CN103278825B - 一种卫星导航信号质量评估参数的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星导航信号质量评估参数的确定方法，卫星导航信号质量评估参数包括Gabor带宽、矢量误差幅度EVM、幅度误差、相位误差、伪码一致性、相位偏差、相关损失、S曲线偏移和时延稳定性。通过改变理想伪码的生成方式，不仅能够评估通用的扩频信号，如BPSK、QPSK等，而且能够评估各种特殊类型的导航信号，如BOC、AltBoc、Td-AltBoc和TMBOC等；通过伪码相位和载波相位的高精度估计，能够对导航信号的各评估项进行高精度测评，可满足导航卫星有效载荷测试的需要。

Description

一种卫星导航信号质量评估参数的确定方法

技术领域

本发明涉及一种卫星导航信号质量评估参数的确定方法，属于卫星导航技术领域。

背景技术

在导航卫星有效载荷的研制过程中，为验证导航信号的正确性、考察信号生成过程引入的失真，需要一种卫星导航信号质量评估方法；在导航卫星在轨运行过程中，为监测卫星播发的导航信号质量，也需要一种导航信号质量评估方法。

目前，可以通过以下方法来进行卫星导航信号质量评估：

方法1，利用通用矢量信号分析仪的方法；

方法2，利用硬件或软件接收机的方法；

方法3，利用基带信号采集的方法。

然而，通过上述3种方法进行导航信号质量评估，存在如下问题：（1）仅能对通用的扩频信号，如BPSK、QPSK等进行评估，无法评估特殊类型的导航信号，如AltBoc、TMBOC等。（2）评估精度较低，仅能满足监测卫星播发的导航信号的需要，无法满足导航卫星有效载荷测试的需要；（3）仅能评估部分指标项，无法评估相关损失、S曲线偏移等技术指标。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星导航信号质量评估参数的确定方法，可对各种类型的导航进行评估，可提高评估精度，且具有更广的评估范围，可对相关损失、S曲线偏移等指标进行评估。

本发明的技术解决方案是：

一种卫星导航信号质量评估参数的确定方法，所述卫星导航信号质量评估参数包括Gabor带宽、矢量误差幅度EVM、幅度误差、相位误差、伪码一致性、相位偏差、相关损失、S曲线偏移和时延稳定性；

具体步骤如下：

（1）设定采样频率f_s，利用卫星导航信号生成时钟源，生成采样时钟信号和秒脉冲信号，对所述卫星导航信号进行同源采样，得到采样后的导航信号；

（2）利用采样后的导航信号，进行导航信号的功率谱计算，并计算Gabor带宽；

（3）计算采样后的导航信号中每一路伪码相对于采样起始时刻的时延和每一路伪码的载波相位，所述伪码相对于采样起始时刻的时延即为伪码相位；

（4）利用步骤（3）得出的载波相位，生成余弦和正弦载波，剥离导航信号中的载波，得到I路基带导航信号和Q路基带导航信号，绘出眼图和星座图，计算导航信号的矢量误差幅度EVM、幅度误差和相位误差；

