BD觀測數據仿真系統的設計與實現

王劍亮，樂亮，羅銀，劉奕宏（工業和信息化部電子第五研究所，廣州　510610）

BD觀測數據仿真系統的設計與實現

王劍亮，樂亮，羅銀，劉奕宏
（工業和信息化部電子第五研究所，廣州510610）

0　引言

目前全球導航衛星系統（GNSS）在軌運行的有四大系統，分別是美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯系統 （GLONASS）、歐盟的伽利略系統（Galileo）和中國的北斗衛星導航系統（BDS）。北斗衛星導航系統（Beidou（COMPASS）Navigation Satellite System）是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統的建設已經基本完成第二個階段的建設，北斗衛星導航系統的第二個階段以及第三個階段統稱為北斗二號衛星導航系統。根據北斗系統建設總體規劃，覆蓋全球的北斗二號衛星導航系統將于2020年左右建成［1］。

北斗二號衛星導航系統是由空間段，地面段，用戶段三部分組成。空間段主要包括5個靜止軌道（GEO）衛星、27個中圓地球軌道（MEO）衛星、3個傾斜同步軌道（IGSO）衛星。地面段包括主控站、衛星導航注入站和監測站［2］。用戶段由手持型、車載型和指揮型等各種類型的終端組成，也包括與其他導航系統兼容的終端［3］。

BD觀測數據仿真對于BD導航定位系統具有著特別重要的意義，觀測數據對于評判北斗衛星的導航定位性能具有著重要的影響，對于北斗的無源定位來說，觀測站至少要在同一時刻觀測到四顆衛星才能夠確定觀測站的位置［4］。觀測數據仿真模塊除了能夠生成觀測數據文件之外，還可以完成觀測站可見衛星星座圖的繪制。

1　北斗導航綜合仿真測試平臺介紹

BD觀測數據仿真系統是基于北斗衛星導航綜合仿真測試平臺，是該平臺控制系統所要實現的重要部分。北斗衛星導航綜合仿真測試平臺主要由控制系統、模擬信號源、標準接收機、有線測試臺組成，系統組成框圖如圖1所示。

圖1　北斗導航綜合仿真測試平臺

北斗衛星導航綜合仿真測試平臺的基本原理：控制系統根據設置的測試參數實時生成仿真數據，同時通過網絡控制模擬信號源按照生成的仿真數據產生所需的衛星導航射頻模擬信號 （在進行干擾測試時還需要產生干擾信號），產生的模擬信號經過標準接收機驗證正常后輸入到有線測試臺的被測設備，被測設備接收到射頻信號經處理計算后解算出位置或速度信息并經過網絡傳送給控制系統，控制系統接收到被測設備上報的結果后進行實時評估。

（1）控制系統：控制系統是整個測試平臺運行管理控制中心，BD觀測數據仿真系統通過它可以完成北斗衛星星座圖、可見衛星星座圖、電離層與對對流層延遲效應、衛星鐘差、觀測數據的實時仿真分析［5］。控制系統以通用工作站計算機為主體設備，采用一臺在線一臺備份的工作模式。

（2）模擬信號源：BD觀測數據仿真系統用的模擬信號源主要任務是把仿真的觀測數據精確地生成射頻模擬信號并且可以加載干擾信號以便進行干擾測試［7］。

（3）標準接收機：標準接收機主要任務是監測接收模擬信號源發射的衛星導航射頻模擬信號是否正常，系統鏈路是否異常。另外，標準接收機還可以對控制系統所仿真的模擬場景進行驗證，為系統提供在線或離線狀態下實現完好性監測的重要手段。

（4）有線測試臺：有線測試臺主要任務是提供用戶終端、模塊、芯片等被測設備有線測試射頻信號和中頻信號線以及數據線的連接，同時還負責被測設備的擺放和固定。BD觀測數據仿真系統的有線測試臺由4個獨立的測試平臺組成，每個測試平臺臺面尺寸約為2m×1m（長寬），可以滿足4臺被測設備的有線并行測試。

