一种GNSS卫星导航接收机数字孪生系统的制作方法

本发明属于卫星导航领域，特别是一种gnss卫星导航接收机数字孪生系统。

背景技术：

1、近年来，gnss卫星导航接收机已广泛应用于工业、农业、金融、交通等各个领域，其尺寸小、成本低、适用性广，已成为现代化国家不可缺少的重要基础设施。但是，gnss卫星导航接收机接收到的gnss卫星信号功率远小于噪声电平，极易受到干扰，尤其是在一些复杂场境下，如高楼林立的城市峡谷、恶劣电磁环境的战场、设计不当的整机设备等情况。

2、现有gnss卫星导航接收机为了降低成本，已普遍实现芯片化设计，均采用射频基带一体的soc设计方案。尽管成本降低了，但在复杂场景下，如果遇到gnss卫星导航接收机无法正常工作的情况，则很难排除故障问题。

3、如果将gnss卫星导航接收机通过数字孪生的方式，形成一套数字化模型，则更利于故障的排查与分析，提升了测试效率、验证充分性和有效性，能够帮助研发人员提升gnss卫星导航接收机的可靠性。

技术实现思路

1、针对复杂应用场景复现与问题排除，本发明设计一种gnss卫星导航接收机数字孪生系统，通过可视化与人机交互界面，配置天线数字孪生模块、射频通道数字孪生模块、基带处理数字孪生模块模块的工作参数，实现gnss卫星导航接收机全接收链路的仿真，构建其数字孪生系统，有助于复杂应用场景的快速复现，能够协助研发人员解决干扰、多径、信号故障等问题。

2、本发明的技术方案如下：具体采用以下技术方案：

3、一种gnss卫星导航接收机全链路数字孪生系统，数字孪生系统以数字化的高频信号数据流作为输入，包括：

4、信号输入接口，用于接收来自仿真信号源的数字化高频信号数据流；

5、天线数字孪生模块，其输入端连接至信号输入接口的数据流，用于根据预设的天线方向图、相位中心、驻波比及极化特性，对数字化高频射频信号进行处理，输出模拟了天线效应的数字化射频信号；

6、射频通道数字孪生模块，其输入端连接至天线数字孪生模块，用于对处理后的数字化射频信号执行完整的接收机前端处理，输出基带数字中频信号；

7、基带处理数字孪生模块，其输入端连接至射频通道孪生模块，用于述基带数字中频信号进行软件定义的信号处理，以生成原始的观测量和导航结果；

8、性能评估模块，其输入端连接至基带处理数字孪生模块，用于接收原始的观测量和导航结果，并基于此计算并输出一组用于量化评估所述gnss卫星导航接收机从射频到导航解算全链路功能与性能的指标数据。

9、进一步地，射频通道数字孪生模块包括：

10、低噪声放大器单元，其输入端连接至天线数字孪生模块，用于模拟噪声系数、滤波器响应、放大器非线性特性；

11、下变频单元，其输入端连接至低噪声放大器单元，用于通过数字混频与数字控制振荡器，将高频信号下变频至中频信号；

12、自动增益控制单元，其输入端连接至下变频单元，用于模拟接收链路的增益调整动态，防止超出模数转换的门限；

13、模数转换效应模拟单元，其输入端连接至自动增益控制单元，用于模拟量化噪声、采样时钟抖动及非线性失真；

14、该模块通过配置以上单元的参数，模拟射频前端的硬件特性，并输出最终的基带数字中频信号。

15、进一步地，射频通道数字孪生模块模拟的硬件特性参数是可配置的，通过修改所述参数来模拟不同型号或不同硬件状态的射频通道，硬件特性参数包括但不限于：本振频率与相位噪声、镜像抑制比、滤波器带宽与带内纹波、自动增益控制动态范围与响应时间、以及模数转换器的有效位数、采样率与无杂散动态范围。

