专利名称：Gps数字中频信号的模拟方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种卫星导航领域的方法及系统，具体为一种使用软件方法模拟GPS 数字中频信号的方法及系统。
背景技术：
功能完备的GPS接收机需要三个功能�？榈谝桓鍪巧淦到邮漳？椋咛骞δ苁峭ü煜呓邮誈PS卫星发射的射频信号，再经过混频和滤波处理将射频信号变为频率较低的中频信号，最后经过ADC采样后成为数字信号交与基带处理�？榇恚坏诙鍪腔砟？椋涸鸲陨淦到邮漳？槭涑龅氖中藕沤胁痘窈透伲袢〉己降缥男畔⒑透鞲鑫佬堑拇ナ奔湫畔ⅲ坏谌鍪堑己浇馑隳？椋涸鸾砟？槭涑龅男畔⒕欢ǖ氖г怂愦淼玫浇邮栈腜VT (位置、速度、时间)信息，实现了 GPS定位。因此，GPS接收机芯片在前期设计验证的过程中就需要有GPS信号源作为测试激励，并且设计验证人员需要掌握信号的一定先验信息，方能验证接收机的正确性和健壮性。 一般采用的解决方案有两种。一种是建立真实的接收环境，即购买第三方的射频接收�？楹妥约旱牟馐韵低扯越樱ü档匦藕沤邮蘸筒饬坷椿袢〔馐酝臣平峁⑿枰惶ú慰冀邮栈蓖氐阃跫卦诵校袢《员炔馐允荩涣硪恢质谴罱ǘ懒⒌纳淦到邮蘸筒裳低常孟低承枰哟娲⑸璞福咽档夭杉男藕乓晕募问酱娲ⅲ魑馐约だ�。这两种解决方案的局限都在于环境成本较高，而且实验条件非�？量�。对第一种方案来说，一方面实时的测试环境只能完成系统级测试，很难实现�？椴馐曰蛘吒卟愦文Ｐ筒馐裕硪环矫嫘枰诨饨校枰罅慷钔獾娜斯こ杀竞褪褂萌缁�、便携式电源等额外的辅助设备、工具。对于第二种方案来说，同样需要额外的人工和设备，并且存储的信号是没有先验知识的，需要额外的软件工具对其进行分析，掌握可靠的信息后才能用于测试，而测试结果的可靠性又依赖于对信号信息的挖掘是否正确。
发明内容
本发明针对上述技术中的缺点和不足，提出了一种基于通用计算机平台的软件方式实现的GPS中频数字信号模拟方法及系统。该方法使用真实星历数据，经过软件编码和模拟真实的载波与扩频码调制，并经过逆推运算调整不同卫星的信号到达接收机的时间差，合成出给定时间、地点和信噪比的可见卫星信号，以二进制文件形式存储，可随时用于测试激励。该系统模拟的为GPS导航接收机的射频�？橹蠥DC的输出信号。软件方法保证了使用的便捷性和灵活性，信号可以随时生成并且满足任意的信号特征的需求。根据本发明的一个方面，提出一种GPS数字中频信号的模拟方法，包括如下步骤 步骤一，读取用户按照规定格式编写的配置文件，提取系统配置参数，配置模拟的信号特征和系统工作所需输入；步骤二，提取RINEX文件头信息和所定义时间段内的全部卫星的星历数据组；步骤三，将步骤二中提取出的星历数据进行编码，形成二进制的导航电文码流； 步骤四，将步骤三中得到的电文码流调制载波和扩频码，合成出中频数字信号数据。
根据本发明的另一个方面，还提供一种GPS数字中频信号的模拟系统，包括信号生成�？�、RINEX管理�？楹透ㄖ？椋渲校ㄖ？橹饕淖幽？橛械己浇馑隳？�、 时间系统管理�？�、地理坐标转换�？�、宏�？椤８咛宓兀痉⒚魇峭ü韵碌募际醴桨甘迪值�
本发明涉及的基于通用计算机平台的软件GPS中频数字信号模拟方法，包括以下步
骤
步骤一，读取用户按照规定格式编写的配置文件，提取系统配置参数，配置模拟的信号特征和系统工作所需输入。所述系统配置参数包括
1) RINEX导航星历文件路径。RINEX是一种存储导航相关数据的通用文本文件格式，
