CN105785402A - 一种用于gnss信号模拟器时延校准的***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于GNSS信号硬件模拟器时延校准的***及方法，该***包括隔离放大器，将外部时钟信号分为第一时钟信号和第二时钟信号；卫星导航信号模拟器，将第一时钟信号作为工作时钟，在接收机为静止状态和模拟器伪距随时间变化的正常仿真场景下输出射频导航信号和秒脉冲信号；数据采集模块，将第二时钟信号作为采样时钟，用于采集射频导航信号和秒脉冲信号；信号处理模块，基于采集到的射频导航信号和秒脉冲信号，计算得到所述射频导航信号所对应的伪距和所述秒脉冲信号上升沿处仿真历元时刻模拟器记录的伪距，得到卫星导航信号模拟器的自身时延。本发明所述技术方案，不需设置零伪距或固定伪距的特殊场景，在模拟器正常仿真场景信号输出的情况下，即可对模拟器时延进行校准。

Description

一种用于GNSS信号模拟器时延校准的***及方法

技术领域

本发明涉及一种时延校准方法。更具体地，涉及一种用于GNSS信号模拟器时延校准的***及方法。

背景技术

全球卫星导航***(GNSS，GlobalNavigationSatelliteSystem)是利用导航卫星所建立的全天候无线电导航***，其在测绘遥感、授时及导航定位等领域得到了广泛的应用。GNSS信号模拟器(以下简称模拟器)是一种高精度的标准信号源，可以模拟生成实际环境中导航卫星发射并经空间传播到达导航接收机的导航信号，为接收机提供信号仿真场景，是接收机研发设计中的关键测试设备。通过模拟不同的信号仿真场景，模拟器可以对接收机的不同性能指标进行测试和验证。

作为测试接收机的标准信号源，模拟器自身参数指标的校准十分重要。模拟器时延是模拟器最重要的参数之一。对模拟器时延的校准，目前已有的方法是基于模拟器输出伪距为零的特殊信号仿真场景，然后通过高速示波器人眼观察或信号采集并后处理来判断模拟器的秒脉冲上升沿和信号伪码初始码相位之间的时延差，再扣除线缆及接头的时延影响后，即可得到模拟器时延的校准值。但在接收机各项指标测试尤其是接收机时延的测试校准中，模拟器输出的并非伪距为零的特殊信号仿真场景，而是输出伪距随时间变化的正常信号仿真场景，这两种场景下模拟器时延的一致性无法保证；此外，通过高速示波器观察判断秒脉冲上升沿和伪码初始码相位之间时延的方法还会引入主观读数误差，不能保证校准操作的规范性。

因此，需要提供一种用于GNSS信号模拟器时延校准的***及方法，不需设置零伪距的特殊场景，保证了模拟器时延校准与接收机指标测试所用信号仿真场景的一致性，并且能够使校准分辨力达到1ns以内，该分辨力主要受限于采集存储设备的采样率及其数据存储能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种于卫星导航信号硬件模拟器时延校准的***及方法，解决目前在进行校准时需要设置零伪距特殊场景存在的问题，在模拟器正常仿真输出的情况下，既可对模拟器时延进行校准，并且能够使校准分辨力达到1ns以内。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于GNSS信号模拟器时延校准的***，该***包括卫星导航信号模拟器和数据采集模块，所述该***进一步包括隔离放大器、信号处理模块；

所述隔离放大器，将外部时钟信号分为第一时钟信号和第二时钟信号；

所述卫星导航信号模拟器，将来自隔离放大器的第一时钟信号作为工作时钟，在接收机为静止状态和卫星导航信号模拟器伪距随时间变化的正常信号仿真场景下输出射频导航信号和秒脉冲信号；

所述数据采集模块，将来自隔离放大器的第二时钟信号作为采样时钟，用于采集来自卫星导航信号模拟器的射频导航信号和秒脉冲信号；

所述信号处理模块，基于采集到的射频导航信号和秒脉冲信号，计算得到所述射频导航信号所对应的伪距和所述秒脉冲信号上升沿处仿真历元时刻模拟器记录的伪距，得到卫星导航信号模拟器的自身时延。

