导航卫星模拟器成为导航星座先行者

导航卫星系统的发展日新月异，从GPS和GLONASS开了先河，后面北斗系统和伽利略系统，以及多个区域系统和多种多样的增强系统给模拟器提出了一系列挑战，又加上低轨卫星星座的出现，给模拟器行业更加增加了繁重的任务。这是需求驱动的明显体现。实际上，近些年来，许多新任务让模拟器有点应接不暇，这是一种考验，而且发挥了极其明显的推动力，模拟器越做越小、越做越精、越做越快，而且发过来深入到卫星导航产业的深层次，而不是简单地在实验室发挥作用，已经走进现场，走入实战，而且已经把反欺骗、抗干扰纳入研究内容。实质上，模拟器已经不仅仅是模拟器，不妨想得深入些，想得更加宽广，模拟器潜力无穷。

对于GNSS信号模拟器的制造商来说，这是有趣和具有挑战性的时期。几十年来，GNSS接收机的开发人员和制造商需要模拟卫星的信号，以便在实验室和现场测试接收机。与此同时，用于军事行动和火箭发射等关键任务的GNSS接收器用户需要模拟特定时间和空间点的确切条件（视线内的卫星数量，精度的位置稀释因子等）。随着星座、卫星和信号数量的增加——特别是在过去几年中，随着北斗和伽利略星座的建成——模拟器制造商面临着跟上去的挑战。干扰和欺骗的威胁也有所增加。同时，一些公司开始在低地球轨道（LEO）中开发新的定位，导航和授时（PNT）星座。现在，模拟器通常需要数百个通道。《GNSS内参》的主编与五家公司的代表讨论了这些挑战和仿真行业的前景，他们是：Tim Erbes，赛峰联邦系统（前身为Orolia Defense & Security）技术总监；Julian Thomas，Racelogic董事总经理；约翰·克拉克，工程副总裁，CAST Navigation公司；Jürgen Pielmeier，IFEN董事总经理；Mark Holbrow，思博伦通信产品开发副总裁；Roger Hart，思博伦联邦系统工程总监。

LabSat 3 宽带紧凑型 GNSS 模拟器。（图片：Racelogic）

1. 传统星座和新星座

模拟器制造商列举了各种挑战。根据Erbes的说法，一个很大的问题是确定用户的需求。“通常，”他说，“他们无法确定规格需要是什么。他们只知道他们需要它来工作。他指出，在混合和匹配来自不同制造商的接收器、IMU 和组件时尤其如此。

几十年来，只有两个GNSS星座（GPS和GLONASS）。几年前，又有两个上线了（北斗和伽利略）。同时，开发了几个区域增强系统（SBAS，EGNOS，NavIC，QZSS和KASS），其中一些可能后来会发展成为全球系统。现在，正在开发新的基于LEO的系统。对于模拟器制造商来说，曾经清晰的东西“开始变得模糊，”Erbes说。“如果你现在问我们团队成员我们支持多少星座，你不会得到快速的答案。我们正在努力具有前瞻性，并添加可能出现的所有内容，以便实验室用户可以开发和测试。

Erbes指出，对于没有模拟器的群体来说，多星座模拟是一个特别具有挑战性的问题。“我们拥有软件定义架构的优势。我们设计了该软件，以便轻松添加新星座。基本上，一旦我们得到了一个适当的接口控制文档（ICD），我们距离新信号的初稿实现只有几个月的时间。然后我们进行迭代”。

托马斯说，在过去的几年里，Racelogic“不得不突然发明15个新信号”。它制作了一个记录和回放系统——“你把一个盒子放在汽车、自行车上、背包里或火箭上，然后记录原始的GPS信号，”托马斯说——以及另一个系统，它“从纯粹的原理”模拟卫星的信号。他指出，后者是“我们想象的原始工作的15倍。然而，当我们添加每个信号时，它往往会变得简单一些，直到他们添加新的信号编码方式，然后它又变得复杂了”。

Holbrow表示，思博伦通信的技术专注于“其专用的SDR（软件定义接收机）硬件平台和软件仿真引擎，在开放的可访问架构中提供性能，可扩展性和灵活性。与我们选定的合作伙伴密切合作，确保有机会通过他们的工具、应用程序和硬件支持和集成新兴的PNT技术。Holbrow说，另外两个持续增长的方面是“增加真实性和测试自动化”。“两者都是思博伦继续优先考虑和投入研发资金的领域”。思博伦“可以使用户有效地使用任意波形模拟器或'沙盒'来试验不同的调制方案，不同的碎屑率、代码、带宽和导航数据内容，”Holbrow说。“我们可以支持的信号数量不断增加，使用户可以做的测试用例的排列和组合成倍增加，”Hart补充道。并非每个模拟器用户都对模拟所有现有和新兴星座同样感兴趣。克拉克指出，美国军事市场的人不使用外国信号。但是，他们可能想了解这些信号如何影响他们的车辆、平台或单个接收器。

