一种用于机载GPS导航设备参数测试的模拟装置的制作方法
本发明涉及航空电子系统和航空信息化技术领域，特别是一种用于机载gps导航设备参数测试的模拟装置。
背景技术：
飞机的导航设备是飞机为实现安全快速航行的重要硬件设备，为了保证飞行安全，对飞机的导航设备进行测试显得十分重要，但因为在研发测试阶段受到场地和环境的制约，需要对导航信号进行模拟以全面验证及鉴定机载gps导航设备的性能，现有技术通过调整发生器伪码时钟和载频多普勒频率，模拟出gps接收机在高动态环境下接收到的卫星信号，从而检验接收机信号捕获跟踪能力，以及对定位的精度进行评估等效果。
但现有技术的模拟装置在进行模拟测试时只能对固定时刻的定位卫星的星座和运动状态、gps接收机的运动状态进行模拟，从而导致模拟效率不高，且现有技术的模拟装置导致在模拟时存在着可维护性较低的问题。
因此本发明提供一种的新的方案来解决此问题。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于机载gps导航设备参数测试的模拟装置，有效的解决了现有技术的模拟装置在模拟机载gps导航设备进行测试时，存在着模拟效率低、可维护性较低的问题。
其解决的技术方案是，包括硬件系统和软件系统，所述硬件系统包括微机部分、主控单元和gps导航设备，所述软件系统包括用户界面模块、时钟模块、接收机模块、导航电文模块、卫星视图模块、误差计算模块、参数计算模块、通信控制模块和数据库模块，所述硬件系统中的主控单元包括gps信号模拟单元、状态控制电路、gps接收机、端口适配电路和电源电路，微机部分通过pci总线分别和gps信号模拟单元、状态控制电路双向连接，微机部分通过rs232总线和gps接收机双向连接，gps信号模拟单元、状态控制电路和端口适配电路双向连接，gps信号模拟单元、状态控制电路和端口适配电路双向连接，端口适配电路连接至gps接收机，电源电路连接至端口适配电路，端口适配电路和gps导航设备双向连接，所述软件系统中的导航电文模块和接收机模块分别连接卫星视图模块，时钟模块分别连接至导航电文模块、接收机模块和卫星视图模块，导航电文模块、接收机模块和卫星视图模块分别连接至误差计算模块，误差计算模块连接参数计算模块，参数计算模块连接通信控制模块，用户界面模块连接至时钟模块、导航电文模块、接收机模块、卫星视图模块、误差计算模块、参数计算模块和通信控制模块，时钟模块、导航电文模块、接收机模块卫星视图模块、误差计算模块、参数计算模块和通信控制模块分别连接至数据库。
本发明还提供了一种用于机载gps导航设备参数测试的模拟方法，所述模拟方法利用模拟装置在产生模拟的卫星信号时需要经过如下步骤：
s1、利用模拟装置的gps信号模拟单元实时模拟多颗卫星的信号，gps接收机在同一时刻可观测到多颗卫星，通过测量这些卫星到待测点之间的距离来求解待测点的位置坐标，不考虑p码调制信号，设第i颗卫星的星历数据为di(t)，调制码为ci(t)，则第i颗卫星的发射信号可表示为：
式中，φi为第i颗卫星的初相、ac为c/a码的振幅、fl1为载波l1的频率，当模拟的各个卫星信号由接收机接收时，由于延时不同、各颗卫星的信号衰减不同且各颗卫星信号的多普勒频移不同，总的接收信号r(t)可表示为
式中，τi为第i颗卫星信号从卫星到达接收机总的传播时间、fid为第i颗卫星相对接收机运动而产生的多普勒频移、ai为第i颗卫星信号到达接收机时的信号幅度、n(t)为噪声信号、m为接收机可同时观测到的卫星数目，当接收机观测卫星的最小仰角为10°时，接收机最多可同时观测到10颗卫星，当最小仰角为5°时，接收机可同时观测到12颗卫星，因此gps信号发生器的通道数目定为12，根据式(2)gps信号模拟单元的数学模型可建立一种基于软件无线电的设计思想、应用内插理论的全数字调制的12通道gps信号发生器的模型，单通道在利用该模型首先用数字载波对计算机或dsp产生的基带信号进行数字调制，载频为f1＝4.58mhz，根据采样定理模型的采样速率为fs>2f1，取fs＝20mhz，由于卫星相对接收机运动，中心频率还需加上信号的多普勒频移：
