多頻多模GNSS觀測信息實時仿真數(shù)學模型及軟件研究

閆 偉,王文旭,張 奇,汪 偉

（天津市測繪院，天津 300381）

引言

隨著全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)技術與應用的迅猛發(fā)展[1-2]，美國GPS開始實現(xiàn)現(xiàn)代化，俄羅斯GLONASS也在逐漸恢復，歐盟Galileo以及中國BDS衛(wèi)星導航系統(tǒng)正在積極建設.與此同時，印度、日本等國也積極建設自己的區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)及其增強系統(tǒng).預計到 2020年，GPS、GLONASS、Galileo及北斗將全面建成并投入使用.屆時，將有100余顆導航衛(wèi)星在全球范圍內提供多頻點、多類型的導航數(shù)據(jù)，必將大幅度提高GNSS導航定位精度和性能.這對精密定軌方法、導航定位算法及多系統(tǒng)兼容導航設備等提出了更高的要求.但目前，除GPS外其它導航系統(tǒng)尚處在恢復或建設當中，其系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)無法獲取，多模GNSS應用研究必須依靠高精度、功能齊全、性能優(yōu)良的GNSS仿真平臺.多頻多模GNSS觀測數(shù)據(jù)建模與仿真研究及相應軟件平臺的研制，是滿足GNSS技術發(fā)展與應用的迫切需求.

國內外開展了對GPS觀測數(shù)據(jù)的仿真研究，國際著名科研軟件Bernese5.0、開源軟件SIGOG和JAT等均包含GPS觀測數(shù)據(jù)仿真模塊[3-5].現(xiàn)有仿真軟件多由Matlab、Fortran等語言編寫，仿真依賴于IGS精密星歷，不能實時仿真生成多模GNSS系統(tǒng)多頻點多類型的觀測數(shù)據(jù)，更無法滿足BDS等新一代導航系統(tǒng)及多模GNSS應用研究的仿真需求.

近年來，筆者構建了一套完整的多頻多模GNSS觀測信息實時仿真軟件平臺，主要由GNSS衛(wèi)星星座仿真、用戶軌跡仿真和觀測數(shù)據(jù)仿真等三個功能模塊組成.多頻多模GNSS觀測信息實時仿真軟件平臺采用標準C++語言按面向對象方法開發(fā)，易于維護擴充，移植性好，能運行于多種軟件/硬件平臺.本文將重點介紹軟件各功能模塊所用的數(shù)學模型、關鍵技術及其應用狀況.

1 GNSS衛(wèi)星星座仿真

本文采用四/五階RKF（Runge-Kutta-Fehlberg）算法，按設定精度自動調節(jié)積分步長，實時高效的計算衛(wèi)星運動狀態(tài).積分考慮的攝動力主要有地球非球星攝動（JGM-3模型）、日月引力攝動、大氣阻力攝動、太陽光壓攝動等，可以根據(jù)所需的計算精度和效率自由設置.

多頻多模GNSS觀測信息實時仿真軟件根據(jù)配置參數(shù)靈活設置導航星座及其動力學模型參數(shù)、衛(wèi)星參數(shù)和初始狀態(tài)參數(shù).GPS導航星座初始狀態(tài)根據(jù)IGS精密星歷設置，共32顆衛(wèi)星；GLONASS導航星座為Walker24/3/1星座，其初始狀態(tài)根據(jù)GLONASS的ICD文件設置；Galileo導航星座為Walker30/3/1星座，其初始狀態(tài)由STK軟件的WALKER工具生成；BDS導航星座由5顆GEO和30顆NGEO組成.

2 GNSS導航電文的生成

多頻多模GNSS觀測信息實時仿真軟件平臺擬合的廣播星歷參數(shù)與GPS星歷參數(shù)相同，由參考歷元、開普勒軌道根數(shù)、表示軌道攝動的調和系數(shù)等16個參數(shù)組成.參數(shù)擬合算法見相關文獻[6].一般2~4小時的導航星歷擬合一組星歷參數(shù)，其精度優(yōu)于5cm.

導航電文編碼是衛(wèi)星射頻系統(tǒng)生成射頻信號測試用戶接收機的必要前提和基礎，其主要目的是將衛(wèi)星星歷等導航電文信息按規(guī)定的比例因子歸化取整，并把相應比特位數(shù)據(jù)存貯到指定位置并組成字、子幀、主幀和超幀，經過編碼校驗后生成二進制數(shù)據(jù)流再以一定比特率向外播發(fā)，最終形成導航電文信號.本文開發(fā)了GPS、Galileo、BDS等導航電文編碼軟件，經過測試并已應用于新一代導航系統(tǒng)接收機的測試與評估中.