其中的一种导航星历文件用于存储一段时间内某观测站采集的卫星星历数据。星历数据用于计算卫星运行参数(速度、位置、钟差等)。从该格式文件提取星历、并且按照官方给定星历编码格式和规范进行编码，能够还原指定卫星在一定时间段内发射的导航数据流。2)彳j收机位置、速度、加速度信息。这些参数用于配置接收机模型的运动状态。 这些和运动状态相关的参数最终会作用到模拟出的GPS信号中。&所模拟的信号的接收起始时刻、时间跨度、星历使用组数信息。该步骤从配置文件读取以上列举的配置参数配置系统的各个�？椋瓒讼低车鼻暗脑诵蟹绞胶褪莸纳赡Ｊ�。 步骤二，检查RINEX导航星历文件有效性，提取RINEX星历文件头信息和所定义时间段内的全部卫星的星历数据。所述RINEX星历文件头信息，包含=RINEX版本信息、观测站位置信息、信号接收时段信息、电离层校正模型参数、UTC时间信息等。其中较为重要的有版本信息，决定了文件的格式；电离层校正模型参数和UTC时间信息，这些参数也存在于卫星播发的导航电文中， 分别用于校正电离层延迟和在GPST时与UTC之间转换。任何一类信息在文件头中占据若干行，并用一个描述符(descriptor)区分。该步骤首先缓存RINEX文件的文件头，然后用户可根据需要通过特定的描述符在缓存中搜索相应的信息，在信号生成中使用。步骤一中说明了星历的作用，它用来描述卫星轨道信息和卫星运动信息。GPS卫星以两个小时为周期更新播发的星历，保证这些信息的精度。制作RINEX文件的观测站会不间断地接收卫星信号，把一个时间段(例如一天)内所能观测到的全部卫星的多套星历按照时间顺序存储于一个RINEX导航星历文件中。该步骤在解析完RINEX文件头之后，把信号模拟时间段内的全部星历数据提取出来，存储于一个动态二维数组中构成星历数据组。所述星历数据组的类型为一个自定义结构体，该结构体存储一颗卫星的一套星历。之所以是动态数组，是因为当信号模拟的时间跨度中存在理论上的星历更新时，每颗卫星需要多套星历。该二维数组的每一行对应一颗GPS 卫星，共32行，而每一列对应一套星历数据，不同列对应不同的时间段，列数则由。该步骤根据信号起始时间和时间跨度的配置信息，在RINEX导航星历文件中搜寻对应于该时间段的全部卫星星历，并计算是否存在星历更新，总共更新几次。例如，当计算出需要生成的信号包含一次星历更新，则每颗卫星需提取两套时间上连续的星历，且和起始时间和长度的配置信息吻合。
步骤三，将步骤二中提取出的星历数据进行编码形成二进制的导航电文码流。所述将步骤二中提取出的星历数据进行编码，形成二进制的导航电文码流，是指 根据所模拟的信号起始时刻和时间跨度，以及GPS官方文档对电文格式的规定，对每一颗卫星的星历进行编码，形成二进制的导航电文码流，同时计算出奇偶校验位，最后将每颗卫星的码流都存储于一个独立的文件中。导航电文为二进制格式，以30秒为一�。街瓒刑崛〕龅男抢菁炊杂σ恢“男畔ⅰＲ恢“�5个子帧，编号从1到5，每个子帧包含300比特数据，所以每比特数据的宽度为20 ms。每颗卫星都从世界协调时间(UTC)的周日凌晨开始播送导航电文，从1号子帧到5号子帧不断循环，并以两小时为间隔进行更新。 对所有卫星电文编码的算法相同，其流程如下
1.根据信号起始时刻的信息计算周内时TOW;
2.用TOW除以6得到的商对5取余，(余数+1)即为信号起始时刻所在子帧的子帧号 k(理论上每颗卫星发射子帧的时间是同步的，以上计算的子帧号可作为所有卫星生成的导航电文码流的起始子帧)；
3.根据信号时间跨度η(单位为秒)计算每颗卫星需要生成的子帧数量Ν = n/6+l ；
4.对卫星ρ，需要生成的第i(0 < i< N)个子帧的子帧号
sf = (k+i) * 5，若计算得 sf 为 0，sf = sf ! 5 ； 根据该子帧对应的周内时itow计算应选取哪一个星历组中的星历数据 itow = TOW - TOW * 6 + (i-1) X 6
找到所模拟的信号时间跨度内的2小时星历更新时刻，判断itow出现的时间段，判断应该选取的星历数据组。根据sf号子帧对应的子帧格式和所选星历数据组中卫星ρ的星历数据进行第i个子帧的编码；重复该步骤完成所有子帧的编码，得到卫星P的电文码流。步骤四，对导航电文调制载波和扩频码，合成出中频数字信号数据。本发明模拟 GPS导航接收机射频模块中ADC的输出信号，该信号的特征为1.数字信号，2.载波频率为范围在几兆到几十兆之间的中频，该中频认为是接收机射频�？榻淦迪卤淦档玫�。依据这两点特征，该步骤完成信号最后的模拟合成功能，核心思想是逐采样点地计算信号样值， 即在每个采样点处计算此时刻天线所接收到的信号由哪几颗卫星的信号合成，分别是怎样的电文数值、扩频码相位和载波相位、频率，并考虑天线对信号进行降频时出现的频率折叠、ADC的量化阶数等因素，准确地模拟接收端的行为对信号的影响。其算法步骤如下
