CN101986171A - 信号质量检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种信号质量检测方法及系统，该方法包括：获取接收机发送的全球卫星导航系统采样信号；对全球卫星导航系统采样信号进行处理，获取至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值；根据至少两对对称采样点的点检测统计量及检测统计量门限阀值获取检测结果；该系统包括：信号接收模块，用于获取接收机发送的全球卫星导航系统采样信号；信号处理模块，用于将全球卫星导航系统采样信号进行处理，获取至少两对对称点的检测统计量及检测统计量门限阀值；结果分析模块，用于对至少两对对称点的检测统计量进行处理，获取检测结果。该方法及系统，有效地提高了信号质量检测的精确度，满足了民用航空的需求。

Description

信号质量检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种检测方法及系统，尤其涉及一种信号质量检测方法及系统，属于信号检测领域。

背景技术

随着航空航天及无线通信技术的飞速发展，对于卫星导航系统的精度要求越来越高。现有的全球定位系统(Global Positioning System，以下简称：GPS)仅可以满足非精密进近飞行阶段的精度要求，远远不能满足民用航空对导航系统精确性、完好性的要求。上述完好性为当误差超过告警限时系统及时告警的能力。地基增强系统(Ground Based AugmentationSystem，以下简称：GBAS)是一种解决GPS应用于民航导航系统的完好性不足问题的有效手段。GBAS系统通过全球卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite Systems，以下简称：GNSS)对无线信号进行增强，并产生GNSS信号。因此，GNSS信号的完好性是GBAS完好性的重要组成部分。由于接收机根据GNSS信号的相关峰来进行定位和测距，因此，当GNSS信号的相关峰对称性发生异常时，必然会造成定位或测距上的误差。因此，对于GNSS信号质量的检测实质上是对于GNSS信号的相关峰对称性的检测。

目前对于GNSS信号质量的检测方法为伪距法和相关值法。然而，上述两种方法都是对单一观测量(即GNSS信号的一对对称位置采样点)进行的分析，存在不能充分利用观测量的问题，导致其测量精确度低，不能够满足民用航空的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种信号质量检测方法及系统，用以提高信号质量检测的精确度提高，满足民用航空的需求。

为了实现上述目的，本发明提供一种信号质量检测方法，包括：获取接收机发送的全球卫星导航系统采样信号；对全球卫星导航系统采样信号进行处理，获取至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值；根据至少两对对称采样点的点检测统计量及检测统计量门限阀值获取检测结果。

为了实现上述目的，本发明提供一种信号质量检测系统，包括：信号接收模块，用于获取接收机发送的全球卫星导航系统采样信号；信号处理模块，用于将全球卫星导航系统采样信号进行处理，获取至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值；结果分析模块，用于对至少两对对称采样点的检测统计量进行处理，获取检测结果。

本发明提供的信号质量检测方法及系统，通过获取全球卫星导航系统采样信号获得至少两对对称采样点的检测统计量，并对至少两对对称采样点的检测统计量进行处理，有效地提高了信号质量检测的精确度，满足了民用航空的需求。

附图说明

图1为本发明信号质量检测方法实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例获取至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值的流程示意图；

图3为本发明实施例GNSS采样信号相关峰采样示意图；

图4为本发明实施例获取无偏差相关峰对称位置差值的流程示意图；

图5为本发明实施例GNSS采样信号相关峰对称位置差值的概率分布图；

图6为本发明实施例获取检测结果的流程示意图；

图7为本发明信号质量检测系统实施例的结构示意图；

图8为本发明实施例信号处理模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明实施例的技术方案。

本发明提供一种信号质量检测方法，图1为本发明信号质量检测方法实施例的流程示意图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤101、获取接收机发送的GNSS采样信号，其中，接收机通过无线接收得到卫星发送来的GNSS信号，并对得到的GNSS信号进行采样处理得到GNSS采样信号，本发明实施例的步骤101接收经过接收机采样处理后的GNSS采样信号，具体接收的传输方法可以为有线网络传输，也可以为无线网络传输；

步骤102、对GNSS采样信号进行处理，获取至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值，其中，首先对接收机发送过来的GNSS采样信号进行分析计算，得到至少两对对称采样点的检测统计量，其次，根据至少两对对称采样点的检测统计量得到检测统计量门限阀值；

步骤103、根据至少两个采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值获取检测结果，其中，检测结果为异常信号时，接收机的定位或测距会存在误差。

综上所述，本发明提供的信号质量检测方法，通过获取GNSS采样信号至少两个点的检测统计量，并对至少两对对称采样点的检测统计量进行处理，有效地提高了观测量的利用率及灵敏度，从而满足民用航空在精确性及完好性的需求。