3 用戶軌跡仿真

多頻多模GNSS觀測信息實時仿真軟件平臺可以實時仿真靜態(tài)、中低動態(tài)、高動態(tài)用戶的運動學（或動力學）軌跡，輸出地心地固系，J2000慣性系等多種坐標系下的運動狀態(tài)（位置，速度，加速度，加加速度）及姿態(tài)信息（方位角，俯仰角、偏航角）.靜態(tài)用戶軌跡仿真主要仿真固體潮、海潮、極潮、板塊運動等對監(jiān)測站的影響；中低動態(tài)用戶軌跡仿真主要仿真汽車、艦船、飛機等用戶加速、轉彎、爬坡、起飛、降落等典型運動軌跡；高動態(tài)用戶軌跡仿真主要包括火箭的初始發(fā)射、垂直上升、程序轉彎、機動點火、入軌飛行等基本過程，及彈道式導彈和低軌衛(wèi)星的動力學軌跡.

4 觀測數(shù)據(jù)仿真

導航信號從導航衛(wèi)星發(fā)射到用戶接收機接收的過程中受多種誤差源的影響.高精度、高效率的仿真這些星地觀測誤差源是實現(xiàn)高精度GNSS觀測數(shù)據(jù)實時仿真的前提.本文考慮的星地觀測誤差源主要包括地球自轉效應誤差、相對論效應誤差、衛(wèi)星及用戶接收機鐘差、衛(wèi)星及用戶接收機天線相位中心偏差、設備延遲誤差、電離層效應誤差、對流層效應誤差、多路徑效應誤差、觀測噪聲等多種誤差源，并提供了多個仿真數(shù)學模型，參數(shù)可以靈活配置.

GNSS觀測數(shù)據(jù)仿真基本上可視為精密單點定位的逆過程，將仿真的多種星地觀測誤差源疊加到星地幾何距離上生成多頻點多種類的觀測數(shù)據(jù).仿真生成的基本觀測數(shù)據(jù)主要包括偽距觀測及其1階、2階、3階變化率，相位觀測及其1階、2階、3階變化率，多普勒觀測等，與此同時，可實時輸出每個用戶對可見衛(wèi)星的觀測高度角、電離層穿刺點位置、觀測幾何精度因子等信息，便于對不同星座的導航性能做出評估.

5 結論

本文研制的多頻多模GNSS觀測信息實時仿真平臺，可以采用完整的動力學模型實時仿真GPS、GLONASS、Galileo、BDS等多個導航衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)；擬合生成廣播星歷參數(shù)，編碼生成可播發(fā)的導航電文；模擬汽車、艦船、飛機、火箭、導彈、低軌衛(wèi)星等典型運動軌跡；仿真電離層效應、對流層效應、多路徑效應、地球自轉效應、相對論效應等多種星地觀測誤差源對導航信號的影響，最終生成多頻點多類型的GNSS觀測數(shù)據(jù).該軟件平臺是新一代GNSS衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設前期預研、方案論證和相關指標確定的理想模擬工具，也是進行多頻多模GNSS數(shù)據(jù)處理算法和多頻多模GNSS導航設備測試的理想工具，有著廣闊的應用前景.

〔1〕譚述森.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J].宇航學報，2008(02).

〔2〕Hofmann-Wellenhof B,Lichtenegger H,Wasle E.GNSS-Global Navigation Satellite Systems GPS,GLONAS,Galileo,and more[M].Springer,2007.

〔3〕韓保民，歐吉坤，曲國慶.GPS觀測數(shù)據(jù)的模擬研究[J].武漢大學學報(信息科學版)，2005(03).

〔4〕匡翠林，鄒璇，李陶.利用IGS數(shù)據(jù)產品進行高精度GPS觀測數(shù)據(jù)仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2007(12).

〔5〕Dach R,Hugentobler U,Fridez P,et al.Bernese GPS Software Version 5.0[Z].2007.

〔6〕馬開鋒，彭碧波，洪櫻.基于衛(wèi)星軌道特征的低軌衛(wèi)星星歷參數(shù)擬合法[J].大地測量與地球動力學，2007(01).