专利名称：一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制的方法
技术领域：
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同 步控制的方法。
背景技术：
卫星导航信号仿真系统广泛应用于各种射频电子系统的开发、测试和维护活动 中，国内外导航系统的建设过程都采用了卫星信号仿真系统。典型的导航仿真系统如GPS 信号模拟器中就能输出包含各种特性的合成射频仿真信号。目前，全球范围内已经有美国GPS、俄罗斯GL0NASS (格洛纳斯)、欧盟Galileo (伽 利略)、我国“北斗二号”等全球卫星导航系统，用户可以利用多个系统有效组合实现全球范 围内的兼容导航定位。而卫星导航模拟器正是能够提供多系统、多频点兼容互操作卫星信 号的仪器设备，开发多规模、多体制的模拟器有利于用户机开发厂家对各种定位误差、信号 捕获跟踪性能以及各种资源进行测评。卫星导航信号模拟器用于对各类导航终端设备实现卫星不在轨、室内或临界条件 下的测试，或指定条件下的重复测试。数学仿真部分可以为用户提供有关卫星运行模型，用 户运动模型方面的信息，并可以图形方式显示卫星运行轨迹，通过射频仿真生成带有各类 特征(延迟，多普勒，衰减等)的真实射频信号，发送到终端设备，再由测试评估部分收集终 端设备的相关数据，得到测试结果，并通过数据库对测试结果进行管理。对导航信号进行模拟的传统方法是采用开环的方法，即预先生成载体的运动轨 迹、卫星场景文件和相关数据，在进行导航信号模拟时，将这些数据进行播放，不能对载体 轨迹进行修正，也没有相应的数据输入接口。在卫星导航信号模拟器仿真的实际开发和使 用过程中，需要生成各种不同轨迹的载体运动模型。这种模式对于那些轨迹不确定的应用 而言相对测试方法较为单一，不能够解决实时修改轨迹的问题。这种方法的弊端是导航信 号模拟器不能和仿真机进行连接，也不能对载体轨迹进行调整，导致导航信号模拟器功能 不完整，不能应用于更加精细的模型仿真过程中。仿真机在进行系统仿真时，也缺少了卫星 导航信号这个重要的反馈回路。本发明可以解决以上问题。在大型的模拟测试系统中，采用仿真机来实时模拟载 体的运动轨迹，卫星数据仿真软件和导航信号模拟器都实时进行仿真计算，仿真机根据载 体的运动特性提供导航系统样机的原型设计、开发和仿真所需的仿真环境，导航信号模拟 器实时产生模拟卫星信号，最终实现导航管理与制导、飞行管理等的全数字、半实物闭环实 验。
发明内容
鉴于传统基于技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种模拟卫星导航信号 实时闭环同步控制的方法，并以此方法为基础构建实时闭环型卫星导航信号模拟器装置， 为接收机提供卫星导航模拟信号
本发明是通过以下技术方案实现的一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制的方法，包括步骤A 仿真机产生一个同步触发信号，同时开始计算第一帧载体运动轨迹数据， 生成完整的运动参数，传送至仿真软件。步骤B 仿真软件接收到第一帧运动参数后，实时计算卫星当前位置和参数，实时 生成卫星数据参数，然后将卫星数据参数实时传输到导航信号模拟器。步骤C:导航信号模拟器根据卫星数据参数进行信号的模拟与同步控制，然后生 成模拟导航信号。步骤D 接收机接收模拟导航信号后，进行信号的解调，然后定位解算，将解算结 果反馈给仿真机。步骤E 仿真机根据系统步长继续进行仿真，仿真机接收到接收机传来的位置信 息，进行闭环控制，然后调整载体的运动参数，将调整后的运动参数通过接口传输到卫星数 据仿真软件输入接口；步骤F:重复步骤B、C、D、E ；步骤G 当需要系统到达仿真结束时间时，仿真机停止运行，系统闭环仿真结束。