式中c为光速、v为卫星与接收机的相对速率，当卫星靠近接收机取+，当远离接收机取-，则已调波s1i(n)根据式(1)得：
由于d/a转换的频谱类似于sinx/x的形式，直接对该信号进行d/a转换只能得到载频小于fs/2＝10mhz的已调信号，否则信号衰减过大且会发生非线性变化，而软件无线电的设计思想希望在d/a转换后能直接得到中频信号或射频信号，利用内插理论使较低的采样速率来产生较高频率的信号，对s1i(t)进行4倍零内插，即对s1i(t)每隔1个采样点插入3个零点，得到的内插信号为
s2i(t)＝aici(t-τi)di(t-τi)·sin[2π(f2+fid)t+φi](5)
再将s2i(t)与本振为1540mhz的余弦波混频，得到载频为f3＝1540±(35.42+fid)mhz的混频信号，经过中心频率为
s2、在s1的基础上利用所述参数计算模块对gps信号模拟单元模拟产生、gps接收机前端接收到的卫星信号进行gps卫星的12个轨道关键参数的计算，即连续生成导航电文，包括星历、历书和utc数据，模拟装置利用摄动力方程以及拉格朗日行星运行方程推导计算了星历数据中的12个轨道参数a，e，i，ω，ω，μ…，
由于
式中：i为轨道面倾角、ψ为近地点角距、f为真近点角、
仅考虑长期摄动项，式(7)可表示为：
式中aε是wgs-84椭球的基本参数之一，将v在轨道参数上展开，根据拉格朗日行星运行方程对其求导，最终得到时刻历元t对应的12个轨道参数：
式中：x(t0)为初始历元t0对应的x值，其中x∈(a，e，i，ω，ω，μ，…)、x(t)为仿真历元t对应的x值、a为椭圆轨道长半轴、e为椭圆轨道偏心率、i为轨道面倾角、ω为升交点赤径、ω为近地点角距、m为平近点角、p＝a(1-e2)为半通径、
s3、在s1的基础上，利用载波信号的调制和扩频码信号的生成协调gps信号模拟单元中的各种模拟信号数据使时序准确一致，利用dds方法即把一系列数字信号通过d/a转换器转换成模拟信号的数字合成技术实现载波nco和码nco模块完成载波信号的调制和扩频码信号的生成，nco为数控振荡器，dds方法建立了相位-幅度数据表，根据每个采样时刻信号的频率控制字和相位控制字，通过查表得到其对应的幅度值，产生所需量化信号，通过改变每相邻两个采样时刻波形相位的变化率来控制所需信号的频率，每来一个时钟脉冲累加器对频率控制字累加，寄存器的输出与相位控制字相加，通过另一寄存器输入到正弦查询表地址端口，弦查询表包含1/4个周期正弦波的数字量化幅度信息，每个地址对应正弦波中0°～90°范围的一个相位点，利用符号信息给出其他3个象限从90°至360°的对应值，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量化信号，频率控制字寄存器每经过2n/m个clk时钟后回到初始状态，n为频率控制字累加器的字长，相位增量δφf(n)＝2π/m为相位2π弧度分割的一份，m为分割的总份数即频率控制字，相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个dds系统输出一个完整正弦波量化值，输出正弦信号频率
与频率控制字m成正比，式中fr为最大频率由取样定理知所产生的信号频率不能超过时钟频率的一半，相位累加器的位宽为n，dds的频率分辨率满足
