CN103033824B - 高性能导航卫星空间信号质量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高性能导航卫星空间信号质量评估方法，首先利用较高增益的天线接收导航卫星下行信号，将导航卫星下行信号经过低噪声放大后均分为三路进行信号单项要素监测与评估，最后进行信号综合分析与评估。本发明可以高精度全方位多层次的评估接收卫星下行信号质量，并可广泛应用于其他导航系统数据的分析处理。

Description

高性能导航卫星空间信号质量评估方法

技术领域

本发明涉及一种信号评估方法。

背景技术

卫星导航信号是导航卫星系统中最重要的组成部分之一，是卫星、地面运控与用户之间协调工作的纽带。卫星导航信号质量的好坏将直接关系到系统定位、授时和测速等基本功能、关键性能和指标的实现，导航信号质量监测评估是卫星导航系统完好性的重要保障手段。

由于卫星导航信号淹没于噪声之中，目前，高精度信号质量评估系统多采用较高增益的射频接收系统：例如，美国利用斯坦福大学的45.7米大口径天线接收系统进行导航信号质量监测评估；欧盟Galileo利用25米和30米较大口径天线接收系统监测评估卫星导航信号质量；中科院国家授时中心利用自身优势建立基于7.3米天线的“BeiDou”系统信号质量监测与评估系统；中电集团54所建成了以2.4米天线为核心的空间信号质量监测评估系统。

纵观国内外现有的导航信号质量评估方法，主要分为基于标准仪器的信号质量监测和基于数据采集的离线信号分析两种。而基于标准仪器的信号质量监测方法，主要是利用频谱仪观测接收信号频谱，或是利用矢量信号分析仪观测接收信号波形的方式进行评估；基于数据采集的离线信号分析，主要是对利用数据采集卡采集的经高增益天线接收的导航信号进行软件接收机分析，通过分析接收信号的捕获相关峰、载噪比、PLL输出、DLL输出、解调数据、信号时域波形和星座图等方面，来评估接收信号质量。

但是，由于上述方法都只是从某些面来分析导航信号质量，目前国内外还没有一套较为完善的卫星导航信号质量监测评估方法体系，不能准确确定能够全面反映空间导航信号质量的评估参数及参数表达方式。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航信号质量评估方法，通过对导航卫星下行信号的质量进行监测与评估，全面的反映导航信号质量，为我国导航卫星系统的信号体制设计和系统相关建设提供有价值的参考。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案主要包括以下步骤：

步骤一：利用较高增益（天线增益大于20dBi）的天线接收导航卫星下行信号；

步骤二：导航卫星下行信号经过低噪声放大后分为三路；

步骤三：一路信号分配到标准测量设备，对信号的功率、带宽、中心频点、调制特性、波形特性进行实时监测；第二路信号进行信号采集（为较高精度离线分析，采样频率需大于等于150MHz，位数大于等于14位）并存储；第三路送入监测接收机；

步骤四：将测距性能、功率、相干性能、码多径性能、载波多径、多路复用性能和捕获跟踪解调性能的评估与ICD公布指标相比较，综合判断接收信号各项要素指标是否符合要求；所述的测距性能包括载波相位及其稳定性，所述的功率是指卫星发射EIRP，所述的相干性能包括测距码与载波、测距码与二次码、测距码与电文之间的相干性，所述的码多径性能是指码多径误差，所述的载波多径是指载波多径误差，所述的多路复用性能包括复用前后单路信号功率损耗和测距码波形。

所述的步骤三中，利用频谱仪监测单载波在设定的时间周期内的参数的抖动情况，参数包括载波连续性、相位跳变和功率跳变情况，若抖动范围大于设定值，则认为信号功率稳定性较差；

利用标准测量仪器对扩频信号的参数实时监测，参数包括通道功率、带外杂散、频谱谱线、调制信号包络、相位翻转点、信号星座图、载波相位正交误差、IQ幅度误差、IQ原点偏移、码片正确性、载波频率误差变化曲线和相位变化曲线，将参数实测结果与ICD公布参数指标相比较，若实测结果超出ICD公布参数指标，则认为信号存在畸变；