1.计算GPS扩频码序列。生成方式按照GPS官方接口文档的定义实现，生成的序列存于一个二维数组CA_Code中，其行向量代表一颗GPS卫星的CA码序列。CA码周期为1ms， 包含1023个码片，因此行向量的长度为1023，存放CA码一个周期序列值。计算待生成的数字中频信号的样点数Nsample。计算方法是IfeanijIe:::
π Xsanpling_￡reqo其中η为信号的时间跨度(单位为秒)，sanplingjreq为采样率(单
位为Hz)。当i小于Nsample时，开始计算第i (初始值为0)个采样点的值。进入步骤4。否则进入步骤6。
判断i是否对应于整毫秒的样点数。该算法在整毫秒处推算每颗卫星的信号的传播时间(信号从卫星天线到接收机天线)，并假设在接下来的1毫秒内该传播时间不变，即接下来的1毫秒内到达接收机的信号的传播时间是不变的，这种假设保证了极小的误差，并且避免对每个采样点对应的各颗卫星信号的传播时间进行推算，在采样率为1兆以上的前提下，将算法效率提高了 1000倍以上。若i为整毫秒的样点数，则对每一颗卫星(在全部32 颗GPS卫星范围内)进行如下步骤1)到5)的计算，否则跳至步骤5
1)根据i找到当前时刻对应的卫星星历数据组，从中提取当前卫星P的星历，检查星历的有效性，无效则该卫星置为不可见，并跳至下一颗卫星重复步骤4的流程；
2)依据GPS官方接口文档的说明计算当前时刻(和i对应)接收到的该卫星的信号在
传播时间propogate—time秒之前的卫星钟差校正值elk和钟漂校正值clk_drift ；传播时
间propogate—tiioe使川丨一次整毫秒计算时得到的值，即暂时认为在过去的Ims内传播时
间没有发生变化，在初始化时定义为0. 07秒；
3)计算当前时亥IJ(和i对应)接收到的该卫星的信号的发射时亥IJ，发射时刻
二 ini t_gpstow + ids ~clk-propogate_tiiDe, inlt^pstow 为信号起始时刻(周内时)，
ms为当前记录的毫秒数(单位为秒)；
4)循环迭代计算当前计算的信号被发射的时刻的卫星PVT信息、卫星和接收机距离及其变化率信息。具体方法是
i.重新计算传播时间
propogat e_t iiiie = range / LIGIII'SPEED
range为上一次进行步骤4时计算得到的卫星和接收机距离，LIGHTSPEED为光速； .重新计算信号发射时刻tow
tow = init_gpstow + ms ■■ propogate_tiroe ；
iii.根据GPS官方接口文档定义的方法计算卫星在tow时刻的PVT信息；
iv.在ECEF坐标系下计算在tow时刻卫星和接收机之间的距离range和距离变化率 x'ange_rate ；
V.返回第i步重复这个过程，迭代4次得到精确的range、range^rate和 propogate_t Iiue0)计算在tow时刻的卫星仰角和方位角，若仰角大于0，则计算多普勒频移 doppler = ^range_rate / WAVELEWGTHL1
其中WAVELENGTHL1为GPS Ll信号载波波长。此处的负号是因为认为射频接收模块在下变频中将频谱做了反转，因此doppler的符号出现了反转； 然后计算当前采样率下的载波相位步长
Carrierphasestep = ( IF + doppler ) / saspling^_freq
其中IF为中频频率。最后计算精确的传播时间propogate—time = range / LIGHTSPEED ~ elk
elk为第2)步计算出的卫星钟差。计算完毕后返回第1)步，进入对下一颗卫星在当前整毫秒时刻到达的信号的发射时刻和相应PVT信息。若仰角小于0，则该颗卫星设置为不可见，跳过该步的其他运算，同样返回第1)步对下一颗卫星执行以上步骤。对当前可见的每颗卫星的信号计算第i个采样点的值。卫星的可见性已经在步骤 4中确定，并在下一次处理步骤4 (即到达下一个整毫秒)之前保持不变。该步骤的算法步骤如下