式中：fc为取样频率，载波相位
s4、在s1的基础上利用拟合、插值的方法减少gps信号模拟单元模拟的卫星信号参数之一的信号传输延迟时间的运算量，但拟合、插值并不采用计算延迟时间的一般方法，而所选参考时间点处的延迟时间值仍由一般的方法进行计算，其余时间点处的延迟时间则通过拟合、插值的方法计算出来，计算延迟时间一般计算方法需要用到的参数有：①当前的时间及接收机所处的时区：年y、月m、日d、时hh、分mm、秒ss和时区tz；②六个星历参数及星历参考时间te：m0为meananomalyatreferencetime、e为eccentricity、
e＝m+esine(12)
但式(12)为非线性方程，直接求解比较困难，一般采用迭代算法，即
ei+1＝m+esinei+1(13)
可将其初始值e0设为m，具体的迭代次数由|ei+1-ei|的精度来定，利用得到的e值，计算出卫星到地心的距离γ及近地角ν，如下方程组所示：
r＝a(1-ecose)(14)
接着求出φ、倾斜角i和上升角ωer，然后计算出卫星在ecef即earth-centeredearth-fixed坐标下的坐标(xs，ys，zs)，即如下公式：
再将接收机所处的经纬度坐标(l，lc，h)转化为ecef坐标系下的坐标(xμ，yμ，zμ)：
其中在计算re≈h+r0时，还需要用到下面两个式子：
l≈lc+epsin2l(18)
r0≈ae(1-epsin2l)(19)
同样式(18)也要用迭代算法，|li+1-li|的精度决定迭代的次数，最后求出卫星信号的延迟时间：
本发明实现了以下有益效果：
(1)本发明利用模拟装置的用户界面模块设定gps接收机所在地的时区和时间以及将要模拟的接收机类型和相应的初始信息，利用软件系统将硬件系统的各部分调动起来，并利用本发明提出的模拟方法实现对任意时刻定位卫星的星座和运动状态、任意时刻gps卫星的星历、gps接收机的运动状态进行模拟，提高了模拟效率；
(2)本发明的硬件系统采用模块化结构，并利用gps接收机实现模拟装置的自检，解决了模拟装置可维护性较低的问题；
附图说明
图1为本发明的硬件系统组成框图。
图2为本发明的软件系统构成和数据传递关系图。
图3为本发明的pci板卡结构框图。
图4为本发明的十二通道信号模型图。
图5为本发明的dsp主要功能模块图。
图6为本发明的dsp与fptga数据交互图。
图7为本发明的电源电路组成框图。
图8为本发明的内插前信号的频谱。
图9为本发明的内插后信号的频谱。
图10为本发明的载波nco和码nco框图。
图11为本发明的拟合曲线参考点选取示意图。
具体实施方式
为有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1-11对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。
一种用于机载gps导航设备参数测试的模拟装置，如图1所示所述硬件系统中的微机部分通过pci总线向gps信号模拟单元和状态控制电路分别双向传输模拟信号，微机部分通过rs232总线向gps接收机双向传输模拟信号，端口适配电路分别与gps信号模拟单元和状态控制电路双向传输模拟信号，端口适配电路向gps接收机传输模拟信号，gps导航设备与端口适配电路双向传输信号，电源电路采用220v/ac为端口适配电路供电，如图2所示的软件系统的导航电文模块、卫星视图模块、接收机模块组成小模块来接收时钟模块传递的精确时间并依次向误差计算模块、参数计算模块传递模拟信号，两者对模拟信号进行处理，并通过通信控制模块将模拟信号传输至数据库，用户界面模块是用户在模拟器运行的初始时刻，设定gps接收机所在地的时区和时间以及将要模拟的接收机类型和相应的初始信息供软件系统使用，软件系统的各个模块与硬件相结合，实现对任意时刻定位卫星的星座和运动状态、gps接收机的运动状态进行模拟并产生模拟信号供硬件进行传输，提高了模拟装置在模拟机载gps导航设备参数测试的时的功能性和综合化程度，硬件系统之间采用模块化结构、利用gps接收机实现模拟装置的自检，提高了模拟装置的可维护性；
