标签: GNSS仿真测试

作者介绍 在当今的全球导航卫星系统（GNSS）技术领域，仿真测试是评估和验证GNSS接收机性能的关键环节，全球导航卫星系统（GNSS）仿真测试是确保GNSS接收机和导航解决方案在实际部署前能够正确、可靠地工作的关键步骤。无论是为了确保定位精度、测试信号干扰的影响，还是评估在复杂环境下的导航可靠性，掌握正确的坐标系知识对于进行有效的仿真测试至关重要。 在GNSS仿真测试的领域，三种关键的坐标系构成了我们工作的核心：地心地固坐标系（ECEF）、地理坐标系（LLA，包括纬度、经度和海拔高度）以及本地水平坐标系（ENU，即东-北-上）。 本文不仅将详细介绍这三种坐标系的概念和特点，还将探讨它们在GNSS仿真测试中的具体应用。 我们将学习如何在实际的仿真环境中使用这些坐标系，以及如何在不同坐标系之间进行精确的转换。这些转换对于确保仿真测试的准确性至关重要，因为它们允许我们将卫星的全球位置与接收机的局部视角相匹配。掌握这些坐标系的转换技能都将极大地提升您在GNSS仿真测试中的工作效率和成果的质量。 一、坐标系介绍 1.ECFF（Earth-Centered, Earth-Fixed） ECEF坐标系是一个笛卡尔坐标系，一般中文叫做地心地固坐标系，其原点位于地球质心，X轴通过本初子午面和赤道的交点，Y轴位于赤道面上，通过东经90度，Z轴指向北极点。这个坐标系随着地球一起旋转，因此它固定在地球上。比如，鸟巢的ECEF坐标约为（-2175804.26，4383129.27，4077167.07），单位为米（m）。 在ECEF坐标系中，地球上的任何点都可以用三个坐标值（X, Y, Z）来表示，分别表示该点相对于地球质心的位置。这个坐标系对于全球定位系统（GPS）和其他GNSS系统尤其重要，因为卫星的位置通常以ECEF坐标来表示，经常被用来精确描述卫星的位置和计算卫星与接收机之间的距离。 2.LLA（Latitude, Longitude, Altitude） LLA坐标系是一个球面坐标系，一般称为地理坐标系，或根据三轴命名为纬经高坐标系，用于描述地球上某一点的位置。它由三个参数组成： ● 纬度（Latitude）： 指从赤道（0度纬度）到北极（90度北纬）或南极（90度南纬）的角度测量，它确定了地球表面上一个点的东西位置，范围为-90°~90°， ● 经度（Longitude）： 指从本初子午线（0度经度，通过格林尼治天文台）到东经或西经的角度测量，它确定了地球表面上一个点的南北位置，范围为-180°~180°（或0~360°）， ● 海拔高度（Altitude）： 指从地球表面（通常是平均海平面）到某一点的垂直距离。这个高度可以是从参考椭球体（如WGS84椭球体）的表面计算出的几何高度，也可以是从平均海平面计算出的正高或从大地水准面计算出的正常高。 比如，鸟巢的LLA坐标为（39.99°，116.40°，50m）。 LLA坐标系是我们在日常生活中最常接触到的坐标系，如地图制作、导航和地理信息系统（GIS）中广泛使用，或用于将地球表面的位置转换为其他坐标系。在GNSS仿真测试中，LLA坐标系常用于定义接收机的初始位置和移动路径。 3.ENU（East-North-Up） ENU坐标系是一个笛卡尔坐标系，是一个局部的本地水平坐标系，也称为东北天（东北上）坐标系。其原点位于地球表面上的一个特定点，通常与接收机的位置相对应。在ENU坐标系中，东轴（East）指向当地的东方向，北轴（North）指向当地的北方向，上轴（Up）垂直于水平面，指向天空。本地原点由大地坐标（ lat0、lon0、h0 ）描述。