CN108680934A - 卫星导航信号的动态范围检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种卫星导航信号的动态范围检测系统，包括卫星导航信号模拟器、卫星导航信号频率自动采集装置以及动态范围分析计算模块。利用上述卫星导航信号的动态范围检测系统，本发明还提供卫星导航信号的动态范围检测方法，基于卫星导航信号模拟器工作原理及多普勒效应，能够实时模拟不同动态环境下接收机接收到的射频信号，从速度、加速度、加加速度等方面分析卫星导航信号模拟器动态范围测试方法，并搭建动态范围测试平台，形成具体测试方案，开展实验验证测试方法的正确性、实用性和有效性。该测试方法简便可靠，可在模拟环境中准确检测卫星导航信号模拟器的动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种卫星导航信号的动态范围检测系统及检测方法。
背景技术
随着北斗卫星导航系统的建设，卫星导航这个新兴技术越来越受到各行各业的青睐，卫星导航接收机也受到广泛的应用。由于卫星导航接收机主要应用于航海和航空测速、测绘高精度测量等领域，其输出测量数据的准确性、可靠性至关重要。卫星导航模拟器提供信号用于卫星导航接收机等设备的高精度测量，根据具体测试要求，生成和运行多种不同的模拟场景，对卫星导航接收机开展测试与验证，因此，卫星导航信号模拟器模拟输出的射频信号性能直接影响卫星导航接收机的测试结果。为保证日益增长的卫星导航接收机测试需求和正确可靠评估的需要，建立标准、完善的卫星导航信号模拟器关键指标测量校准方法极其重要。
在对卫星导航信号模拟器进行测试工作中，主要考察的是其射频信号的性能指标。射频信号性能指标主要包括信号功率控制、动态范围、伪距误差控制、信号频谱纯度、内部时基频率准确度和稳定度等，其中动态范围是影响卫星导航信号模拟器动态特性的重要技术指标。卫星导航信号模拟器动态范围性能直接决定接收机(尤其是高动态接收机)动态定位精度等动态特性的测试结果。由于卫星与地球之间存在相对运动以及实际卫星导航接收机的动态特性，接收机接收到的射频信号存在时变的多普勒，这要求卫星导航信号模拟器模拟的射频信号在速度、加速度、加加速度上分别满足指标要求。然而，由于我国卫星导航信号模拟器技术起步较晚，再加上国外技术封锁，卫星导航信号模拟器动态范围检测方面的研究较少，现有的方法研究虽已从理论上进行分析，但缺少实用可行的检测方案。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种卫星导航信号的动态范围检测系统，包括
卫星导航信号模拟器，用于生成卫星导航信号；
卫星导航信号频率自动采集装置，用于自动采集信号输出频率值，并转化为计算机文本；
所述卫星导航信号频率自动采集装置自动采集信号输出频率值具体为：通过采集所述卫星导航信号模拟器输出信号的电平为零时的时刻，通过过零时刻的时间间隔，利用倒数的形式转化为频率值；
以及动态范围分析计算模块，用于根据采集的所述计算机文本计算动态范围指标。
可选地，卫星导航信号的动态范围检测系统还包括卫星导航信号动态变化特性控制模块，用于控制所述卫星导航信号模拟器以自由配置检测场景，所述动态范围分析计算模块结合所述检测场景计算相应的动态范围指标；所述卫星导航信号动态变化特性控制模块包括：第一单元，用于解除卫星导航信号的扩频调制特征，去掉卫星导航信号的电文信息；第二单元，用于将导航卫星的位置由真实定义的位置调整为地球同步轨道的虚拟位置；第三单元，用于将接收机的运动方向由沿着地面的真实方向调整为指向卫星的虚拟方向；第四单元将接收机的运动参数由变速运动的真实参数调整为匀速、匀加速和匀加加速的虚拟参数。
进一步的，所述检测场景包括速度检测场景、加速度检测场景和加加速度检测场景，对应所述动态范围指标包括速度、加速度、加加速度指标；所述卫星导航信号为卫星导航接收机能够接收的射频信号；根据所述计算机文本所示的多普勒频移计算动态范围指标；卫星导航信号的动态范围检测系统还包括放大器，用于放大所述卫星导航信号。