利用监测接收机对接收机观测量进行实时监测，包括码伪距、载波相位、C/N0、多普勒频移、电文校验信息，若实测结果超出ICD公布参数指标，则认为信号存在畸变；

通过对载波特性、测距码特性、导航电文和调制方式四个方面单项要素的分析，判断接收导航信号各单项要素指标是否符合设定的指标要求，从而评估接收信号质量；所述的载波特性包括频率、功率、波形及幅度、杂波抑制和谐波抑制，所述的测距码特性包括码长、波形、数字畸变和模拟畸变、速率、正确性和相关性，所述的导航电文包括电文速率、电文正确性和校验信息，所述的调制方式包括信号谱线、带宽、调制信号包络、眼云图、矢量信号散点图、IQ载波相位正交误差、IQ幅度误差、EVM、相关峰曲线波形和S曲线偏差。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一套较完善的卫星导航信号质量评估方法，不仅包括基于标准仪器的信号质量监测和基于数据采集的离线信号分析，还提出了利用高性能监测接收机对码伪距稳定性、载波相位稳定性、同频点不同支路测距码间的一致性、不同频点相同支路测距码间的一致性、C/N0、多普勒频移、电文校验信息等方面进行实时监测评估的方法；不仅包括利用频谱仪观测接收信号频谱，利用矢量信号分析仪观测接收信号波形，还提出了利用频谱仪监测单载波功率、信号频率、相位噪声、杂波抑制、通道功率、信号带外能量分布，提出了利用矢量信号分析仪进行信号调制星座图、EVM(Error Vector Magnitude，误差矢量幅度)、眼云图、码片波形、载波频率误差变化曲线、载波相位变化曲线、载波相位正交误差、I/Q幅度误差及幅度不平衡性的评估，利用示波器进行单载波和扩频信号波形、调制信号包络和相位翻转点的评估；对采集数据的分析，不仅包括上述常见的几个方面，还包括单项要素中载波、测距码、电文和调制方式的评估，综合评估要素中相干性的评估、信号多路复用性能评估、多径特性评估和功率评估。这些方面涵盖了评估信号质量的各个方面，从而能够进行多层次全方位的信号质量分析与评估。可以高精度全方位多层次的评估接收卫星下行信号质量，并可广泛应用于其他导航系统数据的分析处理。

本发明可应用于全球卫星导航系统（包括我国BeiDou、美国GPS、欧盟Galileo等系统）接收信号的分析处理，通过实时监测评估接收导航信号质量，评估系统服务性能，评估卫星生命周期中各种不可预料的异常情况，从而在系统试验期间给系统设计者提供可信的调试依据，在一定程度上对保证卫星导航系统的完好性做出贡献。

附图说明

图1为数据接收与处理流程示意图；

图2为信号质量评估流程图；

图3为码片模拟畸变和数字畸变示意图，其中，（a）为数字畸变，（b）为模拟畸变，（c）为混合畸变；

图4为GPS不同卫星相关峰比较示意图；

图5为星座图参数测量原理示意图；

图中：横坐标表示同向分量，纵坐标表示正交风量；O表示理想坐标原点；A表示理想星座点；B表示实测星座点；O’表示偏移的原点；OA’表示参考的理想矢量；OC表示理想幅度；CB’表示幅度误差，AB’表示误差矢量；OO’表示误差矢量原点偏移；Rad表示相位误差；

图6为实测信号星座图；

图7为实测信号眼图；

图8为眼图参数计算结果显示；

图9为时域波形异常与自相关函数畸变示意图，其中，（a）为码片时域波形异常，(b)为自相关函数畸变。

具体实施方式

本发明解决其技术问题所采用的技术方案主要包括以下步骤：

步骤一：利用较高增益（天线增益大于20dBi）的天线接收导航卫星下行信号；

步骤二：导航卫星下行信号经过低噪声放大后均分为三路；

步骤三：信号单项要素监测与评估：

其中一路信号分配到标准测量设备，对信号的功率、带宽、中心频点、调制特性、波形特性进行实时监测。

第二路信号经过信号采集（为较高精度离线分析，采样频率需大于等于150MHz，位数大于等于14位）并存储到数据磁盘阵列。

另外一路送入监测接收机。

步骤四：信号综合分析与评估。

本发明主要涉及以下五个方面的内容，其中步骤三的主要内容为关键点1至关键点4，步骤四的主要内容为关键点5。

关键点1：利用频谱仪对单载波进行监测；技术效果：连续几天或几周观测载波连续性、相位跳变和功率跳变情况，由这些参数的抖动情况分析卫星发射功率稳定性，若抖动范围比较大，则认为信号功率稳定性较差。

关键点2：利用标准测量仪器对扩频信号实时监测；技术效果：实时监测通道功率、带外杂散、频谱谱线、调制信号包络、相位翻转点、信号星座图、载波相位正交误差、IQ幅度误差、IQ原点偏移、码片正确性、载波频率误差变化曲线、相位变化曲线，将参数实测结果与ICD公布参数指标相比较，判断接收导航信号的稳定性及调制性能。若实测结果超出ICD公布参数指标，则认为信号存在畸变。

关键点3：利用监测接收机对接收机观测量进行实时监测；技术效果：通过对码伪距、载波相位、C/N0、多普勒频移、电文校验信息等参数的实时监测，评估码伪距稳定性、载波相位稳定性、相同频点不同支路测距码间的一致性、不同频点相同支路测距码间的一致性、接收导航信号多普勒频移变化是否正常，以及电文翻转情况等，评估接收导航信号是否存在畸变。若实测结果超出ICD公布参数指标，则认为信号存在畸变。