所述微机部分主要由工控机组成可采用阿科美flp200型工业控制微机，其利用高速pci总线和rs-232总线技术组成了模拟装置的控制核心，负责整个模拟装置的控制与管理，为使微机部分具有较强的扩充性和较高的可靠性以及抗干扰能力，的各个模块配合下，控制其他各部分电路完成模拟装置面板开关状态采集、仪器工作状态置定、被测设备激发信号的产生与走向控制、输出响应及有关参量的采集与处理、以及检查结果的输出等工作，与专家诊断软件一起构成完整的专家诊断系统，完成模拟装置的uut的故障检测、诊断和定位，键盘和显示面板可供人工操作；
所述gps信号模拟单元利用计算机加pci板卡的形式来完成模拟装置的硬件系统设计，如图3所示，在模拟装置运行的初始时刻，需要在上位机上设定模拟的开始时刻、接收机的初始位置、接收机的初始速度及加速度、模拟的轨迹及卫星位置等，同时发送已有的星历文件，计算机实时将计算出的参数通过pci接口控制芯片送入板卡上的缓冲区(双口ram)中，dsp(数字信号处理芯片)将这些参数从缓存区读出，产生相应的c/a码并进行扩频调制，码延迟、数字载波调制及数字增益控制由fpga实现，并将12个通道调制后的数字信号进行合成，进行内插后送入d/a转换成模拟信号，滤波后得到12颗卫星的合成中频模拟信号，最后经过上变频，滤波及增益控制后得到载频为1575.42mhz的射频信号，如图4所示，由信号处理部分即微处理器产生的参数有当前时刻可视卫星序列号i，信号传播延迟时间τi，信号多普勒频移fid和增益ai，dsp的主要功能是在dsp计算流程中首先对微机部分传过来的星历进行编码，其次由卫星和接收机的相对位置逐个判断卫星是否可见，对可见星计算出伪距及每隔1ms到达接收机前端的卫星信号的载波相位和码相位，由此求出每1ms间载波相位差和码相位差，并由此计算载波控制字和码控制字，如图5所示，根据c/a码的周期，采用每1ms向fpga发送新的控制字的处理方法，在此期间，dsp完成伪距的即时计算，将其转换为载波相位和码相位，再转换到载波控制字和码控制字，在中断处理程序中和导航电文一起发送到fpga，由fpga生成调制后的信号，但fpga必须要在dsp完成必要的初始计算向fpga发送初始信号后，才进入正常工作状态，如图6所示，初始信号包括每个通道的初始状态包括卫星号、c/a码累加初始值、c/a码片累加初始值，根据卫星初始时刻卫星和接收机的伪距，计算出要送入fpga的初始载波频率控制字和相位控制字，以及初始的载波相位值和码相位值，存入各自对应的数组中，另外还要计算出初始送往fpga的导航电文的序号，准备发往fpga，上述计算工作完成之后，dsp便向fpga发送reset信号，fpga正式开始工作，dsp在初始阶段会向fpga每个通道发送卫星号及相应卫星的载波频率字、载波相位、码频率字、码相位和相应卫星的导航电文，fpga内部通道根据收到的卫星号和控制字，选择相应的c/a码表和相应卫星的电文跟生成的载波进行bpsk调制，调制后的数字信号送入dac5687形成模拟信号，在模拟装置的整个工作过程中dsp和fpga实现数据交互，fpga通过码控制字累加，每累加到lms就会产生中断发送往dsp，dsp收到中断后，将缓存的即时载波控制字和码控制字发往fpga，同时fpga内部每个通道会进行中断计数，如果一个通道的1ms累加次数达到20次，就需要新的导航电文，在下一次的1ms中断发送过程中，会发出信号向dsp索要新的导航电文；