1)计算当前可见卫星q的第i个采样点对应的导航电文数值。其伪代码如下 rel_tx = i / sanpling^fi-eq - propogat e_time + iiiit_gpstow % 6, bite = (int) (xel_tx * 50)+1; n_(￥or<i = bite / 30; n—bit = bite % 30;
t ..nav_bit = ( nav data[q] [jx..word] (29 - njbit) ) & 0x1,
其中，init^ffitow 6表示信号起始时刻所在子帧的起始时刻，则:rel—tX表示当前
采样点距离该子帧起点的时间距离。计算rel—tx的原因是，在步骤三中编码得到的每颗卫星的导航电文码流均以该子帧为起点，因此寻找当前采样点对应的电文数值也需以此为起点。设该子帧、M START_;fraie ..^data为一个二维数组，每一行对应一颗卫星的导航电文码流，该码流在步骤三中得到。一行中的每个元素在软件中为无符号整型，其低30位存放一个长度为30比特的导航字。以上伪代码找到当前采样点所在的码流中的第几个字(η—word)的第几个比
特(n—Mt),然后从胃_data中找出对应的电文数值tjmvJ}it。)计算当前可见卫星q的第i个采样点对应的扩频码和载波数值。其伪代码如下 codf hase (rel_tx * 1000 - Cint) (rel_tx * 1000) ) * 1023；
data + t_nav_bi t [q] * CA_Codc[int (codci^iasc)] [q] * sin(2 * PI *
carrier)；
carrier += carri erphas est ep ；
if*《camrier ^i) carrier - caorrier - 1;
由于CA码以Ims为周期，一周期包含1023个码片，该算法假设STAKT—FRAIE起始对应
的码相位为0，并且CA码的doppler效应忽略不计。因此cod印hase即为当前采样点对应的扩频码码相位。为载波相位，其步长由第4步计算得到，并在Ims内保持不变。合成的数据data即为各颗卫星在当前采样点处的导航电文、CA码和载波数值的乘积之和。)对data叠加高斯白噪声，其信噪比在步骤一中由用户配置。将data存入预先打开的二进制文件中。所有采样点计算完毕，退出步骤四，同时得到了 GPS数字中频信号的文件。本发明涉及的GPS数字中频信号模拟系统，包括信号生成�？�、RINEX管理�？楹透ㄖ？椋渲懈ㄖ？橹饕淖幽？橛械己浇馑隳？�、时间系统管理�？�、地理坐标转换�？�、宏�？�。所述信号生成�？樘峁┮韵鹿δ艿慕涌冢ㄏ低撑渲眯畔⒌奶崛。坏饔肦INEX 管理�？樘崛∷枋康男抢葑椋眯抢葑槎杂λ蠫PS卫星在两小时有效期内的全部星历，而该星历组的组数由所模拟的信号的起始时间和时间跨度决定，在该时间跨度中出现多少次星历更新，则需提取相应数量的星历数据组；对星历数据进行编码和校验位添加，得到导航电文码流；对导航电文码流调制载波和扩频码；高斯噪声模拟；提供组合以上功能部件实现信号模拟的整体算法流程。所述RINEX管理�？樘峁┮韵鹿δ艿慕涌冢ɑ袢∮没渲玫腞INEX星历文件；解析文件名检查文件可用性和提取文件名包含的信息，包括基站名称缩写、信号采集时间；缓存RINEX星历文件的文件头数据；提取RINEX星历文件的文件头中的RINEX版本信息、基站位置信息、信号接收时段信息、电离层校正参数、UTC时间信息等；根据一个时间参考点提取一组星历数据，该功能�？橛汕笆鲂藕派赡？橹刑崛⌒抢葑榈慕涌诜锤吹饔茫袢∷枋康男抢葑�。所述导航解算�？樘峁┮韵鹿δ艿慕涌冢ㄎ佬侵硬詈椭悠募扑悖晃佬俏恢�、速度信息的计算；卫星、接收机距离、距离变化率的计算；卫星相对于接收机的仰角和方位角的计算。所述时间系统管理�？楦涸鸩煌奔湎低臣涞氖葑�。所述地理坐标转换�？楦涸鸩煌乩碜晗低臣渥曛档淖�。所述宏�？楦涸鹜瓿上低车暮旯芾恚ㄈ殖Ａ康墓芾�、自定义数学运算宏的管理。
