CN102508263B - 一种采用多通道并行相关峰采样监测信号质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种采用多通道并行相关峰采样监测信号质量的方法，属于卫星导航领域，该方法首先根据用户实际的监测任务需求，基于采样频率和接收机的通道数确定采样点的数目，然后采用多通道并行相关峰采样法对要监测的卫星检测，获取相关峰采样值，并对获取的相关峰采样值进行拟合处理，同时获取两两对称采样点的检测统计量，根据两两对称采样点的检测统计量，采用加权差值法对信号的相关峰质量进行实时地监测。本发明方法无需改变硬件设施，适用于卫星段，只需针对一颗卫星信号检测，所用通道都针对这颗卫星信号进行设置，多个通道采样，用空间换取时间优势，提高了采样率，实现了对卫星信号质量的检测，并节约了成本。

Description

一种采用多通道并行相关峰采样监测信号质量的方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，具体地说，是指一种应用于卫星导航系统的信号质量监测方法。

背景技术

对于卫星导航系统来说，完好性是指当系统出现故障或某项运行参数偏差过大或由于系统多项因素的综合影响，而使系统提供的定位结果超过规定限值时，系统及时发现并及时通告用户的能力。

卫星导航系统本身能进行一定程度的完好性监测，但告警时间太长(通常需几个小时)，完好性信息单一，不能适应大多数用户的需求。现阶段主要通过外部地面监测的方法对完好性进行增强，典型系统是美国的广域增强系统(Wide Area Augmentation System，简称WAAS)和局域增强系统(Local Area Augmentation System，简称LAAS)，同时GPS和Galileo系统也通过其地面测控体系给出各自的完好性信息。

从目前LAAS和WAAS系统的实验运行结果来看，其自身不可避免的存在一定的局限性，如系统结构庞大，运行维护成本高昂，更重要的是这两种系统为了保证完好性性能，实际上都附加了大量的新的组成部分，这一方面使得系统的结构急剧复杂，另一方面，告警时间(TTA)是衡量完好性监测能力的重要指标，根据ICAO(国际民用航空组织)的标准，这一时间通常不得超过6秒，而现有的地面监测体系对于卫星故障的监测过程环节众多，整个过程耗时很长，很难满足告警时间要求，这也意味着地面监测体系往往难以及时的发现卫星导航系统中的卫星故障并加以及时的响应。

所以，如果能够在卫星段对于卫星本身的工作状态进行直接的监控，就可能极大的缩短告警时间，从而保证故障检测的及时性和有效性。直接在卫星上进行故障监测的技术称为SAIM(Satellite Autonomous Integrity Monitor，中文名称：卫星自主完好性检测)技术。SAIM技术作为地面完好性监测手段的重要技术补充，可以改善故障检测效果，有效缩短告警时间，有助于从根本上提高完好性性能。

到目前为止，共发生过两次重大的卫星故障事件。1993年SV19号卫星发生故障，定位误差增了2到8米，利兹大学测量发现，在SV19号卫星信号功率谱主瓣的中心处出现一个11dB的尖峰；2009年4月SVN49号发生异常，其伪距误差随着卫星仰角的增大而增大，当卫星仰角大于60度时，伪距误差大约为4米。鉴于类似异常事件就引发了对卫星段故障监测的研究。

在实际卫星信号质量监测过程中可以假设如果能够精确地知道卫星信号的结构以及其相关峰的形状，便可以利用相关峰的形变来监测卫星信号的异常与否，借助异常模型判定信号质量好坏。因此恢复实际相关峰的方法成为监测技术的基础。

根据接收机原理，在通过接收机I路和Q路去除载波后，要通过对本地产生的C/A码和接收到的信号进行相关运算来进行码对齐，接收机通过移动本地产生的C/A码和接收信号的时间关系来取得相关值的最大值(即主峰的峰顶)，但是在实际中由于卫星，环境和噪声等原因，可能使相关峰形状产生畸变。因此可以通过相关峰的形变程度来监测信号异常与否。通过接收机对相关峰的监测来实现完好性需求。要想满足这一需求必须解决两个问题：1，相关峰的获取；2，实时监视相关峰的异常。