关键点4：接收信号单项要素评估方法；技术效果：通过对载波特性（频率、功率、波形及幅度、杂波抑制、谐波抑制等）、测距码特性（码长、波形、数字畸变和模拟畸变、速率、正确性和相关性等）、导航电文（电文速率、电文正确性、校验信息等）、调制方式（信号谱线、带宽、调制信号包络、眼云图、矢量信号散点图、IQ载波相位正交误差、IQ幅度误差、EVM、相关峰曲线波形、S曲线偏差等）四个方面单项要素的分析，判断接收导航信号各单项要素指标是否符合要求，从而评估接收信号质量。

关键点5：接收信号综合性能评估方法；技术效果：通过对测距性能（载波相位及其稳定性）、功率（卫星发射EIRP）、相干性能（测距码与载波、测距码与二次码、测距码与电文之间的相干性）、码多径性能（码多径误差）、载波多径（载波多径误差）、多路复用性能（复用前后单路信号功率损耗和测距码波形）、捕获跟踪解调性能的评估，再加上关键点4中各单项要素评估结果，与ICD公布指标相比较，综合判断接收信号各项要素指标是否符合要求。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

步骤一：接收信号。

如附图1所示。首先，利用较高增益（天线增益大于20dBi）的天线接收导航卫星下行信号；

步骤二：线路分配。

如附图1所示。天线接收的卫星下行信号经过三路；

步骤三：数据采集，信号监测与评估。

如附图1所示：

（一）其中一路信号经过标准测量设备，详见附图1所示。对信号的功率、频谱、调制信号翻转点、信号星座图、矢量图、眼图、信号相位轨迹图、IQ原点偏移、波形特性实时监测。

具体监测方法：

（1）利用频谱仪MARKER功能，标定单载波峰值，自动记录功率读数，可监测单载波功率；利用频谱仪MARKER功能，标定单载波最高波峰值，自动记录频率读数，可监测单载波频率；利用频谱仪观测信号频谱图，分别利用MARKER标定信号功率和被测频率偏移点功率，通过计算其差值来评估相位噪声和杂波抑制。

（2）将频谱仪设置为信号通道功率测量，连续观测通道功率值。计算一段时间内信号功率稳定性；利用频谱仪观测接收信号频谱，分别利用MARKER标定信号功率和被测频率偏移点功率，计算其差值，分析信号带外杂散能量分布；利用频谱仪观测接收信号频谱，并标记占总功率99%的信号带宽；利用频谱仪统计卫星设计带宽内的信号功率，统计二倍设计带宽内的信号功率，计算信号带外能量分布；利用频谱仪采集信号频谱，比对与标准谱线差异。

（3）利用示波器在标准1pps触发下，观测调制信号翻转点变化。

（4）利用矢量信号分析仪解调信号，得到信号星座图、矢量图、眼图、信号相位轨迹图、IQ原点偏移、波形特性。

（二）另外一路信号进入监测接收机，如附图1所示。对接收卫星下行信号码伪距、载波相位、C/N0、多普勒频移、电文校验信息实时监测。

具体监测方法：利用监测接收机连续几天或几周内监测伪距观测量，观察是否存在伪距跳变，考察其稳定性；连续监测载波相位观测量，观察是否存在相位跳变，考察其连续性；连续监测C/N0观测量，观察是否存在跳变；连续监测多普勒频移观测量，观察是否存在跳变或异常；连续监测导航电文校验信息，验证校验信息的正确性。对于扩频码信号质量的监测，主要是利用测量型监测接收机输出的多相关器值，以及宽窄相关测距值的互相符合性，检测输入导航信号相关峰变形等情况，以确定卫星信号是否存在畸变。

（三）第三路信号经过高性能信号采集设备采集（为较高精度离线分析，采样频率需大于等于150MHz，位数大于等于14位），如附图1所示。并存储到数据磁盘阵列，离线分析软件调取采集的数据，分析接收信号各单项要素性能。导航信号质量评估处理流程详见附图2。具体评估方法如下：

（1）载波质量评估

利用高采样率示波器，监测载波信号波形，查找并记录相位突变点和功率变化情况，评估载波幅度变化情况和相位连续性；

利用高精度频谱仪Marker功能，测量单载波信号功率，根据通道功率标校结果，推算天线口面接收功率；再利用常用大气衰减模型，计算卫星天线出口信号功率。在卫星发射条件允许的情况下，连续几天或几周观测单载波信号功率，评估其稳定性；

利用高精度频谱仪，观测卫星发射带宽内信号功率分布情况，记录较高能量点功率值，并测量谐波抑制与杂波抑制。

（2）测距码质量评估

对采集的数据首先完成多普勒频移和相位预估、干扰剔除、通道均衡，然后剥离载波和子载波，复现信号的码片波形，比对标准码片波形，判断码片波形是否存在畸变，包括模拟畸变和数字畸变等；详见附图3。