2　BD觀測數據仿真系統詳細設計與實現

BD觀測數據仿真系統負責完成觀測數據文件生成和可見衛星星座圖仿真。觀測數據文件中記錄偽據、電離層誤差值、對流層誤差值。觀測數據文件為.txt形式，對于所生成的觀測數據文件可以進行保存和讀取操作。可見衛星星座圖仿真是指觀測站可見的衛星星座圖的仿真。

BD觀測數據仿真系統運行于Windows平臺，使用VC、MATLAB和數據庫語言，實現觀測數據文件生成和可見衛星星座圖仿真。它通過VC調用MATLAB引擎來實現VC與MATLAB相結合的繪制可見衛星星座圖。

VC6.0環境設置：通過菜單 Tools/Options…，打開設置屬性頁，進入Directories頁面，目錄下拉列表框中選擇Include Files，添加下面兩個路徑：D：PROGRAMFILESMATLABR2012AEXTERNINCLUDE；D：PROGRAMFILESMATLABR2012AEXTERNINCLUDE WIN32。再選擇 Library Files，添加路徑：D：PROGRAMFILESMATLABR2009AEXTERNLIBWIN32 MICROSOFT，選擇菜單Project/Settings，打開工程設置屬性頁，進入Link頁面，在Object/library modules編輯框中，添加文件名libmx.lib libmat.lib libeng.lib，以空格隔開［8］。

（1）觀測數據仿真流程圖

觀測數據文件生成的具體流程如下：

①首先必須進行觀測站初始設置。觀測站分為靜止狀態和運動狀態，選擇好觀測站的運動狀態后設置觀測站在該狀態下的初始參數：靜止狀態的設置包括觀測站位置（經度、緯度、高度）、觀測時間間隔（單位是分鐘）和觀測時間段；運動狀態的設置包括觀測時間間隔（單位是秒）以及“簡單載體運動軌跡模擬”的相關運動參數的設置。如果選擇的是運動狀態，將會根據初始參數和運動模型模擬運動軌跡，并且可以保存運動軌跡的坐標；

②分別進行衛星鐘差模型、電離層延遲模型、對流層延遲模型參數設置。這里的參數設置是可選性的，如果不進行參數設置，具體計算時就會使用數據庫中的數據；否則將新設置的參數記錄在數據庫中，供具體計算所使用；

③當所有的參數都設置完成后，判斷對于觀測站來說的可見衛星，并計算可見衛星與觀測站之間的初始距離真值；

④根據誤差計算模型，計算可見衛星所對應的各種距離誤差值，結合第3步得到偽據的初值；

⑤根據“偽據迭代計算方法”計算最終偽據，保存偽據、電離層誤差值、對流層誤差值到觀測文件。

觀測數據文件生成的具體流程如圖2所示。

（2）觀測站靜止時的觀測數據生成仿真

圖2　觀測數據文件生成的具體流程圖

相關參數設置：位置（經度東經，緯度北緯，高度1200米），觀測時間段（2014年12月1日10時0分0秒至2014年12月1日10時25分0秒），觀測時間間隔300秒，B1頻點，觀測站的高度截止角，結果如圖3所示。

（3）觀測站可見衛星星座圖仿真流程

觀測站可見衛星星座圖仿真的輸入初始參數只有觀測時間，并且該觀測時間必須在觀測站初始設置的時間范圍內。該功能的具體實現過程如下：

①依據輸入的具體參考時刻以及觀測站的初始設置，計算出觀測站在該時刻的具體位置。如果觀測站靜止，則無需計算；否則依據具體的運動軌跡模擬模型計算出觀測站的位置；

圖3　觀測站靜止時觀測數據生成的仿真結果

②計算出每顆衛星在該時刻的位置；

③依據觀測站的位置和衛星的位置，判斷出可見衛星，并且記錄衛星名稱；

④依據記錄的衛星名稱，從數據庫中讀出衛星星座仿真函數所需要的其他參數，利用這些參數做為實際參數調用衛星星座仿真函數，實現觀測站可見衛星星座圖的仿真。

（4）觀測站觀測到的衛星星座圖仿真

條件設置：位置（經度東經，緯度北緯，高度1200米），觀測時間2014年12月1日10時50分0秒，B1頻點，觀測站的高度截止角。圖4是觀測站觀測到北斗衛星星座 （此例的觀測站觀測到的衛星星座圖仿真是在觀測站靜止狀態下）。