如图1所示，E1，L1；E2，L2；E3，L3；分别为三对超前滞后采样点，每对采样点之间的码片间隔保持1个码片间隔不变，每对的区别只是在于其即时码相位的码片位置不同，E2，L2相当于其即时码位置相对于标准的E1，L1来说左移了一定间隔，同理E3，L3相当于右移了一定间隔。现有设计较为成熟的星载接收机并不是专门用于信号质量监测的，而现有的多点采样技术都采用窄相关技术，窄相关技术的相关器间距一般可以小到1/10甚至是1/16码片，而常规的接收机为1/2码片，常规接收机的超前滞后相关器通常工作在自相关函数主峰左右两边最陡峭的部分，如图1中的E1，L1，此时码环具有很高的敏感性，正好可以被监测相关峰对称性，平滑性所利用。当码环采用窄相关技术时，超前滞后相关器的相位工作点会在比较平滑的自相关函数顶峰附近，在实际中对复制的C/A码相位的一点调制并不能引起这些相关器输出的明显变化，即码环敏感性降低。而为了解决窄相关技术中码环敏感性低的问题，相应接收机必须配以较宽的射频前端带宽和相应较高的A/D(模拟/数字)转换器采样频率，同时射频前端的各级滤波器的要求也相应的提高，这些改变带来的经济投入是相当高的。

发明内容

本发明针对现有卫星信号质量监测中，采用窄相关技术进行相关峰多点采样时，码环敏感性低、要增加经济投入的问题，提出了一种采用多通道并行相关峰采样监测信号质量的方法。

本发明提供的方法包括步骤：

步骤一、根据用户实际的监测任务需求，基于采样频率和参与采样的接收机的通道数确定采样点的数目；

步骤二、采用多通道并行相关峰采样法对要监测的卫星S获取相关峰采样值；

步骤三、根据所监测的卫星信号特点，对获取的相关峰采样值进行拟合处理，并获取两两对称采样点的检测统计量；

步骤四、根据两两对称采样点的检测统计量，采用加权差值法对信号的相关峰质量进行实时地监测。

所述的步骤二包括如下步骤：

步骤2.1，首先利用一个接收机通道对卫星S进行稳定跟踪，此时该接收机通道的超前、滞后累加功率值相等；

步骤2.2，对卫星实现稳定跟踪的接收机通道将相应的即时码相位值传送给其它参与采样的接收机通道，使得其它参与采样的接收机通道都实现对卫星S的信号的稳定跟踪；

步骤2.3，保持前后相关器间距不变，各个参与采样的接收机通道控制本地即时码的码相位值依次进行等间隔地移动；

步骤2.4，各个参与采样的接收机通道对本地即时码移位后对应的相关峰采样点进行采样，获取相关峰采样值：在预检测积分时间下的超前码的累加均值的功率值、即时码的累加均值的功率值和滞后码的累加均值的功率值。

本发明提供的方法有以下优点和积极效果：

1.保持经典接收机的相关器间距设计不变，避免了窄相关必须涉及的射频前端带宽以及ADC采样频率调整，无需改变硬件设施，节约了成本；

2.只需要针对一颗卫星信号做考虑，所有通道都针对这颗卫星信号进行设置，多个通道同时采样，用空间换取了时间优势，提高了采样率；

3.在实际应用中对已有的商用接收机做比较少的软件修改即可实现，实现简单，易操作；

4.采用加权差值法能够充分利用多通道获得的多个采样点。

附图说明

图1是本发明背景技术中对超前滞后采样点的说明示意图；

图2是本发明监测信号质量方法的整体步骤流程图；

图3是本发明监测信号质量方法中采样信号后的处理流程图；

图4是本发明实施例中得到的两两采样点折线相连曲线图；

图5是对图4进行拟合后的相关峰曲线；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种应用于卫星导航系统的监测卫星信号质量的方法，首先进行多通道并行相关峰采样，过程如图1所示，然后利用采样数据采用加权差值法对相关峰进行实时监测，实现对信号质量的监测。具体步骤说明如下。

