一种实时卫星导航模拟方法及设备与流程

文档序号:11132309阅读:544来源:国知局
一种实时卫星导航模拟方法及设备与制造工艺

本发明涉及卫星导航技术领域,具体而言,涉及一种实时卫星导航模拟方法及设备。



背景技术:

北斗二代卫星导航系统是我国自主建设的区域性卫星导航系统,北斗二代卫星导航系统的卫星星座的分布使得在0°~55°N,55°~180°E的服务区内任何地方、任何时间都可观测到4颗以上卫星。

随着卫星导航与定位服务产业的迅速发展和快速成长,北斗卫星导航与位置服务产品已形成完整产业链并初具规模,与此同时,我国北斗卫星导航与位置服务产品的标准化体系建设也在快速跟进和不断完善之中。为更好推动、服务北斗卫星导航与位置服务产业的发展,为建立导航定位产业在研发、项目实施、产品检测等方面的公共服务平台并纳入产业发展体系,研制实时卫星导航模拟器成为重要一环。

目前,通常卫星信号模拟器实现的是虚拟时间卫星导航功能,与实时的真实卫星系统脱离,需要假定某个时间段、某个区域的模拟导航数据,脱离了卫星导航的实时性。



技术实现要素:

有鉴于此,本发明的目的在于提供一种实时卫星导航模拟方法及设备,能够实现实时的真实卫星导航信号模拟功能,实时生成卫星导航数据,以实现真实环境下的模拟源测试,便于系统进行功能与性能的验证,简化卫星导航测试流程。

第一方面,本发明实施例提供了一种实时卫星导航模拟方法,包括:

获取当前世界标准时间和测试地位置信息;

利用当前世界标准时间生成与当前世界标准时间同步的第一秒脉冲,以及与所述第一秒脉冲相参的内部频率源信号;

利用当前世界标准时间和测试地位置信息实时生成可见卫星导航数据,并保证卫星导航测试结果的基带频率、所述第一秒脉冲和所述内部频率源信号三者相参。

结合第一方面,本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式,其中,获取当前世界标准时间和测试地位置信息,具体包括:

接收卫星导航系统的射频通道链路;

通过卫星系统基带处理,获取当前世界标准时间和测试地位置信息。

结合第一方面,本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式,其中,所述卫星导航系统包括中国北斗二代卫星导航系统、美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统与欧盟伽利略卫星导航系统。

结合第一方面,本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式,其中,利用当前世界标准时间生成与当前世界标准时间同步的第一秒脉冲,以及与所述第一秒脉冲相参的内部频率源信号,具体为:

利用在测试地输出内部频率源信号的晶振生成与内部频率源信号相参的第二秒脉冲;

将所述第一秒脉冲与所述第二秒脉冲进行相位比较,得出相位差;

利用所述相位差调整内部频率源信号的频率,纠正频率累积误差,使内部频率源信号与所述第一秒脉冲相参。

结合第一方面,本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式,其中,利用当前世界标准时间和测试地位置信息实时生成可见卫星导航数据,并保证卫星导航测试结果的基带频率、所述第一秒脉冲和所述内部频率源信号三者相参,具体为:

利用当前世界标准时间和测试地位置信息,计算生成此时测试地可见卫星星座的信息数据;

根据卫星星座的信息数据,生成模拟运动轨迹、卫星导航电文与观测数据;

通过基带处理和射频信号处理,生成模拟卫星导航信号,并保证卫星导航测试结果的基带频率、所述第一秒脉冲和所述内部频率源信号三者相参。

第二方面,本发明实施例还提供一种实时卫星导航模拟设备,包括:天线、网络时间协议授时服务器与模拟器,具体为:

所述网络时间协议授时服务器用于通过所述天线获取当前世界标准时间和测试地位置信息;

所述网络时间协议授时服务器还用于利用当前世界标准时间生成与当前世界标准时间同步的第一秒脉冲;

所述模拟器用于生成与所述第一秒脉冲相参的内部频率源信号;

