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高動態GPS衛星信號模擬器工作原理

文章來源:深圳市新進時科技有限公司人氣:2290發表時間:2016-01-16 11:46:13

1.工作原理 GPS衛星信號模擬器由GPS信號產生器、計算機和仿真控制軟件組成,GPS衛星信號模擬器工作原理見圖1。 GPS衛星信號模擬器就是要產生用戶天線端收到的可見GPS衛星L1頻率C/A碼信號,這些信號的表達式為[2] 式中Ai(t) 表示t時刻第i顆衛星的信號幅度; Ci(t) 表示t時刻第i顆衛星發射的C/A碼信號; Di(t) 表示在第i顆衛星信號上調制的導航電文數據; fi(t)表示第i顆衛星的瞬時載波頻率; φi(t)表示載波信號的相位; τi表示第i顆衛星信號傳播的群延遲。
在模擬器設計方案中,首先產生離散的中頻GPS信號,中頻GPS信號的采樣率為fs,對應采樣間隔為Ts,則在第k個采樣時刻,產生的離散中頻GPS信號為[2] 式中fIFi(kTs)為第k個采樣時刻瞬時GPS中頻信號頻率,包含多普勒頻率影響。 為了以較低的采樣頻率產生所需的中頻信號,并降低FPGA(大規模在線可編程器件)計算速度要求,對S(kTs)進行4倍零內插[3],即每隔1個采樣點插入3個零點,得到新的內插信號S4(kTs),S4(kTs)經D/A變為模擬信號,再由帶通濾波器濾出需要的中頻信號,通過上變頻便產生L1頻率的GPS信號。衰減器控制模擬器輸出的信號強度,使輸出信號電平保持在規定的范圍之內。
     2.軟件組成 仿真控制軟件是模擬器的核心,模擬器需要的控制參數由該軟件計算得到。它主要由以下模塊組成:初始化模塊、自檢模塊、通信控制模塊、衛星導航參數計算模塊、電文控制模塊、目標運動軌跡計算模塊、誤差計算模塊、天線特性計算模塊、用戶輸入與顯示模塊及數據分析模塊。 初始化模塊和自檢模塊完成模擬器初始參數設置和模擬器硬件的自檢,確保模擬器各個部分處于正常狀態。 
    通信控制模塊完成計算機與PCI插卡之間的通信,向信號產生器發送導航數據和控制命令,接收信號產生器發送的狀態信息。 導航參數計算模塊選擇最佳GPS衛星,根據星歷和目標運動狀態計算信號發射時刻偽碼的狀態、載波多普勒頻率、多普勒頻率變化率。衛星電文控制模塊自動編輯各顆GPS衛星的導航信息,管理電文數據中各種數據域和特殊標志,設定衛星星歷誤差,包括衛星徑向、切向和橫向誤差。修改衛星電文參數供接收機進行RAIM檢測。 誤差計算模塊計算星歷誤差、電離層、對流層折射誤差、多徑效應等各種誤差源對碼相位和載波相位的影響。 載體運動軌跡計算模塊建有一系列復雜的載體運動模型,可生成載體運動軌跡。按載體類型可以分為以下子模塊:衛星(飛船)、火箭、飛機、艦船和汽車運動軌跡子模塊。另外,該模塊允許用戶自定義載體的運動特性。 GPS接收機天線增益和相位具有一定的方向性,從不同方位、不同仰角入射的信號天線的增益和相位是不同的。特別目標姿態變化較大時,GPS接收天線方向性圖對信號的接收及測量精度會產生一定的影響。另外,若目標周圍環境有遮擋,會造成部分衛星信號中斷。天線特性計算模塊考慮這些因素的影響,在方位和俯仰上分別按一定的分辨率,建立天線方向性圖,計算載體姿態變化對GPS信號接收的影響。 
用戶輸入與顯示模塊擬采用交互式圖形式界面,允許用戶完成仿真的各種參數設置與修改,同時以動畫方式逼真顯示試驗過程。 數據分析模塊根據仿真軟件產生的模擬數據和被試GPS接收機的測量數據,完成接收機捕獲時間、測量精度等項指標的評定。
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