CN104502923A - 一种机场gnss监测接收系统信号质量监测的方法 - Google Patents

一种机场gnss监测接收系统信号质量监测的方法 Download PDF

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张朝柱
王赫宇
柳佳
燕慧智
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    • G01S19/00Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13Receivers
    • G01S19/20Integrity monitoring, fault detection or fault isolation of space segment

Abstract

本发明属于卫星导航系统的信号质量监测领域,具体涉及一种机场GNSS监测接收系统信号质量监测的方法。本发明包括:对地面接收机终端输出的卫星导航信号做载波平滑处理,用一个低通滤波器来消除码观测量和载波相位观测量之差的高频误差分量,降低码观测量之中的多径和热噪声误差;对经过平滑处理后的信号做差分矫正处理,利用接收机根据导航电文结算出的位置信息减去接收机精确的地理位置信息,得出差分矫正值;判断有无异常信息,相关峰畸变说明存在异常信息及时排除;将排除异常的差分矫正信息通过上行数据链发送至机载终端,协助机载接收机完成高精度定位。本发明能够有效减小飞机进场时发生故障的概率。

Description

-种机场GNSS监测接收系统信号质量监测的方法
技术领域
[0001] 本发明属于卫星导航系统的信号质量监测领域,具体设及一种机场GNSS监测接 收系统信号质量监测的方法。
背景技术
[000引 全球卫星导航系统 GNSS (Global P^Javigation Satell ite System,)克服了传统 无线电导航系统的不足,实现了全天候、全球范围的连续高精度的导航定位功能,目前已广 泛应用于交通管理与运输、大地测量、移动通信、航海、航空等多个领域,在我们日常生活中 发挥了很重要作用。但目前尤其在航空飞行方面还没有得到普遍采用,主要原因是当前的 卫星导航系统(如GI^S系统)在精度、完好性、连续性及可用性四个方面还不能够满足飞机 所有飞行阶段的需求,完好性监测主要对导航空间信号W及地面设备本身可能出现的异常 情况进行监视,保证导航系统的完好性。其中,SQM(Si即al Quality Monitoring,信号质量 监测)可对导航电文进行跟踪,W保证该卫星传送的测距码没有发生崎变,使机载用户免 于卫星信号异常或形变引起灾难性信息误导。根据机场GNSS监测接收系统信号质量完好 性监测需求,进而开展对卫星导航系统信质量监测的相关峰监测算法的研究。
[0003] 对接收到的观测量进行信号质量监测,对可能出现的故障建立S种模型,分别为 码片延迟、码片衰减震荡及二者的混合,根据相关峰监测原理,通过相关峰波形可初步判断 故障类型。信号质量监测能够有效减小故障发生的概率,首次将该技术应用于民用航空中, 提高民航飞机进近的安全性和可靠性,对自主研发新一代空中交通管理系统具有十分重要 的意义,通过对北斗卫星导航系统的监测接收,为我国自主卫星导航系统在空管中的应用 奠定基础。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种减小飞机进场时发生故障的概率机场GNSS监测接收 系统信号质量监测的方法。
[0005] 本发明的目的是该样实现的:
[0006] (1)对地面接收机终端输出的卫星导航信号做载波平滑处理,用一个低通滤波器 来消除码观测量和载波相位观测量之差的高频误差分量,降低码观测量之中的多径和热噪 声误差;
[0007] (2)对经过平滑处理后的信号做差分矫正处理,利用接收机根据导航电文结算出 的位置信息减去接收机精确的地理位置信息,得出差分矫正值;
[000引 (3)判断有无异常信息,相关峰崎变说明存在异常信息及时排除;
[0009] (4)将排除异常的差分矫正信息通过上行数据链发送至机载终端,协助机载接收 机完成高精度定位。
[0010] 步骤(4)中多相关接收机的相关器输出多个本地伪码与接收信号的相关间 距的相关值,超前相关器的输出值表示为1_,,滞后相关器的输出值表示为I,,其中X = 1,2,…,N,其中N表示为多相关器对个数,用超前与滞后相关器的差值与参考值的差值来 评估:
[0011]
Figure CN104502923AD00041
[001引其中,I_uf与I uf为超前与滞后相关器的输出值;
[0013] 用超前与滞后相关器的差值与参考值的差值来评估相关峰是否崎变,实时监测的 值与参考值超过规定范围就判定为相关峰崎变,监测到的信号存在异常,利用多普勒去除 原理对接收的数字信号进行处理,计算本地理想码序列参考信号与处理得到的基带信号分 量归一化互相关:
[0014]
Figure CN104502923AD00042
[00巧]式中,SBB_PrePr。。表示基带信号经累加平均处理后的结果;S Kef表示理想基带复制码 信号,它是由本地接收机产生的参考信号;Tp表示积分时间,e和t表示时间变量,在相关 处理中有用信号功率相对于接收到的全部可用信号功率的损耗,即相关损耗,
[0016]
Figure CN104502923AD00043
[0017] 本发明的有益效果在于:
[0018] 本发明将卫星导航信号质量监测算法应用于机场GNSS监测接收系统中,能够监 测卫星传送的测距码是否发生异常,将异常信息传送至下一数据处理单元,完成后续的故 障检测及排除,使得地面系统提供给机载系统的信息不含有危险和异常信息,该技术能够 有效减小飞机进场时发生故障的概率。
附图说明
[0019] 图1是延迟0.3个码片的相关函数,从仿真图可W看出,由于码片下降沿的延迟, 造成相关峰出现平顶现象。
[0020] 图2是码片波形衰减震荡的相关函数,由仿真图可W看出,由于码片波形的衰减 振荡使得相关峰出现变形现象,异常信号的幅度低于正常信号幅度。
[0021] 图3是即存在码片延迟又存在码片波形衰减震荡现象从图可W看出,由于码片波 形的衰减振荡和延迟使得相关峰出现多峰现象。
[0022] 图4是本发明的流程图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对本发明做进一步描述。