另一方面，本发明还提供一种卫星导航信号的动态范围检测方法，包括
卫星导航信号模拟器生成卫星导航信号；
卫星导航信号频率自动采集装置自动采集信号输出频率值，并转化为计算机文本；所述卫星导航信号频率自动采集装置自动采集信号输出频率值具体为：通过采集所述卫星导航信号模拟器输出信号的电平为零时的时刻，通过过零时刻的时间间隔，利用倒数的形式转化为频率值；
动态范围分析计算模块根据采集的所述计算机文本计算动态范围指标。
其中，在所述卫星导航信号模拟器生成卫星导航信号前，先实现开机预热。
可选的，卫星导航信号动态变化特性控制模块控制所述卫星导航信号模拟器以配置检测场景，所述卫星导航信号模拟器运行该检测场景，生成卫星导航信号；所述卫星导航信号动态变化特性控制模块具备以下功能：(1)解除卫星导航信号的扩频调制特征，去掉卫星导航信号的电文信息；(2)将导航卫星的位置由真实定义的位置调整为地球同步轨道的虚拟位置；(3)将接收机的运动方向由沿着地面的真实方向调整为指向卫星的虚拟方向；(4)将接收机的运动参数由变速运动的真实参数调整为匀速、匀加速和匀加加速的虚拟参数。
可选的，所述检测场景为速度检测场景，设置该检测场景下卫星导航接收机的运动模型为：静止后以所述卫星导航信号模拟器速度指标范围上限值为速度值，沿着卫星径向方向匀速运动；所述动态范围分析计算模块基于多普勒频移原理，利用公式计算速度动态范围；其中，v为速度，fd为多普勒频移，c为光速，fs为所述卫星导航接收机静止时接收到的射频信号频率值。
可选的，所述检测场景为加速度检测场景，设置该检测场景下卫星导航接收机的运动模型为：静止后以所述卫星导航信号模拟器加速度指标范围上限值为加速度值，沿着卫星径向方向匀加速运动，最终速度为所述卫星导航信号模拟器速度指标范围上限值；可选的，所述动态范围分析计算模块基于多普勒频移原理，利用公式计算加速度动态范围；其中，a为加速度，fd为多普勒频移，c为光速，ΔT为频率从最低端开始到最高端经过的时间，fs为所述卫星导航接收机静止时接收到的射频信号频率值。
可选的，所述检测场景为加加速度检测场景，设置该检测场景下卫星导航接收机的运动模型为：静止后以所述卫星导航信号模拟器加速度指标范围上限值为加加速度值，沿着卫星径向方向作加速度为零的匀加加速运动，最终速度为所述卫星导航信号模拟器速度指标范围上限值；所述动态范围分析计算模块基于多普勒频移原理，利用公式计算加加速度动态范围；其中，J为加加速度，fd为多普勒频移，c为光速，ΔT为频率从最低端开始到最高端经过的时间，fs为所述卫星导航接收机静止时接收到的射频信号频率值。
可选的，配置所述检测场景的方法包括
关闭大气延迟；
选择卫星定位系统，并设置卫星信号频点；
卫星导航信号模拟器选择单颗可见卫星场景，编辑该颗卫星轨道参数使其处于地球静止轨道上，并设置卫星与地球中心连线在球面交点的经度值为B；
关闭所述可见卫星扩频码和导航数据，使其只发送单载波调制信号；
设置所述可见卫星信号功率为最大值；
设置卫星导航接收机初始位置经度值为B，纬度值为0，高度值大于0，运动方向的单位向量为(cosB,sinB,0)。
可选的，所述卫星导航信号模拟器支持BDS系统，选择单颗可见卫星场景时选择五颗地球静止轨道卫星中的一颗可见卫星。
本发明的卫星导航信号的动态范围检测系统基于卫星导航信号模拟器工作原理及多普勒效应，实时模拟不同动态环境下接收机接收到的射频信号，从速度、加速度、加加速度等方面分析卫星导航信号模拟器动态范围测试方法，并搭建动态范围测试平台，形成具体测试方案，开展实验验证测试方法的正确性、实用性和有效性。该测试方法简便可靠，可在模拟环境中准确检测卫星导航信号模拟器的动态范围。
附图说明
图1为本发明一实施例所述卫星导航信号的动态范围检测系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，使得本发明的优点和特征更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明的卫星导航信号的动态范围检测系统包括：
卫星导航信号模拟器，用于生成卫星导航信号；
