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技術(shù)文章
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 改變了我們導(dǎo)航和收集地理空間數(shù)據(jù)的方式。多個(gè)衛(wèi)星星座為導(dǎo)航和地理空間應(yīng)用提供信號(hào)，GNSS信號(hào)、輔助增強(qiáng)信號(hào)和回波信號(hào)的數(shù)量驚人。
例如，全球定位系統(tǒng) (GPS) 目前由30多顆衛(wèi)星組成（到2025年將達(dá)到63顆），每顆衛(wèi)星都通過(guò)不同頻率傳輸多個(gè)信號(hào)。當(dāng)您考慮其他GNSS星座（如GLONASS、伽利略和北斗）時(shí)，信號(hào)總數(shù)會(huì)顯著增加。
此外，隨著新衛(wèi)星的發(fā)射和現(xiàn)有衛(wèi)星的更新，這些星座正在不斷發(fā)展，未來(lái)的衛(wèi)星數(shù)量將會(huì)更加驚人。
一、GNSS模擬器的過(guò)去與現(xiàn)在
1.過(guò)去：充滿挑戰(zhàn)
從過(guò)去的發(fā)展來(lái)看，模擬全頻譜GNSS信號(hào)具有挑戰(zhàn)性。它需要強(qiáng)大的計(jì)算能力、對(duì)衛(wèi)星軌道和信號(hào)傳播的精確建模，以及對(duì)每個(gè)星座特征的深入了解。GNSS工程師必須應(yīng)對(duì)信號(hào)干擾、衛(wèi)星幾何形狀和大氣條件的復(fù)雜性，以創(chuàng)建真實(shí)的測(cè)試環(huán)境。
模擬所有這些方面超出了傳統(tǒng)模擬器的能力，因?yàn)?strong>傳統(tǒng)模擬器無(wú)法生成足夠的信號(hào)數(shù)量。但現(xiàn)代硬件正在擴(kuò)大可能性并消除過(guò)去的局限性。
2.現(xiàn)在：GPU的崛起
現(xiàn)代GNSS模擬器，如Skydel驅(qū)動(dòng)的GSG-7、GSG-8，通過(guò)利用現(xiàn)代 GPU（圖形處理單元，俗稱顯卡）強(qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)模擬超過(guò)1600個(gè)GNSS 信號(hào)，成功克服了這一技術(shù)障礙。
新品：Skydel GSG-8 Gen2
更高信號(hào)容量、支持高級(jí)場(chǎng)景模擬、可用性更強(qiáng)
通過(guò)其軟件定義架構(gòu)，Skydel利用GPU的能力，根據(jù)CPU執(zhí)行的偽距計(jì)算加速信號(hào)生成和調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景的實(shí)時(shí)模擬。此功能使GNSS工程師能夠創(chuàng)建高度復(fù)雜且真實(shí)的環(huán)境，復(fù)制當(dāng)今世界擁擠的信號(hào)景觀。模擬數(shù)千個(gè)GNSS信號(hào)可確保全面測(cè)試、優(yōu)化接收器性能并增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)在面臨挑戰(zhàn)性條件時(shí)的彈性，最終為各種應(yīng)用提供更可靠、更準(zhǔn)確的定位。
與FPGA模擬器相比，GPU模擬器的另一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是GPU不需要使用固件進(jìn)行預(yù)編程。相反，信號(hào)調(diào)制是根據(jù)天空視圖的場(chǎng)景和演變即時(shí)（在軟件中）完成的。與基于FPGA的模擬器不同，每個(gè)星座的模擬信號(hào)數(shù)量不是靜態(tài)的，而是純動(dòng)態(tài)的。
二、為什么需要模擬超過(guò)1000個(gè)信號(hào)
GNSS工程師在確保基于GNSS的系統(tǒng)的可靠性、彈性和精度方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，模擬1000 多個(gè)信號(hào)對(duì)于他們的工作至關(guān)重要。我們總結(jié)了GNSS工程師需要模擬如此大量信號(hào)的5大原因。
1.真實(shí)的測(cè)試環(huán)境
模擬1000多個(gè)信號(hào)使工程師能夠準(zhǔn)確地復(fù)制復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。這有助于他們?cè)u(píng)估GNSS系統(tǒng)在具有挑戰(zhàn)性的條件下的性能，包括信號(hào)干擾、多徑反射以及視野中衛(wèi)星數(shù)量急劇增加的空間應(yīng)用。
2.天線陣列優(yōu)化
許多GNSS應(yīng)用都依賴于天線陣列。這些可以進(jìn)一步分為兩個(gè)行業(yè)：