所述状态控制电路根据gps信号模拟单元的工作状态和参数进行设置，控制uut的通/断电，可根据uut的不同控制电源电路输出不同的电压值3.3v、5v、9v、12v和27v，并且根据不同的测试项目控制gps信号模拟单元使其工作在相应的工作状态上，包括pci总线、命令锁存电路、数字i/o和电子开关；
所述gps接收机采用cns50型卫星导航接收机，该接收机采用射频、基带、导航解算一体化软件/硬件设计，用来实现模拟装置的自检，当模拟装置工作在自检状态时，gps信号模拟单元产生的gps模拟信号通过端口适配电路的射频开关进行切换，然后注入到gps接收机，gps接收机通过rs232总线输出相应的定位信息、运动轨迹数据，微机部分通过这些数据进行分析，从而判断gps信号模拟单元工作是否正常，产生的gps模拟信号是否符合技术规范；
所述电源电路主要包括电源模块、电源监控和功耗测量，模拟装置内部采用二级供电，电源监控的输入包括交流220v/50hz电源和备用的+27v直流电源两种供电方式，如图7所示，电源监控电路用来对输入电压极性、波动范围进行监测和判别从而保护模拟装置，当电压波动较大，电源监控电路会自动切断电源，为了防止电源对超高频的gps信号模拟单元有影响，利用隔离控制电路将gps信号模拟单元与电源网络进行隔离，从而保证gps信号模拟单元具有相对的独立性，负责测量uut消耗的电压和电流，功耗测量电路在状态控制电路的控制下，根据被测uut的不同输出不同的电压，主要由ad转换器ad9850和电流传感器max471组成；
所述端口适配电路是模拟装置与机载gps导航设备连接的桥梁，完成开关量的电平适配、uut识别、信号走向的引导与控制、uut的电源供给等功能，以满足测控模拟装置接口的电气特性需求，端口适配电路里面包含了射频信号适配电路，为避免射频信号受到外界的电磁干扰，在端口适配电路里面采用了电源滤波、信号分类传输、一点接地和综合屏蔽等抗干扰措施，保障了射频信号的可靠传输；
所述软件系统采用支持c语言的labwindows/cvi为软件的开发平台，以提高开发和调试的效率，软件系统的关键部分如数据采集、故障判断采用冗余设计，软件系统的所有功能软件均采用模块化结构，模块间采用参数接口，软件系统需要根据用户设定的仿真环境计算导航电文数据和gps卫星信号状态参数、分析被测gps接收机的输出数据对其功能和性能进行评估，承担对信号调制卡的监控作用，所述软件系统包括用户界面模块、时钟模块、接收机模块、导航电文模块、卫星视图模块、误差计算模块、参数计算模块、通信控制模块和数据库模块；
所述时钟模块为装置提供高稳定度的频率标准，并和gps时系的精确时间统一，时钟模块将用户输入本地时间转换成gps时间，并传递给各个功能模块，之后启动定时器的功能来实现每0.1秒向硬件传递一次参数；
所述接收机模块通过用户界面模块中用户输入的信息来仿真接收机所处的环境，共分为轨迹生成和轨迹显示两部分，其中轨迹生成有两种方法，一种是根据导弹的射程，关机点的参数按简化的动力学方程生成一条弹道，另一种方法是利用用户提供的发射坐标系或地心坐标系中的弹道数据，通过坐标系转换和插值(如果弹道小于l0hz)来得到l0hz的弹道数据，由用户选定其中一种方法来仿真接收机的环境，进而得到相应的轨迹曲线；