（5）利用步骤（3）得出的伪码相位，计算多路伪码相位差，确定伪码一致性；

（6）利用步骤（3）得出的载波相位，计算多路载波相位差，计算信号分量的相位偏差；

（7）利用步骤（3）得出的伪码相位和步骤（4）得到的基带导航信号，计算相关损失；

（8）利用步骤（4）得出的基带导航信号，绘制导航信号的相关峰曲线，计算S曲线偏移；

（9）对秒脉冲上升沿到来后的每次采集的数据都利用上述步骤（3）计算伪码相位，得到24小时的伪码相位，利用24小时的伪码相位计算时延稳定性。

步骤（1）所述的进行同源采样，包括以下步骤：

（a）利用频率综合器和所述利用导航信号生成的时钟源，生成步骤（1）所述的频率为f_s正弦信号；

（b）将频率为f_s正弦信号接入射频信号采集设备，作为射频信号采集设备的时钟信号；

（c）利用波形发生器和导航信号生成的时钟源，生成秒脉冲信号，秒脉冲是周期为1秒的两电平信号；

（d）将秒脉冲信号接入射频信号采集设备，作为采集设备的触发信号；

（e）启动采集设备；

（f）设置采集模式：

（i）当秒脉冲上升沿到来时，开始采集；

（ii）采集时间为两倍的被测导航信号的伪码周期；

（iii）采样频率为f_s；

（iv）采样结束后，将采集到得数据存盘，等待下一次秒脉冲上升沿的到来，开始下一次采集；

（v）整个采集持续时间大于24小时。

步骤（3）所述的计算导航信号中每一路伪码的载波相位和伪码相位，

包括以下步骤：

（3.1）设置伪码相位和载波相位的迭代步长；

（3.2）进行载波相位计算，具体步骤如下：

（3.2.1）根据载波相位迭代步长，设置具有不同的初始相位的余弦载波和正弦载波，与待测信号进行混频；

（3.2.2）混频后的两路信号通过数字低通滤波器，得到I路基带信号和Q路基带信号，低通滤波器的带宽设定为导航信号带宽的1.5倍；

（3.2.3）生成伪随机码，和步骤（3.2.2）得到的I路基带信号和Q路基带信号分别进行相关运算，得到I路相关函数和Q路相关函数；

（3.2.4）将步骤（3.2.3）得到的I路相关函数和Q路相关函数相加，抵消两路相关函数中的互相关部分；

（3.2.5）将两路相关函数的和函数作为似然函数，进行最大似然估计，得出载波相位的最大似然估计值；

（3.3）计算导航信号中每一路伪码的伪码相位步骤如下：

（A）利用步骤（3.2）得到的余弦载波相位，剥离导航信号中的载波，得到基带导航信号；

（B）根据伪码相位迭代步长，设置具有不同的初始相位的伪码和步骤（3.2.1）中得到的基带导航信号进行相关，得到相关函数；

（C）将步骤（3.2.2）得到的相关函数作为似然函数，进行最大似然估计，得出伪码相位的最大似然估计值；

（3.4）判断伪码相位和载波相位的精度是否满足导航信号质量评估的精度要求，若满足方法结束，若不满足，将伪码相位和载波相位的迭代步长缩小为原来的0.1倍后，转入步骤（3.2）。

所述步骤（5）中确定伪码一致性具体为：以多路伪码中任意一路为参考，该路伪码相位与其它各路伪码相位相减，差值的最大值作为伪码一致性。

所述步骤（9）中计算时延稳定性具体为：

（5.1）利用步骤（3）得到24小时的伪码相位，相位值个数为86400；

（5.2）将24小时的伪码相位以100点为单位，顺序进行分组，得到864个组；

（5.3）求每一组内100点伪码的平均值，得到864个平均值；

（5.4）将这864个平均值的最大值减去最小值，差值作为时延稳定性。

本发明与现有技术相比的优点是：

（1）通过改变理想伪码的生成方式，不仅能够评估通用的扩频信号，如BPSK、QPSK等，而且能够评估各种特殊类型的导航信号，如BOC、AltBoc、Td-AltBoc和TMBOC等。

（2）通过伪码相位和载波相位的高精度估计，能够对导航信号的各评估项进行高精度测评，可满足导航卫星有效载荷测试的需要。

（3）可对导航信号功率谱、眼图、星座图、EVM、幅度误差、相位误差、伪码一致性、信号分量相位偏差、相关损失和S曲线偏移等各项性能指标进行评估，指标覆盖性更广。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明中的伪码相位和载波相位估计方法流程图；