[0024] 本发明的技术方案根据相关峰监测原理,在信号跟踪过程中复现信号的自相关 峰。相关峰测试主要采用多相关器技术,本次设计主要采用软件接收机的方法,在跟踪环路
Figure CN104502923AD00044
Figure CN104502923AD00045
Figure CN104502923AD00046
中增加多组相关器。多相关的监测接收机是附加N路相关器通道,每路通道的相关器与即 时通道相关器保持固定的码片间距,从而监测通道可W输出接收信号与本地信号不同码片 间距的相关值,通过判断该些相关值组成的相关峰的对称性与平滑性来判断信号是否出现 异常。流程图如图4:
[0025] 步骤一;对地面接收机终端输出的卫星导航信号做载波平滑处理,用一个低通滤 波器来消除码观测量和载波相位观测量之差的高频误差分量,W降低码观测量之中的多径 和热噪声误差。
[0026] 步骤二;对经过平滑处理后的信号做差分矫正处理,利用接收机根据导航电文结 算出的位置信息减去接收机精确的地理位置信息,得出差分矫正值。
[0027] 步骤根据相关峰监测原理,判断有无异常信息,相关峰崎变说明存在异常信息 及时将其排除。
[002引步骤四:将排除异常的差分矫正信息通过上行数据链发送至机载终端,协助机载 接收机完成高精度定位。
[0029] 其中,多相关接收机的相关器输出多个本地伪码与接收信号的相关间距的相关 值,超前相关器的输出值表示为1_,,滞后相关器的输出值表示为I,,其中X = 1,2,…,N,其 中N表示为多相关器对个数,把该些相关值W某种准则组合起来,判断数据是否正确。本次 设计采用A测试准则,该准则是对相关峰的对称性的性能进行计算,用超前与滞后相关器 的差值与参考值的差值来评估,其公式为
[0030]
Figure CN104502923AD00051
(4-1)
[0031] 其中,I_uf与I uf为超前与滞后相关器的输出值。
[0032] 用超前与滞后相关器的差值与参考值的差值来评估相关峰是否崎变,实时监测的 值与参考值超过规定范围就判定为相关峰崎变,监测到的信号存在异常。
[0033] 此外,作为衡量导航性能的重要指标之一的相关损耗相关函数也可W用来判断相 关峰是否出现异常。其判断方法是;利用多普勒去除原理对接收的数字信号进行处理,计算 本地理想码序列参考信号与处理得到的基带信号分量归一化互相关,如式(4-2)。 (4-2)
[0034]
[00对式中,SBB_PrePr。。表示基带信号经累加平均处理后的结果;S Kef表示理想基带复制码 信号,它是由本地接收机产生的参考信号;Tp表示积分时间,通常与参考信号的主码周期相 对应,e和t表示时间变量。在相关处理中有用信号功率相对于接收到的全部可用信号功 率的损耗,即相关损耗,如下式。
[0036]
Figure CN104502923AD00052
(4-3)
[0037] 其来源主要分为两个方面;一方面是由于多个频率信号分量被用到同一载频上所 致,另一方面是来源于信道限带和失真。
Figure CN104502923AD00053
Figure CN104502923AD00054
Figure CN104502923AD00055
[003引从附图中可W看出,本发明能够有效监测卫星导航信号异常,不仅可W从伪距差 分测试信号的崎变来进行判别,而且可W从相关损耗来评估相关峰的异常。相关峰崎变,说 明存在异常信号,则在该通道上产生一个标记。及时将该信息传送至下一数据处理单元,完 成后续的故障检测及排除,使得地面系统提供给机载系统的信息不含有危险和异常信息。
[0039] 实施例1
[0040] 步骤一;对地面接收机终端输出的卫星导航信号做载波平滑处理,用一个低通滤 波器来消除码观测量和载波相位观测量之差的高频误差分量,W降低码观测量之中的多径 和热噪声误差。
[004U 步骤二;对经过平滑处理后的信号做差分矫正处理,利用接收机根据导航电文结 算出的位置信息减去接收机精确的地理位置信息,得出差分矫正值。
[0042] 步骤根据相关峰监测原理,判断有无异常信息,相关峰崎变说明存在异常信息 及时将其排除。
[0043] 步骤四:将排除异常的差分矫正信息通过上行数据链发送至机载终端,协助机载 接收机完成高精度定位。
[0044] 多相关接收机的相关器输出多个本地伪码与接收信号的相关间距的相关值,超前 相关器的输出值表示为1_,,滞后相关器的输出值表示为I,,其中X = 1,2,…,N,其中N表示 为多相关器对个数。利用不同的相关间隔跟踪得到不同的伪距差A T (dl,d2)可W监测卫 星信号的崎变。信号正常时不同的相关间隔跟踪得到的伪距差为:
[0045] A 1謝。(化把)=TnMm(dl)-Tn"mW) (7 - 1)
[0046] 式中,Ar""""W=arg{K(r + ^^/2)-i?(r-d/2)=(},R(T+d/。和3(1-(1/。为相关峰 r 值,d、dl和d2表示距离变量。信号崎变时,A T 6W (dl,d2)代表测量信号的伪距差分:
[0047] Ar。"(化游)=啤诉" -d/2) = 〇} 巧_2) T
[0048] 伪距差分测试信号的崎变判别准则为:
[0049]
Figure CN104502923AD00061
(7-3)
[0050] 其中;MDE = (Kffd+Kj 0 test,。test为测试量的统计标准方差、K ffd为保证虚警概率 小于1(T3的常数、Kmd为保证露警概率小于1〇4的常数。当上式满足时可W认为信号发生了 崎变。
[0化1] 实施例2
[0052] 在实施例1的基础上增加了可W从相关耗损评估相关峰的异常。相关函数是衡量 导航性能的一个重要的指标。对接收的数字信号进行多普勒去除,得到基带信号分量,计算 其与本地理想码序列参考信号的归一化互相关,如下式;
Figure CN104502923AD00062
[0053]
Figure CN104502923AD00071
(7-4)
[0054] 式中,SBB_PuPr。。表示累加平均处理后的基带信号;参考信号S E。康示本地接收机产 生的理想基带复制码信号;积分时间Tp通常对应参考信号的主码周期,e是时间变量。
[0055] 相关损耗是与导航性能有关的非常重要的参数。相关损耗指的是在相关处理中有 用信号功率相对于所接收信号的全部可用功率的损耗;
[0化6]
Figure CN104502923AD00072
(7-5)
[0057] 主要有两个原因引起相关损耗;a)同一载频上复用了多个信号分量;b)由于信道 限带和失真所致。
Figure CN104502923AD00073
Figure CN104502923AD00074

