卫星导航在日常产品中的应用呈指数增长，集成 GNSS 接收器用于导航、地面测绘和测量、建筑、交通、地理空间信息系统 (GIS)、机器控制、港口自动化、精准农业、计时和露天采矿， 还有很多。虽然基于 GNSS 的系统可以使用“实时天空”测试在现场使用实际 GNSS 信号进行验证，但 GNSS 模拟器提供了一种有效且高效的方法来测试嵌入式 GNSS 产品。该模拟器仿真和模仿 GNSS 卫星星座、大气条件，包括电离层和对流层误差、卫星时钟和大气误差、车辆和卫星运动、GNSS 信号特征以及敌对 RF 环境的总体不同级别。
接收到的 GPS/GNSS 信号可能由于多种因素而变得非常微弱，包括信号被建筑物和物体阻挡，或者被??无意的 RF 干扰或有意的干扰器干扰或衰减。由于电信设备（移动用户服务和商业/军事频谱拥挤和故意干扰）的激增，RF 干扰环境可能会增加，这可能会对在不同应用中运行的接收器的性能、连续性和完整性产生不利影响。将这些变量引入实际测试计划可能不切实际，并且会对将产品推向市场所需的时间产生很大影响。GPS/GNSS 模拟器可以非常忠实地模拟 RF 干扰、欺骗和多路径环境，
GNSS 接收器或被测系统一旦连接到模拟器，将面临与现场环境相同的条件。模拟信号将是一致的，被测单元将受到重复且均匀的 GNSS 信号的影响，与现场测试条件相当。这种模拟可以测试所有当前和未来的信号，同时允许合并现实世界中无法预测的重要边缘或边界情况。
GNSS 模拟器选项
有多种类型的 GNSS 模拟器可用，RF 信号记录/回放模拟器为开发人员提供了一种经济高效的方式来记录现场的 GNSS 场景并在受控环境中回放它们。高端全星座模拟器可以模拟GPS L1/L2/L5、伽利略E1/E5/E6、GLONASS L1/L2和北斗B1I/B2I/B3频段，以及增强系统。它们完够对用于 GNSS 设备研发的各种测试场景进行多星座、多频率模拟。
许多商用 GNSS 模拟器可以模拟双频 IRNSS、GPS、GLONASS、BEIDOU、GALILEO 以及 SBAS 和 DGNSS 增强系统。该系统可以根据用户选择模拟所有可用的 GNSS 卫星，引入信号异常，如卫星轨道和时钟误差、电离层和对流层的环境模型、不同的
天线模型、接收器时钟误差以及多路径和信号干扰效应。模拟器通常支持用于 DGNSS 校正的 RS-232、RS-485 接口，以及用于诊断端口的以太网接口。可选择单通道/多通道GNSS星座，并具备多径仿真能力。该模拟器具有导航数据建模并支持接收机自主完整性监测 (RAIM) 测试、航路点导航、
用于测试的 GNSS 模拟器
如前所述，新开发的 GPS/GNSS 产品需要进行大量测试，对于支持 GNSS/GPS 的设备的开发人员而言，能够每次都以相同的方式可靠地测试设备将减少开发时间、提高产品可靠性并更具成本效益。可靠地获取 GNSS 信号、一致的跟踪和不断变化的环境中的设备性能都是 GPS 设备测试的关键因素。
GPS 模拟器为开发人员提供了许多优势。明显的是方便，并且能够在实验室或办公室的范围内将原始 RF 卫星信号直接重放到 GPS 设备中，而无需冒险到户外，这显然使测试更加容易。
传统 GPS/GNSS 模拟器拥有专门的资源来模拟 GPS 星座和信号，并使用昂贵的高端矢量信号发生器来模拟这些信号。这导致了装满机架安装测试设备的独立机柜，有时甚至是多个机柜，以模拟测试 GPS 产品的场景。随着 SDR 的进步，这可以减少到 3U 系统。
SDR 使用现场可编程门阵列 (FPGA) 并结合高性能和灵活的无线电，在连接到 SDR 的商用现成 (COTS) 机器上运行不同的仿真程序成为可能。高频模数转换器 (ADC)、数模转换器 (DAC) 和数字化技术的进步促进了基于软件定义无线电 (SDR) 的模拟器的兴起，这些模拟器具有内部处理器和软件定义无线电该架构允许使用高度灵活和可扩展的架构来模拟数百颗卫星或不同的射频环境。
用于 GNSS/GPS 模拟的 SDR
软件定义无线电 (SDR) 包括一个无线电前端 (RFE)，它借助模数转换器 (ADC)（或用于传输的 DAC）和多个独立通道将 RF 信号数字化，数字后端包括具有数字信号处理 (DSP) 功能的 FPGA。在高端 SDR 中，每个接收 (Rx) 或传输 (Tx) 通道独立工作，允许跨越各种频率的复杂多输入多输出 (MIMO) 操作，这些频率也由精密时间板同步。该系统可配置为具有触发和无线电性能的射频和数字接收器、发射器、收发器、脉冲发生器、波形发生器和（解）调制器。