步骤一：根据用户实际的监测任务需求，基于采样频率和接收机通道数确定采样点数目。

采样频率决定了两两采样点之间的间隔，接收机的通道数则限定了最终获得的采样点数。对于不同的需求，可以变化通道分配和采样点的选取来满足相关峰采样的要求。在此举一例说明，对于GPS L1信号来说，假设接收机采用了16.368MHz的A/D(模拟/数字，Analog/Digital)转换器，由于C/A码的码速率为1.023MHz，因此采样点间隔的下限是1/16码片，现有普通商用接收机通道数为12，如果所有通道全部用于对同一颗卫星信号采样，则采样点数最多可达36个，最小采样间隔是1/16码片。在具体应用中可以根据实际需求缩短采样间隔，灵活改变采样点位置，减少采样点数，如采样间隔为1/8码片、1/4码片等，采样点的位置分别是：-0.075、-0.05、-0.025、0、0.025、0.05、0.075、0.1(码偏移量)等。考虑到采用同时刻的观测量来最大限度地减少噪声误差，并且希望兼顾卫星跟踪和相关峰恢复的时间，可以采用若干通道跟踪，其余通道用于采样的方式，下面所述的各接收机通道指用于采样的通道。对于P码的恢复和更高频率的采样点选择，可以通过提高AD频率来实现，类比上述例子来确定采样点数目。

步骤二：对于要监测的一颗卫星应用多通道并行相关峰采样法获取相关峰采样值；

步骤2.1，对于某一颗卫星S的信号，首先利用一个接收机通道完成对卫星S的稳定跟踪，此时该接收机通道的超前、滞后累加功率值相等。本发明方法是在卫星段实现信号监测的任务，在每个卫星上单独装配监测型接收机，一般为了排除接收机自身的影响会装配三台监测型接收机进行一致性校验，所述的接收机通道接收若干卫星的信号，但是接收到卫星S的信号功率肯定大大强于别的卫星信号功率，所以可以近似认为该接收机只处理卫星S上的信号。

步骤2.2，实现对卫星S稳定跟踪的接收机通道将相应的即时码相位值传送给其它接收机通道，帮助其它接收机通道实现对于卫星S信号的稳定跟踪。

步骤2.3，在此基础上，各个接收机通道，保持前后相关器间距不变，通过控制本地即时码的码相位值，使各接收机通道的即时码依次进行等间隔地移动，移动间隔即采样间隔，参考采样频率将各自的即时码向左或向右滑动。

步骤2.4，各接收机通道对得到的即时码对应移位后的相关峰采样点，分别读取各个通道预检测积分时间下的超前、即时和滞后码的累加均值的功率值，这样每个采样通道均得到三个采样值。

图2为得到相关峰采样值后步骤三和步骤四处理过程示意图，具体如下。

步骤三：根据所监测的卫星信号特点，选择合适的拟合方式对接收机获取的相关峰采样值进行拟合处理，同时获取多组两两对称采样点的检测统计量。

首先对接收机给出的相关峰采样值进行幅度归一化处理，具体是采样值除以相关函数的最大值得到。然后对归一化的采样值进行拟合，减小通道时间相关性的差异，绘制出相关峰曲线。由于本发明方法可以适用于BPSK(Binary Phase Shift Keying，中文名称：双相移相键控)调制，BOC(Binary-Offset-Carrier，中文名称：二进制偏移载波)调制的导航信号质量监测中。在实际监测处理过程中，根据信号特点选择适当的拟合方式，给出更符合实际的相关峰曲线。对具体的拟合方式没有特殊要求，在实际应用中权衡选择适合信号特点，拟合度高，不影响实际信号信息的拟合方式即可。例如，对于研究最为广泛的GPS L1信号来说，理想相关峰主峰是规则的三角形尖峰，而在现实中为了限制噪声和干扰，接收机采用有限的并非无限的射频前端带宽，有限的射频前端带宽同时滤除了C/A码信号中的高频成分，导致接收机码环实际输出的非相干积分幅值所形成的C/A码相关函数主峰不再呈有棱有角的三角形，相关函数主峰尖角部分被平滑掉了，而且主峰顶端左右两边的斜坡也不再呈直线。例如在处理GPS L1信号时可以选用平滑仿样拟合近似代替实际的相关峰曲线，如图5所示。

步骤一、二的目的正是为了获取相关函数曲线的更多信息，让接收机复制出尽可能多的不同延时的伪码，经相关运算后得到相关函数曲线上的更多采样点。而步骤三中的采样点拟合是为了尽可能排除噪声以及接收机自身问题带来的采样信息失真，更为真实的还原卫星信号信息。把握的原则是选用的拟合方式不会对卫星信号质量判定造成影响。

