互不相同的，頻率設計如下：

（式1）

（式2）

其中k為衛星頻率通道號，，，

，，且，根據ICD規定衛星所用的頻道號K=-7～+6，根據不同的k值的可計算出其載波頻率。

衛星發射兩種測距碼，標準精度碼（C/A碼）和高精度碼（P碼），C/A碼為民用，速率為511kHz，P碼需要授權，速率為5.11MHz，調制方式均為BPSK，相位調制偏差0.2弧度。導航信號由測距碼、導航電文、曲折碼三者向加后模二形成。本文只討論C/A碼。

C/A碼是由9級m序列生產，生成多項式為：

（式3）

偽碼周期1ms，碼速率511kHz，生成C/A碼的移位寄存器產生結構如圖1所示。

導航電文為二進制碼超幀（Superframe）結構，每超幀5個幀（Frame），每幀15個串（String），。每超幀歷時150秒，數據率50bps，編碼后符號率100cps。每個串歷時2秒，在每個串的后300毫秒，為一個時間標志，接收機可以用來作為幀鎖定標志。

2 模擬器設計

GLONASS模擬器總體架構類似于其他模擬器，包括數學仿真、信號實現兩部分。模擬器的組成及數學仿真、基帶信號產生、時頻產生、射頻調制等模塊邏輯關系如圖2所示。

數學仿真由PXI機箱的零槽模塊充當。根據衛星信號的產生原理、傳播途徑、接收原理等，及導航系統星座運行情況，仿真生成地面接收機天線接收到的導航信號。

基帶信號產生是整個設計的核心，實現數學仿真生成的偽距、速度、加速度、多徑等各種物理量的信號層面實現，包括時延、多普勒頻偏、信號疊加等。這些信號包含了所有需要仿真的物理量，導航模擬器的精度也由基帶信號產生單元來保證。

射頻調制單元為鏡像抑制上變頻架構，直接轉換為所需的L波段射頻信號，并完成信號電平的粗調，本設計沒有鏡像分量，不需要輸出濾波，縮小了設備體積，提高了可靠性。

基帶單元和射頻單元共同完成GLONASS一個頻點的射頻信號輸出，L1和L2硬件配置相同，通過不同的板載程序完成不同頻點的信號模擬，基帶和射頻合稱射頻信號模擬通道。

圖3給出了射頻信號模擬通道的邏輯示意。

3 關鍵技術及其實現

GLONASS導航信號模擬器，國內研究較少。文獻[1]給出了“正交調制技術”、“多普勒實現技術”等有關技術原理和實現的描述，endprint

【摘 要】 介紹了GLONASS衛星導航信號模擬源的設計與實現，根據GLONASS導航系統頻分多址的特點給出了基帶信號產生和數字濾波技術兩項關鍵技術的解決方案;給出模擬器總體框架設計，分解主要組成部分，分別予以概要設計。完成設計后進行了試驗驗證，給出了定位結果，證明該方案合理可行。

【關鍵詞】 GLONASS ?頻分 ?模擬器 ?基帶

任何接收機的研制及接收技術的突破，都離不開信號模擬器。GPS、GLONASS是較成熟的導航系統。隨著GLONASS星座的日趨完善，及衛星導航系統在各個領域應用的不斷深入，各國越來越重視GLONASS 接收機和多模GNSS兼容接收機的研發。

國外衛星信號仿真器的研究較早。英國SPIRENT多年前已完成GLONASS衛星信號仿真器的研發，因涉及敏感技術問題，特別是高動態型號產品對我國禁運。國內這方面起步較晚，尤其在GLONASS衛星信號仿真器的研發上，相關研究較少。本文提出的設計方案成本低，可實現用戶任意設定位置、模擬衛星軌跡、模擬多徑功能，并具備較高的動態性能。

1 GLONASS系統簡介

GLONASS空間段由24顆衛星組成，工作星21顆，分布在互成120°夾角軌高19100km的3個軌面上，每軌8顆衛星，周期11時15分，確保任何地點同時能觀測到4顆衛星。GLONASS地面段實現星座的維護與控制，由控制中心和分散于俄羅斯領土的指令跟蹤控制站組成。

系統使用頻分多址播發方式，衛星通過其發送的載波頻率來獲得識別，根據已發布的ICD 2008文件，每顆衛星發送L1、L2載波頻率是互不相同的，頻率設計如下：

（式1）

（式2）

其中k為衛星頻率通道號，，，

，，且，根據ICD規定衛星所用的頻道號K=-7～+6，根據不同的k值的可計算出其載波頻率。

衛星發射兩種測距碼，標準精度碼（C/A碼）和高精度碼（P碼），C/A碼為民用，速率為511kHz，P碼需要授權，速率為5.11MHz，調制方式均為BPSK，相位調制偏差0.2弧度。導航信號由測距碼、導航電文、曲折碼三者向加后模二形成。本文只討論C/A碼。

C/A碼是由9級m序列生產，生成多項式為：

（式3）

偽碼周期1ms，碼速率511kHz，生成C/A碼的移位寄存器產生結構如圖1所示。

導航電文為二進制碼超幀（Superframe）結構，每超幀5個幀（Frame），每幀15個串（String），。每超幀歷時150秒，數據率50bps，編碼后符號率100cps。每個串歷時2秒，在每個串的后300毫秒，為一個時間標志，接收機可以用來作為幀鎖定標志。