卫星导航信号频率自动采集装置，用于自动采集信号输出频率值，并转化为计算机文本；
所述卫星导航信号频率自动采集装置自动采集信号输出频率值具体为：通过采集所述卫星导航信号模拟器输出信号的电平为零时的时刻，通过过零时刻的时间间隔，利用倒数的形式转化为频率值；
以及动态范围分析计算模块，用于根据采集的所述计算机文本计算动态范围指标。
具体的，通过采集卫星导航模拟器输出信号的电平为零时的时刻，通过过零时刻的时间间隔，利用倒数的形式转化为频率值，提高普通频率计采集频率的精度，并弥补普通频率计采集频率部分缺失的问题。计算单载波信号频率值时，一般通过统计在一定时间内信号到达门限电平值的次数得到，在硬件上为了简化设计方案并保证可实现性，一般选择参考电平(0V)作为门限电平值。当信号频率随时间变化时，上述方法得到的频率值是统计时间内的频率平均值，为了尽可能得到准确的瞬时频率值，实验中需要将统计时间尽可能减小。卫星导航信号频率在1.5GHz左右，本发明中的卫星导航信号频率自动采集装置能够对卫星导航信号的过零点时间戳进行准确标定，其时间戳的分辨力为9ps，能够满足低于50GHz信号的频率分析要求，因此完全满足卫星导航信号频率采集需求，装置通过对卫星导航信号过零点的时间进行精确采集，得到卫星导航信号频率值随时间的变化趋势，为动态范围分析计算模块提供精确、充足的样本数据。
卫星导航信号的动态范围检测系统还包括卫星导航信号动态变化特性控制模块，用于控制所述卫星导航信号模拟器以自由配置检测场景，所述动态范围分析计算模块结合所述检测场景计算相应的动态范围指标。
具体地，导航卫星对地面广播卫星导航信号，当地面的接收机相对导航卫星产生运动时，接收机接收的卫星信号的频率会出现相应的多普勒频偏，本发明最终将通过分析多普勒频偏随时间的变化特性完成卫星信号模拟器动态特性的校准。另外，一般情况下导航信号为扩频调制信号，卫星导航信号频率自动采集装置误差进行采集，只有解除扩频调制后才能完成信号采集功能。因此卫星导航信号动态变化特性控制模块具备以下功能：(1)解除卫星导航信号的扩频调制特征，去掉卫星导航信号的电文信息；(2)将导航卫星的位置由真实定义的位置调整为地球同步轨道的虚拟位置；(3)将接收机的运动方向由沿着地面的真实方向调整为指向卫星的虚拟方向；(4)将接收机的运动参数由变速运动的真实参数调整为匀速、匀加速和匀加加速的虚拟参数。
卫星导航信号的动态范围检测系统还包括放大器，例如为低噪放大器，连接于卫星导航信号模拟器与频率计之间。若需要测试强度较小的信号，则需要放大器将卫星导航信号放大，以供频率计接收。
本发明还提供一种卫星导航信号的动态范围检测方法，主要包括以下步骤：
卫星导航信号模拟器生成卫星导航信号；
频率计测量所述卫星导航信号的频率值；
频率自动采集装置实时将所述频率值自动采集为计算机文本；以及
动态范围分析计算模块根据采集的所述计算机文本计算动态范围指标。
下面以一具体实施例进一步详细介绍本方法。
第一步，打开卫星导航信号模拟器，并预热30min以上。
第二步，调用速度范围测试场景，该场景具备如下特点：
关闭大气延迟；
选择BDS系统，并设置卫星信号频点B1；
模拟器仿真场景选择单颗地球静止轨道卫星，编辑该颗卫星轨道参数使其处于地球静止轨道上，并设置星下点的经度值B＝0°；
关闭可见卫星扩频码和导航数据，使其只发送单载波调制信号；
设置可见卫星信号功率为最大值；
设置接收机初始位置经度值为B，纬度值为0，高度值为6378.140公里，运动方向的单位向量为(cosB,sinB,0)；
设置接收机运动模型：接收机静止10s，10s后在地心地固坐标系下以模拟器速度范围指标的上限值，例如速度(Vx,Vy,Vz)＝(100000m/s,0,0)做1min的匀速运动；
第三步，运行该场景开始仿真，频率自动采集装置实时采集频率计输出的频率值，动态范围分析计算模块基于多普勒频移原理，利用公式1)计算速度值v,(-v～+v)作为速度动态范围：
式中，v为速度，fd为多普勒频移，c为光速，fs为接收机静止时接收到的射频信号频率值。