A.数字畸变表现形式：扩频码正负码形宽度不一致，相关峰扩展；

数字畸变原因：星上基带处理器异常。

B.模拟畸变表现形式：基带码形抖动失真，相关峰扭曲变形；

模拟畸变原因：星上发射机基带滤波或射频滤波异常。

C.混合畸变表现形式：正负码形宽度不一致且出现抖动失真，相关峰扭曲扩展；

混合畸变原因：基带码产生器异常，射频滤波异常。

统计不同卫星测距码的数字畸变程度，然后同图显示，比较各星测距码的数字畸变差异。以GPS卫星为例：1）各星PRN码的数字畸变都不是0，各星的码都不理想；2）PRN 14码的数字畸变最大，约4.5ns。越是之前发的星，数字畸变越小。若假设其他各星都是理想的，都无数字畸变，而其中某星数字畸变为10ns，则将会产生SPS测距误差约1.6米，对于差分用户来说将会约6厘米。由于接收机滤波器和一些残留的多径效应，相关峰并不是对称的。然而对于相同的信号，这种影响应该是相同的。但是从GPS分析结果发现：

a）不同卫星的相关峰不一样；

b）PRN14与其他的不同。而相关峰可以体现模拟畸变和数字畸变。

例如GPS测距码，由于不同的码相关所得的相关峰斜率可能不同，所以有如下公式进行归一化：

$R\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1-\left|(1-k)\mathrm{\τ}\right|& \left|\mathrm{\τ}\right|\≤T_c\\ k& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(1\right)$

_(ζ)→(1)R(τ)＝_(ζ)→(1)R(τ)+|τ|(k₁-k_ζ)    （2）

其中

k₍₀₎＝-65/1023

k₍₁₎＝-/1023

k₍₂₎＝-63/1023

表1 GPS各星测距码的类型：

类型	描述	PRN编号
			0	“窄”	8,22
1	“正常”	1,2,3,4,5,6,9,10,11,12,13,14,16,18,19,20,23,25,26,27,28,29,30,31,31
			2	“宽”	7,15,17,21,24

若假设星上引入的畸变用h_sv表示，地面接收引入的畸变用h_rx表示：

R_rx(τ)＝h_sv*h_rx*R(τ)        （3）

我们可以将不同卫星的相关峰同图显示，如图4所示。从图中可以看出：

a）由于热噪声和多径引起的畸变在这些峰上可以忽略。因为高增益天线是比较干净的测量。

b）这些相关峰都是有限带宽的。由于GEO  星发射链路上的2.2MHz的滤波器，GEO卫星的圆形相关峰是预料中的。然而一些GPS相关峰中也出现较明显的圆形。

c）每个相关峰的畸变程度不一。由于天线引入的滤波，实际相关峰与理想三角峰有一定的偏离是正常的。然而，相关峰对称性的明显不同只能由各卫星的信号滤波和发射特性的不同来解释。

相关峰不对称所产生的影响可以用跟踪误差来衡量。由于绝对跟踪误差必须由理想无畸变的峰作为参考来计算，所以我们可以计算出对于单一相关器间隔的各种PRN码的相对跟踪误差。对于任意相关器间隔d，可以由下式较容易的计算出早减晚跟踪误差τ：

τ(d)＝arg{R_rx(τ-d/2)-R_rx(τ+d/2)＝0}                （4）

若所有卫星的信号畸变完全相同，则得出的跟踪误差随相关器间隔的变化曲线应该是重叠的。变化大的表明较大的测距误差。

对采集的数据首先进行预处理完成多普勒频移和相位预估、干扰剔除、通道均衡后，进行数据解调，恢复测距码。然后计算实际测距码与本地码之间的相关，各星相关曲线同图显示，比较各星测距码的相关域性能。

（3）电文评估

对采集的数据首先进行预处理完成多普勒频移和相位预估、干扰剔除、通道均衡后，剥离载波、子载波，测距码与二次编码，复现电文波形，评估其电文速率与设计要求是否相符；比对监测接收机电文信息与标准电文信息，若发生错误，记录实际接收到的电文信息，并指示发生错误的位置，统计误码率。

（4）调制方式评估

A.星座图、矢量图、相位轨迹图和IQ偏移评估

星座图是I/Q平面上状态位置的极坐标映射，表示所有允许符号的有效位置。星座图在符号判定时时序点处用围绕(相当于一族)其理想位置的圆环(旋转)图形状态来揭示寄生号。理论上，星图当是几个定点。但实际系统受到各种干扰和噪声的影响，从而造成状态的弥散(每个状态周围的点分散开)。符号在星座状态周围“转圈”，表明可能有寄生信号或干扰信号。星座图具体参数计算如图5所示：

矢量图表示状态以及状态之间的过渡。在矢量图上由原点向某一点画出的矢量对应于那一瞬间的瞬时功率，即表示出状态过渡期间的功率电平。

相位轨迹图又称为格形图，用于映射被测信号或理想(参考)信号的相位随时间的变化(每个符号的相位轨迹)。例如MSK(最小移频键控)信号具有恒定幅度、但要改变相位以传输信息。相位轨迹图常用来表征这些信号，因为它们能映射每个符号上的相位过渡和轨迹。