图3为载波相位估计中生成似然函数的方法流程图。

具体实施方式

卫星导航信号质量评估参数包括Gabor带宽、矢量误差幅度EVM、幅度误差、相位误差、伪码一致性、相位偏差、相关损失、S曲线偏移和时延稳定性；

如图1所示，本发明提供的卫星导航信号质量评估参数的确定方法，具体步骤如下：

（1）设定采样频率f_s，利用卫星导航信号生成时钟源，生成采样时钟信号和秒脉冲信号，对所述卫星导航信号进行同源采样，得到采样后的导航信号；

步骤（1）所述的进行同源采样，包括以下步骤：

（a）利用频率综合器和所述利用导航信号生成的时钟源，生成步骤（1）所述的频率为f_s正弦信号；

（b）将频率为f_s正弦信号接入射频信号采集设备，作为射频信号采集设备的时钟信号；

（c）利用波形发生器和导航信号生成的时钟源，生成秒脉冲信号，秒脉冲是周期为1秒的两电平信号；

（d）将秒脉冲信号接入射频信号采集设备，作为采集设备的触发信号；

（e）启动采集设备；

（f）设置采集模式：

（i）当秒脉冲上升沿到来时，开始采集；

（ii）采集时间为两倍的被测导航信号的伪码周期；

（iii）采样频率为f_s；

（iv）采样结束后，将采集到得数据存盘，等待下一次秒脉冲上升沿的到来，开始下一次采集；

（v）整个采集持续时间大于24小时；

（2）利用采样后的导航信号，进行导航信号的功率谱计算，并计算Gabor带宽，导航信号的功率谱估计可采用welch周期图法，但并不局限于该方法；

（3）计算采样后的导航信号中每一路伪码相对于采样起始时刻的时延和每一路伪码的载波相位，所述伪码相对于采样起始时刻的时延即为伪码相位；

计算导航信号中每一路伪码的载波相位和伪码相位，如图2所示，包括以下步骤：

（3.1）设置伪码相位和载波相位的迭代步长；

（3.2）进行载波相位计算，具体步骤如下：

（3.2.1）根据载波相位迭代步长，设置具有不同的初始相位的余弦载波和正弦载波，与待测信号进行混频；

（3.2.2）混频后的两路信号通过数字低通滤波器，得到I路基带信号和Q路基带信号，低通滤波器的带宽设定为导航信号带宽的1.5倍；

（3.2.3）生成伪随机码，和步骤（3.2.2）得到的I路基带信号和Q路基带信号分别进行相关运算，得到I路相关函数和Q路相关函数；

（3.2.4）将步骤（3.2.3）得到的I路相关函数和Q路相关函数相加，抵消两路相关函数中的互相关部分；

（3.2.5）将两路相关函数的和函数作为似然函数，进行最大似然估计，得出载波相位的最大似然估计值；

载波相位校正是为了去除由于码的互相关引入的载波相位测量偏差。载波相位校正有两种方法：

（一）公式校正法：采用如下公式对载波相位估计值进行校正

$\mathrm{\Δ\θ}=\arctan \left\{\frac{\mathrm{Cor}(Q,I)}{\mathrm{Cor}(I,I)}\right\}=\arctan \left\{\frac{\mathrm{Cor}(I,Q)}{\mathrm{Cor}(Q,Q)}\right\}$

其中，Δθ为校正量；其中I代表同向支路各信号分量的合路，Q代表正交支路的各信号分量的合路，Cor(·)代表相关运算。

（二）设计特殊的载波跟踪环路消除互相关的影响，参见图3。

（3.3）计算导航信号中每一路伪码的伪码相位步骤如下：

（A）利用步骤（3.2）得到的余弦载波相位，剥离导航信号中的载波，得到基带导航信号；

（B）根据伪码相位迭代步长，设置具有不同的初始相位的伪码和步骤（3.2.1）中得到的基带导航信号进行相关，得到相关函数；

（C）将步骤（3.2.2）得到的相关函数作为似然函数，进行最大似然估计，得出伪码相位的最大似然估计值；

码相位估计结果校正是为了去除由于码的互相关引入的测量偏差。为此，在各路信号采用的扩频码已经选定的情况下，可事先计算出各路信号的扩频码的互相关引入的码相位测量偏差，并形成表格，在进行信号质量测试时，查表校正测试结果。

（3.4）判断伪码相位和载波相位的精度是否满足导航信号质量评估的精度要求，若满足方法结束，若不满足，将伪码相位和载波相位的迭代步长缩小为原来的0.1倍后，转入步骤（3.2）；

（4）利用步骤（3）得出的载波相位，生成余弦和正弦载波，剥离导航信号中的载波，得到I路基带导航信号和Q路基带导航信号，绘出眼图和星座图，计算导航信号的矢量误差幅度EVM、幅度误差和相位误差；

调制信号的矢量误差幅度EVM计算方法为：

$\mathrm{EVM}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{|{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{real}}^n-{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{ideal}}|}^2}$

幅度误差的计算方法为：

$E_{\mathrm{amp}}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{real}}^n|-|{\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{ideal}}\left|\right|}^2}$

相位误差的计算方法为：

$E_{\mathrm{pha}}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{|\mathrm{pha}\left({\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{real}}^n\right)-\mathrm{pha}\left({\stackrel{\→}{S}}_{\mathrm{ideal}}\right)|}^2}$

（5）利用步骤（3）得出的伪码相位，计算多路伪码相位差，确定伪码一致性；

确定伪码一致性具体为：以多路伪码中任意一路为参考，该路伪码相位与其它各路伪码相位相减，差值的最大值作为伪码一致性；

（6）利用步骤（3）得出的载波相位，计算多路载波相位差，计算信号分量的相位偏差；由于卫星导航信号的生成采用数字中频调制技术，同一载波上调制的码在数字信号生成时已经对齐，而且同一路载波上的各路伪码首先合并后，再进行载波调制。此时，要衡量信号分量的相位偏差，不需考虑码相位的关系，仅需要衡量I路和Q路信号的载波相位偏差。因此，对于数字中频信号生成方式来说，要衡量信号分量的相位偏差，仅需考虑I路载波和Q路载波的相位关系。