在本方法步骤B中的卫星数据仿真软件通过数据传输接口接收到第一帧运动参 数，该数据传输接口为以太网接口、反射内存接口或者RS485接口中的至少一种；其中，在步骤C中，导航信号模拟器根据卫星数据参数对信号进行控制的步骤包 括(1)计时导航信号模拟器接收到触发信号后，开始计时，当到达系统指定的延时 时间后，导航信号模拟器开始输出信号。(2)增加缓存在导航信号模拟器内部，当系统未到达指定输出时刻时，导航信号 模拟器内部生成的信号以数字形式存储到内部缓冲区中。本方法中所采用的导航信号模拟器是多种体制的导航信号模拟器，包括GPS (全 球定位)系统、Galileo(伽利略)系统、GL0NASS (格洛纳斯)系统或北斗系统。本方法步骤E中的系统步长可以设置为l-200ms。本发明有益的效果通过本发明所述方法，可以实现通过数据导航仿真软件实时接收载体的运动轨 迹，并实时计算GPS (全球定位)系统、Galileo (伽利略)系统、GL0NASS (格洛纳斯)以及 北斗系统的卫星星座运行情况，实时计算各种误差对信号的影响，并由导航信号模拟器实 现实时模拟的卫星信号，到达用户终端的导航信号，解决了上述开环系统中出现实时修改 轨迹和缺少反馈回路等问题。
图1是现有技术中的一种开环系统主要结构示意框图；图2是本发明的具体实施方式
提供的一种实时闭环系统组成示意图；图3是本发明的具体实施方式
提供的一种导航信号模拟器置的原理示意图；图4是本发明的具体实施方式
提供的实时闭环系统中对模拟卫星导航信号实时 闭环同步控制的方法流程图。
具体实施例方式为了更清楚的说明本具体实施方式
提供的实现模拟卫星导航信号实时闭环同步 控制的方法，现结合说明书附图对该方法进行详细说明。图1是现有技术中一种开环系统主要结构示意框图。图中所示，在导航信号模拟 器内部预先装载已经生成好的卫星导航仿真数据，在运行时进行数据播放，将数据转换为 模拟信号供接收机使用。但这些数据并不是实时产生的，这种模式对于那些轨迹不确定的 应用而言相对测试方法较为单一，无法实现实时修改轨迹的问题。而且导航信号模拟器不 能和仿真机进行连接，也不能对载体轨迹进行调整，导致导航信号模拟器功能不完整，同 时，仿真机在进行系统仿真时，也缺少了卫星导航信号这个重要的反馈回路。图2所示，本发明所述的一种实时闭环卫星导航信号模拟系统，由仿真机、卫星数 据仿真软件、导航信号模拟器、接收机等四个部分组成。实时闭环型卫星导航信号模拟器装 置的运行由仿真机进行控制，比如可以采用华力创通公司HRT100型仿真机。当仿真机等待 其它部分初始化完成后可以开始工作。仿真机首先向其他部分发出一个起始触发信号，然 后根据系统步长向卫星数据仿真软件实时发送载体位置参数信息；卫星数据仿真软件是专 业用于计算卫星轨迹、参数和大气模型等特殊环境模拟的软件，用于实时计算卫星的位置 和误差效应，将结果传给导航信号模拟器；导航信号模拟器可以是GPS (全球定位)系统、 Galileo(伽利略)系统、GL0NASS(格洛纳斯)以及北斗系统中的至少一种，用于实时产生 卫星导航模拟信号，并通过天线或者馈线形式发射出来。接收机用于接收卫星导航模拟信 号并进行定位解算，得出位置、速度等相关信息，并将解算结果传输给仿真机，仿真机接收 到反馈的位置信息后实时调整载体的运动姿态，仿真机根据系统模型进行空间和运动轨迹 的模拟，然后反馈给射频信号模拟器，形成闭环系统。图3为导航信号模拟器内部工作原理框图，其工作原理如下导航信号模拟器内 部工作过程为接收卫星数据仿真软件传来的伪距数据、电文数据，进行相应的计算，并进行 导航信号的相位控制、多普勒模拟，然后将这些信号进行数字合成和滤波，然后通过DA芯 片转换变成模拟信号，模拟信号经过上变频调制后生成所需的射频模拟信号。图4为本发明中对模拟卫星导航信号进行实时闭环同步控制的方法流程图。根据该流程图，本发明实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制步骤如下1)系统中各个部分分别自检，自检通过后通知仿真机已经准备好，可以开始仿真。