觀測數據仿真主界面如圖5所示，它包括觀測站的初始設置、衛星鐘差設置、電離層延遲設置、衛星設備時延設置等功能。

圖4　觀測站觀測到的衛星星座圖仿真結果

圖5　觀測數據仿真主界面

點擊觀測數據仿真主界面的衛星鐘差按鈕后，系統將進入衛星鐘差模型參數設置界面，如圖6所示。

圖6　衛星鐘差模型參數設置

3　結語

本文設計和實現了BD觀測數據仿真系統，使用VC、MATLAB和數據庫語言，實現觀測數據文件生成和可見衛星星座圖仿真功能。但是本文只是完成了BD觀測數據仿真系統系統的設計與實現，并沒有生成BD導航電文以及與北斗導航綜合仿真測試平臺配套調試使用。所以，進一步將控制系統所產生的數據發送給模擬信號源，控制模擬信號源產生北斗導航信號，是下一步需要完成的工作。

［1］許建利，王俊峰，董偉.北斗II衛星導航系統星座仿真分析研究［J］.計算機工程與設計，2012（10）.

［2］趙樹強，許愛華，張榮之，郭小紅.北斗一號衛星導航系統定位算法及精度分析［J］.全球定位系統，2008（1）：20-24.

［3］HAN C H，YANG Y X，CAI Z W.Beidou navigation satellite system and its time scales［J］.Metrologia 48，2011：S213-S218.

［4］許國昌.GPS理論、算法與應用［M］.2版.李強，等，譯，北京：清華大學出版社，2011.

［5］劉天旻.北斗衛星導航系統B1頻段信號分析研究［D］.上海交通大學，2013.

［6］北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號B1I（1.0版）.北京：中國衛星導航系統管理辦公室，2012.

［7］中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統發展報告（1.0版）.

［8］湯長存.GPS衛星定位仿真分析與系統程序設計［D］.上海同濟大學碩士學位論文，2007.

王劍亮，男，江西人，助理工程師，碩士研究生，研究方向為軟件質量工程、軟件評測理論與技術、衛星定位

樂亮（1988-），男，江西人，碩士研究生，工程師，研究方向為軟件質量工程、軟件評測理論與技術

羅銀（1984-），男，湖南人，碩士研究生，工程師，研究方向為軟件結構與軟件測評

劉奕宏（1983-），男，湖南人，碩士研究生，工程師，研究方向為嵌入式軟件測試

BD2 Satellite Navigation System；Simulation of Observational Data；Ionospheric Delay；Tropospheric Delay

Design and Implementation of Simulation System for BD Observed Data

WANG Jian-liang，LE Liang，LUO Yin，LIU Yi-hong
（The Fifth Electronic Research Institute of MIIT，Guangzhou 510610）

1007-1423（2015）27-0045-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.013

2015-07-21

2015-09-10

基于北斗衛星定位系統的定位原理，對北斗衛星觀測數據的生成進行研究，在此基礎上，設計和實現Beidou（BD）觀測數據仿真系統，該系統可根據已知測站的三維位置恢復得出該測站可接收的衛星信號并計算出星站之間的距離，并且可以模擬如衛星鐘差、電離層延遲、對流層延遲等各種系統誤差。

北斗二號衛星導航系統；觀測數據仿真；電離層延遲；對流層延遲

Based on Beidou satellite positioning system positioning principle，studies how to generate the Beidou satellite observation data.On this basis，designs and implements the simulation system of the Beidou observed data.The system can obtain the satellite signals received based on the three-dimensional position of the known station and compute the distance between the star and observed station.In addition，it can simulate many system errors，for example，the satellite clock error，the ionospheric delay，the tropospheric delay and so on.