16、进一步地，射频通道数字孪生模块的设计方法为：

17、数字化射频信号首先经过低噪声放大器和滤波器模型，其能够对特定频点的信号进行放大和滤波，同时叠加噪声系数、放大器非线性、滤波器带内平坦度影响，分别调整对应的数字化射频信号强度；自动增益控制单元根据设置可选择固定增益或自动增益控制，使信号不会溢出或是失真；

18、然后经过下变频器模型将数字化射频信号变为可配置位数的数字中频信号，模数转换模型引入模拟量化噪声、非线性失真、量化位数减益；

19、最后输出调整后的数字中频信号。

20、进一步地，基带处理数字孪生模块包括：

21、并行通道处理单元，用于模拟多个相互独立的信号处理通道，以同时处理来自不同gnss卫星的信号；

22、可配置算法单元，其信号捕获算法、锁相环带宽、锁频环带宽以及码环鉴别器算法是可动态选择和配置的。

23、进一步地，基带处理数字孪生模块的设计方法为：

24、对数字中频信号进行信号捕获与跟踪：接收机在频率与码相位二维空间中进行搜索，根据相关计算捕获可见卫星信号；随后通过载波跟踪环和码延迟锁定环进行精密跟踪，实现载波剥离与解扩，同步并解调出导航电文比特流；

25、进入电文解码与测量提取阶段：解析导航电文，获取卫星星历、钟差参数；同时利用跟踪环输出，生成伪距与高精度的载波相位核心观测值，并计算各卫星的精确位置；

26、进行定位解算：基于伪距观测方程，结合误差模型进行修正；当至少锁定4颗卫星后，采用最小二乘法或卡尔曼滤波算法，迭代解算出接收机的三维位置、速度和时间信息。

27、进一步地，性能评估模块计算的功能性能指标包括：

28、射频链路指标：包括增益平坦度、带外抑制、动态范围；

29、信号质量指标：载波噪声功率密度比、相关峰形状；

30、跟踪性能指标：载波相位误差、码相位误差、失锁重捕时间；

31、导航性能指标：定位精度、测速精度、授时精度。

32、进一步地，数字孪生系统还包括：；

33、可视化与人机交互界面，用于以图形化方式实时显示所述性能评估模块输出的指标数据，并接收用户对所述天线数字孪生模块、射频通道数字孪生模块和基带处理数字孪生模块中各项参数的配置指令。

34、一种利用gnss卫星导航接收机全链路数字孪生系统进行gnss卫星导航接收机功能性能数字孪生的方法，包括以下步骤：

35、步骤s1：通过所述射频信号输入接口接收来自仿真信号源的数字化高频信号数据流；

36、步骤s2：依次通过所述天线数字孪生模块和射频通道数字孪生模块，模拟gnss信号从天线接收到下变频为基带数字中频信号的全过程；

37、步骤s3：在所述基带处理数字孪生模块中，对所述基带数字中频信号进行捕获、跟踪和解算；

38、步骤s4：在所述性能评估模块中，基于步骤s3的结果，计算从射频到导航的各项功能性能指标；

39、步骤s5：输出并展示所述功能性能指标，以完成对特定接收机配置下全链路性能的评估。

40、与现有技术相比，本发明的优点在于：

41、本发明通过可视化与人机交互界面配置天线数字孪生模块、射频通道数字孪生模块、基带处理数字孪生模块等部分，实现gnss卫星导航接收机的完全数字化孪生，可通过不断调整不同模块的参数验证不同场景下的接收效果，大大降低了复杂场景的测试成本，提升了测试效率、验证充分性和有效性，能够帮助研发人员提升gnss卫星导航接收机的可靠性。

42、（1）通过天线数字孪生模块，可在模拟环境下，尝试为接收机加载不同类型和尺寸的天线，即可验证天线在不同场景的适应性，无需购买所有天线进行测试，极大降低开发适配成本。

43、（2）对基带处理过程解藕，把捕获、跟踪、解码、定位等步骤的算法独立起来，可以单独配置或更换，能够快速验证不同算法和方案在复杂环境下的有效性和可靠性。

44、（3）软件化接收机扩展性强，后续便于接入抗欺骗和抗干扰算法模型，有助于更复杂接收机的开发与验证。