优选的，所述信号处理模块包括

秒脉冲信号上升沿位置确定单元和

导航信号捕获跟踪单元；

所述秒脉冲信号上升沿位置确定单元用于确定秒脉冲信号上升沿所对应的采样点；

所述导航信号捕获跟踪单元用于确定所述射频导航信号的载波频率及初始码相位信息并根据该信息展开对信号的跟踪。

优选的，所述信号处理模块进一步包括

周计数和周内秒确定单元和

跟踪环路解算单元；

所述周计数和周内秒确定单元，用于获取秒脉冲信号上升沿处射频导航信号的周计数和周内秒，进而得到该仿真历元时刻模拟器记录的伪距；

所述跟踪环路解算单元，将秒脉冲信号作为接收机时钟并计算出秒脉冲信号上升沿处所述射频导航信号的伪距，基于所述伪距减去所述秒脉冲信号上升沿处仿真历元时刻模拟器记录的伪距，再除以光速，即得到未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值。

优选的，所述

数据采集模块分别通过第一线缆和第二线缆采集所述射频导航信号和秒脉冲信号；

所述信号处理模块进一步根据据所述未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值减去所述第一线缆的时延值和第二线缆的时延值，得到卫星导航信号模拟器的时延值。

优选的，所述该***进一步包括矢量信号源，用于接收来自隔离放大器的第二时钟信号作为工作时钟，输出不低于1GHz的频率信号并输送至数据采集模块。

优选的，所述该***进一步包括原子钟，用于提供外部时钟信号。

优选的，所述数据采集模块需分别采集不少于40s的所述卫星导航信号模拟器输出的射频导航信号和秒脉冲信号。

一种用于GNSS信号模拟器时延校准的方法，所述该方法包括

将同一外部时钟信号分别提供给卫星导航信号模拟器和数据采集模块；

卫星导航信号模拟器将所述外部时钟信号作为工作时钟，在接收机为静止状态和卫星导航信号模拟器伪距随时间变化的正常信号仿真场景下输出射频导航信号和秒脉冲信号；

数据采集模块将所述外部时钟信号作为采样时钟，用于同时采集卫星导航信号模拟器输出的射频导航信号和秒脉冲信号；

基于采集到的射频导航信号和秒脉冲信号，确定秒脉冲信号上升沿对应的采样点和确定射频导航信号的载波频率及初始码相位信息并根据该信息展开对信号的跟踪；

计算得到所述秒脉冲信号上升沿处所述射频导航信号的伪距和仿真历元时刻，进而得到该仿真历元时刻模拟器记录的伪距，得到卫星导航信号模拟器的自身时延。

优选的，所述该方法进一步包括

周计数和周内秒确定算法，用于获取秒脉冲信号上升沿处的周计数和周内秒，进而得到该仿真历元时刻模拟器记录的伪距；

跟踪环路算法，将秒脉冲信号作为接收机时钟并计算出秒脉冲信号上升沿处所述射频导航信号的伪距，基于所述伪距减去秒脉冲信号上升沿处仿真历元时刻模拟器记录的伪距，再除以光速，即得到未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值。

优选的，所述该方法进一步包括

数据采集模块分别通过第一线缆和第二线缆采集所述射频导航信号和秒脉冲信号；

根据所述未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值减去所述第一线缆的时延值和第二线缆的时延值，得到卫星导航信号模拟器的时延值。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案优点在于：本发明在校准时不需要设置零伪距的特殊场景，在模拟器正常仿真输出的情况下，将模拟器输出的射频导航信号和基准秒脉冲信号通过双通道高速采集存储设备进行采集，采集的卫星导航信号，通过捕获及跟踪算法，在跟踪环路进入锁定后，以采集到的秒脉冲上升沿作为环路的伪距输出历元时刻，记录并保存环路解算出的伪距，将环路解算出的伪距与模拟器数学仿真***计算的伪距做比对，两者之间对应的时间差值，再去除线缆及接头等引入的时延，即为模拟器自身的时延值。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明实施例中一种用于GNSS信号模拟器时延校准的装置示意图；

图2示出本发明实施例中一种用于GNSS信号模拟器时延校准的装置中处理采集信号的示意图；

图3示出本发明实施例中一种用于GNSS信号模拟器时延校准的方法流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明公开了一种用于GNSS信号模拟器时延校准的***，该***包括原子钟1、隔离分配放大器2、矢量信号源3、数据采集设备4、卫星导航信号模拟器5、线缆A6、线缆B7和计算机8。