所述导航电文模块是用户定位和导航的数据基础，包括卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及c/a码转换到捕获p码的信息，这些信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播发，在模拟装置中必须按着这种导航电文的帧格式生成导航电文，模拟装置中的导航电文和卫星导航电文有相同的帧格式，但二者的内容却是有所不同的，在卫星上的时钟改正参数是由于gps星的时钟相对gps时系存在着差值，而在模拟装置中，时钟改正参数便是由于模拟装置硬件系统的晶振精度来决定的；
所述卫星视图模块利用星历数据求出卫星的位置和速度信息、计算每颗卫星相对接收机的仰角，并判断是否为可见卫星，如果卫星可见则将此卫星的信息存入数据库相对应的表中，卫星在被发射并升至预定的高度后便开始围绕地球运行，当接收机观测卫星的最小仰角为l0°时，接收机最多可同时观测到l0颗卫星，当最小仰角为5°时，接收机最多可以同时观测到l2颗卫星，每一时刻模拟器所需模拟的并非全部卫星发射的信号，而是接收机此刻可见卫星所发射的信号；
所述误差计算模块是针对影响到gps定位精度的误差建立相应的误差模型，在sa(selectiveavailability)取消后，影响gps定位精度的主要因素有：卫星轨道误差、星钟误差、相对论效应、电离层折射误差、对流层折射误差等，这些误差都需要卫星信号模拟器建立精确模型予以产生，并加入到观测量中，再根据这些含有误差的观测量，控制本地时钟产生相应的伪码相位和载波，其中星钟误差在本模拟装置中为始终误差，通过读取星历中的时钟误差参数来修正；在对高度低于60km的目标时，单频gps接收机根据klobuchar模型来修正60％的电离层折射误差，对于高度高于60km的目标时，则必须采用其他模型来修正电离层折射误差；对流层误差采用hopfield的模型进行修正；
所述参数计算模块和通信控制模块需要完成对多普勒频移、预发射信号c/a码相位、载波相位、码速率的参数计算，模拟装置的硬件系统即12通道gps信号发生器是以pci板卡的形式和计算机通信，板卡上的pci接口处理芯片来实现计算机与dsp系统之间的双向数据传输，通信控制模块并没有涉及到控制计算机和pci板卡发送数据和接收数据的底层功能，这些底层的操作是通过驱动程序完成的，通信控制模块是在高端调用pci接口处理芯片的驱动程序，由驱动程序完成数据传输；
所述数据库模块是为满足在模拟装置中的数据回放和数据分析的需求而将模拟装置中的各个模块所产生的数据存贮到数据库中；
本发明还针对一种用于机载gps导航设备参数测试的模拟装置使用了一种用于机载gps导航设备参数测试的模拟方法，使模拟装置的gps信号模拟单元在产生模拟的卫星信号，需要经过如下步骤：
s1、利用模拟装置的gps信号模拟单元实时模拟多颗卫星的信号，gps接收机在同一时刻可观测到多颗卫星，通过测量这些卫星到待测点之间的距离来求解待测点的位置坐标，不考虑p码调制信号，设第i颗卫星的星历数据为di(t)，调制码为ci(t)，则第i颗卫星的发射信号可表示为：
式中，φi为第i颗卫星的初相、ac为c/a码的振幅、fl1为载波l1的频率，当模拟的各个卫星信号由接收机接收时，由于延时不同、各颗卫星的信号衰减不同且各颗卫星信号的多普勒频移不同，总的接收信号r(t)可表示为
式中，τi为第i颗卫星信号从卫星到达接收机总的传播时间、fid为第i颗卫星相对接收机运动而产生的多普勒频移、ai为第i颗卫星信号到达接收机时的信号幅度、n(t)为噪声信号、m为接收机可同时观测到的卫星数目，当接收机观测卫星的最小仰角为10°时，接收机最多可同时观测到10颗卫星，当最小仰角为5°时，接收机可同时观测到12颗卫星，因此gps信号发生器的通道数目定为12，根据式(2)gps信号模拟单元的数学模型可建立一种基于软件无线电的设计思想、应用内插理论的全数字调制的12通道gps信号发生器的模型，单通道在利用该模型首先用数字载波对计算机或dsp产生的基带信号进行数字调制，载频为f1＝4.58mhz，根据采样定理模型的采样速率fs>2f1，取fs＝20mhz，由于卫星相对接收机运动，中心频率还需加上信号的多普勒频移：