（7）利用步骤（3）得出的伪码相位和步骤（4）得到的基带导航信号，计算相关损失；

单路信号或合路信号相关损失的计算方法为：

$\mathrm{CL}\left[\mathrm{dB}\right]=P_{\underset{{\mathrm{Ideal\; S}}_{\mathrm{BB}-\mathrm{PreProc}}}{\mathrm{CCF}}}\left[\mathrm{dB}\right]-P_{\underset{{\mathrm{Real}S}_{\mathrm{BB}-\mathrm{PreProc}}}{\mathrm{CCF}}}\left[\mathrm{dB}\right]$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\underset{{\mathrm{IdealS}}_{\mathrm{BB}-\mathrm{PreProc}}}{\mathrm{CCF}}}\left[\mathrm{dB}\right]=\max \left(20{\log }_{10}\right|{\mathrm{CCF}}_{{\mathrm{IdealS}}_{\mathrm{BB}-\mathrm{PreProc}}}\left(\mathrm{\ϵ}\right)\left|\right)\\ P_{\underset{{\mathrm{Real}S}_{\mathrm{BB}-\mathrm{PreProc}}}{\mathrm{CCF}}}\left[\mathrm{dB}\right]=\max \left({201\mathrm{og}}_{10}\right|{\mathrm{CCF}}_{{\mathrm{Real}S}_{\mathrm{BB}-\mathrm{PreProc}}}\left(\mathrm{\ϵ}\right)\left|\right)\end{array}\right.$

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

S_BB-PreProc(t)为下变频处理后的基带信号，S_ref(t)为参考信号，T_P为积分周期，长度等于码周期的整数倍。

（a）对于单路信号：

●S_ref(t)为理想基带信号；

●S_{Ideal-PreProc}(t)为从理想信号中恢复的基带合路信号；

●S_Real-PreProc(t)为从实测信号中恢复的基带合路信号。

（b）对于合路信号：

●S_ref(t)为理想的低通等效基带合路信号；

●S_{Ideal-PreProc}(t)为从理想信号中恢复的基带合路信号；

●S_Real-PreProc(t)为从实测信号中恢复的基带合路信号；

（8）利用步骤（4）得出的基带导航信号，绘制导航信号的相关峰曲线，计算S曲线偏移；

首先计算码鉴别器的S曲线：

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

其中，δ为相干间隔。SCurve(ε_bias(δ),δ)=0时的ε_bias(δ)为码环收敛时的码相位。

信号的SCB值的计算方法为：

SCB(δ)=ε_bias(δ)-ε_bias(0)

（9）对秒脉冲上升沿到来后的每次采集的数据都利用上述步骤（3）计算伪码相位，得到24小时的伪码相位，利用24小时的伪码相位计算时延稳定性；

计算时延稳定性具体为：

（9.1）利用步骤（3）得到24小时的伪码相位，相位值个数为86400；

（9.2）将24小时的伪码相位以100点为单位，顺序进行分组，得到864个组；

（9.3）求每一组内100点伪码的平均值，得到864个平均值；

（9.4）将这864个平均值的最大值减去最小值，差值作为时延稳定性。

Claims (3)

1.一种卫星导航信号质量评估参数的确定方法，其特征在于：所述卫星导航信号质量评估参数包括Gabor带宽、矢量误差幅度EVM、幅度误差、相位误差、伪码一致性、相位偏差、相关损失、S曲线偏移和时延稳定性；

