卫星导航信号模拟源的发展现状及趋势

曹义昆 丁传红

一、引言

随着社会经济的不断发展，卫星导航系统应用越来越广泛，为了实现更高的军事效益及经济利益，人们对于设备性能要求也越来越高，但是由于卫星导航系统的特殊性，设备的研制普遍时间长、花费高、不便捷。而卫星信号模拟器则可以为卫星导航系统及各类终端测试提供真实卫星导航系统的高精度模拟，可在受控的实验室环境中为GNSS接收机的研制、测试、生产等环节提供可重复、可选择的测试验证支持。也正鉴于此，人们越来越关注卫星信号模拟源技术的发展。

二、研究卫星导航信号模拟技术的意义

卫星导航信号模拟技术的研究具有政治、经济、军事等诸多意义，主要表现在以下几个方面：1、方便验证卫星导航信号的性能，推进卫星导航系统的建设与发展。2、打破高端模拟源国外禁运壁全，为我国卫星导航终端测试提供自主可控解决方案。3、促进卫星导航应用产业化推广，为结合卫星导航的创新应用提供高可信度的星座模拟测试手段。4、作为涵盖星座、环境、信号、电文等多层面的系统级技术，可以展示出卫星导航系统级技术水平，在国际合作中掌握更多主动权。

三、卫星导航信号模拟技术的现状

卫星导航信号迷你源的研制技术难度很大，涉及伪码扩频调制、载波相位的精确控制、误差仿真等技术。国外很早就开始研究GPS信号模拟源技术的研究，已经研制生产出多款型号并投入使用。因为GPS是由美国开发并使用的的卫星导航系统，至今已有几十年，因此美国拥有大量成熟的卫星信号模拟源技术。最早的卫星导航信号仿真系统是由Texas Instruments公司于1977年开发的GPS模拟源。自此，随着卫星导航系统的建立，体制的更新，其他卫星导航系统的出现，卫星导航信号模拟源也从模拟合成到数字合成、从中频数字合成到基带数字合成、通道由单到多、从单一仿真到混合仿真、从专用到通用、从整机系统仿真到便携的单片机片上仿真。目前国外市场上GPS仿真系统均不同程度地采用了大规模DSP/FPGA技术，在数字域进行直接信号合成，把多颗卫星的数字合成信号用一个射频通道输出，以提高信号精度和通道间的一致性。

因为卫星信号模拟源极大地方便了GPS系统及终端的研制，世界上许多国家相继研制了卫星导航信号模拟源。英国、美国、德国等已经有比较成熟的产品。其中，Spirent、Aeroflex公司等生产的GPS模拟源最具代表性。

经过多年的技术积累，国外的GPS卫星导航信号模拟源功能更多，性能更加优越，有的模拟源可以模拟多种环境下的干扰信号，甚至可以模拟差分信号、姿态测量信号，具有基于卫星增强（SBAS）仿真功能。对于其他卫星导航系统的模拟源则技术相对不够成熟。

国内在卫星导航领域起步就比较晚，卫星导航信号模拟技术与国外相比也有不小的差距，国内研究卫星导航信号模拟技术的机构主要包括北京航天航空大学、国防科技大学等高校，东方联星、华力创通等企业以及某些军工研究所。GNS8000系列卫星导航模拟器由湖南矩阵电子有限公司研制生产，支持中国北斗、美国GPS、俄罗斯格洛纳斯及欧盟的伽利略等多种卫星导航系统星座，并且可以产生高动态的卫星信号、以及可以与惯导组合实现实时闭环、还支持多波束抗干扰仿真、多输出多通道仿真等终端产品的测试。

四、卫星导航系统模拟源技术的发展趋势

卫星导航系统及应用经过近几十年的发展，其仿真测试技术及装备也经过了长时间的发展和积累，甚至先于导航应用终端的发展，特别是国外在建设导航测试评估系统方面基本与导航系统建设一致，经过长时间的发展积累了大量的技术及工程经验，对提升导航装备水平作用巨大。目前国际卫星导航模拟测试技术和相关装备发展表现出如下趋势：

（1）测试系统构建全面化。传统的用户测试系统往往只针对某些预先设定好的测试任务开展针对性的设计，面对未来工程应用中多样且处于不断变化中的测试任务，其已很难适应当前的测试系统任务需求。为满足不断演进的测试评估需求，在系统设计时即面向全面的测试评估任务为需求，以适应复杂多变的场景，从而提升试验系统的服务水平。（2）设备组成模块化。在系统硬件设计中，采用模块化可以方便维修及部件升级提高灵活性。还可增加即插即用的设备模块，使系统更加智能。（3）管理控制平台化。作为测试评估系统，为更好地实现对系统自身的测试任务的管理与控制，均采用服务平台化设计，即为系统提供标准的、可扩展的、容错的、多层次的服务，使本系统所提供的服务能力实现设备隔离，在未来设备维修、换型、扩展时，最大限度保证全系统的稳定扩展，支持各个层次的系统试验要求。（4）测试与评估自动化。仿真系统随着技术的发展规模会越来越大，不可只依赖于人工操作，任务管理及运行的自动化是必然的趋势，还可以减少人工操作，降低人力成本，降低人为错误的几率提高系统的准确性。（5）测试流程规范化标准化。为保证测试评估的权威性，测试评估系统在流程、方法、评估准则上体现出规范化和标准化的趋势，测试流程实现上表现为脚本化、图形化的特点，形成统一的测试规范及测试流程，并形成权威的测试评估方法及测试评估准则。（6）高逼真度、高精度环境模拟。作为测试评估系统其最主要的特点和要求是能够提供高逼真性、完全控制的高精度信号模拟，因此当前测试评估系统以实际测试需求为输人，充分开展信号、环境仿真建模，以提供高逼真度和精确度的仿真建模，保证测试的逼真性及可重复性。（7）多系统兼容、可升级可扩展。随着越来越多的国家开始研究卫星导航技术，随着卫星导航技术水平不断提高，卫星导航信号模拟源技术也要发展成多系统兼容并且可升级可扩展。