2)仿真机等待卫星数据仿真软件、导航信号模拟器、接收机都可以开始后，可以运 行，产生触发信号，并传输给卫星数据仿真软件、导航信号模拟器、接收机，该时刻定义为仿 真系统时间0点。3)仿真机进行载体轨迹模拟，计算产生第1包可供卫星数据仿真软件使用的数 据，通过数据传输接口将数据传输到卫星数据仿真软件。数据传输接口可以是以太网接口、 反射内存接口或者RS485接口中的至少一种接口，只要该接口可以满足数据传输速率的要 求即可。4)卫星数据仿真软件接收到仿真机的数据之后开始实时计算，将计算出的卫星观 测数据和卫星电文数据等传输给导航信号模拟器。5)导航信号模拟器接收卫星数据仿真软件的数据后，进行实时计算和信号模拟，产生模拟卫星信号。由于导航信号模拟器内部设置有缓存，生成的信号并不是立即输出，而 是等待到达系统设定的延迟后才输出到接收机。6)在到达系统指定的延迟后，导航信号模拟器发送输出信号命令，由DA转换后将 模拟射频信号输出。7)接收机接收到导航模拟信号后，开始进行定位解算，实时将数据传输给仿真机， 仿真机接收到该数据后进行对载体轨迹和姿态的调整。8)仿真机将调整后的载体轨迹数据传输给卫星数据仿真软件，进行后续的实时仿
直
ο为实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制，需要保证系统能够实现完全同步。 因为在每个系统周期的仿真过程中，仿真机、卫星数据仿真软件、导航信号模拟器进行计算 时每次耗时都不相同，为了保证最终输出的信号在输出时保持同步，就需要一种方法保证 在信号输出时延时一致。本发明中采用了在导航信号模拟器内部计时和增加缓存的方法， 导航信号模拟器接收到触发信号后，开始计时，当到达系统指定的延时时间后，导航信号模 拟器开始输出信号。在导航信号模拟器内部，当系统未到达指定输出时刻时，导航信号模拟 器内部生成的信号以数字形式存储到内部缓冲区中。这种方法保证了仿真机和导航信号模 拟器之间能够实现同步控制。系统步长为Ims时，每Ims仿真机计算一次轨迹数据，卫星数据仿真软件和模拟器 每Ims更新一次轨迹参数，其余系统参数实时仿真生成。这种步长下系统运行精度最高，产 生信号同步性能最好，仿真结果最接近真实结果。系统步长为5ms时，每5ms仿真机计算一次轨迹数据，卫星数据仿真软件和模拟器 每5ms更新一次轨迹参数，但是为了保证系统仿真精度，导航信号模拟器内部对数据轨迹 进行插值处理，将轨迹细分为Ims —次，其余系统参数实时仿真生成。这种步长下系统运行 精度较高，产生信号同步性能较好，仿真结果比较接近真实结果。系统步长为IOOms时，每IOOms仿真机计算一次轨迹数据，卫星数据仿真软件和模 拟器每IOOms更新一次轨迹参数，但是为了保证系统仿真精度，卫星数据仿真软件对数据 轨迹进行插值处理，将轨迹细分为20ms —次，导航信号模拟器内部也对数据轨迹进行插值 处理，将轨迹细分为Ims —次，其余系统参数实时仿真生成。这种步长下系统运行精度受到 一定影响，产生信号同步性能一般，仿真结果可能与真实结果存在少量误差。系统步长为200ms时，每200ms仿真机计算一次轨迹数据，卫星数据仿真软件和模 拟器每200ms更新一次轨迹参数，但是为了保证系统仿真精度，卫星数据仿真软件对数据 轨迹进行插值处理，将轨迹细分为20ms —次，导航信号模拟器内部也对数据轨迹进行插值 处理，将轨迹细分为Ims —次，其余系统参数实时仿真生成。这种步长下系统运行精度较 差，产生信号同步性能较差，仿真结果可能与真实结果存在少量误差。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，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，可轻易想到的变化或替换， 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该以权利要求书的保护范 围为准。