具体步骤如下：

(1)设定采样频率f_s，利用卫星导航信号生成时钟源，生成采样时钟信号和秒脉冲信号，对所述卫星导航信号进行同源采样，得到采样后的导航信号；

(2)利用采样后的导航信号，进行导航信号的功率谱计算，并计算Gabor带宽；

(3)计算采样后的导航信号中每一路伪码相对于采样起始时刻的时延和每一路伪码的载波相位，所述伪码相对于采样起始时刻的时延即为伪码相位；

步骤(3)所述的计算导航信号中每一路伪码的载波相位和伪码相位，包括以下步骤：

(3.1)设置伪码相位和载波相位的迭代步长；

(3.2)进行载波相位计算，具体步骤如下：

(3.2.1)根据载波相位迭代步长，设置具有不同的初始相位的余弦载波和正弦载波，与待测信号进行混频；

(3.2.2)混频后的两路信号通过数字低通滤波器，得到I路基带信号和Q路基带信号，低通滤波器的带宽设定为导航信号带宽的1.5倍；

(3.2.3)生成伪随机码，和步骤(3.2.2)得到的I路基带信号和Q路基带信号分别进行相关运算，得到I路相关函数和Q路相关函数；

(3.2.4)将步骤(3.2.3)得到的I路相关函数和Q路相关函数相加，抵消两路相关函数中的互相关部分；

(3.2.5)将两路相关函数的和函数作为似然函数，进行最大似然估计，得出载波相位的最大似然估计值；采用如下公式对载波相位估计值进行校正

$\mathrm{\Δ\θ}=\arctan \left\{\frac{\mathrm{Cor}(Q,I)}{\mathrm{Cor}(I,I)}\right\}=\arctan \left\{\frac{\mathrm{Cor}(I,Q)}{\mathrm{Cor}(Q,Q)}\right\}$

其中，Δθ为校正量；其中I代表同向支路各信号分量的合路，Q代表正交支路的各信号分量的合路，Cor(·)代表相关运算；

(3.3)计算导航信号中每一路伪码的伪码相位步骤如下：

(A)利用步骤(3.2)得到的余弦载波相位，剥离导航信号中的载波，得到基带导航信号；

(B)根据伪码相位迭代步长，设置具有不同的初始相位的伪码和步骤(3.2.1)中得到的基带导航信号进行相关，得到相关函数；

(C)将步骤(3.2.2)得到的相关函数作为似然函数，进行最大似然估计，得出伪码相位的最大似然估计值；

(3.4)判断伪码相位和载波相位的精度是否满足导航信号质量评估的精度要求，若满足方法结束，若不满足，将伪码相位和载波相位的迭代步长缩小为原来的0.1倍后，转入步骤(3.2)；

(4)利用步骤(3)得出的载波相位，生成余弦和正弦载波，剥离导航信号中的载波，得到I路基带导航信号和Q路基带导航信号，绘出眼图和星座图，计算导航信号的矢量误差幅度EVM、幅度误差和相位误差；

(5)利用步骤(3)得出的伪码相位，计算多路伪码相位差，确定伪码一致性；

(6)利用步骤(3)得出的载波相位，计算多路载波相位差，计算信号分量的相位偏差；

(7)利用步骤(3)得出的伪码相位和步骤(4)得到的基带导航信号，计算相关损失；

(8)利用步骤(4)得出的基带导航信号，绘制导航信号的相关峰曲线，计算S曲线偏移；

(9)对秒脉冲上升沿到来后的每次采集的数据都利用上述步骤(3)计算伪码相位，得到24小时的伪码相位，利用24小时的伪码相位计算时延稳定性；

所述步骤(9)中计算时延稳定性具体为：

(9.1)利用步骤(3)得到24小时的伪码相位，相位值个数为86400；

(9.2)将24小时的伪码相位以100点为单位，顺序进行分组，得到864个组；

(9.3)求每一组内100点伪码的平均值，得到864个平均值；

(9.4)将这864个平均值的最大值减去最小值，差值作为时延稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号质量评估参数的确定方法，其特征在于：步骤(1)所述的进行同源采样，包括以下步骤：

(a)利用频率综合器和所述利用导航信号生成的时钟源，生成步骤(1)所述的频率为f_s正弦信号；

(b)将频率为f_s正弦信号接入射频信号采集设备，作为射频信号采集设备的时钟信号；

(c)利用波形发生器和导航信号生成的时钟源，生成秒脉冲信号，秒脉冲是周期为1秒的两电平信号；

(d)将秒脉冲信号接入射频信号采集设备，作为采集设备的触发信号；

(e)启动采集设备；

(f)设置采集模式：

(i)当秒脉冲上升沿到来时，开始采集；

(ii)采集时间为两倍的被测导航信号的伪码周期；

(iii)采样频率为f_s；

(iv)采样结束后，将采集到得数据存盘，等待下一次秒脉冲上升沿的到来，开始下一次采集；

(v)整个采集持续时间大于24小时。

3.根据权利要求1所述的一种卫星导航信号质量评估参数的确定方法，其特征在于：所述步骤(5)中确定伪码一致性具体为：以多路伪码中任意一路为参考，该路伪码相位与其它各路伪码相位相减，差值的最大值作为伪码一致性。