图2为本发明实施例获取至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值的流程示意图。该步骤为步骤102的具体流程示意图，如图2所示，步骤102包括：

步骤1021、对GNSS采样信号进行归一化处理，获取归一化后的单个幅度相关值及相关峰对称位置差值，即获取单个幅度相关值；首先，由于天线位置、增益、类型等不同，导致了不同接收机对同一GNSS采样信号的幅值表示不一样，所以需要对接收机发送过来的GNSS采样信号进行归一化处理来统一GNSS采样信号的表示，其具体如下：

图3为本发明实施例GNSS采样信号相关峰采样示意图。如图3所示，I_±offset即为I_{m，n，±offset}(k)，表示k时刻GNSS采样信号相关峰单个幅值，I_prompt即为I_{m，n，prompt}(k)，表示k时刻GNSS采样信号相关峰的波峰幅值。对GNSS采样信号的幅值进行归一化，归一化公式如下：

$I_{\mathrm{nor},m,n\±\mathrm{offset}}\left(k\right)=\frac{I_{m,n,\±\mathrm{offset}}\left(k\right)}{I_{m,n,\mathrm{prompt}}\left(k\right)}$

得到的结果I_{nor，m，n，±offset}(k)表示k时刻归一化后的单个幅度相关值。

其次，在得到归一化后的单个幅度相关值后，根据得到的归一化后的单个幅度相关值计算GNSS采样信号相关峰对称位置差值，计算公式如下：

dif_{m，n，offset}(k)＝I_{nor，m，n，offset}(k)-I_{nor，m，n，-offset}(k)

得到的结果dif_{m，n，offset}(k)为相关峰对称位置差值。

步骤1022、对相关峰对称位置差值进行消偏差处理，获取无偏差相关峰对称位置差值；

图4为本发明实施例获取无偏差相关峰对称位置差值的流程示意图。该步骤为步骤102的具体流程示意图。由于设备的延时或热噪声等会对GNSS采样信号产生影响，从而造成信号质量检测方法的灵敏度下降。因此，需要消除设备偏差。设备偏差可以由多种设备引起，比如接收机、卫星及载体发动起等。本申请仅对接收机及卫星信号传输的偏差进行了消除，但本申请不限于此，可以在其他实施例中对其他设备的偏差进行消除。

如图4所示，步骤10221、消除接收机采样偏差。计算接收机偏差公式如下：

${\mathrm{revBias}}_{m,\mathrm{offset}}\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{j\∈S_c}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{dif}}_{m,j,\mathrm{offset}}\left(k\right)$

revBias_m，offset(k)表示接收机m对相关峰对称位置差值引入的偏差，N表示接收机m所跟踪的卫星总数，S_c表示被跟踪的卫星星群。

从相关峰对称位置差值中去除接收机偏差，公式如下：

dif_{c1，m，n，offset}(k)＝dif_{m，n，offset}(k)-revBias_m，offset(k)

得到消除接收机偏差后的相关峰对称位置差值dif_{c1，m，n，offset}(k)；

步骤10222、消除卫星信号传输偏差。计算卫星信号传输偏差公式如下：

${\mathrm{satBias}}_{n,\mathrm{offset}}\left(k\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dif}}_{c1,i,n,\mathrm{offset}}\left(k\right)$

其中，M表示接收机的总数，satBias_n，offset(k)表示卫星信号传输对相关峰对称位置差值引入的偏差。

步骤10223、获取无偏差相关峰对称位置差值。从消除接收机偏差后的相关峰对称位置差值中消除卫星信号传输偏差，得到无偏差相关峰对称位置差值，公式如下：

dif_{c，m，n，offset}(k)＝dif_{c1，m，n，offset}(k)-satBias_n，offset(k)

基于上述的分析，相关峰对称位置差值中消除了设备偏差，提高了信号质量检测方法的灵敏度。

接着，步骤1023、根据卫星仰角的角度获取各角度的无偏差相关峰对称位置差值的标准差及膨胀系数，这里的卫星仰角是指接收机和卫星所确定的直线与水平线的夹角；

按卫星仰角分类，从5度到90度以5度为间隔划分为17个区间，然后计算每个区间无偏差相关峰对称位置差值的标准差σ_offset并用三阶多项式拟合的方法拟合卫星仰角和无偏差相关峰对称位置差值dif_{c，m，n，offset}的标准差的函数关系，其中，计算标准差的方法及三阶多项式拟合方法，在概率计算中比较成熟，在此不在赘述。

