衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

曹義昆 丁傳紅

一、引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，為了實(shí)現(xiàn)更高的軍事效益及經(jīng)濟(jì)利益，人們對(duì)于設(shè)備性能要求也越來(lái)越高，但是由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的特殊性，設(shè)備的研制普遍時(shí)間長(zhǎng)、花費(fèi)高、不便捷。而衛(wèi)星信號(hào)模擬器則可以為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及各類終端測(cè)試提供真實(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度模擬，可在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中為GNSS接收機(jī)的研制、測(cè)試、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)提供可重復(fù)、可選擇的測(cè)試驗(yàn)證支持。也正鑒于此，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注衛(wèi)星信號(hào)模擬源技術(shù)的發(fā)展。

二、研究衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬技術(shù)的意義

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬技術(shù)的研究具有政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等諸多意義，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、方便驗(yàn)證衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的性能，推進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展。2、打破高端模擬源國(guó)外禁運(yùn)壁全，為我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航終端測(cè)試提供自主可控解決方案。3、促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化推廣，為結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航的創(chuàng)新應(yīng)用提供高可信度的星座模擬測(cè)試手段。4、作為涵蓋星座、環(huán)境、信號(hào)、電文等多層面的系統(tǒng)級(jí)技術(shù)，可以展示出衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)級(jí)技術(shù)水平，在國(guó)際合作中掌握更多主動(dòng)權(quán)。

三、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬技術(shù)的現(xiàn)狀

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)迷你源的研制技術(shù)難度很大，涉及偽碼擴(kuò)頻調(diào)制、載波相位的精確控制、誤差仿真等技術(shù)。國(guó)外很早就開(kāi)始研究GPS信號(hào)模擬源技術(shù)的研究，已經(jīng)研制生產(chǎn)出多款型號(hào)并投入使用。因?yàn)镚PS是由美國(guó)開(kāi)發(fā)并使用的的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，至今已有幾十年，因此美國(guó)擁有大量成熟的衛(wèi)星信號(hào)模擬源技術(shù)。最早的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)仿真系統(tǒng)是由Texas Instruments公司于1977年開(kāi)發(fā)的GPS模擬源。自此，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建立，體制的更新，其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源也從模擬合成到數(shù)字合成、從中頻數(shù)字合成到基帶數(shù)字合成、通道由單到多、從單一仿真到混合仿真、從專用到通用、從整機(jī)系統(tǒng)仿真到便攜的單片機(jī)片上仿真。目前國(guó)外市場(chǎng)上GPS仿真系統(tǒng)均不同程度地采用了大規(guī)模DSP/FPGA技術(shù)，在數(shù)字域進(jìn)行直接信號(hào)合成，把多顆衛(wèi)星的數(shù)字合成信號(hào)用一個(gè)射頻通道輸出，以提高信號(hào)精度和通道間的一致性。

因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)模擬源極大地方便了GPS系統(tǒng)及終端的研制，世界上許多國(guó)家相繼研制了衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源。英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)等已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品。其中，Spirent、Aeroflex公司等生產(chǎn)的GPS模擬源最具代表性。

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累，國(guó)外的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源功能更多，性能更加優(yōu)越，有的模擬源可以模擬多種環(huán)境下的干擾信號(hào)，甚至可以模擬差分信號(hào)、姿態(tài)測(cè)量信號(hào)，具有基于衛(wèi)星增強(qiáng)（SBAS）仿真功能。對(duì)于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的模擬源則技術(shù)相對(duì)不夠成熟。

國(guó)內(nèi)在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域起步就比較晚，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬技術(shù)與國(guó)外相比也有不小的差距，國(guó)內(nèi)研究衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬技術(shù)的機(jī)構(gòu)主要包括北京航天航空大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等高校，東方聯(lián)星、華力創(chuàng)通等企業(yè)以及某些軍工研究所。GNS8000系列衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器由湖南矩陣電子有限公司研制生產(chǎn)，支持中國(guó)北斗、美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯及歐盟的伽利略等多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座，并且可以產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)的衛(wèi)星信號(hào)、以及可以與慣導(dǎo)組合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)閉環(huán)、還支持多波束抗干擾仿真、多輸出多通道仿真等終端產(chǎn)品的測(cè)試。