第四步，停止仿真，调用加速度范围测试场景，该场景具备如下特点：
关闭大气延迟；
选择BDS系统，并设置卫星信号频点B1；
模拟器仿真场景选择单颗地球静止轨道卫星，编辑该颗卫星轨道参数使其处于地球静止轨道上，并设置星下点的经度值B＝0°；
关闭可见卫星扩频码和导航数据，使其只发送单载波调制信号；
设置可见卫星信号功率为最大值；
设置接收机初始位置经度值为B，纬度值为0，高度值为6378.140公里，运动方向的单位向量为(cosB,sinB,0)；
设置接收机运动模型：接收机静止10s，10s后在地心地固坐标系下以初始速度(Vx,Vy,Vz)＝(0,0,0)，加速度为(ax,ay,az)＝(5000m/s2,0,0)做20s的匀加速运动；
第五步，运行该场景开始仿真，频率自动采集装置实时采集频率计输出的频率值，动态范围分析计算模块基于多普勒频移原理，利用公式2)计算加速度值α，(-α～+α)作为加速度动态范围：
式中，a为加速度，fd为多普勒频移，c为光速，ΔT为频率从最低端开始到最高端经过的时间，fs为接收机静止时接收到的射频信号频率值。
第六步，停止仿真，调用加加速度范围测试场景，该场景具备如下特点：
关闭大气延迟；
选择BDS系统，并设置卫星信号频点B1；
模拟器仿真场景选择单颗地球静止轨道卫星，编辑该颗卫星轨道参数使其处于地球静止轨道上，并设置星下点的经度值B＝0°；
关闭可见卫星扩频码和导航数据，使其只发送单载波调制信号；
设置可见卫星信号功率为最大值；
设置接收机初始位置经度值为B，纬度值为0，高度值为6378.140公里，运动方向的单位向量为(cosB,sinB,0)；
设置接收机运动模型：接收机静止10s，10s后在地心地固坐标系下以初始速度(Vx,Vy,Vz)＝(0,0,0)，加速度为(ax,ay,az)＝(0,0,0)，加加速度为(Jx,Jy,Jz)＝(10000m/s3,0,0)做20s的匀加加速运动；
第七步，运行该场景开始仿真，频率自动采集装置实时采集频率计输出的频率值，动态范围分析计算模块基于多普勒频移原理，利用公式3)计算加加速度值J,(-J～+J)作为加加速度动态范围：
式中，J为加加速度，fd为多普勒频移，c为光速，ΔT为频率从最低端开始到最高端经过的时间，fs为接收机静止时接收到的射频信号频率值。
本发明基于卫星导航信号模拟器工作原理及多普勒效应，实时模拟不同动态环境下接收机接收到的射频信号，从速度、加速度、加加速度等方面分析卫星导航信号模拟器动态范围测试方法，并搭建动态范围测试平台，形成具体测试方案，开展实验验证测试方法的正确性、实用性和有效性。该测试方法简便可靠，可在模拟环境中准确检测卫星导航信号模拟器的动态范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种卫星导航信号的动态范围检测系统，其特征在于，包括
卫星导航信号模拟器，用于生成卫星导航信号；
卫星导航信号频率自动采集装置，用于自动采集信号输出频率值，并转化为计算机文本；
所述卫星导航信号频率自动采集装置自动采集信号输出频率值具体为：通过采集所述卫星导航信号模拟器输出信号的电平为零时的时刻，通过过零时刻的时间间隔，利用倒数的形式转化为频率值；
以及动态范围分析计算模块，用于根据采集的所述计算机文本计算动态范围指标。
2.如权利要求1所述的卫星导航信号的动态范围检测系统，其特征在于，还包括卫星导航信号动态变化特性控制模块，用于控制所述卫星导航信号模拟器以自由配置检测场景，所述动态范围分析计算模块结合所述检测场景计算相应的动态范围指标；所述卫星导航信号动态变化特性控制模块包括：第一单元，用于解除卫星导航信号的扩频调制特征，去掉卫星导航信号的电文信息；第二单元，用于将导航卫星的位置由真实定义的位置调整为地球同步轨道的虚拟位置；第三单元，用于将接收机的运动方向由沿着地面的真实方向调整为指向卫星的虚拟方向；第四单元将接收机的运动参数由变速运动的真实参数调整为匀速、匀加速和匀加加速的虚拟参数。