对接收机给出的GNSS信号相关峰采样值I_{m，n，±offset}进行幅度归一化。其GPS L1信号采样结果折线相关函数如图4所示。由于天线位置、增益、类型不同，GPS信号的功率不同，从而导致不同接收机对同一卫星的采样值幅度不一样，所以对采样值用下面的式子进行幅度归一化处理来减弱信号功率的影响：

$I_{\mathrm{nor},m,n\±\mathrm{offset}}\left(t\right)=\frac{I_{m,n,\±\mathrm{offset}}\left(t\right)}{I_{m,n,\mathrm{prompt}}\left(t\right)}---\left(1\right)$

其中，m为接收机编号；n为编号为m的接收机跟踪的PRN＝n的卫星，PRN是伪随机噪声码(Pseudo Random Noise Code)的缩写；offset为相关峰采样值的横坐标；I_{nor，m，n，±offset}(t)表示t时刻幅度归一化后的相关值；I_{m，n，prompt}(t)表示接收信号扩频伪随机码和本地产生的扩频伪随机码完全对齐时的相关值。

步骤四：根据两两对称采样点的检测统计量，采用加权差值法对信号的相关峰质量进行实时地监测。

步骤4.1，计算两两对称采样点的差值，利用相关峰对称位置上采样值的差值来监测相关峰的对称性；

dif_{m，n，offset}(t)＝I_{nor，m，n，offset}(t)-I_{nor，m，n，-offset}(t)    (2)

步骤4.2，对dif_{m，n，offset}加权组合；

为了增加信号质量监测的观测量，对接收机的多对相关峰差值用下式进行加权组合，形成检测统计量X_m，n，k：

$X_{m,n,k}=\frac{{\mathrm{dif}}_{m,n,\mathrm{offset}1}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{offset}1}^2}+\frac{{\mathrm{dif}}_{m,n,\mathrm{offset}2}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{offset}2}^2}+...+\frac{{\mathrm{dif}}_{m,n,\mathrm{offsetk}}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{offsetk}}^2}---\left(3\right)$

其中，dif_{m，n，offset1}、dif_{m，n，offset2}、…、dif_{m，n，offsetk}是采用的k个相关峰差值，具体k值由接收机提供的采样值数决定；

offset1、offset2、…、offsetk是相关器对的码偏移量，如：0.25、0.5、0.75…；

σ_offset1、σ_offset2、σ_offsetk分别是以上相关峰差值的标准差；

步骤4.3，计算采样点处的平均比率，平均比率R_avg，P的定义为：

$R_{\mathrm{avg},P}=\frac{I_{\mathrm{nor},m,\mathrm{noffset}}\left(t\right)+I_{\mathrm{nor},m,n,-\mathrm{offset}}\left(t\right)}{2}---\left(4\right)$

平均比率测试用来监测相关峰的不规则尖峰，即监测相关峰的平滑性。

对大量真实正常卫星信号进行如上采样过程处理，得到多个采样点处20ms超前、即时和滞后码的累加均值的功率值，分别进行如上加权差值和平均比率统计计算，得到正常信号的对称性和平滑性测试结果MX_m，n，k和MR_avg，P，MX_m，n，k和MR_avg，P作为基于相关峰对称性和平滑性的信号质量检测统计量的参考值；

步骤4.4，检测统计量与对应参考值比较。

得到正常信号的对称性和平滑性检测统计量参考值MX_m，n，k和MR_avg，P，二者的统计结果一定不是一个固定的数值，而是在某个平均值附近波动。由于到目前为止导航卫星只发生过两次卫星故障，经过对检测量的大量统计得出正常信号置信区间。当检测统计量X_m，n，k和R_avg，P超过参考值MX_m，n，k和MR_avg，P的置信区间时，监测到卫星信号异常，本发明方法所述的监测过程必须在每个检测更新时刻完成，并在系统规定的时间内播发给用户。

本发明采样多通道多点采样技术，就是通过获取卫星导航信号相关峰不同位置采样来获得信号相关峰的多点采样，并根据实际相关峰的特性选取合适的拟合方式拟合出相关峰，之后根据相关峰对称性，平滑性程度来实现GPS信号质量监测的目的。本发明方法无需改变硬件设施，在已有设计较为成熟的星载接收机基础上在软件部分对各个通道相关器加以控制实现对相关峰的采样。本发明方法适用于卫星段，只需要针对一颗卫星信号做考虑即可，所用通道都针对这颗卫星信号进行设置，多个通道采样，用空间换取时间优势，提高了采样率。