式中c为光速、v为卫星与接收机的相对速率，当卫星靠近接收机取+，当远离接收机取-，则已调波s1i(n)根据式(1)得：
由于d/a转换的频谱类似于sinx/x的形式，直接对该信号进行d/a转换只能得到载频小于fs/2＝10mhz的已调信号，否则信号衰减过大且会发生非线性变化，而软件无线电的设计思想希望在d/a转换后能直接得到中频信号或射频信号，利用内插理论使较低的采样速率来产生较高频率的信号，内插前信号的频谱图如图8所示，对s1i(t)进行4倍零内插，即对s1i(t)每隔1个采样点插入3个零点，得到的内插信号为
s2i(t)＝aici(t-τi)di(t-τi)·sin[2π(f2+fid)t+φi](5)
再将s2i(t)与本振为1540mhz的余弦波混频，得到载频为f3＝1540±(35.42+fid)mhz的混频信号，经过中心频率为
s2、在s1的基础上利用所述参数计算模块对gps信号模拟单元模拟产生、gps接收机前端接收到的卫星信号进行gps卫星的12个轨道关键参数的计算，即连续生成导航电文，包括星历、历书和utc数据，模拟装置利用摄动力方程以及拉格朗日行星运行方程推导计算了星历数据中的12个轨道参数a，e，i，ω，ω，μ…
由于
式中：i为轨道面倾角、ψ为近地点角距、f为真近点角、
仅考虑长期摄动项，式(7)可表示为：
式中aε是wgs-84椭球的基本参数之一，将v在轨道参数上展开，根据拉格朗日行星运行方程对其求导，最终得到时刻历元t对应的12个轨道参数：
式中：x(t0)为初始历元t0对应的x值，其中x∈(a，e，i，ω，ω，μ，…)、x(t)为仿真历元t对应的x值、a为椭圆轨道长半轴、e为椭圆轨道偏心率、i为轨道面倾角、ω为升交点赤径、ω为近地点角距、m为平近点角、p＝a(1-e2)为半通径、
s3、在s1的基础上，利用载波信号的调制和扩频码信号的生成协调gps信号模拟单元中的各种模拟信号数据使时序准确一致，利用dds方法即把一系列数字信号通过d/a转换器转换成模拟信号的数字合成技术实现载波nco和码nco模块完成载波信号的调制和扩频码信号的生成，载波nco和码nco原理图如图10所示，nco为数控振荡器，dds方法建立了相位-幅度数据表，根据每个采样时刻信号的频率控制字和相位控制字，通过查表得到其对应的幅度值，产生所需量化信号，通过改变每相邻两个采样时刻波形相位的变化率来控制所需信号的频率，每来一个时钟脉冲累加器对频率控制字累加，寄存器的输出与相位控制字相加，通过另一寄存器输入到正弦查询表地址端口，弦查询表包含1/4个周期正弦波的数字量化幅度信息，每个地址对应正弦波中0°～90°范围的一个相位点，利用符号信息给出其他3个象限从90°至360°的对应值，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量化信号，频率控制字寄存器每经过2n/m个clk时钟后回到初始状态，n为频率控制字累加器的字长，相位增量δφf(n)＝2π/m为相位2π弧度分割的一份，m为分割的总份数即频率控制字，相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个dds系统输出一个完整正弦波量化值，输出正弦信号频率
与频率控制字m成正比，式中fr为最大频率由取样定理知所产生的信号频率不能超过时钟频率的一半，相位累加器的位宽为n，dds的频率分辨率满足