IQ偏移也称为“IQ原点偏移”，是相对于在检测判决点上己调载波幅度的载波馈通信号幅度。载波馈通是用来产生调制信号的IQ调制器平衡情况的标志。调制器的不平衡导致载波馈通，并在解调IQ信号上表现为直流偏置。IQ偏移量用来测量带有模拟IQ调制器的本振馈通。它可以表示为坐标图中零点的偏移。如果没有本振馈通(本振100%抑制)，那么/IQ偏移为零。

图6给出QPSK调制信号实测星座图，在显示星座图的同时，将根据实测数据统计RMS EVM、最坏情况下EVM、第95%EVM、IQ载波相位正交误差、IQ幅度不平衡度等参数。

（1）相位误差

理想情况下，同相分量和正交分量之间的夹角是90度。但由于受传输通道及滤波器等的影响，信号的I路与Q路之间夹角不再是正交，这个角度与90度理想角度之差即为相位误差。

（2）I/Q幅度不平衡度

接收到的信号必定会有一定程度的失真。若表现在幅度上，同向支路和正交支路就会与理想信号波形幅度有偏差，这就是I/Q幅度偏差。但是I、Q支路的幅度偏差常常不同，所以需要一个参数来衡量这种不平衡度。I/Q幅度不平衡度的计算表达式如下：设复信号为S,其实部为SR，虚部为SI，则I/Q幅度不平衡度为Aimbla：

Aimbla=20*log10(|SR|/|SI|)                    (5)

（3）EVM

EVM(误差向量幅度)，是在一个给定时刻，理想无误差信号与实际发射信号间的向量差。因为在每个符号变化时它在不断的变化，这个参数EVM定义为误差向量在一段时间内的RMS值，即平均误差矢量信号功率与平均参考信号功率之比的均方根。计算公式为：

$\mathrm{EVM}=100\%\×\sqrt{\frac{\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\δI}}_j^2+{\mathrm{\δQ}}_j^2)}{S_{\max }^2}}---\left(6\right)$

其中δI,δQ是由损伤引起的接收的数据点和理想的相位图的点的误差，N是在数据抽样中的捕获点数。S_max是理想相位图最远状态的矢量幅度。

EVM越大说明信号受干扰越大，恢复出的信号误差越大，反之则干扰小，信号误差小。EVM表示了发射信号的调制质量。大EVM值将导致糟糕的检测精度，从而降低收发机的性能。

B.眼图评估

I和Q眼图是另一种常用的分析显示，这两种图仅仅是I幅度随时间的变化与Q幅度随时间变化的映射，就像这些波形是出现在符号定时瞬间触发的示波器上。眼图对于数字信号传输系统给出了很有用的情况，它能直观地表明码间串扰和噪声的影响，能直接评价一个数字调制信号中基带信号的性能优劣。

实测QPSK调制信号眼图如图7所示，在显示眼云图的同时，将自动根据实测数据统计眼图张开度、“眼皮”厚度、噪声容限、交叉点发散度、正负极性不对称度、眼图左右斜率不平衡度、过零点幅度、眼图上升时间和下降时间统计值、眼图信噪比、时延抖动性能、眼图宽度等参数，如图8所示。其中几个不太常用参数的计算方法如下：

（1）眼图张开度

眼图张开度是指在最佳抽样点处眼图幅度的“张开”程度。无畸变眼图的开启度为100%。计算公式为：

(U-2·ΔU)/U其中U＝U₊+U_-                    (7)

（2）“眼皮”厚度

“眼皮”厚度是指在最佳抽样点处眼图幅度的闭合部分与最大幅度之比，无畸变眼图的“眼皮”厚度为0。表达为：2·ΔU/U。

（3）交叉点发散度

交叉点发散度是指眼图波形过零点交叉线的发散程度。表达式为：ΔT/T_s。无畸变眼图的交叉发散度为0。

（4）正负极性不对称度

正负极性不对称度是指在最佳抽样点处眼图正、负幅度不对称的程度。它的表达式为：|(U₊-U_-)|/|U₊+U_-|。无畸变眼图的极性不对称度为0。

（5）眼图左右斜率不平衡度

眼图左右斜率不平衡度也即眼图上升沿与下降沿的斜率的差。理想情况下眼图的左右斜率不平衡度为零，但是由于信号发生畸变，可能会使得这个值不为零，从而可能会导致信号相关时偏移大于一个码片的互相关值不为零，并对相关损耗的计算也有影响。

C.相关性评估

码片波形失真的影响不仅表现在相关输出幅度衰减上，它还会引起相关函数的变形，信号发生异常造成的伪距误差可以直接体现在接收机处理过程中相关函数的异常。卫星有效载荷的软硬件异常可能导致信号码片波形产生畸变（包括数字畸变和模拟畸变）。因此，监测信号的互相关函数是信号质量监测的一项重要内容。如果信号相关峰产生畸变，对于不同的超前减滞后码间距将会产生不同的伪距误差，从而对不同的应用产生了不同的影响。