3.如权利要求2所述的卫星导航信号的动态范围检测系统，其特征在于，所述检测场景包括速度检测场景、加速度检测场景和加加速度检测场景，对应所述动态范围指标包括速度、加速度、加加速度指标；所述卫星导航信号为卫星导航接收机能够接收的射频信号；根据所述计算机文本所示的多普勒频移计算动态范围指标；所述卫星导航信号的动态范围检测系统还包括放大器，用于放大所述卫星导航信号。
4.一种卫星导航信号的动态范围检测方法，其特征在于，包括
卫星导航信号模拟器生成卫星导航信号；
卫星导航信号频率自动采集装置自动采集信号输出频率值，并转化为计算机文本；所述卫星导航信号频率自动采集装置自动采集信号输出频率值具体为：通过采集所述卫星导航信号模拟器输出信号的电平为零时的时刻，通过过零时刻的时间间隔，利用倒数的形式转化为频率值；
动态范围分析计算模块根据采集的所述计算机文本计算动态范围指标；
其中，在所述卫星导航信号模拟器生成卫星导航信号前，先实现开机预热。
5.如权利要求4所述的卫星导航信号的动态范围检测方法，其特征在于，卫星导航信号动态变化特性控制模块控制所述卫星导航信号模拟器以配置检测场景，所述卫星导航信号模拟器运行该检测场景，生成卫星导航信号；所述卫星导航信号动态变化特性控制模块具备以下功能：(1)解除卫星导航信号的扩频调制特征，去掉卫星导航信号的电文信息；(2)将导航卫星的位置由真实定义的位置调整为地球同步轨道的虚拟位置；(3)将接收机的运动方向由沿着地面的真实方向调整为指向卫星的虚拟方向；(4)将接收机的运动参数由变速运动的真实参数调整为匀速、匀加速和匀加加速的虚拟参数。
6.如权利要求5所述的卫星导航信号的动态范围检测方法，其特征在于，所述检测场景为速度检测场景，设置该检测场景下卫星导航接收机的运动模型为：静止后以所述卫星导航信号模拟器速度指标范围上限值为速度值，沿着卫星径向方向匀速运动；所述动态范围分析计算模块基于多普勒频移原理，利用公式计算速度动态范围；其中，v为速度，fd为多普勒频移，c为光速，fs为所述卫星导航接收机静止时接收到的射频信号频率值。
7.如权利要求5所述的卫星导航信号的动态范围检测方法，其特征在于，所述检测场景为加速度检测场景，设置该检测场景下卫星导航接收机的运动模型为：静止后以所述卫星导航信号模拟器加速度指标范围上限值为加速度值，沿着卫星径向方向匀加速运动，最终速度为所述卫星导航信号模拟器速度指标范围上限值；所述动态范围分析计算模块基于多普勒频移原理，利用公式计算加速度动态范围；其中，a为加速度，fd为多普勒频移，c为光速，ΔT为频率从最低端开始到最高端经过的时间，fs为所述卫星导航接收机静止时接收到的射频信号频率值。
8.如权利要求5所述的卫星导航信号的动态范围检测方法，其特征在于，所述检测场景为加加速度检测场景，设置该检测场景下卫星导航接收机的运动模型为：静止后以所述卫星导航信号模拟器加速度指标范围上限值为加加速度值，沿着卫星径向方向作加速度为零的匀加加速运动，最终速度为所述卫星导航信号模拟器速度指标范围上限值；所述动态范围分析计算模块基于多普勒频移原理，利用公式计算加加速度动态范围；其中，J为加加速度，fd为多普勒频移，c为光速，ΔT为频率从最低端开始到最高端经过的时间，fs为所述卫星导航接收机静止时接收到的射频信号频率值。
9.如权利要求5-8任意一项所述的卫星导航信号的动态范围检测方法，其特征在于，配置所述检测场景的方法包括：
关闭大气延迟；
选择卫星定位系统，并设置卫星信号频点；
卫星导航信号模拟器选择单颗可见卫星场景，编辑该颗卫星轨道参数使其处于地球静止轨道上，并设置卫星与地球中心连线在球面交点的经度值为B；
关闭所述可见卫星扩频码和导航数据，使其只发送单载波调制信号；
设置所述可见卫星信号功率为最大值；
设置卫星导航接收机初始位置经度值为B，纬度值为0，高度值大于0，运动方向的单位向量为(cosB,sinB,0)。
10.如权利要求9所述的卫星导航信号的动态范围检测方法，其特征在于，所述卫星导航信号模拟器支持BDS系统，选择单颗可见卫星场景时选择五颗地球静止轨道卫星中的一颗可见卫星。
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