图1为本发明GPS数字中频信号模拟系统的输入输出示意图； 图2为本发明的软件顶层流程图3为本发明系统输入配置文件格式的示意图； 图4为本发明RINEX文件头信息提取的过程示意图； 图5为本发明卫星星历数据组提取的过程示意图； 图6为本发明的卫星电文码流生成过程的示意图； 图7为本发明的信号合成过程的算法流程图； 图8为本发明的软件逻辑层次结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，为根据本发明提供的系统的IO模式，所述系统的输入为用户按对生成的信号的需求和系统对配置文件的格式要求编写的配置文本文件，输出为存储数字中频信号的二进制文件。如图2所示，为根据本发明提供的系统的软件顶层流程图。该图显示了本发明所提供的GPS数字中频信号模拟方法，包括以下具体步骤
步骤一，读取用户按照规定格式编写的配置文件，提取接收机位置、RINEX星历文件路径、信号时间信息等参数。如图3所示为所述系统输入配置文件格式的示意图，可配置参数分为三类，用波浪号( .)加大写英文字母标识，分别是接收机坐标信息、RINEX星历文件路径信息和时间信息。每组信息中的每个单元信息之间用空格区分。具体说明参见下表
表1配置文件格式说明表
步骤二，配置参数提取成功后，打开RINEX星历文件，将头信息进行缓冲，并根据需求提取出相应的数据。提取完毕后寻找所需组数的导航星历数据组，供后续的电文编码使用。如图4所示，在本实施例中电离层延迟校正模型的参数存在于文件头的第三行和第四行中。在文件头缓冲于一个一维字符串数组中后，以换行符为结束符、行为单位进行搜索，在每个搜索单元中搜索和电离层校正模型参数对应的描述符(descriptor)，找到后将该搜索单元提取出来放入一个临时数组，然后检查下一个搜索单元，如此反复直到文件头缓冲区的末尾。所有临时数组按先后顺序组成新的缓冲区，最后从该缓冲区中按照RINEX 的官方格式提取出对应数据。如图5所示，按照配置的信号起始时刻、时间跨度、更新的星历数据组数提取卫星星历。RINEX文件的正文部分按时间段存储每颗可见卫星的星历，该时间段长度为GPS卫星星历的更新周期——2小时。本实施例采用的RINEX文件存储了一天的星历，所以其正文分为12段。而所模拟的信号的起始时刻1点58分，时间跨度为330秒，因此出现了一次星历更新，需要提取两组星历数据组。搜索信号起始时刻所在的时间段，将该时间段和随后的一个时间段、共两组星历数据组提取出来，放入一个二维数组。该二维数组的每一列对应一个时间段的一组星历数据，列长度为GPS卫星总数；每一行对应于同一颗卫星，其数据结构包含标志位来标识该颗卫星的星历在对应时间段内是否有效(存在)。步骤三，计算信号的起始时刻对应的周内时，从该时刻开始、每隔6秒对当前子帧进行编码，直到完成不小于信号时长的帧数据。每颗卫星的电文码流存于一个文本文件中。如图6所示，将步骤一中配置的信号起始时刻换算到周内时T0W，在本实施例中为 93520s,因GPS子帧长度为6s，所以从93516s开始对导航电文逐子帧编码。首先计算起始子帧的子帧号
93520 / 6 = 15586 ...... 4
15586 5+1=2
则此后的子帧序列为2, 3, 4，5, 1，2, 3，4, 5，1.……；
同时需要生成的子帧总数为 330 / 6 + 1 = 56
即每颗卫星均需从2号子帧开始编码56个连续子帧。对于卫星ρ的第i个子帧G < i < 56)，其应该生成的子帧号Sf为(2+i) % 5,
若sf等于0，则令其为5。根据其对应的周内时计算应选取哪一个星历组。本实施例中信号时间跨度内的2 小时整倍数时间出现于93600s。因此，计算第i个子帧存在的时间
it 93516 + (i-1) X6