四、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)模擬源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及應(yīng)用經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，其仿真測(cè)試技術(shù)及裝備也經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和積累，甚至先于導(dǎo)航應(yīng)用終端的發(fā)展，特別是國(guó)外在建設(shè)導(dǎo)航測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)方面基本與導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)一致，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展積累了大量的技術(shù)及工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)提升導(dǎo)航裝備水平作用巨大。目前國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航模擬測(cè)試技術(shù)和相關(guān)裝備發(fā)展表現(xiàn)出如下趨勢(shì)：

（1）測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建全面化。傳統(tǒng)的用戶測(cè)試系統(tǒng)往往只針對(duì)某些預(yù)先設(shè)定好的測(cè)試任務(wù)開(kāi)展針對(duì)性的設(shè)計(jì)，面對(duì)未來(lái)工程應(yīng)用中多樣且處于不斷變化中的測(cè)試任務(wù)，其已很難適應(yīng)當(dāng)前的測(cè)試系統(tǒng)任務(wù)需求。為滿足不斷演進(jìn)的測(cè)試評(píng)估需求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)即面向全面的測(cè)試評(píng)估任務(wù)為需求，以適應(yīng)復(fù)雜多變的場(chǎng)景，從而提升試驗(yàn)系統(tǒng)的服務(wù)水平。（2）設(shè)備組成模塊化。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，采用模塊化可以方便維修及部件升級(jí)提高靈活性。還可增加即插即用的設(shè)備模塊，使系統(tǒng)更加智能。（3）管理控制平臺(tái)化。作為測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)，為更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)自身的測(cè)試任務(wù)的管理與控制，均采用服務(wù)平臺(tái)化設(shè)計(jì)，即為系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的、可擴(kuò)展的、容錯(cuò)的、多層次的服務(wù)，使本系統(tǒng)所提供的服務(wù)能力實(shí)現(xiàn)設(shè)備隔離，在未來(lái)設(shè)備維修、換型、擴(kuò)展時(shí)，最大限度保證全系統(tǒng)的穩(wěn)定擴(kuò)展，支持各個(gè)層次的系統(tǒng)試驗(yàn)要求。（4）測(cè)試與評(píng)估自動(dòng)化。仿真系統(tǒng)隨著技術(shù)的發(fā)展規(guī)模會(huì)越來(lái)越大，不可只依賴于人工操作，任務(wù)管理及運(yùn)行的自動(dòng)化是必然的趨勢(shì)，還可以減少人工操作，降低人力成本，降低人為錯(cuò)誤的幾率提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。（5）測(cè)試流程規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化。為保證測(cè)試評(píng)估的權(quán)威性，測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)在流程、方法、評(píng)估準(zhǔn)則上體現(xiàn)出規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢(shì)，測(cè)試流程實(shí)現(xiàn)上表現(xiàn)為腳本化、圖形化的特點(diǎn)，形成統(tǒng)一的測(cè)試規(guī)范及測(cè)試流程，并形成權(quán)威的測(cè)試評(píng)估方法及測(cè)試評(píng)估準(zhǔn)則。（6）高逼真度、高精度環(huán)境模擬。作為測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)其最主要的特點(diǎn)和要求是能夠提供高逼真性、完全控制的高精度信號(hào)模擬，因此當(dāng)前測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)以實(shí)際測(cè)試需求為輸人，充分開(kāi)展信號(hào)、環(huán)境仿真建模，以提供高逼真度和精確度的仿真建模，保證測(cè)試的逼真性及可重復(fù)性。（7）多系統(tǒng)兼容、可升級(jí)可擴(kuò)展。隨著越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始研究衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)水平不斷提高，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源技術(shù)也要發(fā)展成多系統(tǒng)兼容并且可升級(jí)可擴(kuò)展。