基于LEO的星座“在过去一年左右已经成为一个流行语，”克拉克说。由于CAST Navigation的模拟器是模块化的，并使用基于FPGA的设计，“我们可以在我们的系统中添加不同的卫星星座或卫星协议，”他说。“然而，由于缺乏官方的ICD，或任何定义这些基于LEO的新信号的文档，我们还没有提供任何商业服务”。Pielmeier说，今天，所有高端射频模拟器都必须支持“所有现有的GNSS系统，以及所有频率上的所有相关信号组件”。此外，为了保持竞争力，它们必须“与新的和不断发展的GNSS信号保持同步”。他补充说：“除了L波段信号，我们还完全支持NavIC星座的S波段信号”。Pielmeier指出，对精密单点定位（PPP）校正服务的需求增加是IFEN在伽利略E6-B信号上增加高精度服务（HAS）PPP校正功能的驱动力。“我们预计未来几年将有进一步的改善，特别是满足PPP-RTK市场的新兴需求。他说，基于LEO的PNT服务的出现使其成为“未来五年最重要的驱动力，将信号频率扩展到当前的L波段和S波段信号之外，看到新的调制，双向传输和更多主题”。

2. 干扰和欺骗

在过去几年中，对干扰和欺骗的担忧显着增加。然而，这些对于模拟器制造商来说并不是新概念。“在某种程度上，模拟领先于这种世界状态，”Erbes说。“欺骗类似于模拟。所以，我们已经知道如何做到这一点。然而，这种情况可能会改变”。“如果出现新的要求，例如更高的数据速率或更宽的带宽波形或不同类型的波形，那么我们将不得不适应并增加对此类东西的支持”。“因为我们的系统记录和回放，所以它们经常被用来记录现实世界的干扰，”托马斯说。关于欺骗，Racelogic刚刚改进了其信号模拟。“我们可以实时无缝接管GNSS信号。我们可以重现当前的星历表和历书。如果我们传输足够强大的信号，我们就可以完全接管该设备”。

克拉克说，在过去的五年里，CAST Navigation的大多数客户对能够模拟干扰和欺骗越来越感兴趣。“如果你在竞争激烈的环境中做任何重要的事情，你就会遇到某种类型的欺骗和/或干扰”。Pielmeier同意，近年来，模拟干扰和欺骗威胁一直是模拟器主要的市场驱动力。“我们最新一代的射频模拟器NCS NOVA+，”他说，“完全支持所有类型的干扰和欺骗，并完全集成到我们的射频模拟器中，以实现相干信号的生成。随着基于DFMC（SBAS/GBAS双频多星座）的生命安全和自动驾驶应用的到来，支持高级干扰和欺骗仿真解决方案的需求仍将是一个持续的驱动因素”。

IFEN的射频信号发生器技术，基于模块化和高度灵活的软件定义无线电（SDR）平台。（图片：IFEN）

3.模拟尚不存在的东西

当前的GNSS星座广播信号，可以记录，回放并用于生成精确的仿真。然而，对于仍在开发的系统，模拟器制造商必须依赖每个系统的ICD（如果可用）。即使对于已建立的系统，实时天空信号也可能与ICD不同。“模拟器应该匹配实时天空信号，”Erbes想知道，“还是应该匹配星座的预期最终状态，根据ICD？对于 M 代码来说，这是一个巨大的话题，它不断变化，并且有一个非常大的 ICD 可以增量发布。我们不得不不断对模拟器进行更改以匹配这些版本”。模拟器制造商面临的一大挑战是跟上新的和不断发展的ICD的步伐。“星座比以往任何时候都多，这项技术使改变信号架构变得更加容易，”Erbes说。“我们将开始讨论可以即时重新编程的信号。这将使仿真变得越来越具有挑战性”。Thomas说，为尚未部署的新系统仿真信号是一个“纯信号仿真”的问题。“你逐行通过ICD并制定新的计划。你非常依赖ICD中的每一个字”。

新的基于LEO的系统并不是唯一向模拟器制造商提出这一挑战的系统。“L1C是我们开发的另一个问题信号，”克拉克说。“我们所能做的就是购买所有可供出售的L1C接收器的品牌和型号，并利用我们的模拟器以及这些接收器，看看情况是否良好。我们已经要求政府提供L1C代码样本，但在卫星制造商以最终配置发射卫星之前，它将无法获得。在那之前，我们将发展到已经发布和定义的ICD，然后交叉手指进行组织。思博伦的核心仿真引擎和SDR“与正在生成的星座和信号类型无关，”Holbrow说。“因此，精度、额定速率、伪距离控制和延迟的基本原理，以及思博伦SDR+ Sim引擎的射频保真度，可以很容易地纵横安排，以模拟包括LEO在内的大量新兴信号。此外，当ICD不可用时，该公司可以让其客户使用其工具“自己轻松填充ICD的元素”。