权利要求
一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤A仿真机产生一个同步触发信号，同时开始计算第一帧载体运动轨迹数据，生成完整的运动参数，传送至卫星数据仿真软件；步骤B卫星数据仿真软件接收到第一帧运动参数后，实时计算卫星当前位置和参数，实时生成卫星数据参数，然后将卫星数据参数实时传输到导航信号模拟器；步骤C导航信号模拟器根据卫星数据参数进行信号的模拟与同步控制，然后生成模拟导航信号；步骤D接收机接收模拟导航信号后，进行信号的解调，然后定位解算，将解算结果反馈给仿真机；步骤E仿真机根据系统步长继续进行仿真，仿真机接收到接收机传来的位置信息，进行闭环控制，然后调整载体的运动参数，将调整后的运动参数通过接口传输到卫星数据仿真软件输入接口；步骤F重复步骤B、C、D、E；步骤G当需要系统到达仿真结束时间时，仿真机停止运行，系统闭环仿真结束。
2.根据权利要求1所述一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制的方法，其特征 在于所述步骤B中的卫星数据仿真软件通过数据传输接口接收到运动参数。
3.根据权利要求2所述一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制的方法，其特征 在于，所述数据传输接口为以太网接口、反射内存接口或者RS485接口中的至少一种接口。
4.根据权利要求1所述一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制的方法，其特征 在于所述步骤C中，导航信号模拟器根据卫星数据参数对信号进行同步控制的步骤包括(1)计时导航信号模拟器接收到触发信号后，开始计时，当到达系统指定的延时时间 后，导航信号模拟器开始输出信号；(2)增加缓存在导航信号模拟器内部，当系统未到达指定输出时刻时，导航信号模拟 器内部生成的信号以数字形式存储到内部缓冲区中。
5.根据权利要求1所述一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制的方法，其特征 在于，所述步骤E中，调整后的运动参数通过以太网接口、反射内存接口或者RS485接口中 的至少一种接口传输到卫星数据仿真软件输入接口。
6.根据权利要求1所述一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制的方法，其特征 在于所述导航信号模拟器包括GPS (全球定位)系统、Galileo (伽利略)系统、GL0NASS (格 洛纳斯)系统或北斗系统中的至少一种导航信号模拟器。
7.根据权利要求1所述一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制的方法，其特征 在于所述步骤E中的系统步长可以设置为l-200ms。
全文摘要
本发明涉及一种实现模拟卫星导航信号实时闭环同步控制的方法，包括首先由仿真机产生一个同步触发信号，计算第一帧载体运动轨迹数据，生成运动参数；仿真软件接收到第一帧运动参数后，实时计算卫星当前位置和参数，生成卫星数据参数，并实时传输到导航信号模拟器；导航信号模拟器根据卫星数据参数进行信号的模拟与同步控制，生成模拟导航信号；然后接收机进行信号的解调与定位解算，将解算结果反馈给仿真机；仿真机根据系统步长继续进行仿真，并根据传来的位置信息，进行闭环控制。通过本发明所述方法，可以实现通过数据导航仿真软件实时接收载体的运动轨迹，解决了现有开环系统中出现实时修改轨迹和缺少反馈回路等问题。
文档编号G01S19/23GK101963668SQ201010257158
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者方党恩, 童长海, 那成亮, 郑瑞锋 申请人:北京华力创通科技股份有限公司