卫星有效载荷的软硬件异常可能导致信号码片波形产生畸变，如附图9(a)所示。图中虚线为正常的码片波形，实线为异常的码片波形，可以看出，异常信号的码片下降沿比正常信号要延迟Δ，且有‘振铃’现象出现。这种异常将导致信号的互相关函数出现畸变，如附图9(b)所示，从而直接会影响到伪距精度。

对采集的数据首先进行预处理完成多普勒频移和相位预估、干扰剔除、通道均衡后。恢复各信号分量的码片波形，使其与理想码进行相关运算，得到相关函数，从而进一步评估相关函数的对称性、相关损耗、S曲线偏差。

评估参数计算方法如下：

a．相关函数

归一化互相关函数的定义下式所示，画出其随本地码延迟变化的曲线图：

$\mathrm{CCF}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{S}_{\mathrm{BB}-\mathrm{PreProc}}\left(t\right)\·S_{\mathrm{Ref}}^{*}(t-\mathrm{\ϵ})\mathrm{dt}}{\sqrt{\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|S_{\mathrm{BB}-\mathrm{PreProc}}\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}\right)\·\left(\underset{0}{\overset{T_p}{\∫}}{\left|S_{\mathrm{Ref}}\left(t\right)\right|}^2\mathrm{dt}\right)}}---\left(8\right)$

其中，S_BB-PrePooc为已经下变频和载波多普勒去除等预处理的基带信号；参考信号S_Ref为本地接收机产生的理想基带复制码信号；积分时间T_p对应参考信号主码周期。

b．相关损耗

计算在相关处理中有用信号功率相对于所接收信号的全部可用功率的损耗：

$P_{\mathrm{CCF}}\left[\mathrm{dB}\right]={\max }_{\underset{\mathrm{all\ϵ}}{\mathrm{over}}}(20\·{\log }_{10}\left(\right|\mathrm{CCF}\left(\mathrm{\ϵ}\right)\left|\right))---\left(9\right)$

c．S曲线偏差

理想情况下，接收机码环鉴相曲线（S曲线）的过零点（即码环的锁定点）应位于码跟踪误差为零处，而实际上由于信道传输失真、多径等的影响会引起码环锁定在相位有偏差的地方。以具有代表性的非相干超前减滞后功率型鉴相器为例，设其相关器的超前滞后间距为δ，则其S曲线的算式为：

$\mathrm{SCurve}(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\δ})={\left|\mathrm{CCF}(\mathrm{\ϵ}-\frac{\mathrm{\δ}}{2})\right|}^2-{\left|\mathrm{CCF}(\mathrm{\ϵ}+\frac{\mathrm{\δ}}{2})\right|}^2---\left(10\right)$

锁定点偏差ε_bias(δ)满足

SCurve(ε_bias(δ),δ)＝0                    （11）

S曲线偏差的定义为：

$\mathrm{SCB}={\max }_{\underset{\mathrm{all\δ}}{\mathrm{over}}}\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{bias}}\left(\mathrm{\δ}\right)\right)-{\min }_{\underset{\mathrm{all\δ}}{\mathrm{over}}}\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{bias}}\left(\mathrm{\δ}\right)\right)---\left(12\right)$

由式（11）和式（12）可画出接收信号鉴相曲线锁定点偏差ε_bias(δ)随超前—滞后间距δ的变化曲线。

步骤四：综合分析与评估。将各路信号的分析结果比较与综合，全面评估接收到的卫星下行信号质量。具体评估方法如下：

（1）功率评估

在进行卫星发射信号EIRP测试时，由运控系统控制卫星导航载荷分别输出单载波和扩频调制信号，分别测量这两种条件下的EIRP。根据天线提供方位俯仰角度测量数据，利用已知的地面站的增益值、场放增益和精密星历计算卫星到测试站的距离，折算成路径衰减，估算出卫星下行EIRP值。

卫星EIRP稳定度测试：连续一段时间测量EIRP值，将测量值送给计算机统计处理，得到该段时间内EIRP值的稳定度。

（2）相干性评估

A.测距码与载波之间的相干性

测距码和载波都基于同一时钟源产生。正常情况下，它们之间应该是严格相干的，测距码和载波存在确定的相位关系。即使星钟存在偏差和频漂，载波频率与码速率之比也严格等于标称值。为了评估载波相位和测距码的相干性，可以对载波和测距码独立跟踪（解除载波环对码环的辅助耦合）：若载波多普勒累积量与码多普勒累积量（均换算为单位：米）相等，则测距码和载波严格相干；载波多普勒累积量与码多普勒累积量（均换算为单位：米）差异越大，则测距码和载波的相干性越弱。具体计算方法如下：

