CN102692633A - 一种卫星无线电导航业务通道零值标定系统 - Google Patents

Abstract

一种卫星无线电导航业务通道零值标定系统，包括双通道数字示波器、控制和处理计算机、衰减器和矢量网络分析仪。矢量网络分析仪对测试电缆和衰减器的时延进行校准。双通道数字示波器对导航卫星的秒脉冲信号和待测试的RNSS信号通道输出进行同步采样，控制和处理计算机完成对示波器的初始化、示波器通道数据采集、零值起点确定、通道初始化、本地参考数据生成、RNSS信号的捕获，零值计算，最终得到RNSS信号发射通道的绝对时延。本发明系统采用数字域处理方式，适用导航卫星信号体制中各种调制方式的RNSS信号通道零值标定，标定精度只取决于系统热噪声、测试电缆的校准精度和A/D采样分辨率。

Description

一种卫星无线电导航业务通道零值标定系统

技术领域

本发明涉及一种卫星无线电导航业务通道零值标定系统，可用于导航卫星RNSS(Radio Navigation Satellite Service)信号发射通道零值的精密标定。

背景技术

卫星导航系统可发送高精度、全天时、全天候的导航、定位和授时信息，是当今国民经济和国防建设不可或缺的重要空间基础设施。卫星导航定位系统提供的全球无缝服务的价值是无法衡量的，其应用已形成庞大的卫星导航产业。导航卫星系统用无线电波传输时间来计算伪距，下行导航信号传输时延的测量是从导航卫星基带信号生成开始至地面接收机恢复基带信号的时间，测量得到的时延是一个下行组合时延，因此必须扣除卫星本体下行通道发射时延和接收机本身接收时延，才能得到实际的星地时延，从而得到实际的星地距离。导航卫星本体下行发射通道的绝对时延测量是卫星导航系统实现精确定位应用的前提，其测量精度将直接影响用户的测距精度。

传统的时延测量系统基于矢量网络分析仪和基于载波调制方法，这些方法仅适用于变频系统、放大系统，待测试系统的输入和输出信号频谱特征基本相同，主要是载波中心频率、信号幅度发生变化；而导航信号发射通道包含导航信号的基带处理和射频生成放大，此类信号无法采用矢量网络分析仪的测试方法进行高精度时延测试。文献“Absolute Calibration of a Geodetic TimeTransfer System”(John Plumb，Kristine M.Larson，Joe White，and EdPowers[J]IEEE transactions on ultrasonics，ferroelectrics，and frequencycontrol，vol.52，no.11，November 2005pp1904-1911)提出了采用高速示波器观察导航卫星的秒脉冲起始点和RNSS信号载波调制的BPSK波形的陷波点来得到通道的零值，目前导航卫星RNSS发射通道零值普遍采用这种示波器观察法，但是，示波器观察法存在三个问题：(1)被测件的通道绝对时延不能超过一个码片时延，否则将出现整基带码片时延的模糊，从而引起大的测量误差；(2)示波器观察陷波点误差大，误差为数ns级；(3)只能适用一个频点上调制一种导航信号的RNSS信号通道。为了提高卫星导航系统的性能，当前各主要导航卫星系统的导航信号体制中，多种调制方式的导航信号共同调制在一个频点上，用示波器来观察RNSS载波调制陷波点的方式不再适用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星无线电导航业务通道零值标定系统，测量精度高且适合目前导航信号体制的所有调制方式的RNSS信号。

本发明的技术解决方案是：一种卫星无线电导航业务通道零值标定系统，包括衰减器、双通道数字示波器、控制和处理计算机、以及矢量网络分析仪，其中：

衰减器：有线连接在卫星无线电导航业务通道的输出端与双通道数字示波器之间，对卫星无线电导航业务通道的输出信号电平进行衰减，使得双通道数字示波器的输入电平在正常值范围内；

双通道数字示波器：利用卫星秒脉冲信号的起始变化沿作为采样触发，对卫星的秒脉冲信号和衰减器送来的信号进行同步采样；

控制和处理计算机：包括零值起始点获取模块、RNSS数据载入模块、本地参考数据生成模块、捕获模块和零值计算模块，

零值起始点获取模块：对双通道数字示波器采集的卫星秒脉冲信号进行处理，确定秒脉冲信号起始沿的样本点序号S作为通道零值的起始点；

RNSS数据载入模块：根据通道零值的起始点序号S以及预先设定的截取长度L，在双通道数字示波器采集的卫星无线电导航业务通道输出的信号数据中，从第S+1个样本点开始读取L个样本点作为待处理数据；