当it小于93600，则选取第一组星历组中卫星ρ的星历，否则选取第二组星历组中卫星 P的星历。然后按照GPS电文格式对星历进行编码得到对应子帧的码流。卫星ρ的所有子帧编码完成后，存入一个单独的文件。所有卫星均进行如上的步
马聚ο步骤四，对步骤三得到的导航电文调制载波和扩频码，合成出中频数字信号数据。如图7所示，为该信号合成过程的算法流程图。计算GPS扩频码序列。生成方式按照GPS官方接口文档的定义实现，生成的序列存于一个二维数组.CAJCode*，其行向量代表一颗GPS卫星的CA码序列。CA码周期为1ms， 包含1023个码片，因此行向量的长度为1023，存放CA码一个周期序列值。计算样点数:Nsanule:Nsanple = 330 X 5. 714285e6. 其中 5. 714285e6 为采样率。逐采样点计算样值。设临时变量i=0。当i小于Nsample时，计算第i个采样点的值。进入步骤4。否则进入步骤6。判断iH5714是否为0，其中5714取Ims采样点数的约数。若i是否对应于整毫秒
的样点数，则对全部GPS卫星进行如下1)到5)的步骤，否则跳过该步骤
1)根据i找到当前时刻对应的卫星星历数据组，从中提取当前卫星P的星历，检查星历的有效性，无效则卫星P置为不可见，并跳至下一颗卫星重复步骤4的流程；
2)依据GPS官方接口文档的说明计算当前时刻接收到的该卫星的信号在传播时
IhJ prop ogat e_t ι me
秒之前的卫星钟差校正值elk和钟漂校正值:clk drift ；传播时间propogate—time使用上一次整毫秒计算时得到的值，即暂时认为在过去的Ims内传播时间没有发生变化，在初始化时定义为0. 07秒；
3)计算当前时刻(和i对应)接收到的该卫星的信号的发射时刻=93520 f ins ~c Ik-propogat e_t i me ；
4)循环迭代计算当前计算的信号被发射的时刻的卫星PVT信息、卫星和接收机距离及其变化率信息。具体方法是
i.重新计算传播时间
propogate—time 二 range / LIGHTSPEED
range为上一次进行步骤4时计算得到的卫星和接收机距离，LIGHTSPEED为光速。重新计算信号发射时刻tow
tow 二 93520 + ids - propogate_time
iii.根据GPS官方接口文档定义的方法计算卫星在tow时刻的PVT信息；
iv.在ECEF坐标系下计算在tow时刻卫星和接收机之间的距离range和距离变化率 range_rate ；
V.返回第i步重复这个过程，迭代4次得到精确的range、range—rate和 prcjpogate_time □)计算在tow时刻的卫星仰角和方位角，若仰角大于0，则计算多普勒频移
doppler = orange—rate / WAVELEW&THIJ
其中WAVELENGTHL1为GPS Ll信号载波波长。此处的负号是因为认为射频接收�？樵谙卤淦抵薪灯鬃隽朔醋虼薲oppler的符号出现了反转； 然后计算当前采样率下的载波相位步长
Carxierphasestep - ( IF + doppler ) / sanpling_freq
其中IF为中频频率。最后计算精确的传播时间
propoga t e_t ime 二 range / LIGHTSPEED _ elk
elk为第2)步计算出的卫星钟差。计算完毕后返回第1)步，进入对下一颗卫星在当前整毫秒时刻到达的信号的发射时刻和相应PVT信息。若仰角小于0，则该颗卫星设置为不可见，跳过该步的其他运算，同样返回第1)步对下一颗卫星执行以上步骤。对当前可见的每颗卫星的信号计算第i个采样点的值。卫星的可见性已经在步骤 4中确定，并在下一次处理步骤4 (即到达下一个整毫秒)之前保持不变。该步骤的算法步骤如下
1)计算可见卫星q的第i个采样点对应的导航电文数值rel_tx = i / 5. 714285e6 - propogat e_t ime I- 93520 % 6; bite 二 (int)(rel_tx * b0)+lj njword = bite / 30; n—bit = bite % 30;