在[t,t+T]时间间隔内，利用Lj和Lk范围内的载波作为电离层修正计算出的频率Li上的码载波发散性，被定义为：

${\mathrm{CCD}}_{\mathrm{Lj},\mathrm{Lk}}^{\mathrm{Li}}(t,t+T)=P{R}_{\mathrm{Li}}(t+T)-{\mathrm{PR}}_{\mathrm{Li}}\left(t\right)-[{\mathrm{CR}}_{\mathrm{Li}}(t+T)-{\mathrm{CR}}_{\mathrm{Li}}\left(t\right)]-2{\left(\frac{f_{L1}}{f_{\mathrm{Li}}}\right)}^2\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{Lj},\mathrm{Lk}}(t,t+T)---\left(13\right)$

其中：ΔI_Lj，Lk(t,t+T)是[t,t+T]时间间隔内L1频率上电离层迟延的差值，该差值是从双重Lj和Lk载波幅度的差别中计算出来的。比如：

${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{Lj},\mathrm{Lk}}(t,t+T)=\frac{{\mathrm{CR}}_{\mathrm{Lj}}(t+T)-{\mathrm{CR}}_{\mathrm{Lj}}\left(t\right)-[{\mathrm{CR}}_{\mathrm{Lk}}(t+T)-{\mathrm{CR}}_{\mathrm{Lk}}\left(t\right)]}{1-{\left(\frac{f_{\mathrm{Lj}}}{f_{\mathrm{Lk}}}\right)}^2}---\left(14\right)$

根据前面已经定义的

和从t1到t2所观测到的GPS卫星轨道，如果下述条件均满足，那么码与载波t+T时刻是存在一致性的。100≤T≤7200，t₁≤t≤t₂-T， ${\mathrm{CCD}}_{\mathrm{Lj},\mathrm{Lk}}^{\mathrm{Li}}(t,t+T)>6.1m---\left(15\right)$

上述条件中的参数定义如下：

t=time in seconds,t＝1,2,3…,                    （16）

Li∈{L1,L1C,L2,L5}，（指明符号类型，L1(L1-C/A),L1C,L2(L2C)或者L5均可）

Lj∈{L1,L1C}（Lj代表L1(L1-C/A)或者L1C）

Lk∈{L2,L5}（Lk代表L2(L2C)或者L5）

PR_Li(t)＝Li表示t时刻的伪距（PR_Lj(t)和PR_Lk(t)均表示伪距）

CR_Li(t)＝Li表示t时刻的载波幅度（carrier range）

f_Li＝Li表示以Hz为单位的频率

B.频间测距码间的相干性

频间测距码相干性是双频伪码观测精确定位的前提。在双频电离层时延修正处理过程中，频间测距码定时偏差会传播到组合伪距观测量中，并且定时偏差的作用会以一定的比例放大。以GPSL1（1575.42MHz）和L2（1227.6MHz）为例，频间测距码定时偏差的放大系数约为4，10ns的频间测距码定时偏差会带来12米伪距误差。

利用各频点码伪距的一致性，评估卫星信号调制和发射过程中的不同频点码之间的相对时延。在一致性评估之前应该对各伪距观测量去除电离层误差。计算公式如下：

$\begin{array}{cc}{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_i={\mathrm{\ρ}}_i+{\mathrm{\λ}}_i^2\frac{{\mathrm{\Φ}}_j-{\mathrm{\Φ}}_i}{{\mathrm{\λ}}_j^2-{\mathrm{\λ}}_i^2}& {\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_j={\mathrm{\ρ}}_j+{\mathrm{\λ}}_j^2\frac{{\mathrm{\Φ}}_i-{\mathrm{\Φ}}_j}{{\mathrm{\λ}}_i^2-{\mathrm{\λ}}_j^2}---\left(17\right)\end{array}$

$\mathrm{\Δ\ρ}={\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_i-{\widetilde{\mathrm{\ρ}}}_j---\left(18\right)$

ρ_i，ρ_j表示无电离层误差和有电离层误差的码伪距，j表示不同于i的频率。Φ_i和Φ_j是以距离为单位的载波相位观测值，波长分别为λ_i和λ_j；

为双频电离层误差修正值。

C.测距码和电文之间相干性

正常情况下，主码第一码片上升沿位置与电文编码符号上升沿位置严格对齐，接收机相干积分时间（码环、载波跟踪环和解调）与主伪码周期对齐。若主码与电文编码符号之间出现定时偏差，相干积分时间内可能出现电文编码符号翻转，带来相关损耗。

对采集的数据进行干扰剔除后，首先进行预处理，然后进行解调后，解除参考信号电文编码符号解调与主码的耦合关系，采用独立的环路对编码符号进行跟踪，以解扩（主码和二次编码）后的信号作为编码符号跟踪环的输入，估计电文编码符号上升沿时刻，即可计算出定时偏差。

（3）多径性能评估

各频点多路径计算公式如下：

$M_i=P_i-{\mathrm{\Φ}}_i+{2\mathrm{\λ}}_i^2\frac{{\mathrm{\Φ}}_j-{\mathrm{\Φ}}_i}{{\mathrm{\λ}}_j^2-{\mathrm{\λ}}_i^2}+\mathrm{\ϵ}---\left(19\right)$