本地参考数据生成模块：首先根据双通道数字示波器的采样频率生成一个周期的、样本点数目为N的伪随机码；随后根据卫星无线电导航业务通道信号的调制方式生成基带数据，如果是BPSK调制则将伪随机码格式转换成BPSK调制基带数据，如果是BOC调制则根据BOC调制参数生成样本点数目为N的副载波，副载波样本点与伪随机码样本点进行模2加处理，形成BOC调制基带数据，截取调制基带数据样本点的前L个样本点作为本地基带数据；然后根据卫星无线电导航业务通道的中心频率f₀和双通道数字示波器的采样率，生成本地载波数据，本地载波频率以f₀为中心，步进量为f_t，在±n·f_t范围内生成2n+1个载波频率，其中步进量f_t取不大于500Hz的固定值，n取不大于10的正整数；最后对每个载波频率分别生成样本数目为L的正弦单载波和余弦单载波样本数据组，分别与本地基带数据相乘后形成一个长度为L的复数形式数组，2n+1个频点对应2n+1个复数形式的本地参考数据组；

捕获模块：将待处理数据进行傅立叶变换后取共扼作为乘数1，将本地参考数据进行傅立叶变换作为乘数2，乘数1和乘数2进行共轭乘法处理，各组乘积分别进行逆傅立叶变换、幅度平方，并在2n+1组时域幅度平方数据进行峰值搜索，确定出峰值点对应的样本点序号值；

零值计算模块：将捕获模块确定的峰值点对应的样本点序号值乘以双通道数字示波器的采样周期，加上卫星秒脉冲信号输出端至双通道数字示波器连接电缆的时延，减去卫星无线电导航业务通道输出端到衰减器连接电缆、衰减器到双通道数字示波器的连接电缆以及衰减器本身的组合时延，计算得到卫星无线电导航业务通道的零值；

矢量网络分析仪：对连接电缆、衰减器的时延进行校正。

所述的双通道数字示波器的采样频率不低于卫星无线电导航业务通道信号频谱最高频率的两倍以上，单次采样的数据长度大于S+L+1个样本点。

所述的截取长度L的取值为

之间的一个整数，其中N为卫星无线电导航业务信号中一个伪随机码周期内所包含的采样点数目，

L_code为一个伪随机码周期内所包含的码片个数，而且L＝2^k，k为一个整数。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明标定系统采用了扩频接收机中的捕获技术，能适用当前新一代导航系统同一频点存在多种调制方式导航信号的情况；

(2)本发明标定系统采用数字域处理方式，每个采样点的序号是可以明确的，这样信号的处理过程中不会引入时延测量误差；

(3)本发明标定系统在数字域生成本地参考数据，可以适合目前导航信号体制的所有调制方式的RNSS信号；

(4)本发明标定系统在完成秒脉冲数据的处理，得到通道零值的起始点后，确定合适的截取长度，截取RNSS信号本点进行捕获处理，这种不完全的伪随机码周期相关方式，在保证正确捕获的情况下，降低了捕获中运算量，使得算法得以实现，提高捕获速度；

(5)本发明标定系统的标定精度取决于测试电缆的校准精度和双通道数字示波器的采样分辨率，由于采用矢量网络分析仪校准电缆，双通道数字示波器的采样时钟频率高于微波调制信号两倍以上，因此具有很高的测量精度。

附图说明

图1为本发明标定系统的组成原理框图；

图2为本发明高速示波器采集的BOC(1，1)调制导航信号的频谱；

图3为本发明峰值点所在载波频率的捕获幅度平方曲线；

图4为本发明标定系统的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的导航卫星RNSS信号发射通道零值标定系统包括高采样率双通道数字示波器、控制和处理计算机、衰减器、测试电缆、网络接口电缆和矢量网络分析仪。其中：

双通道数字示波器：对两个输入通道的信号进行同步采样，同步采样时单次采样持续时间长度等于一个卫星无线电测定业务信号的伪随机码周期；这里，高采样率数字示波器型号为Agilent公司的DSO090804A四通道数字示波器，采样率最高为40Gsa/s，单通道存储深度为100M。