图5为本发明实施例GNSS采样信号无偏差相关峰对称位置差值的概率分布图，其中曲线A表示标准差为2.15的高斯分布，曲线B表示真实的分布情况。如图5所示，无偏差相关峰对称位置差值的标准差σ_offset符合高斯分布，但是，存在较为严重的拖尾现象。因此，需对所述高斯分布进行膨胀来覆盖实际概率分布的尾部，从而可以通过膨胀后的高斯分布的标准差中得到所需的无偏差相关峰对称位置差值的膨胀系数f，其中，膨胀系数f的计算方法，在概率论中已经比较成熟，在此不再赘述。

步骤1024、对无偏差相关峰对称位置差值、标准差及膨胀系数进行处理，获取至少两对对称采样点的检测统计量；

首先，为了充分利用观测量，对dif_{c，m，n，offset}进行加权组合运算，公式如下：

$X_{n,n}=\frac{{\mathrm{dif}}_{c,m,n,\mathrm{offset}1}^2}{f_1^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{offset}1}^2}+\frac{{\mathrm{dif}}_{c,m,n,\mathrm{offset}2}^2}{f_2^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{offset}2}^2}+\frac{{\mathrm{dif}}_{c,m,n,\mathrm{offset}3}^2}{f_3^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{offset}3}^2}$

其中，dif_{c，m，n，offset1}、dif_{c，m，n，offset2}、dif_{c，m，n，offset3}是本算法采用的三个相关峰差值，σ_offset1、σ_offset2、σ_offset3分别是以上三个无偏差相关峰对称位置差值的标准差，f₁、f₂、f₃分别是无偏差相关峰对称位置差值的标准差膨胀系数。

上述方法得到的结果X_m，n为三个点的检测统计量。本实施例以三个点为例，然而，本发明实施例不限于此，如果接收机可提供更多点的观测量，X_m，n还可以增加点。

步骤1025、对至少两个点的检测统计量进行处理，获取检测统计量门限阀值；

首先，由公式(7)可知，检测统计量X_m，n是近似于自由度为n的χ²分布，本实施例中n＝3，如果接收机可提供更多的点，自由度n可增加。在无故障情况下，检测统计量X_m，n近似为无偏的χ²(3)分布，其概率密度函数为：

其中，f(x)为检测统计量X_m，n的概率密度，n自由度，Γ(n/2)是伽马函数，Γ(n/2)的计算公式如下：

$\mathrm{\Γ}(n/2)={\∫}_0^{\∞}{t}^{n/2-1}{e}^{-t}\mathrm{dt}$

其次，根据经典信号检测理论的N-P准则计算误警概率α_f，具体计算公式如下：

${\mathrm{\α}}_f={\∫}_{{\mathrm{\χ}}_{{\mathrm{\α}}_f}^2\left(3\right)}^{\∞}f\left(x\right)\mathrm{dx}$

其中，α_f为误警概率。

最后，根据误警概率α_f计算检测统计量门限阀值，计算公式如下：

$X_{\mathrm{threshold}}={\mathrm{\χ}}_{{\mathrm{\α}}_f}^2\left(3\right)$

其中，X_threshold为检测统计量门限阀值。

综上所述，通过对多个观测量进行分析和处理，消除了设备的偏差，提高了灵敏度，并且得到了至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值，有效地利用了观测量。

图6为本发明实施例获取检测结果的流程示意图。如图5所示，对至少两个点的检测统计量进行处理，获取检测结果包括：

步骤1031、对至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值进行处理，获取检测统计量及检测统计量门限阀值的差值，具体计算公式如下：

result＝X_m，n-X_threshold

其中，result为差值。

步骤1032、根据差值获取检测结果，其中，当差值大于零时，检测结果为GNSS采样信号为异常信号，当差值小于等于零时，检测结果为GNSS采样信号为正常信号。

综上所述，由于上述检测结果是有多个观测量的得到并且消除了系统偏差，因此，根据得到的检测结果判断出GNSS采样信号是否为正常信号，实现了对GNSS信号质量有效地且灵敏高地检测。

图7为本发明信号质量检测系统实施例的结构示意图。如图7所示，本发明实施例提供一种信号质量检测系统，包括：信号接收模块201用于获取接收机发送的GNSS采样信号；信号处理模块202用于将GNSS采样信号进行处理，获取至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值；结果分析模块203用于对至少两对对称采样点的检测统计量进行处理，获取检测结果。