Claims (2)

1. 一种机场GNSS监测接收系统信号质量监测的方法,其特征在于: (1) 对地面接收机终端输出的卫星导航信号做载波平滑处理,用一个低通滤波器来消 除码观测量和载波相位观测量之差的高频误差分量,降低码观测量之中的多径和热噪声误 差; (2) 对经过平滑处理后的信号做差分矫正处理,利用接收机根据导航电文结算出的位 置信息减去接收机精确的地理位置信息,得出差分矫正值; (3) 判断有无异常信息,相关峰畸变说明存在异常信息及时排除; (4) 将排除异常的差分矫正信息通过上行数据链发送至机载终端,协助机载接收机完 成高精度定位。
2. 根据权利要求1所述的一种机场GNSS监测接收系统信号质量监测的方法,其特征在 于,所述步骤(4)中多相关接收机的相关器输出多个本地伪码与接收信号的相关间距的相 关值,超前相关器的输出值表示为Lx,滞后相关器的输出值表示为Ix,其中X= 1,2,…,N, 其中N表示为多相关器对个数,用超前与滞后相关器的差值与参考值的差值来评估:
Figure CN104502923AC00021
其中,1^与I为超前与滞后相关器的输出值; 用超前与滞后相关器的差值与参考值的差值来评估相关峰是否畸变,实时监测的值与 参考值超过规定范围就判定为相关峰畸变,监测到的信号存在异常,利用多普勒去除原理 对接收的数字信号进行处理,计算本地理想码序列参考信号与处理得到的基带信号分量归 一化互相关:
Figure CN104502923AC00022
式中,Sbmmpm。表示基带信号经累加平均处理后的结果;SKrf表示理想基带复制码信号, 它是由本地接收机产生的参考信号;Tp表示积分时间,e和t表示时间变量,在相关处理中 有用信号功率相对于接收到的全部可用信号功率的损耗,即相关损耗,
Figure CN104502923AC00023
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