SDR 能够在很宽的调谐范围内接收和传输信号，并且可以具有高达 3 GHz 的瞬时带宽，在 3 GHz 带宽内具有多个 DSP 通道，从而能够使用单个无线电链在不同频率下运行。
由于灵活性，SDR 很容易集成到新的和传统的防御和通信系统中。它们尤其能够降低雷达、GPS/GNSS、频谱监测等不同系统中所需的基于硬件的组件的复杂性和数量。这是由于 SDR 能够在软件中嵌入各种信号处理算法，包括波形生成、存储、调制、加密、下
变频和上变频。
SDR 具有可重新配置的 RFE，允许将同一平台用于不同的应用程序，因为它可以在无线电频谱的不同频段上运行。例如，不同的 GPS 和 GNSS 应用程序在 L1 频段运行，而其他应用程序可以在 L2、E5、E1、E6 等频段运行。复杂性的整体降低可以节省空间、成本并缩短上市时间和供应链问题。通常 SDR 主要使用 C++ 和 Python 编码，代码的复杂性取决于预期用途和集成。GNU Radio 是一个的软件开发工具包，它提供信号处理块，可与软件定义的无线电和信号处理系统结合使用。
为了设计和开发基于 GNSS 的产品，必须以详细的格式模拟整个 GNSS 信号传输和接收场景。它包括两个不同的部分：
个负责合成 GNSS 卫星发出的信号（卫星轨道和坐标系、星历数据生成、代码生成、信号调制、噪声模拟、衰减、大气效应和多路径、欺骗和干扰等）。
第二部分负责GNSS接收机本身（解调、信号采集、跟踪、星历数据解码和位置计算以及抗干扰和反欺骗等）。以下频率主要用于商业产品：GPS L1 和 L5、GLONASS G1 和 G2、北斗 B1 和 B2 以及 Galileo E1 和 E2。
基本的 SDR GPS 接收器
GPS 接收器的典型 RFE 包括天线、放大器、本地振荡器 (LO)、混频器和负责将下变频模拟信号采样为适合信号处理的数字格式的 ADC。使用软件例程处理基带样本以生成接收器位置信息，如下面的图 1 所示。
图 1：基本 SDR GPS 接收器的框图。（ Vices）
采集过程的目的是识别某个卫星是否可见。如果卫星可见，则捕获算法确定信号的载波频率和代码相位的粗略值。考虑到硬件实现的简单性，传统 GPS 接收器采用串行搜索采集。如今，使用更高效的基于快速傅里叶变换 (FFT) 的捕获算法，例如并行代码相位搜索捕获，可以为多频率和星座 GNSS 接收器实现多个（> 100）相关器。基于 SDR 的
仿真器可以利用为 DSP 使用 FPGA 所提供的灵活性，从而促进这些算法的进一步开发。
然后将控制权移交给跟踪算法（图 1 中的第 3 阶段），该算法用于跟踪载波多普勒和代码偏移的变化（由于卫星和接收器之间的视线动态），并解调来自特定卫星的导航数据。大多数商用接收器采用二阶锁相环 (PLL)，但是，算法的开发（基于三阶 PLL 和/或卡尔曼滤波器）可提高信号跟踪性能，尤其是在低信噪比 (SNR) 和动态条件下，正在进行。通过使用基于 SDR 的模拟器，可以缩短测试和验证这些新开发算法的开发时间。
跟踪成功后，导航和星历数据被解码。星历是一组数据/表格，提供天体（恒星、行星、卫星）在过去和未来给定日期的位置。为了执行接收器位置计算，您需要计算卫星位置，这是基于星历数据中存在的卫星轨道信息并参考开普勒轨道元素，它描述了卫星轨道平面相对于另一个物体的位置。可以在计算组伪距之后计算接收器位置。常用的 GPS 位置计算方法是基于二乘法。
在 SDR 中，天线、RFE 和 ADC/DAC 是仍在硬件中实现的部分。这些组件输出一个包含数字化导航数据的比特流，然后将其作为输入馈送。从这一点开始，几乎每一个操作都是通过软件实现来执行的，其中一些操作对于他们相当苛刻的实时要求可能是至关重要的。如果代码架构设计得好且方便，这种灵活、模块化和开放的接收机不仅可以用于固定和计算位置、速度和时间（PVT），还可以用于评估 GNSS 性能。它还允许开发和测试用于导航信号接收的新算法，包括测试未来信号以预测未来性能和特性。需要少的，如果有的话，硬件重新配置是 SDR 接收器的主要优势。这显着降低了接收器开发、维护和增强的成本。
由于传统的硬件接收器已经在软件中实现了 PVT 算法，因此硬件和软件接收器之间的主要区别在于采集、跟踪和数据解调步骤。在传统接收器中，这些操作由特定硬件执行，经过适当设计和优化以实现它们，并且需要重新设计或更换才能使用新信号。通过集成高性能 FPGA 和 DSP，SDR 针对复杂算法进行了优化，从而可以更快地采集、解调和处理 GNSS 跟踪和导航数据。