2 模擬器設計

GLONASS模擬器總體架構類似于其他模擬器，包括數學仿真、信號實現兩部分。模擬器的組成及數學仿真、基帶信號產生、時頻產生、射頻調制等模塊邏輯關系如圖2所示。

數學仿真由PXI機箱的零槽模塊充當。根據衛星信號的產生原理、傳播途徑、接收原理等，及導航系統星座運行情況，仿真生成地面接收機天線接收到的導航信號。

基帶信號產生是整個設計的核心，實現數學仿真生成的偽距、速度、加速度、多徑等各種物理量的信號層面實現，包括時延、多普勒頻偏、信號疊加等。這些信號包含了所有需要仿真的物理量，導航模擬器的精度也由基帶信號產生單元來保證。

射頻調制單元為鏡像抑制上變頻架構，直接轉換為所需的L波段射頻信號，并完成信號電平的粗調，本設計沒有鏡像分量，不需要輸出濾波，縮小了設備體積，提高了可靠性。

基帶單元和射頻單元共同完成GLONASS一個頻點的射頻信號輸出，L1和L2硬件配置相同，通過不同的板載程序完成不同頻點的信號模擬，基帶和射頻合稱射頻信號模擬通道。

圖3給出了射頻信號模擬通道的邏輯示意。

3 關鍵技術及其實現

GLONASS導航信號模擬器，國內研究較少。文獻[1]給出了“正交調制技術”、“多普勒實現技術”等有關技術原理和實現的描述，endprint

【摘 要】 介紹了GLONASS衛星導航信號模擬源的設計與實現，根據GLONASS導航系統頻分多址的特點給出了基帶信號產生和數字濾波技術兩項關鍵技術的解決方案;給出模擬器總體框架設計，分解主要組成部分，分別予以概要設計。完成設計后進行了試驗驗證，給出了定位結果，證明該方案合理可行。

【關鍵詞】 GLONASS ?頻分 ?模擬器 ?基帶

任何接收機的研制及接收技術的突破，都離不開信號模擬器。GPS、GLONASS是較成熟的導航系統。隨著GLONASS星座的日趨完善，及衛星導航系統在各個領域應用的不斷深入，各國越來越重視GLONASS 接收機和多模GNSS兼容接收機的研發。

國外衛星信號仿真器的研究較早。英國SPIRENT多年前已完成GLONASS衛星信號仿真器的研發，因涉及敏感技術問題，特別是高動態型號產品對我國禁運。國內這方面起步較晚，尤其在GLONASS衛星信號仿真器的研發上，相關研究較少。本文提出的設計方案成本低，可實現用戶任意設定位置、模擬衛星軌跡、模擬多徑功能，并具備較高的動態性能。

1 GLONASS系統簡介

GLONASS空間段由24顆衛星組成，工作星21顆，分布在互成120°夾角軌高19100km的3個軌面上，每軌8顆衛星，周期11時15分，確保任何地點同時能觀測到4顆衛星。GLONASS地面段實現星座的維護與控制，由控制中心和分散于俄羅斯領土的指令跟蹤控制站組成。

系統使用頻分多址播發方式，衛星通過其發送的載波頻率來獲得識別，根據已發布的ICD 2008文件，每顆衛星發送L1、L2載波頻率是互不相同的，頻率設計如下：

（式1）

（式2）

其中k為衛星頻率通道號，，，

，，且，根據ICD規定衛星所用的頻道號K=-7～+6，根據不同的k值的可計算出其載波頻率。

衛星發射兩種測距碼，標準精度碼（C/A碼）和高精度碼（P碼），C/A碼為民用，速率為511kHz，P碼需要授權，速率為5.11MHz，調制方式均為BPSK，相位調制偏差0.2弧度。導航信號由測距碼、導航電文、曲折碼三者向加后模二形成。本文只討論C/A碼。

C/A碼是由9級m序列生產，生成多項式為：

（式3）

偽碼周期1ms，碼速率511kHz，生成C/A碼的移位寄存器產生結構如圖1所示。

導航電文為二進制碼超幀（Superframe）結構，每超幀5個幀（Frame），每幀15個串（String），。每超幀歷時150秒，數據率50bps，編碼后符號率100cps。每個串歷時2秒，在每個串的后300毫秒，為一個時間標志，接收機可以用來作為幀鎖定標志。

2 模擬器設計

GLONASS模擬器總體架構類似于其他模擬器，包括數學仿真、信號實現兩部分。模擬器的組成及數學仿真、基帶信號產生、時頻產生、射頻調制等模塊邏輯關系如圖2所示。

數學仿真由PXI機箱的零槽模塊充當。根據衛星信號的產生原理、傳播途徑、接收原理等，及導航系統星座運行情況，仿真生成地面接收機天線接收到的導航信號。

基帶信號產生是整個設計的核心，實現數學仿真生成的偽距、速度、加速度、多徑等各種物理量的信號層面實現，包括時延、多普勒頻偏、信號疊加等。這些信號包含了所有需要仿真的物理量，導航模擬器的精度也由基帶信號產生單元來保證。

射頻調制單元為鏡像抑制上變頻架構，直接轉換為所需的L波段射頻信號，并完成信號電平的粗調，本設計沒有鏡像分量，不需要輸出濾波，縮小了設備體積，提高了可靠性。

基帶單元和射頻單元共同完成GLONASS一個頻點的射頻信號輸出，L1和L2硬件配置相同，通過不同的板載程序完成不同頻點的信號模擬，基帶和射頻合稱射頻信號模擬通道。

圖3給出了射頻信號模擬通道的邏輯示意。

3 關鍵技術及其實現

GLONASS導航信號模擬器，國內研究較少。文獻[1]給出了“正交調制技術”、“多普勒實現技術”等有關技術原理和實現的描述，endprint