所述模拟器还用于利用当前世界标准时间和测试地位置信息实时生成可见卫星导航数据,并保证卫星导航测试结果的基带频率、所述第一秒脉冲和所述内部频率源信号三者相参。

结合第二方面,本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式,其中,所述网络时间协议授时服务器包括接收机,具体为:

所述接收机用于接收卫星导航系统的射频通道链路,通过卫星系统基带处理,获取当前世界标准时间和测试地位置信息。

结合第二方面,本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式,其中,所述卫星导航系统包括中国北斗二代卫星导航系统、美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统与欧盟伽利略卫星导航系统。

结合第二方面,本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式,其中,所述模拟器包括高稳晶振、数字鉴相器、频率综合器;

所述频率综合器用于利用所述高稳晶振生成与内部频率源信号相参的第二秒脉冲;

所述数字鉴相器用于将所述第一秒脉冲与所述第二秒脉冲进行相位比较,得出相位差;

所述数字鉴相器还用于利用所述相位差调整内部频率源信号的频率,纠正频率累积误差,使内部频率源信号与所述第一秒脉冲相参。

结合第二方面,本发明实施例提供了第二方面的第四种可能的实施方式,其中,所述模拟器还包括工控机、上位机和下位机;

所述工控机用于利用当前世界标准时间和测试地位置信息,计算生成此时测试地可见卫星星座的信息数据;

所述上位机用于根据所述卫星星座的信息数据,生成模拟运动轨迹、卫星导航电文与观测数据;

所述下位机用于通过基带处理和射频信号处理,生成模拟卫星导航信号;

其中,卫星导航测试结果的基带频率、所述第一秒脉冲和所述内部频率源信号三者相参。

本发明带来了以下有益效果:采用本发明提供的实时卫星导航模拟方法及模拟设备,先获取当前世界标准时间和测试地位置信息,再利用当前世界标准时间生成与当前世界标准时间同步的第一秒脉冲,以及与所述第一秒脉冲相参的内部频率源信号,之后利用当前世界标准时间和测试地位置信息实时生成可见卫星导航数据,在此过程中,始终保证卫星导航测试结果的基带频率、所述第一秒脉冲和所述内部频率源信号三者相参。因为在模拟测试过程中,对于世界标准时间的秒脉冲、测试地的内部频率源信号与卫星导航测试结果的基带频率,始终保持这三者相参。所以通过调制的模拟测试时间与卫星导航系统的时间是同步的,且消除了频率误差,从而能够实现实时的真实卫星导航信号模拟功能,实时生成卫星导航数据,以实现真实环境下的模拟源测试,更加便于系统进行功能与性能的验证,简化卫星导航测试流程。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂,下文特举较佳实施例,并配合所附附图,作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种实时卫星导航模拟方法的流程图;

图2示出了本发明实施例所提供的一种实时卫星导航模拟设备的结构示意图;

图3示出了本发明实施例所提供的一种实时卫星导航模拟设备中,模拟器的构成示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

目前,通常卫星信号模拟器实现虚拟时间卫星导航功能,与实时的真实卫星系统脱离,需要假定某个时间段、某个区域的模拟导航数据,脱离了卫星导航的实时性。

基于此,本发明实施例提供的一种实时卫星导航模拟方法及设备,能够实现实时的真实卫星导航信号模拟功能,实时生成卫星导航数据,实现真实环境下的模拟源测试,便于系统进行功能和性能验证,简化卫星导航测试流程。

实施例一:

如图1所示,以中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,简称BDS)为例,本发明实施例提供一种实时卫星导航模拟方法,主要包括以下步骤:

S1:获取当前世界标准时间和测试地位置信息。具体包括以下两个步骤:S11与S12。

S11:接收卫星系统的射频通道链路。

具体的,在测试地用天线连接卫星导航领域内普遍通用的接收器,利用接收机进行定位,接收北斗二代卫星导航系统的具有远距离传输能力的高频电磁波的射频通道链路,采用普遍专用于北斗二代卫星导航系统的射频芯片设计。