式中：fc为取样频率，载波相位
s4、在s1的基础上利用拟合、插值的方法减少gps信号模拟单元模拟的卫星信号参数之一的信号传输延迟时间的运算量，但拟合、插值并不采用计算延迟时间的一般方法，而所选参考时间点处的延迟时间值仍由一般的方法进行计算，其余时间点处的延迟时间则通过拟合、插值的方法计算出来，计算延迟时间一般计算方法需要用到的参数有：①当前的时间及接收机所处的时区：年y、月m、日d、时h、分mm、秒ss和时区tz；②六个星历参数及星历参考时间te：m0为anomalyatreferencetime、e为eccentricity、
e＝m+esine(12)
但式(12)为非线性方程，直接求解比较困难，一般采用迭代算法，即
ei+1＝m+esinei+1(13)
可将其初始值e0设为m，具体的迭代次数由|ei+1-ei|的精度来定，利用得到的e值，计算出卫星到地心的距离γ及近地角ν，如下方程组所示：
r＝a(1-ecose)(14)
接着求出升交距角φ、倾斜角i和上升角ωer，然后计算出卫星在ecef即earth-centeredearth-fixed坐标下的坐标(xs，ys，zs)，即如下公式：
再将接收机所处的经纬度坐标(l，lc，h)转化为ecef坐标系下的坐标(xμ，yμ，zμ)：
其中在计算re≈h+r0时，还需要用到下面两个式子：
l≈lc+epsin2l(18)
r0≈ae(1-epsin2l)(19)
同样式(18)也要用迭代算法，|li+1-li|的精度决定迭代的次数，最后求出卫星信号的延迟时间：
其中r(t)为某时刻卫星到接收机的距离、ai为拟合曲线的系数、t是时间变量、n为选择的参考点的数目、i为拟合曲线的阶数，然后将在拟合时间段(t1-δτ)～(t5+δτ)内的时间点代入上式(21)，就可求出其对应的延迟时间，如图11所示，而不必再利用一般方法进行计算，且此期间进行的只是乘法运算能够大大减少计算量；x3、当需要计算的时间点已经超出拟合的时间段范围时，就要插入新的参考点，令这个参考点为t6，从参考点t5右方插入，则两点之间的间隔应为△，同样采用一般方法计算出其对应的延迟时间或卫星到接收机的距离，然后利用参考点t2、t3、t4、t5、t6的对应值，拟合出新的曲线，这样就返回到步骤x2，如此进行循环插值。
本发明在使用时，模拟装置通过采用模拟方法能够任意的模拟太空中所有可视gps卫星星座和运动状态，通过模拟信号的变化测试gps接收机的动态响应能力、信号接收灵敏度、定位精度、定时精度、速度精度、定位更新率、启动时间的实时导航定位性能，实现对导航仪记录功能的检验和测试，从而实现模拟gps接收机的运动状态的功能，gps接收机大部分为12通道的接收机，可同时接收12颗gps定位卫星的信号，为了对gps接收机接收信号的能力进行测试，模拟装置能够实时产生全功能的12颗gps卫星信号来检测gps接收机是否能同时处理12颗gps卫星的信号，模拟装置通过模拟方法还能够产生特定经纬度信息的射频信号，将射频信号注入gps接收机，通过gps接收机输出的经纬度信息和时间信息来判断gps接收机的定位精度和启动时间，模拟装置的射频输出端连接程控衰减器，可产生不同幅值的gps信号，能对gps导航设备的接收灵敏度、数据更新率等性能指标进行测试，利用用户界面模块设定模拟时相应的参数，通过模拟方法实现对任意时刻定位卫星的星座和运动状态、任意时刻gps卫星的星历、gps接收机的运动状态进行模拟，提高了模拟效率，硬件采用模块化结构、利用gps接收机实现模拟装置的自检，提高了模拟装置的可维护性。
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