控制和处理计算机完成示波器初始化模块、示波器通道数据采集模块、零值起始点获取模块、通道参数初始化模块、本地参考数据生成模块、RNSS信号的捕获模块和RNSS导航信号发射通道零值计算模块的执行。

衰减器对卫星RNSS信号通道的输出信号进行衰减后送入双通道数字示波器的输入通道；这里衰减器为大功率衰减器，工作频率范围覆盖待测的RNSS信号频率范围。

测试电缆1、测试电缆2、测试电缆3为射频电缆。

网络接口电缆为tcpip协议网络线。

矢量网络分析仪用于对连接电缆、衰减器、功分器的时延进行校正。这里采用Agilent公司的E8362B，工作频段最高为26.5GHz，时延标定误差为0.1ns。

具体的标定实现过程如下：

1、用矢量网络分析仪校准RNSS信号通道输出到示波器输入口之间路径的组合时延和链路插损，时延量为t_out ns，插损量为Loss dB。

2、用矢量网络分析仪校准卫星1PPS输出到示波器输入口之间路径的组合时延，时延量为t_pps ns；

3、按图1方式，选择衰减量合适的大功率衰减器，保证卫星RNSS信号通道输出的功率到达示波器输入口的电平强度在示波器通道输入的范围内；将标定系统的各组成部分连接待测卫星，待测卫星加电和标定系统设备加电。

4、卫星导航信号待测RNSS通道正常输出RNSS信号；

5、控制和处理计算机运行数字示波器初始化模块，完成对示波器的网络连接、控制处理计算机与数字示波器的通信建立，设置数字示波器的采样率，要求采用频率高于RNSS通道输出信号最高频率的两倍以上。对RNSS信号和1PPS信号进行同步采样，用1PPS的起始变化沿作为采样触发。

这里假定导航卫星的RNSS导航信号中心频率为1575MHz，导航信号的调制方式BOC调制方式，BOC调制方式用BOC(α，β)表示，其中参数β表示以1.023Mcps为基数归一化后的码率，参数α表示以1.023Mcps为基数归一化的副载波频率，这里采用BOC(1，1)调制方式，扩频码速率为1.023Mcps，副载波频率为1.023MHz，扩频码周期为1ms，一个码周期内码片个数为1023。

选择示波器采样率为10GSa/s，触发方式为单步方式，对RNSS通道输入和输出进行双通道同步数据采集，采样数据长度为t_S＝1ms，则RDSS通道输入和输出信号的采样数据量个数均为1e7，各样本点之间的间隔为0.1ns；

6、选择截取长度L。截取长度L的取值为

之间的一个整数，其中N为RNSS信号中一个伪随机码周期内所包含的采样点数目，要求

L_code为一个伪随机码周期内所包含的码片个数；而且，还要求L＝2^k，k为一个整数。

这里，伪随机码的周期L_code＝1023码片，L_code/200＝5.115，则M≤5.115，则

因此L可以选择1.95e6～10e6之间的一个整数，为了提高傅立叶变换和逆傅立叶变换速度，L＝2^k，k为一个整数，这里取k＝21，则L＝2097152。

7、本地参考数据生成模块中：

1)读取双通道数字示波器初始化模块的采样频率，确定一个伪随机码周期的样本点数目：

N＝f_S·t_S        (1)

式中f_S为采样频率，t_S为采样数据长度；

此处N＝10e6，根据通道参数初始化模块规定的伪随机码初始参数生成一个周期的伪随机码样本值；

${\stackrel{\→}{D}}_C=\left[\begin{array}{cccc}{d}_C\left(1\right)& d_C\left(2\right)& \·\·\·& d_C\left(N\right)\end{array}\right]---\left(2\right)$

2)按照通道初始化模块给定的RNSS信号调制方式进行基带数据生成，如果是BPSK调制，对伪随机码发生器生成N个样本点格式转换成BPSK调制基带数据：

${\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{BN}}=\left[\begin{array}{cccc}{d}_B\left(1\right)& d_B\left(2\right)& \·\·\·& d_B\left(N\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

如果为BOC调制，则根据通道参数初始化模块规定的BOC调制参数，生成数目为N的副载波样本点：

${\stackrel{\→}{D}}_S=\left[\begin{array}{cccc}{d}_S\left(1\right)& d_S\left(2\right)& \·\·\·& d_S\left(N\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