S12:通过卫星系统基带处理,获取当前世界标准时间和测试地位置信息。

具体的,通过解算功能,获得当前的世界标准时间时(Coordinated Universal Time,简称UTC)和测试地的位置信息。

卫星系统基带处理:利用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,简称FPGA)完成卫星信号捕获、跟踪以及导航电文解调等,利用数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)完成基带控制、导航电文解算和接收机的位置、速度、时间(Position、velocity、Time,简称PVT)解算,其中的PVT解算过程包括以下两个公式:

当接收机接收到4颗以上卫星信号时,根据下述公式可以解算出时间和测试地位置信息。位置计算公式如下:

在BDS观测中,仅能获得接收机时钟的观测时刻tk,而卫星发播信号时刻tj与tk之间的关系如下:

而对于BDS系统,中地球轨道(Medium Earth Orbit,简写为MEO)卫星的对地静止轨道(Geostationary Orbit的,简称GEO)和倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit,简称IGSO)卫星的从而得出北斗系统时,修正闰秒后得到UTC时间。通过PVT解算,获取当前标准UTC时间和位置信息。

如图2所示,将网络时间协议(Network Time Protocol,简称NTP)授时服务器22通过天线21接收外部卫星信号,取得UTC时间,通过网口的NTP协议传输给模拟器23。模拟器23接收NTP授时服务器22的NTP协议,通过协议解析,取得当前UTC时间和测试地定位信息,并将上述通过PVT解算出的模拟仿真时间修改至与UTC时同步,根据测试地定位信息计算站在地球上可观测到可见卫星的卫星信息数据。NTP授时服务器22的秒脉冲(pulsepersecond,简称PPS,1PPS=1次/秒)与硬件外部触发模拟器23同步。

经过PVT解算公式算出位置和UTC时间,然后对该模拟测试中计算出的UTC时间进行检验。将普遍用来测精准世界时间的待测授时设备24通过有源或无源天线接收模拟器23信号,定位授时输出1PPS信号。通过示波器25测试NTP授时服务器22、模拟器23和待测授时设备24的1PPS信号,观察是否同步。通过计算机线控软件26控制模拟器23和待测授时设备24,观察待测授时设备24测出的普遍世界标准时间和要检验测试的模拟器23经过PVT计算出的时间,两者的输出时间是否一致,误差大小。

待测授时设备24、示波器25与计算机线控软件26的设备是为了检验测试此实时卫星导航模拟设备20内的UTC时间是否准确,因为本发明主要强调的就是“实时模拟的真实性”。

S2:利用当前世界标准时间生成与当前世界标准时间同步的第一秒脉冲,以及与第一秒脉冲相参的内部频率源信号(10MHz)。具体包括以下三个步骤:S21、S23与S23。

S21:如图3所示,利用当前世界标准时间生成与当前世界标准时间同步的第一秒脉冲,利用上述接收机输出的第一秒脉冲信号对此发明整个卫星导航模拟设备内部的原子钟、高稳晶振31进行频率驯服,此驯服是一个环路过程。数字鉴相器36用来计算相位差,利用当前世界标准时间获得的第一秒脉冲信号即卫星授时秒脉冲信号35,利用在测试地输出10MHz信号的晶体振荡器(简称晶振)生成与10MHz信号相参的第二秒脉冲信号即本地产生秒脉冲信号34。

S22:将第一秒脉冲信号与第二秒脉冲信号进行相位比较,得出相位差。

S23:利用上述相位差调整10MHz信号频率,纠正频率累积误差,使10MHz信号与第一秒脉冲相参。

如图3所示,卫星导航模拟设备守时系统通过接收卫星导航信号恢复1PPS授时信号,即卫星授时秒脉冲信号35,卫星导航模拟设备内部的原子钟、高稳晶振31,即本测试地的高稳频率源,利用卫星授时秒脉冲信号35驯服本测试地的高稳频率源,通过图3整个鉴相环路使得本地晶振的秒脉冲1PPS信号即本地产生秒脉冲信号34,与卫星授时秒脉冲信号35同步。这一过程称作本地卫星导航模拟设备内部晶振原子钟的时钟驯服。时钟驯服由数字鉴相器36,环路滤波器37、直接数字频率合成器32等数字部件组成。频率综合器33负责把10MHz分频成与10MHz相参的1PPS。