t_nav_bit :: ( nay_data[q] [n_srard] (29 - n_bit) ) & 0x1;
2)计算卫星q的第i个采样点对应的扩频码和载波数值。其伪代码如下 codephase = (rel_t* * IWO — Gut) (rel_ti:傘 1000))孝 102 data ■§·= t—naw—bitiq] * CA_Code|iiit Ccodephase)] [q] * sin(2 * Pl *
3)对data叠加高斯白噪声，其信噪比在步骤一中由用户配置。将data存入预先打开的二进制文件中。所有采样点计算完毕，退出步骤四，同时得到了 GPS数字中频信号的文件。如图8所示，为本发明提供的GPS中频信号模拟系统的软件逻辑层次结构图，本发明的软件实现包括三个逻辑层次信号生成�？�、RINEX管理模块、辅助�？�。所述信号生成模块提供以下功能的接口，包括系统配置信息的提�。坏饔肦INEX 管理�？樘崛∷枋康男抢葑椋眯抢葑槎杂λ蠫PS卫星在两小时有效期内的全部星历，而该星历组的组数由所模拟的信号的起始时间和时间跨度决定，在该时间跨度中出现多少次星历更新，则需提取相应数量的星历数据组；对星历数据进行编码和校验位添加，得到导航电文码流；对导航电文码流调制载波和扩频码；高斯噪声模拟；提供组合以上功能部件实现信号模拟的整体算法流程。所述RINEX管理模块提供以下功能的接口，包括获取用户配置的RINEX星历文件；解析文件名检查文件可用性和提取文件名包含的信息，包括基站名称缩写、信号采集时间；缓存RINEX星历文件的文件头数据；提取RINEX星历文件的文件头中的RINEX版本信息、基站位置信息、信号接收时段信息、电离层校正参数、UTC时间信息等；根据一个时间参考点提取一组星历数据，该功能模块由前述信号生成�？橹刑崛⌒抢葑榈慕涌诜锤吹饔茫袢∷枋康男抢葑�。所述导航解算�？樘峁┮韵鹿δ艿慕涌冢ㄎ佬侵硬詈椭悠募扑悖晃佬俏恢�、速度信息的计算；卫星、接收机距离、距离变化率的计算；卫星相对于接收机的仰角和方位角的计算。所述时间系统管理�？楦涸鸩煌奔湎低臣涞氖葑�。所述地理坐标转换模块负责不同地理坐标系统间坐标值的转换。所述宏�？楦涸鹜瓿上低车暮旯芾恚ㄈ殖Ａ康墓芾�、自定义数学运算宏的管理。
权利要求
1.一种GPS数字中频信号的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一，读取用户按照规定格式编写的配置文件，提取系统配置参数，配置模拟的信号特征和系统工作所需输入；步骤二，提取RINEX文件头信息和所定义时间段内的全部卫星的星历数据组；步骤三，将步骤二中提取出的星历数据进行编码，形成二进制的导航电文码流；步骤四，将步骤三中得到的电文码流调制载波和扩频码，合成出中频数字信号数据。
2.根据权利要求1所述的GPS数字中频信号的模拟方法，其特征在于，所述系统配置参数包括=RINEX导航星历文件路径、接收机位置信息、所模拟的信号的接收起始时刻、时间跨度、以及星历使用组数信息；其中，星历文件路径指定信号模拟所使用的RINEX导航星历文件，使用该文件内的星历作为电文编码的来源；接收机位置信息指定了所模拟信号的接收位置；接收起始时刻、时间跨度、以及星历使用组数信息描述了所模拟信号的时间信息和星历更新信息；步骤一包括子步骤提取全部信息配置系统工作所需输入和各�？榈脑诵胁问�
3.根据权利要求1所述的GPS数字中频信号的模拟方法，其特征在于，所述RINEX文件头信息包含RINEX版本信息、观测站位置信息、信号接收时段信息、电离层校正模型参数、 UTC时间信息等；其中，RINEX版本信息决定了文件的格式；电离层校正模型参数和UTC时间信息，这些参数也存在于卫星播发的导航电文中，分别用于校正电离层延迟和在GPST时与UTC之间转换；任何一类信息在文件头中占据若干行，并用一个描述符区分，根据此描述符能够从缓存的RINEX文件头中搜索相应的信息并加以提�。谛藕派芍惺褂�。