请注意，原点不一定位于椭球体的表面上。 若以鸟巢本身为原点，那么他的ENU坐标为（0,0,0），单位为m。 ENU坐标系常用于描述接收机附近的物体运动，如车辆的行驶轨迹或无人机的飞行路径，因为它提供了一个与接收机位置直接相关的坐标系。 4.三个坐标系的对比 除此之外，还有一些常用的坐标系，例如NED坐标系（东北下坐标系）、AER坐标系（方位角-仰角-范围本地坐标系）等。 二、三个坐标系的转换 ECEF（地心地固坐标系）、LLA（地理坐标系）和ENU（东-北-上坐标系）之间的转换是通过一系列数学公式实现的。以下是这些坐标系之间转换的基本方法： 1.ECEF到LLA的转换： 这种转换涉及到从笛卡尔坐标（X, Y, Z）到球面坐标（纬度, 经度, 海拔高度）的转换。 ● 首先，可以通过X和Y坐标计算出经度，通过Z坐标和地球的扁率计算出纬度。 ● 然后，使用地球的参考椭球模型（如WGS84）来计算海拔高度。 2.LLA到ECEF的转换： 这种转换是从球面坐标到笛卡尔坐标的转换。 ● 经度和纬度可以直接用于计算ECEF坐标中的X和Y值。 ● 海拔高度和地球的参考椭球模型用于计算Z值。 3.ECEF到ENU的转换： 这种转换通常需要一个参考点，该点的LLA坐标已知。 ● 首先，将参考点的ECEF坐标转换为LLA坐标。 ● 然后，使用参考点的LLA坐标，通过一系列旋转和平移变换，将ECEF坐标转换为ENU坐标。 4.ENU到ECEF的转换： 这是ECEF到ENU转换的逆过程。 ● 首先，根据参考点的LLA坐标计算坐标点的LLA坐标 ● 经度和纬度可以直接用于计算ECEF坐标中的X和Y ● 海拔高度和地球的参考椭球模型用于计算Z值。 这些转换涉及到复杂的数学计算，包括球面三角学、旋转矩阵和椭球几何学。 在实际应用中，这些转换通常通过专业的数学库或GIS软件来实现，如PROJ、GDAL或MATLAB的地理工具箱等。 德思特AutoTest自动化测试平台 为用户提供三种坐标轴的快速转换工具，简单输入现有坐标点即可完成对其他两个坐标系的转换。

目前高校研究机构很难拥有用于定位、导航和定时（PNT）的测试和模拟工具，卫星导航相关的教育基本都是通过教科书或基于Matlab代码编程进行研究，没办法让学生进行相应的实践、实操练习。而GNSS仿真测试解决了这一问题，学生们可以利用GNSS模拟器进行测试，从而培养出将来他们在公司或研究机构工作中非常有价值的实践技能，所以GNSS仿真测试在当今的教学研究中也非常重要。 密涅瓦（Minerva）学术合作项目助力PNT研究的进步，并与各高校建立可持续的合作伙伴关系，共同开发未来的PNT技术和解决方案，提供强大的Skydel GNSS仿真引擎，为高校提供专门的合作伙伴计划，其中包括全频率、全星座的永久Skydel模拟引擎许可和临时的学生许可。 韩国建国大学合作项目 韩国政府准备发射新的全球卫星导航系统，所以韩国高校进行GNSS教育和研究也迫在眉睫。市面上大多数GNSS模拟方案都有极高的成本，并且基于专有的系统受限。而在研究项目中，更需要对设想阶段和后续实施阶段都没有限制约束的工具，从而促进在研究中迸发创造力。在这方面，基于SDR的软件定义架构——GNSS仿真引擎Skydel具有独一无二的优势，将其作为卫星导航系统研究和教学开发中非常有用且无限制的工具对于高效教育是非常有意义的。 韩国建国大学选择Skydel GNSS仿真引擎来推动GNSS的工程教育和学生研究，实现对多个课题的探索： Multi-GNSS和PP（混合GNSS）： 该课题研究的是通过与其他导航系统卫星相结合，提高校正精度的技术。 