综上所述，本发明实施例提供的信号质量检测系统，通过对多个观测量进行分析处理，得到检测结果，有效地提高了精确度，从而满足民用航空在精确性需求。

图8为本发明实施例信号处理模块的结构示意图。基于上述实施例，如图8所示，信号处理模块包括：归一化处理单元2021用于对GNSS采样信号进行归一化处理，获取归一化后的单个幅度相关值及相关峰对称位置差值；设备偏差消除单元2022用于对相关峰对称位置差值消偏差进行处理，获取无偏差相关峰对称位置差值；计算单元2023用于根据卫星仰角的角度获取各角度的无偏差相关峰对称位置差值的标准差及膨胀系数；检测统计量获取单元2024，用于对相关峰对称位置差值、标准差及所述膨胀系数进行处理，获取至少两对对称采样点的检测统计量；阀值获取单元2025用于对至少两对对称采样点的检测统计量进行处理，获取检测统计量门限阀值。

综上所述，通过信号处理模块对GNSS信号的多个观测量的分析和处理，并消除了设备偏差，提高了灵敏度，并且得到了至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值，有效地利用了观测量。

基于上述实施例，本发明提供的信号质量检测系统，还可以包括结果输出模块、报警模块及备份模块中的至少一个。其中，结果输出模块用于对结果进行显示输出，报警模块用于检测结果异常时报警提醒，备份模块用于对结果进行存储备份。

综上所述，输出模块可以对检测结果进行输出，提高了信号质量检测系统的人机交互能力，增强了实用性。报警模块可以当检测结果异常时报警提醒，有效地提高了灵敏性及安全性。备份模块可以对结果进行存储备份，为信号质量检测系统维护提供了依据。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种信号质量检测方法，其特征在于，包括：

获取接收机发送的全球卫星导航系统采样信号；

对所述全球卫星导航系统采样信号进行处理，获取至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值；

根据所述至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值获取检测结果。

2.根据权利要求1所述的信号质量检测方法，其特征在于，所述对全球卫星导航系统采样信号进行处理，获取至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值包括：

对所述全球卫星导航系统采样信号进行归一化处理，获取归一化后的单个幅度相关值及相关峰对称位置差值；

对所述相关峰对称位置差值进行消偏差处理，获取无偏差相关峰对称位置差值；

根据卫星仰角的角度获取各角度的所述无偏差相关峰对称位置差值的标准差及膨胀系数；

对所述无偏差相关峰对称位置差值、所述标准差及所述膨胀系数进行处理，获取所述至少两对对称采样点的检测统计量；

对所述至少两对对称采样点的检测统计量进行处理，获取所述检测统计量门限阀值。

3.根据权利要求2所述的信号质量检测方法，其特征在于，所述根据至少两对对称采样点的点检测统计量及检测统计量门限阀值获取检测结果包括：

对所述至少两对对称采样点的检测统计量及所述检测统计量门限阀值进行处理，获取所述检测统计量与所述检测统计量门限阀值的差值；

根据所述差值获取检测结果。

4.根据权利要求3所述的信号质量检测方法，其特征在于，所述对所述相关峰对称位置差值进行消偏差处理包括：

对所述相关峰对称位置差值进行消除接收机采样偏差以及卫星信号传输偏差处理。

5.一种信号质量检测系统，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于获取接收机发送的全球卫星导航系统采样信号；

信号处理模块，用于对所述全球卫星导航系统采样信号进行处理，获取至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值；

结果分析模块，用于根据所述至少两对对称采样点的检测统计量及检测统计量门限阀值获取检测结果。

6.根据权利要求5所述的信号质量检测系统，其特征在于，所述信号处理模块，包括：

归一化处理单元，用于对对所述全球卫星导航系统采样信号进行归一化处理，获取归一化后的单个幅度相关值及相关峰对称位置差值；

设备偏差消除单元，用于对所述相关峰对称位置差值进行消偏差处理，获取无偏差相关峰对称位置差值；

计算单元，用于根据卫星仰角的角度获取各角度的所述无偏差相关峰对称位置差值的标准差及膨胀系数；

检测统计量获取单元，用于对所述无偏差相关峰对称位置差值、所述标准差及所述膨胀系数进行处理，获取所述至少两对对称采样点的检测统计量；

阀值获取单元，用于对所述至少两对对称采样点的检测统计量进行处理，获取所述检测统计量门限阀值。

7.根据权利要求5所述的信号质量检测系统，其特征在于，还可以包括结果输出模块，用于对结果进行显示输出。

8.根据权利要求5所述的信号质量检测系统，其特征在于，还可以包括报警模块，用于在检测结果异常时报警提醒。

9.根据权利要求5所述的信号质量检测系统，其特征在于，还可以包括存储模块，用于存储检测结果。

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