原子钟1为该***提供外部时钟信号，隔离分配放大器2将外部时钟信号分为第一路时钟信号和第二路时钟信号；卫星导航信号模拟器5将来自隔离分配放大器2的第一路时钟信号作为工作时钟，在接收机为静止状态和卫星导航信号模拟器伪距随时间变化的正常信号仿真场景下输出射频导航信号和秒脉冲信号；矢量信号源3接收来自隔离分配放大器2的第二路时钟信号作为工作时钟，输出不低于1GHz的频率采样信号并输送至数据采集设备4；数据采集设备4，将来自矢量信号源3的不低于1GHz的采样信号作为采样时钟，并分别通过线缆A6和线缆B7采集射频导航信号和秒脉冲信号；如图2所示，所述计算机8包括确定秒脉冲信号上升沿所对应的采样点的秒脉冲信号上升沿位置确定单元和确定所述射频导航信号的载波频率及初始码相位信息并根据该信息展开对信号的跟踪的导航信号捕获跟踪单元，所述计算机8进一步包括周计数和周内秒确定单元和跟踪环路解算单元，所述周计数和周内秒确定单元，计算得到秒脉冲信号上升沿处导航信号的周计数和周内秒，进而得到该仿真历元时刻模拟器记录的伪距，所述跟踪环路解算单元，将秒脉冲信号作为接收机时钟并计算出秒脉冲信号上升沿处所述射频导航信号的伪距，基于所述伪距减去所述秒脉冲信号上升沿处仿真历元时刻模拟器记录的伪距，再除以光速，即得到未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值。

本地原子钟1通过隔离分配放大器2分出两路10MHz频率信号，作为外部参考时钟，一路信号输入到卫星导航信号模拟器5，替换模拟器内部时钟作为工作时钟，另一路信号输入矢量信号源3生成采样时钟输入到数据采集设备4，目的是使整个校准***工作在统一的高稳定频率标准之下，消除由于各测量设备内时基的准确度和稳定度差异带来的测量误差，同时消除使用数据采集设备4内部锁相环产生采样时钟引入的误差。卫星导航信号模拟器5输出一路射频导航信号和一路秒脉冲信号，射频导航信号通过线缆A6输出至数据采集设备4的一路采集通道，秒脉冲信号通过线缆B7输送至数据采集设备4的另一路采集通道，两路信号同时采集；采集的两路信号数据送给计算机8进行解算处理，得到未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值。数据处理时也要对线缆A6和线缆B7的延迟误差加以修正，线缆A6和线缆B7延迟值可以提前借助矢量网络分析仪测定。最后，扣除线缆及接头延迟的影响，即得到了卫星导航信号模拟器自身的时延校准值。

如图3所示，基于上述装置，本发明又公开了一种用于卫星导航信号硬件模拟器时延校准的方法，该方法包括

S1、将同一外部时钟信号分别提供给卫星导航信号模拟器和数据采集模块；

S2、卫星导航信号模拟器将所述外部时钟信号作为工作时钟，在接收机为静止状态和卫星导航信号模拟器伪距随时间变化的正常信号仿真场景下，输出射频导航信号和秒脉冲信号；

S3、数据采集模块将所述外部时钟信号作为采样时钟，用于同时采集卫星导航信号模拟器输出的射频导航信号和秒脉冲信号；

S4、基于采集到的射频导航信号和秒脉冲信号，确定秒脉冲信号上升沿对应的采样点和确定射频导航信号的载波频率及初始码相位信息并根据该信息展开对信号的跟踪；

S5、计算得到秒脉冲信号上升沿处的周计数和周内秒，进而得到该仿真历元时刻模拟器数学仿真***记录的伪距和将秒脉冲信号作为接收机时钟并计算出秒脉冲信号上升沿处所述射频导航信号的伪距，基于所述伪距减去秒脉冲信号上升沿处所对应的仿真历元时刻所对应的模拟器记录的伪距，除以光速，再减去所述线缆A的时延值和线缆B的时延值，即得到卫星导航信号模拟器的自身时延