4.根据权利要求1所述的GPS数字中频信号的模拟方法，其特征在于，所述星历数据组包含所模拟的信号起始时刻的卫星星历和在模拟时间跨度内出现更新的星历，按照二维数组形式存储，二维数组的每一列对应一个时间段的一组星历数据，列长度为GPS卫星总数； 每一行对应于同一颗卫星，其数据结构包含标志位来标识该颗卫星的星历在对应时间段内是否有效。
5.根据权利要求1所述的GPS数字中频信号的模拟方法，其特征在于，所述星历数据编码，是指根据所模拟的信号起始时刻和时间跨度，以及GPS官方文档对电文格式的规定， 对每一颗卫星的星历进行编码，形成二进制的导航电文码流，同时计算出奇偶校验位，最后将每颗卫星的码流都存储于一个独立的文件中。
6.根据权利要求1所述的GPS数字中频信号的模拟方法，其特征在于，所述对导航电文调制载波和扩频码，合成出中频数字信号数据，是指完成信号最后的模拟合成功能，其包括逐采样点地计算信号样值，即在每个采样点处计算此时刻天线所接收到的信号由哪几颗卫星的信号合成，分别是怎样的电文数值、扩频码相位和载波相位、频率，并考虑天线对信号进行降频时出现的频率折叠、ADC的量化阶数等因素，准确地模拟接收端的行为对信号的影响。
7.—种GPS数字中频信号的模拟系统，其特征在于，包括信号生成模块、RINEX管理�？楹透ㄖ？椋渲校ㄖ？橹饕淖幽？橛械己浇馑隳？�、时间系统管理�？�、地理坐标转换�？�、宏�？�。
8.根据权利要求7所述的模拟系统，其特征在于，所述信号生成�？樘峁┮韵鹿δ艿慕涌冢ㄏ低撑渲眯畔⒌奶崛。坏饔肦INEX管理�？樘崛∷枋康男抢葑椋眯抢葑槎杂λ蠫PS卫星在两小时有效期内的全部星历，而该星历组的组数由所模拟的信号的起始时间和时间跨度决定，在该时间跨度中出现多少次星历更新，则需提取相应数量的星历数据组；对星历数据进行编码和校验位添加，得到导航电文码流；对导航电文码流调制载波和扩频码；高斯噪声模拟；提供组合以上功能部件实现信号模拟的整体算法流程。
9.根据权利要求7所述的模拟系统，其特征在于，所述RINEX管理�？樘峁┮韵鹿δ艿慕涌冢ɑ袢∮没渲玫腞INEX星历文件；解析文件名检查文件可用性和提取文件名包含的信息，包括基站名称缩写、信号采集时间；缓存RINEX星历文件的文件头数据；提取 RINEX星历文件的文件头中的RINEX版本信息、基站位置信息、信号接收时段信息、电离层校正参数、UTC时间信息等；根据一个时间参考点提取一组星历数据，该功能�？橛汕笆鲂藕派赡？橹刑崛⌒抢葑榈慕涌诜锤吹饔茫袢∷枋康男抢葑�。
10.根据权利要求7所述的模拟系统，其特征在于，所述导航解算�？樘峁┮韵鹿δ艿慕涌冢ㄎ佬侵硬詈椭悠募扑悖晃佬俏恢�、速度信息的计算；卫星、接收机距离、距离变化率的计算；卫星相对于接收机的仰角和方位角的计算；所述时间系统管理�？楦涸鸩煌奔湎低臣涞氖葑唬凰龅乩碜曜荒？楦涸鸩煌乩碜晗低臣渥曛档淖唬凰龊昴？楦涸鹜瓿上低车暮旯芾恚ㄈ殖Ａ康墓芾怼⒆远ㄒ迨г怂愫甑墓芾怼�
全文摘要
本发明提供一种使用软件方法模拟GPS数字中频信号的方法及系统，方法包括步骤一，读取用户按照规定格式编写的配置文件，提取系统配置参数，配置模拟的信号特征和系统工作所需输入；步骤二，提取RINEX文件头信息和所定义时间段内的全部卫星的星历数据组；步骤三，将步骤二中提取出的星历数据进行编码，形成二进制的导航电文码流；步骤四，将步骤三中得到的电文码流调制载波和扩频码，合成出中频数字信号数据。系统包括信号生成�？�、RINEX管理�？楹透ㄖ？�。本发明通过软件方法模拟GPS数字中频信号，作为GPS原型接收机系统及其子�？椴馐约だ蚧瞬馐灾行藕攀占奈侍猓⒖焖俾懔瞬馐匀嗽倍孕藕盘卣鞣岣恍缘男枨�。
文档编号G01S19/13GK102375146SQ201110285920
公开日2012年3月14日 申请日期2011年9月23日 优先权日2011年9月23日
发明者刘佩林, 应忍冬, 廖梦新 申请人:上海交通大学
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