4. 在实验室与现场

“我们所有的系统都可以放在背包里，推着的自行车上，也放在汽车里，”托马斯说。“我们故意这样做，因为我们来自汽车方面，所以我们必须保持所有东西都非常小和紧凑。我们的一些客户将它们放入火箭中，在信号上升时记录信号，或放在船上。我们让人们手腕上的天线连接到我们的一个系统，这样他们就可以模拟智能手表”。克拉克说，CAST Navigation拥有模拟器包，尺寸“从鞋盒大小到九英尺高的机架”。“它们都是模块化的，因此您可以随着时间的推移添加选项和功能。我们有在现场使用的模拟器。美国武装部队的一些测试小组已经在悍马车的后面使用我们的模拟器以及其他专有设备进行自己的现场实验”。

思博伦支持现场用例：其便携式模拟器可以在DUT接收实时天空信号时测试PNT弹性，其记录和回放系统在宽带RF环境中进行真实世界的探测，以便在实验室中回放。Pielmeier说，目前，所有IFEN模拟器都是为实验室使用而设计的。然而，“我们认识到对具有现场功能的射频模拟器的需求增加，特别是对真实SIS进行欺骗以测试现场部署的GNSS接收器。提供便携式现场解决方案是我们的中期规划，但不是我们发展的当前驱动力”。

5. 测试与任务规划

接收机制造商在实验室和现场用于调整现有接收机或开发新接收机的模拟器与用于任务规划的模拟器有何不同？“在大多数实验室模拟中，它们可以在给定的一天内使用默认星座运行，”Erbes解释说。“他们会运行该场景数百或数千次，并且永远不需要更改它，因为他们正在测试接收器的某些部分，这些部分不太关心正在发生的事情的细节。相比之下，任务是特定于时间和地点的。规划人员需要知道哪些卫星将在确切的时间和地点出现在头顶。“当你进行真正的日间任务规划时，最大的问题不是如何产生信号，而是如何找出今天发生的事情”。

6.不断提高的精度要求

与接收器一样，模拟器的精度要求也在不断提高，以匹配新兴应用。“每个人都在追求变得更小、更快、更准确的系统的目标，”托马斯说。“我们做实时模拟器，他们希望从你输入轨迹到你得到输出的延迟越来越小。幸运的是，我们也能够在硬件方面跟上，因为我们的大部分处理都是使用软件完成的”。随着准确性要求的提高，“真实世界的测试可以发挥极其重要的作用，”Holbrow说。此外，随着弹性测试对测试设备的要求越来越高，思博伦通信现在支持“大量漏洞和相应的缓解/预防测试用例”，以应对干扰、欺骗、网络攻击和CRPA。

克拉克说，CAST Navigation的模拟器达到或超过精度要求。“我们的伪距精度低至一毫米，相位相干性不会漂移，并且在多晶片相控阵天线仿真期间能够实现2.5 ps至3 ps的同步相干性。我们看到我们的客户对更高性能的模拟器感兴趣，这是我们的承诺。Pielmeier对此有不同的看法：“我们没有看到所需的精度增加，因为典型的精度要求远远超出了信号的实际精度”。

7.近期成功案例

Racelogic开发了一种系统来取代或增强通道中的GPS，这些通道经常相互经过或匹配地面街道的路线。“我们一直在与世界上许多正在建设新通道的城市交谈，”托马斯说。“它需要沿着每条通道每30米安装中继器，并在服务器上运行软件，每30米无缝更新一次您的位置。克拉克指出，过去几年，CAST Navigation的“面包和黄油”一直是“可以在实时环境中驱动相控阵天线以及惯性单元和全高动态飞机的更大系统”。他补充说，“曾经流行的小型系统大多被搁置一旁”。作为最近的成功，Holbrow引用了思博伦通信公司与Xona Space Systems合作发布的Xona模拟器，以及增加了“许多与现实相关的功能，包括模拟惯性系统的振动和温度效应”，一个名为Foresight的基于云的软件应用程序，使用户能够了解他们在特定时间期望的GNSS覆盖范围。 基于精确3D场景的位置和轨迹，以及伽利略开放服务导航电文身份验证（OSNMA）机制的仿真测试解决方案。最后，他强调了思博伦对自动化的日益支持。皮尔迈尔引用了IFEN从欧洲航天局获得的伽利略第二代测试用户接收器合同，这是其最近最重要的成功。“在这份合同中，NCS NOVA+模拟器作为射频测试工具将升级到完整的G2G（伽利略二代）信号生成能力。新实施的G2G信号可以缩短首次定位时间（TTFF），提高采集性能，同时提高更新率（例如，用于PPP-RTK）。到今年年底，G2G信号将在我们的射频模拟器中全面实施，包括下一代高级认证解决方案”。