结合上述装置及方法对本发明实施方式做进一步描述：

第一步，为所有设备接入统一的外部频率标准。

将外部原子钟1输出的10MHz信号，通过隔离分配放大器2分为两路：一路输入到卫星导航信号模拟器5，替换模拟器内部时钟作为工作时钟；一路输入到矢量信号源3，并设置矢量信号源输出不低于1GHz的频率信号，输入给数据采集设备4，作为采样时钟。使整个***工作在统一的高稳定频率标准之下，可以消除由于各测量设备内时基的准确度和稳定度差异带来的测量误差；通过使用矢量信号源3产生采样时钟，可以消除使用数据采集设备4内部锁相环产生采样时钟引入的误差，以上操作可以保证校准结果的高精度和高准确性。

第二步，模拟器的仿真场景设置。

为了保证卫星导航信号模拟器5时延校准和接收机测试两种情况下模拟器时延的一致性，应设置模拟器的信号仿真场景和接收机测试时的仿真场景保持一致：即将接收机设置为静止状态，卫星导航信号模拟器5输出正常星座动态下的信号仿真场景，同时关闭星历误差、星钟误差、电离层、对流层及多径等误差项，并使模拟器数学仿真***计算的各可见卫星信号在仿真历元时刻的伪距值按一定格式记录到文件中。

第三步，秒脉冲信号及卫星导航信号的采集和存储。

采用高采样率的采集设备4，对卫星导航信号模拟器5输出的秒脉冲信号和射频导航信号同时进行采集。在本实施例中，采样率的大小直接影响到秒脉冲上升沿的判断准确度，因此，数据采集过程所使用的采样率最好不低于1GHz；而由于模拟器5输出的是正常信号仿真场景，为了通过伪距比对解算出模拟器时延，需要求解出采集的导航信号对应的仿真历元时刻，即周计数和周内秒，所以采集的导航信号需要完整包含导航电文的一个主帧，对于GPS和北斗卫星导航***，36s的导航数据即可完整包含一个主帧，因此需要采集40s或更长时间的导航数据。

第四步，对采集的秒脉冲信号及卫星导航信号进行处理及解算。

首先，对采集的秒脉冲信号，为了更精确的找出上升沿对应的采样点，可通过内插提高秒脉冲信号上升沿的判断精度；然后，对采集的卫星导航信号，利用接收机对其进行捕获跟踪，先粗略计算出卫星信号的载波频率及初始码相位估计值，之后，使用载波频率估计值和初始码相位估计值初始化载波跟踪环及码跟踪环。为了消除正常信号仿真场景下信号跟踪环路的动态应力误差，将载波跟踪环设置为三阶锁相环，码跟踪环设置为二阶延迟锁定环，并使用载波跟踪环辅助码跟踪环。

待环路进入锁定状态后，以采集的秒脉冲信号上升沿作为码跟踪环路的伪距输出历元时刻，伪距输出历元时刻对应的模拟器仿真历元时刻则通过解算导航信号在秒脉冲上升沿处的周计数和周内秒获取。将跟踪进入锁定状态后码环输出的伪距减去步骤二中模拟器记录的相应仿真历元时刻的伪距，再除以光速，即得到未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值。

第五步，测定各个额外部件的时延值及最终模拟器时延计算。

由于模拟器输出的秒脉冲信号与射频导航信号均是通过线缆接入到采集设备的，对两段线缆及接头的时延测定也就极为重要。各个线缆的延迟值可以采用矢量网络分析仪测定，并且该值可以提前测定，在最终的数据处理时直接扣除，从而得到最终的模拟器自身时延值。

综上所述，本发明所述技术方案，在校准时不需要设置零伪距或固定伪距的特殊场景，在模拟器正常仿真输出的情况下，将模拟器输出的卫星导航信号和基准秒脉冲信号通过双通道高速采集存储设备进行采集，采集的卫星导航信号，通过捕获及跟踪算法，在跟踪环路进入锁定后，以采集到的秒脉冲上升沿作为环路的伪距输出历元时刻，记录并保存环路解算出的伪距，将环路解算出的伪距与模拟器数学仿真***计算的伪距做比对，两者之间对应的时间差值，再去除线缆及接头等引入的时延，即为模拟器自身的时延值。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种用于GNSS信号模拟器时延校准的***，该***包括卫星导航信号模拟器和数据采集模块，其特征在于，所述该***进一步包括隔离放大器、信号处理模块；

所述隔离放大器，将外部时钟信号分为第一时钟信号和第二时钟信号；

所述卫星导航信号模拟器，将来自隔离放大器的第一时钟信号作为工作时钟，在接收机为静止状态和卫星导航信号模拟器伪距随时间变化的正常信号仿真场景下输出射频导航信号和秒脉冲信号；