Claims (2)

1.一种采用多通道并行相关峰采样监测信号质量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据用户实际的监测任务需求，基于采样频率和参与采样的接收机的通道数确定采样点的数目；

步骤二、采用多通道并行相关峰采样法对要监测的卫星S获取相关峰采样值，具体是：

步骤2.1，首先利用一个接收机通道对卫星S进行稳定跟踪，此时该接收机通道的超前、滞后累加功率值相等；

步骤2.2，对卫星实现稳定跟踪的接收机通道将相应的即时码相位值传送给其它参与采样的接收机通道，使得其它参与采样的接收机通道都实现对卫星S的信号的稳定跟踪；

步骤2.3，保持前后相关器间距不变，各个参与采样的接收机通道控制本地即时码的码相位值依次进行等间隔地移动；

步骤2.4，各个参与采样的接收机通道对本地即时码移位后对应的相关峰采样点进行采样，获取相关峰采样值：在预检测积分时间下的超前码的累加均值的功率值、即时码的累加均值的功率值和滞后码的累加均值的功率值；

步骤三、根据所监测的卫星信号特点，对获取的相关峰采样值进行拟合处理，并获取两两对称采样点的检测统计量；

步骤四、根据两两对称采样点的检测统计量，采用加权差值法对信号的相关峰质量进行实时地监测；步骤四包括如下步骤：

步骤4.1，计算接收机得到的t时刻的一对对称采样点的差值dif_{m，n，offset}(t)：

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

其中，offset为相关峰采样值的横坐标，I_{nor，m，n,offset}(t)与I_{nor，m，n,-offset}(t)表示经过幅度归一化处理后的一对对称位置的相关峰采样值；利用对称位置的相关峰采样值的差值来监测相关峰的对称性；

步骤4.2，对接收机得到的k个相关峰差值进行加权组合，得到检测统计量X_m,n，k：

$X_{m,n,k}=\frac{{\mathrm{dif}}_{m,n,\mathrm{offset}1}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{offset}1}^2}+\frac{{\mathrm{dif}}_{m,n,\mathrm{offset}2}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{offset}2}^2}+...+\frac{{\mathrm{dif}}_{m,n,\mathrm{offsetk}}^2}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{offsetk}}^2}$

其中，offsetk是第k个相关器对的码偏移量，dif_{m，n，offsetk}是第k个相关峰差值，σ_offsetk是第k个相关峰差值的标准差；

步骤4.3，确定采样点处的平均比率，比率测试用来监测相关峰的平滑性，平均比率R_avg,P为：

$R_{\mathrm{avg},P}=\frac{I_{\mathrm{nor},m,n,\mathrm{offset}}\left(t\right)+I_{\mathrm{nor},m,n,-\mathrm{offset}}\left(t\right)}{2}$

对真实的正常卫星信号进行采样处理，得到正常卫星信号的对称性测试结果MX_m,n,k和平滑性测试结果MR_avg，P，将得到的MX_m，n,k和MR_avg,P作为信号质量监测统计量的参考值；

步骤4.4，将得到的检测统计量X_m，n，k和平均比率R_avg,P分别与参考值MX_m，n，k和MR_avg，P比较，若检测统计量X_m，n,k和平均比率R_avg,P超过参考值MX_m，n，k和MR_avg,P的置信区间时，监测到卫星信号异常，并在系统规定的时间内播发给用户。

2.根据权利要求1所述的一种采用多通道并行相关峰采样监测信号质量的方法，其特征在于，所述的步骤三在对相关峰采样值进行拟合处理之前，要对相关峰采样值进行幅度归一化处理，如下式所示，对接收机得到的t时刻的相关峰采样值I_{m，n，±offset}(t)进行幅度归一化处理得到I_{nor，m，n，±offset}(t)：

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

其中，m表示接收机编号，n表示编号为m的接收机跟踪的PRN=n的卫星，PRN是伪随机噪声码，offset为相关峰采样值的横坐标，I_{m，n，prompt}(t)表示接收信号扩频伪随机码和本地产生的扩频伪随机码完全对齐时的相关值。

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