与伪随机码样本点模2加，形成BOC调制基带数据：

${\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{BN}}=\left[\begin{array}{cccc}{d}_B\left(1\right)& d_B\left(2\right)& \·\·\·& d_B\left(N\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

式中d_B(i)＝d_C(i)⊕d_S(i)，⊕表示模2加处理，i＝1，2，…，N。

3)根据截取长度L截取，得到本地基带数据。

${\stackrel{\→}{D}}_B=\left[\begin{array}{cccc}{d}_B\left(1\right)& d_B\left(2\right)& \·\·\·& d_B\left(N\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$

4)根据通道参数初始化模块给定的通道中心频率f₀和数字示波器初始化模块给定的采样率，生成本地载波数据。本地载波频率以f₀为中心，步进量为f_t，在±n·f_t范围内，生成2n+1个载波频率，步进量f_t取不大于500Hz的固定值，n取不大于10的正整数。针对每个载波频率，分别生成一个样本数目为截取长度L的正弦和余弦单载波样本数据组。生成的本地余弦载波数据组

和正弦载波数据组

分别为：

式中 $d_{\cos }(l,m)=\cos \left(2\mathrm{\π}(f_0+(l-1-n)\·f_t)\frac{(m-1)}{f_S}\right),l=\mathrm{1,2},\·\·\·,2n+1,m=\mathrm{1,2},\·\·\·,L$

$d_{\sin }(l,m)=\sin \left(2\mathrm{\π}(f_0+(l-1-n)\·f_t)\frac{(m-1)}{f_S}\right)$

5)对基带数据进行载波正交调制。基带数据分别对正弦载波数据组和余弦载波数据相乘后形成复数形式的本地参考数据组。

式中：d_L(l，m)＝d_B(m)·[d_cos(l，m)+j·d_sin(l，m)]，l＝1，2，…，2n+1，m＝1，2，…，L。

8、控制和处理计算机运行采集数据载入模块，将示波器采集的数据载入到控制和处理计算机，直接微波采样的RNSS信号数据的频谱如图2所示。

9、零值起始点获取模块对采集的卫星秒脉冲信号进行处理，确定秒脉冲起始沿的样本点序号S，作为通道零值的起始点。

10、RNSS数据载入模块根据通道零值的起始点序号S以及规定的截取长度L，从采集的RNSS信号数据中，从第S+1个样本点开始读取L个样本点作为通道零值标定的待处理RNSS信号数据：

${\stackrel{\→}{D}}_{\mathrm{RNSS}}=\left[\begin{array}{cccc}{d}_{\mathrm{RNSS}}\left(1\right)& d_{\mathrm{RNSS}}\left(2\right)& \·\·\·& d_{\mathrm{RNSS}}\left(L\right)\end{array}\right]---\left(10\right)$

11、捕获模块中：

1)L点待处理RNSS信号数据经过傅立叶变换后取共扼，得到L点频域值：

$X\left(m\right)={\left[\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{\mathrm{RNSS}}\left(n\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πm}}{L}(k-1))\right]}^{*},m=\mathrm{1,2},\·\·\·,L---\left(11\right)$

2)本地参考数据数组各行分别进行傅立叶变换，得到一个2n+1行L列的频域值数组：

$Y(l,m)=\left[\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{d}_L(l,n)\exp (-j\frac{2\mathrm{\πm}}{L}(k-1))\right],l=\mathrm{1,2},\·\·\·,2n+1,m=\mathrm{1,2},\·\·\·,L---\left(12\right)$

(2n+1)×L的频域值数组的每一行，分别与RNSS的频域共轭数据相乘，再经过逆傅立叶变换为时延信号，得到一个2n+1行L列时域相关值数组：

$Z(l,m)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[x\left(m\right)\·Y(l,m)]\exp (-j\frac{2\mathrm{\πm}}{L}(k-1))---\left(13\right)$

3)对(2n+1)×L的时域相关值数组各复数值求幅度值，然后取平方：

Z_P(l，m)＝|Z(l，m)|²                     (14)

4)对2n+1组时域幅度平方数据进行峰值搜索，峰值点所在行的列序号N_RNSS就是RNSS信号中的伪随机码的起始点，峰值点所在行的部分幅度值取平方后的曲线如图3所示。