所述数据采集模块，将来自隔离放大器的第二时钟信号作为采样时钟，用于采集来自卫星导航信号模拟器的射频导航信号和秒脉冲信号；

所述信号处理模块，基于采集到的射频导航信号和秒脉冲信号，计算得到所述射频导航信号所对应的伪距和所述秒脉冲信号上升沿处仿真历元时刻模拟器记录的伪距，得到卫星导航信号模拟器的自身时延。

2.根据权利要求1所述的时延校准***，其特征在于，所述信号处理模块包括

秒脉冲信号上升沿位置确定单元和

导航信号捕获跟踪单元；

所述秒脉冲信号上升沿位置确定单元用于确定秒脉冲信号上升沿所对应的采样点；

所述导航信号捕获跟踪单元用于确定所述射频导航信号的载波频率及初始码相位信息并根据该信息展开对信号的跟踪。

3.根据权利要求1所述的时延校准***，其特征在于，所述信号处理模块进一步包括

周计数和周内秒确定单元和

跟踪环路解算单元；

所述周计数和周内秒确定单元，用于获取秒脉冲信号上升沿处射频导航信号的周计数和周内秒，进而得到该仿真历元时刻模拟器记录的伪距；

所述跟踪环路解算单元，将秒脉冲信号作为接收机时钟并计算出秒脉冲信号上升沿处所述射频导航信号的伪距，基于所述伪距减去所述秒脉冲信号上升沿处仿真历元时刻模拟器记录的伪距，再除以光速，即得到未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值。

4.根据权利要求1所述的时延校准***，其特征在于，所述

数据采集模块分别通过第一线缆和第二线缆采集所述射频导航信号和秒脉冲信号；

所述信号处理模块进一步根据据所述未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值减去所述第一线缆的时延值和第二线缆的时延值，得到卫星导航信号模拟器的时延值。

5.根据权利要求1所述的时延校准***，其特征在于，所述该***进一步包括

矢量信号源，用于接收来自隔离放大器的第二时钟信号作为工作时钟，输出不低于1GHz的频率信号并输送至数据采集模块。

6.根据权利要求1所述的时延校准***，其特征在于，所述该***进一步包括原子钟，用于提供外部时钟信号。

7.根据权利要求1所述的时延校准***，其特征在于，所述数据采集模块需分别采集不少于40s的所述卫星导航信号模拟器输出的射频导航信号和秒脉冲信号。

8.一种用于GNSS信号模拟器时延校准方法，其特征在于，所述该方法包括

将同一外部时钟信号分别提供给卫星导航信号模拟器和数据采集模块；

卫星导航信号模拟器将所述外部时钟信号作为工作时钟，在接收机为静止状态和卫星导航信号模拟器伪距随时间变化的正常信号仿真场景下输出射频导航信号和秒脉冲信号；

数据采集模块将所述外部时钟信号作为采样时钟，用于同时采集卫星导航信号模拟器输出的射频导航信号和秒脉冲信号；

基于采集到的射频导航信号和秒脉冲信号，确定秒脉冲信号上升沿对应的采样点和确定射频导航信号的载波频率及初始码相位信息并根据该信息展开对信号的跟踪；

计算得到所述秒脉冲信号上升沿处所述射频导航信号的伪距和仿真历元时刻，进而得到该仿真历元时刻模拟器记录的伪距，得到卫星导航信号模拟器的自身时延。

9.根据权利要求8所述的时延校准方法，其特征在于，所述该方法进一步包括

周计数和周内秒确定算法，用于获取秒脉冲信号上升沿处的周计数和周内秒，进而得到该仿真历元时刻模拟器记录的伪距；

跟踪环路算法，将秒脉冲信号作为接收机时钟并计算出秒脉冲信号上升沿处所述射频导航信号的伪距，基于所述伪距减去秒脉冲信号上升沿处仿真历元时刻模拟器记录的伪距，再除以光速，即得到未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值。

10.根据权利要求8所述的时延校准方法，其特征在于，所述该方法进一步包括

数据采集模块分别通过第一线缆和第二线缆采集所述射频导航信号和秒脉冲信号；

根据所述未经线缆及接头时延修正的模拟器时延值减去所述第一线缆的时延值和第二线缆的时延值，得到卫星导航信号模拟器的时延值。