再利用当前UTC的1PPS驯服测试地的输出10MHz的晶振,生成与UTC的1PPS同步且与10MHz信号相参的1PPS信号。

当前世界标准时间的1PPS信号,与利用输出10MHz晶振生成的1PPS信号进行相位比较,得出相位差;利用相位差调整10MHz信号频率,纠正频率累积误差。

以上S1、S2与S3这三个步骤的驯服是不断循环的过程,直到卫星授时1PPS信号35与本地产生1PPS信号34相参为止。频率的驯服过程使得原子钟、高稳晶振31即保持自身特有的短稳性能,又能消除长期运行带来的频率漂移。经过驯服后,本地产生1PPS信号34与卫星授时1PPS信号35达到同步。驯服过程是实现同步的手段,实现模拟卫星导航与真实卫星导航同步的真实情况。驯服还起到消除本身累计误差的作用,做到模拟卫星导航与真实卫星导航的时间与频率同步。

S3:利用当前世界标准时间和测试地位置信息实时生成可见卫星导航数据,并保证卫星导航测试结果的基带频率、第一秒脉冲和内部频率源信号三者相参。具体包括以下三个步骤:S31、S33与S33。

S31:利用当前世界标准时间和测试地位置信息,计算生成此时测试地可见卫星星的座信息数据。

根据当前UTC时间计算所需模拟星座的卫星在地心地固坐标系(earth-centered,earth-fixed,简称ECEF)下的位置;根据当前测试地位置信息计算模拟星座卫星在站心坐标系下的位置;计算卫星在站心坐标系下的仰角;根据设置的仰角门限值,大于该门限值的卫星是可见星,这些可见星构成可见卫星星座信息数据。即指站在地球上用设备在固定时间固定地点可观测到头顶的卫星为可见卫星。

S32:根据卫星星座的信息数据,生成模拟运动轨迹、卫星导航电文与观测数据。

上位机软件根据上述卫星星座信息数据,利用软件建立的模型,通过选择方向与速度来设置参数,选择用户需要且合理的模拟运动状态与运动轨迹。

模拟测算出的星历文件,生成导航电文、观测数据、中间数据。其中的星历文件用以描述可见卫星星座时空位置的参量数据;其中的卫星导航电文是描述导航卫星运行状态参数的电文,包括系统时间、星历、历书、卫星时钟的修正参数、导航卫星健康状况和电离层延时模型参数等内容。分解上述数据,生成600ms周期的卫星导航电文和20ms周期的观测数据,并传输数据和命令到下位机;并在下位机设备的内部界面上显示通道状态,卫星状态,轨迹状态及软件运行时间等信息。

S33:通过基带处理和射频信号处理,生成模拟卫星导航信号,并保证卫星导航测试结果的基带频率、第一秒脉冲和内部频率源信号三者相参。

下位机负责接收600ms周期的电文和20ms周期的观测数据,把数据保存在指定的缓存空间,发送周期因频点而异;并从缓存空间获取电文与观测量,对基带数据进行处理,生成1ms的基带参数,通过中断发送到现场可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array,简称FPGA);FPGA接收传输来的基带参数,生成中频信号。中频信号通过上变频模块,将中频信号变频成上频信号的频率调制,从模拟设备中生成即发射卫星导航信号,从而实现卫星导航信号模拟功能。

在此过程中,始终保证得出的结果即卫星导航观测数据处理后的基带信号的频率、驯服晶振后与10MHz相参的秒脉冲1PPS和驯服晶振后发出的10MHz信号相参。

本发明实施例方法还可以应用于其它导航定位系统中,实现实时卫星导航模拟器,其他卫星导航系统包括美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统与欧盟伽利略卫星导航系统。