● 商業(yè)：自動(dòng)駕駛車(chē)輛和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，依賴天線陣列和多天線應(yīng)用（例如，無(wú)人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量）、RTK定位（基站+流動(dòng)站）或多車(chē)輛應(yīng)用。
● 抗干擾：CRPA（天線陣列）用于減輕干擾和改善信號(hào)接收，工程師使用信號(hào)仿真來(lái)微調(diào)天線設(shè)計(jì)和配置，確保在多樣化或競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)最佳性能。
3.具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境模擬
GNSS接收器必須足夠靈敏，能夠接收在挑戰(zhàn)性環(huán)境中經(jīng)常遇到的微弱信號(hào)。模擬城市峽谷、隧道或橋梁等地點(diǎn)信號(hào)衰弱的能力對(duì)于精確定位至關(guān)重要。模擬大量信號(hào)（例如多徑回波）可幫助工程師評(píng)估接收器靈敏度和采集能力，即使在低信號(hào)條件下也能確保可靠的性能。
4.安全增強(qiáng)
在當(dāng)今世界，GNSS信號(hào)容易受到干擾。通過(guò)模擬大量信號(hào)，工程師可以開(kāi)發(fā)和測(cè)試算法來(lái)檢測(cè)和減輕這些威脅，從而增強(qiáng)GNSS系統(tǒng)的安全性。
5.多星座融合
現(xiàn)代GNSS接收器通常結(jié)合來(lái)自多個(gè)衛(wèi)星星座的信號(hào)，以提高準(zhǔn)確性和可用性。通過(guò)模擬來(lái)自不同星座的信號(hào)及其特性，工程師可以優(yōu)化接收器算法，確保無(wú)縫集成以提高定位精度。此外，在LEO PNT星座興起的推動(dòng)下，星座、頻率和信號(hào)的數(shù)量正在加速增長(zhǎng)。目前，有近7000顆衛(wèi)星繞地球運(yùn)行，而且這個(gè)數(shù)字每月都在增長(zhǎng)。
我們用一個(gè)例子讓您更加直觀的了解。我們假設(shè)有12顆衛(wèi)星可見(jiàn)，需要進(jìn)行模擬。
● 模擬12顆衛(wèi)星傳輸GPS L1C/A —— 需要12個(gè)信號(hào)
● 對(duì)于每個(gè)附加頻點(diǎn)（例如 GPS L2C）， 我們?cè)偬砑?2個(gè)信號(hào)
● 因此模擬12顆衛(wèi)星傳輸GPS L1C/A + L2C需要2×12 = 24 個(gè)信號(hào)
● 乘以每個(gè)模擬回波的信號(hào)數(shù)量 （多徑）。例如：模擬12顆衛(wèi)星傳輸GPS L1C/A + L2C和 1 個(gè)回波需要24x(1+1)=48 個(gè)信號(hào)
● 或者在另一個(gè)示例中，如果您需要為雙天線設(shè)備模擬具有1個(gè)回波的每個(gè)民用信號(hào)傳輸，您將進(jìn)行以下計(jì)算：
○ 60MSps時(shí)的信號(hào)數(shù)量：12 × 15（民用信號(hào)數(shù)） × 2（兩個(gè)天線） × 2（回波+1）= 720
○ 125MSps時(shí)的信號(hào)數(shù)量：13 × 15（民用信號(hào)數(shù)） × 2 （兩個(gè)天線）× 2 （回波+1）= 780
通過(guò)這個(gè)實(shí)例，您應(yīng)該清楚，如果想要模擬全星座并仿真各類(lèi)場(chǎng)景，1000個(gè)信號(hào)并不算多。
END
GNSS信號(hào)的現(xiàn)實(shí)世界是廣闊而復(fù)雜的，有大量的衛(wèi)星和信號(hào)在運(yùn)行。雖然模擬每個(gè)信號(hào)可能不切實(shí)際，但模擬1000多個(gè)信號(hào)仍然是GNSS工程師的重要任務(wù)。通過(guò)使用Skydel模擬如此多的信號(hào)，用戶能夠解決GNSS環(huán)境的復(fù)雜性、優(yōu)化系統(tǒng)組件、增強(qiáng)安全措施，并確保在一系列應(yīng)用和行業(yè)中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。
Skydel一直致力于實(shí)現(xiàn)模擬視野中所有信號(hào)的能力。其軟件定義架構(gòu)與利用現(xiàn)代 SDR 和 GPU 的能力相結(jié)合，使其能夠達(dá)到幾乎無(wú)限數(shù)量的信號(hào)/通道。事實(shí)上，很快，GNSS 模擬器中可能的信號(hào)數(shù)量將不再是一個(gè)區(qū)別因素，信號(hào)數(shù)量“有限"的系統(tǒng)將成為過(guò)去。去年，Skydel在信號(hào)數(shù)量方面取得了巨大進(jìn)步，并且已經(jīng)能夠在GSG-8模擬器平臺(tái)上生成1600多個(gè)信號(hào)（包括傳統(tǒng)星座）。無(wú)需升級(jí)Skydel，更換更好的硬件（GPU，CPU），Skydel配置能夠傳輸更多信號(hào)，而不影響穩(wěn)定性和性能。
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