其中，M_i是码伪距P_i的多路径效应，ε表示P_i的噪声；Φ_i和Φ_j是以距离为单位的相位观测值，波长分别为λ_i和λ_j；j表示不同于i的频率，

为电离层误差。对多频的北斗而言，j可以有多种选择，但对多路径效应的计算影响不大。上式计算结果M_i包含了码多路径误差、载波相位多路径误差与载波相位观测噪声，载波相位的多路径效应和观测噪声远小于码的多路径效应和观测噪声，在上式中忽略不计。根据上述计算结果，统计多径误差均值、多径误差标准差、多径误差概率分布、多径误差谱。

（4）信号多路复用性能评估

对采集的数据首先进行预处理完成多普勒频移和相位预估、干扰剔除、通道均衡后，剥离载波。恢复各信号分量的码片波形，使其与理想码进行相关运算，得到相关函数。计算各路信号的相关损耗，分析单路信号的有用功率衰减。

对频谱可分离的多路信号，利用带通滤波器在频域范围内分离信号。观察信号的码片波形，并比对ICD文件检查测距码正确性。对采集的信号观察时域包络，考察其恒包络性能。剥离载波，观测复用后的信号波形，比对理想情况下多路复用信号波形，考察波形是否存在畸变。

（5）接收性能评估

对采集的数据首先进行预处理完成多普勒频移和相位预估、干扰剔除、通道均衡后，送入软件接收机。软件接收机输出载波剥离后，恢复的各信号分量码片波形，使其与理想码进行相关运算，得到相关函数，进一步评估相关函数多峰之间幅度与相位关系。

利用软件接收机对信号数据进行处理，软件接收机输出捕获环路、PLL、DLL和解调结果。考察在空间环境下，信号相关曲线在码偏移和频率偏移情况下的幅度、相位变化。考察PLL和DLL环路输出收敛特性和稳定性。考察信号电文编码性能和误码率。

Claims (4)

1.一种高性能导航卫星空间信号的检测方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一：利用天线接收导航卫星下行信号；

步骤二：导航卫星下行信号经过低噪声放大后分为三路；

步骤三：一路信号分配到标准测量设备，对信号的功率、带宽、中心频点、调制特性、波形特性进行实时监测；第二路信号进行信号采集并存储；第三路送入监测接收机；

步骤四：将测距性能、功率、相干性能、码多径性能、载波多径、多路复用性能和捕获跟踪解调性能的评估与ICD公布指标相比较，综合判断接收信号各项要素指标是否符合要求；所述的测距性能包括载波相位及其稳定性，所述的功率是指卫星发射EIRP，所述的相干性能包括测距码与载波、测距码与二次码、测距码与电文之间的相干性，所述的码多径性能是指码多径误差，所述的载波多径是指载波多径误差，所述的多路复用性能包括复用前后单路信号功率损耗和测距码波形。

2.根据权利要求1所述的高性能导航卫星空间信号的检测方法，其特征在于：所述的步骤一中使用的天线增益大于20dBi。

3.根据权利要求1所述的高性能导航卫星空间信号的检测方法，其特征在于：所述的步骤三中信号采集的采样频率需大于等于150MHz，位数大于等于14位。

4.根据权利要求1所述的高性能导航卫星空间信号的检测方法，其特征在于：所述的步骤三中，

利用频谱仪监测单载波在设定的时间周期内的参数的抖动情况，参数包括载波连续性、相位跳变和功率跳变情况，若抖动范围大于设定值，则认为信号功率稳定性较差；

利用标准测量仪器对扩频信号的参数实时监测，参数包括通道功率、带外杂散、频谱谱线、调制信号包络、相位翻转点、信号星座图、载波相位正交误差、IQ幅度误差、IQ原点偏移、码片正确性、载波频率误差变化曲线和相位变化曲线，将参数实测结果与ICD公布指标相比较，若实测结果超出ICD公布指标，则认为信号存在畸变；

利用监测接收机对接收机观测量进行实时监测，包括码伪距、载波相位、C/N0、多普勒频移、电文校验信息，若实测结果超出ICD公布指标，则认为信号存在畸变；

通过对载波特性、测距码特性、导航电文和调制方式四个方面单项要素的分析，判断接收导航信号各单项要素指标是否符合设定的指标要求，从而评估接收信号质量；所述的载波特性包括频率、功率、波形及幅度、杂波抑制和谐波抑制，所述的测距码特性包括码长、波形、数字畸变和模拟畸变、速率、正确性和相关性，所述的导航电文包括电文速率、电文正确性和校验信息，所述的调制方式包括信号谱线、带宽、调制信号包络、眼云图、矢量信号散点图、IQ载波相位正交误差、IQ幅度误差、EVM、相关峰曲线波形和S曲线偏差。

Images