本发明实施例提供的实时卫星导航模拟方法中,先获取当前世界标准时间和测试地位置信息,再利用当前世界标准时间生成与当前世界标准时间同步的第一秒脉冲,以及与第一秒脉冲相参的内部频率源信号,之后利用当前世界标准时间和测试地位置信息实时生成可见卫星导航数据,在此过程中,始终保证卫星导航测试结果的基带频率、第一秒脉冲和内部频率源信号三者相参。因为在模拟测试过程中,对于世界标准时间的秒脉冲、测试地的内部频率源信号与卫星导航测试结果的基带频率,始终保持这三者相参,所以通过调制的模拟测试时间与卫星导航系统的时间是同步的,且消除了频率误差,从而能够实现实时的真实卫星导航信号模拟功能,实时生成卫星导航数据,以实现真实环境下的模拟源测试,更加便于系统进行功能与性能的验证,简化卫星导航测试流程。

实施例二:

如图2所示,本发明实施例提供一种实时卫星导航模拟设备20,包括天线21、网络时间协议授时服务器22和模拟器23。

其中,网络时间协议授时服务器22用于通过天线21获取当前世界标准时间和测试地位置信息,利用当前世界标准时间生成与当前世界标准时间同步的第一秒脉冲。

模拟器23用于生成与第一秒脉冲相参的10MHz信号,利用当前世界标准时间和测试地位置信息实时生成可见卫星导航数据,并保证卫星导航测试结果的基带频率、第一秒脉冲和10MHz信号三者相参。

具体的,网络时间协议授时服务器22包括接收机,接收机用于接收卫星导航系统的射频通道链路,通过卫星系统基带处理,获取当前世界标准时间和测试地位置信息。其中,卫星导航系统包括中国北斗二代卫星导航系统、美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统与欧盟伽利略卫星导航系统。

模拟器23包括如图3所示的高稳晶振31、数字鉴相器36、频率综合器33、工控机、上位机和下位机。频率综合器33用于利用高稳晶振生成与内部频率源信号相参的第二秒脉冲;数字鉴相器用于将第一秒脉冲与第二秒脉冲进行相位比较,得出相位差,然后利用相位差调整内部频率源信号的频率,纠正频率累积误差,使内部频率源信号与第一秒脉冲相参;工控机用于利用当前世界标准时间和测试地位置信息,计算生成此时测试地可见卫星星座的信息数据;上位机用于根据卫星星座的信息数据,生成模拟运动轨迹、卫星导航电文与观测数据;下位机用于通过基带处理和射频信号处理,生成模拟卫星导航信号;其中,卫星导航测试结果的基带频率、第一秒脉冲和内部频率源信号三者相参。

如图2所示,本发明实施例提供的实时卫星导航模拟设备20中,通过网络时间协议授时服务器22获取当前世界标准时间和测试地位置信息,利用当前世界标准时间生成与当前世界标准时间同步的第一秒脉冲,通过模拟器23生成与第一秒脉冲相参的10MHz信号,之后利用当前世界标准时间和测试地位置信息实时生成可见卫星导航数据,在此过程中,始终保证卫星导航测试结果的基带频率、第一秒脉冲和10MHz信号三者相参。因为在模拟测试过程中,对于世界标准时间的秒脉冲、测试地的10MHz信号与卫星导航测试结果的基带频率,始终保持这三者相参,所以通过调制的模拟测试时间与卫星导航系统的时间是同步的,且消除了频率误差,从而能够实现实时的真实卫星导航信号模拟功能,实时生成卫星导航数据,以实现真实环境下的模拟源测试,更加便于系统进行功能与性能的验证,简化卫星导航测试流程。

本发明实施例所提供的实时卫星导航模拟方法方法及设备的计算机程序产品,包括存储了程序代码的计算机可读存储介质,所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法,具体实现可参见方法实施例,在此不再赘述。

需要注意的是,在本发明实施例的描述中,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。

另外,在本发明实施例的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括:U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

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