12、零值计算模块将RNSS信号中的伪随机码的起始点序号乘以采样间隔，加上秒脉冲信号连接电缆时延，减去卫星RNSS信号输出到高速示波器之间电缆、衰减器的组合时延，就得到了RNSS信号通道零值t_RNSS。

$t_{\mathrm{RNSS}}=N_{\mathrm{RNSS}}\·\frac{1}{f_S}+t_{\mathrm{pps}}-t_{\mathrm{out}}---\left(15\right)$

式中f_S为示波器的采样速率，t_out为RNSS信号通道输出到示波器输入口之间路径时延量，t_pps为卫星1PPS输出到示波器输入口之间路径的时延量，标定系统的工作流程如图4所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种卫星无线电导航业务通道零值标定系统，其特征在于包括：衰减器、双通道数字示波器、控制和处理计算机、以及矢量网络分析仪，其中：

衰减器：有线连接在卫星无线电导航业务通道的输出端与双通道数字示波器之间，对卫星无线电导航业务通道的输出信号电平进行衰减，使得双通道数字示波器的输入电平在正常值范围内；

双通道数字示波器：利用卫星秒脉冲信号的起始变化沿作为采样触发，对卫星的秒脉冲信号和衰减器送来的信号进行同步采样；

控制和处理计算机：包括零值起始点获取模块、RNSS数据载入模块、本地参考数据生成模块、捕获模块和零值计算模块，

零值起始点获取模块：对双通道数字示波器采集的卫星秒脉冲信号进行处理，确定秒脉冲信号起始沿的样本点序号S作为通道零值的起始点；

RNSS数据载入模块：根据通道零值的起始点序号S以及预先设定的截取长度L，在双通道数字示波器采集的卫星无线电导航业务通道输出的信号数据中，从第S+1个样本点开始读取L个样本点作为待处理数据；

本地参考数据生成模块：首先根据双通道数字示波器的采样频率生成一个周期的、样本点数目为N的伪随机码；随后根据卫星无线电导航业务通道信号的调制方式生成基带数据，如果是BPSK调制则将伪随机码格式转换成BPSK调制基带数据，如果是BOC调制则根据BOC调制参数生成样本点数目为N的副载波，副载波样本点与伪随机码样本点进行模2加处理，形成BOC调制基带数据，截取调制基带数据样本点的前L个样本点作为本地基带数据；然后根据卫星无线电导航业务通道的中心频率f₀和双通道数字示波器的采样率，生成本地载波数据，本地载波频率以f₀为中心，步进量为f_t，在±n·f_t范围内生成2n+1个载波频率，其中步进量f_t取不大于500Hz的固定值，n取不大于10的正整数；最后对每个载波频率分别生成样本数目为L的正弦单载波和余弦单载波样本数据组，分别与本地基带数据相乘后形成一个长度为L的复数形式数组，2n+1个频点对应2n+1个复数形式的本地参考数据组；

捕获模块：将待处理数据进行傅立叶变换后取共扼作为乘数1，将本地参考数据进行傅立叶变换作为乘数2，乘数1和乘数2进行共轭乘法处理，各组乘积分别进行逆傅立叶变换、幅度平方，并在2n+1组时域幅度平方数据进行峰值搜索，确定出峰值点对应的样本点序号值；

零值计算模块：将捕获模块确定的峰值点对应的样本点序号值乘以双通道数字示波器的采样周期，加上卫星秒脉冲信号输出端至双通道数字示波器连接电缆的时延，减去卫星无线电导航业务通道输出端到衰减器连接电缆、衰减器到双通道数字示波器的连接电缆以及衰减器本身的组合时延，计算得到卫星无线电导航业务通道的零值；

矢量网络分析仪：对连接电缆、衰减器的时延进行校正。

2.根据权利要求1所述的一种卫星无线电导航业务通道零值标定系统，其特征在于：所述的双通道数字示波器的采样频率不低于卫星无线电导航业务通道信号频谱最高频率的两倍以上，单次采样的数据长度大于S+L+1个样本点。

3.根据权利要求1所述的一种卫星无线电导航业务通道零值标定系统，其特征在于：所述的截取长度L的取值为

之间的一个整数，其中N为卫星无线电导航业务信号中一个伪随机码周期内所包含的采样点数目，

L_code为一个伪随机码周期内所包含的码片个数，而且L＝2^k，k为一个整数。

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