综合导航： 该课题是对卫星导航系统与惯性导航系统集成所需的综合技术进行研究和仿真。它的技术在于开发和应用仿真工具在实验室中获得与实际真实环境相似的测试结果。 实时仿真： 该课题是对开发仿真技术和实时测试工具的研究，研究最小化导航信号生成时间的技术以及实时生成导航信号所需位置坐标的输入方法和条件。这项技术对于未来在室内实施卫星导航系统至关重要。 实时测试（HIL）： 没有人能够评估当前导航系统的质量，也无法对其进行认证。本研究课题旨在开发未来实现韩国卫星导航系统所必需的验证和认证技术。 KASS和KPS： KASS是韩国的星基增强系统，KPS是韩国的卫星导航系统，韩国预计未来将对这两个系统的利用和应用进行大量的研究和开发。该课题将使用Skydel的自定义信号功能来实现这方面的基础研究。 韩国建国大学信息与电信研究生院的Hans Kim博士反馈到：“当我第一次将Skydel作为一种教育工具进行介绍时，学生们认为学习使用它是比较困难的。然而，在适应了视角、理解了结构之后，他们意识到学习使用Skydel是非常简单方便的，他们现在可以很流畅地利用Skydel体验卫星导航系统的开始和结束。在这之前，他们只在理论上研究过，并没有实操的机会。所以学生们对利用Skydel进行GNSS仿真测试很感兴趣，希望可以很好地继续使用这个工具。” 印度奥斯曼尼亚大学合作项目 无论是消费类设备、复杂硬件还是集成软件的开发，印度的科技创新者都在逐步接触定位和导航仿真技术，以应对地区、国家和国际社会经济进步的挑战。 奥斯马尼亚大学自2021年以来一直在充分利用Skydel GNSS仿真引擎来推进他们的研究项目。目前，奥斯马尼亚大学已经构建了一个高度复杂的GNSS仿真教育计划，旨在为工程专业的学生创造更多未来的机会，让学生们有能力从事任何与GNSS信号有关的设计、开发或研究项目。 奥斯马尼亚大学首席科学家兼导航电子研究和培训部主任Laxminarayana教授说：“我们需要一个模拟器来理解信号结构、开发新的和定制的信号，以及在不同环境条件下对接收器或新设计的信号进行全面评估。Skydel GNSS仿真引擎不仅可以帮助我们理解GNSS系统的信号结构，而且还可以教我们CDMA、FDMA等通信的基础知识、先进的调制技术，如BOC、CBOC、 MOBC、数据编码、解码，还有距离计算和车辆动力学建模等知识。” Laxminarayana教授指出，正在使用Skydel GNSS 仿真引擎进行博士研究的学生在最近的两次会议上发表了三篇论文： ● 《基于惯性传感器测量的NavIC软件接收机的定位性能评估》——于2022年5月在第29届圣彼得堡综合导航系统国际会议上发表。 ● 《使用矢量延迟锁环的NavIC软件接收机的鲁棒导航》——于2021年12月在ICTACEM 2021国际理论、应用、计算和实验力学会议上发表。 ● 《使用低成本射频前端的IRNSS L5信号的GNSS SDR性能》正在接受《导航杂志》（由美国导航研究所出版）的审查。 目前奥斯曼尼亚大学正在计划新的课程，展示GNSS接收器的能力，以及如何使用模拟数据全面评估算法。 Skydel GNSS仿真引擎是一种创新的软甲定义架构，它利用软件、高级显卡（GPU）和软件定义无线电（SDR）为GNSS测试提供了更强大的现代方法。您将能够构建自己的自定义信号，并通过我们的开源插件功能连接到其他系统和设备（即传感器、IMU等）。此外，由于Skydel GNSS仿真引擎利用COTS硬件（GPU、NIC、SDR），因此它是世界上唯一可以独立于硬件运行的GNSS仿真解决方案。