基于软件接收机的GNSS信号模拟器仿真角速度范围测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于软件接收机的GNSS信号模拟器仿真角速度范围的测量方法，属于卫星导航领域。本发明专利技术在对GNSS信号模拟器输出射频信号进行高保真度采样的基础上，通过软件接收机解算出观测量输出，并利用伪距变化率消除卫星相对运动引入的载波多普勒影响，最后得到角速度的最优估计值。本发明专利技术可以根据测试指标对软件接收机参数进行灵活配置，输出的丰富的高更新率高精度观测量，可同时满足测量时间分辨率和测量精度的要求；本方法数据处理原理清晰，不需要进行复杂的坐标转换，非线性最小二乘估计的迭代过程能够保证很快收敛，数据处理简单。

【技术实现步骤摘要】
基于软件接收机的GNSS信号模拟器仿真角速度范围测量方法
本专利技术属于卫星导航领域，具体涉及一种基于软件接收机的GNSS信号模拟器仿真角速度范围的测量方法。
技术介绍
随着我国北斗系统正式提供区域导航服务，目前已形成GPS、GLONASS, BeiDou和Galileo多系统并存和竞争的局面。为了支持新GNSS星座和信号的设计验证，以及相应的地面监测设备和用户接收机部件的测试评估，GNSS信号模拟器作为关键的模拟测试设备，近年来得到了空前高速的发展。但目前关于对GNSS信号模拟器自身技术性能指标的测试方法尚没有标准可循，各GNSS信号模拟器厂商所声明的技术指标缺乏第三方标准机构的测试和计量认证，模拟器实际所能达到的技术性能难以验证。目前对于GNSS信号模拟器载体动态类指标的传统测试方法是利用通用的频率测量仪器(频率计数器、频谱分析仪等)，在GNSS信号模拟器模拟载体动态场景下，连续测量GNSS信号模拟器输出单载波射频或中频信号的瞬时载波频率，根据瞬时载波多普勒求出导航卫星和所模拟载体接收机天线相位中心之间的瞬时相对径向速度\(t)，两者的关系如式⑴所示。

【技术保护点】
一种基于软件接收机的GNSS信号模拟器仿真角速度范围的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，在GNSS信号模拟器中设定测试动态场景，并进行射频信号的数据采集；第二步，根据角速度指标配置软件接收机参数，将采集数据送入软件接收机进行处理，软件接收机最终输出导航卫星仰角、方位角、载波多普勒和导航卫星三维位置坐标；根据GNSS模拟器中设定的角速度指标ω，可知载波多普勒周期为2π/ω，在一个周期内至少采样四个点恢复出原始信号，确定软件接收机输出的载波多普勒时间分辨率应小于π/2ω；同时，在消除了大动态条件造成的锁相环应力误差后，由于采用了与模拟器同源的高稳时钟基准，接收机载波多普勒的测量精度受到热噪声误差的支配；由热噪声造成的锁相环相位抖动误差为：σPLL=12πBnC/N0(1+12Tcoh·C/N0)(cycle)---(11)相应的载波多普勒测量误差为：σf=12πTcohBnC/N0(1+12Tcoh·C/N0)(HZ)---(12)式中Bn为锁相环噪声带宽，单位：Hz；Tcoh为预检积分时间，单位：s，C/N0为载噪比，单位：Hz，并且有(C/N0)dB单位为dB?Hz；在强载噪比条件下，(C/N0)dB大于80dB?Hz，在1ms～20ms范围内选取软件接收机锁相环预检积分时间，能够兼顾测量精度和时间分辨率的需求；第三步，根据软件接收机输出的导航卫星三维位置坐标数据及已知的载体质心三维位置坐标，计算伪距变化率，消除卫星相对运动对载波多普勒的影响；然后根据载波多普勒与旋转角速度的解析关系进行非线性最小二乘估计，最终得到角速度的最优估计值，具体为：软件接收机输出的瞬时载波多普勒中包含了导航卫星相对径向运动带来的影响，如式(13)所示：fdoppler(t)＝fd(t)+fds(t)????（13）其中，fdoppler(t)表示软件接收机输出的t时刻对应的瞬时载波多普勒，fd(t)表示在t时刻，由于载体自旋运动造成的瞬时载波多普勒，fds(t)表示在t时刻，由于导航卫星相对运动造成的瞬时载波多普勒；设模拟器所仿真载体质心的三维位置坐标为O:(Xr,Yr,Zr)；软件接收机每隔一个预检积 分时间间隔，会输出接收时刻坐标系下对应发射时刻的卫星三维位置坐标，设为S:(Xs(t),Ys(t),Zs(t))；当在仿真中关闭所有误差项时，两个坐标之间的距离即为伪距，由此求出伪距变化率，并转换为载波多普勒：伪距：ρ(t)=(Xs(t)-Xr(t))2+(Ys(t)-Yr(t))2+(Zs(t)-Zr(t))2---(14)由于导航卫星相对径向运动引入的载波多普勒为：fds(t+Tcoh)=-(ρ(t+Tcoh)-ρ(t))TcohfRFc---(15)其中Tcoh为预检积分时间；将对应时刻软件接收机输出的瞬时载波多普勒减去由式(14)和式(15)计算得到的由于导航卫星相对运动引入的瞬时载波多普勒，就得到仅由载体自旋引起的瞬时载波多普勒：fd(t)＝fdoppler(t)?fds(t)＝A(t)ωrsin[ωt?B(t)]fRF/c????（16）其中，对应第i个观测时刻的离散形式为：fd(i)＝A(i)ωrsin[ω(t0+iTcoh)?B(i)]fRF/c????（17）＝A(i)ωrsin[ωiTcoh+φ?B(i)]fRF/c其中φ表示首个观测时刻t0对应的初相位；为表达简便，令常数C＝r·fRF/c，并用下标i表示第i个观测时刻，则式(17)改写为：fdiC·Ai=ωsin(ωiTcoh+φ-Bi)---(18)其中消除卫星相对运动引入载波多普勒影响后得到fdi序列，根据接收机输出的导航卫星仰角和方位角序列计算出Ai与Bi序列，未知变量为角速度ω和采样初始相位φ；令那么软件接收机输出的N组测量结果组成一个二元非线性方程组；利用牛顿迭代法进行线性化处理，假设解(ω,φ)第k次迭代的初始值为(ωk?1,φk?1)，则第k次迭代的线性化方程为：vi?ωk?1sin(ωk?1iTcoh+φk?1?Bi)＝ci,k?1(ω?ωk?1)+di,k?1(φ?φk?1)????（19）其中：ci,k-1=∂[ωk-1sin(ωk-1iTcoh+φk-1-Bi)]∂ω=sin(ωk-1iTcoh+&phi...

【技术特征摘要】
1.一种基于软件接收机的GNSS信号模拟器仿真角速度范围的测量方法，其特征在于:包括如下步骤: 第一步，在GNSS信号模拟器中设定测试动态场景，并进行射频信号的数据采集；第二步，根据角速度指标配置软件接收机参数，将采集数据送入软件接收机进行处理，软件接收机最终输出导航卫星仰角、方位角、载波多普勒和导航卫星三维位置坐标； 根据GNSS模拟器中设定的角速度指标ω，可知载波多普勒周期为2 π / ω，在一个周期内至少采样四个点恢复出原始信号，确定软件接收机输出的载波多普勒时间分辨率应小于 2.根据权利要求1所述的一种基于软件接收机的GNSS信号模拟器仿真角速度范围的测量方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铮文，寇艳红，刘建胜，张涵，张海涛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：