CN105659932B - 一种导航信号发射通道绝对时延的测试方法 - Google Patents
一种导航信号发射通道绝对时延的测试方法Info
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Abstract
一种导航信号发射通道绝对时延的测试方法，首先对导航信号发射通道输出的微波信号和导航基带发生器产生的秒脉冲信号进行直接微波采样；随后对微波采样信号进行下变频得到数字中频调制信号；然后对数字中频调制信号进行时域抽取，形成多路时分数字信号；接下来，对所有多路时分数字信号分别进行扩频相关测距，得到每路时分数字信号的伪码起始点对应在微波直接采样数据中的采样点序号，序号最小值为实际伪码起始点；对秒脉冲信号的采样值进行处理，得到秒脉冲信号上升沿对应的采样点序号作为时延基准点；实际伪码起始点与时延基准点的差值与采样周期的乘积再减去测试电缆时延，得到导航信号发射通道的绝对时延。<pb pnum="1" />
Description
技术领域
本发明涉及一种导航信号发射通道绝对时延的测试方法，可用于导航卫星地面测试过程中民用导航信号发射通道绝对时延的精密测量，也可用于导航信号上行注入测试设备、导航卫星运控系统上行注入设备通道的时延精密标定。
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。卫星导航定位系统应用领域非常广泛，包括：航空导航、海上导航、陆上导航；航天器测控定位；地图测绘、建立地理信息系统(GIS)；时间传递；电离层对流层气象学研究应用等方面。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。
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。现有的导航卫星发射通道时延获取方法是：发射通道各单机生产商提供单机级时延，卫星发射通道时延是将各单机和电缆时延进行累加得到。这种方法中，各单机和电缆的测量时延误差将累积到总时延误差中，从而带来较大的测量误差。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种测量精度高、占用硬件资源少的导航信号发射通道绝对时延的测试方法。
本发明的技术解决方案是：一种导航信号发射通道绝对时延的测试方法，步骤如下：
(1)对导航信号发射通道的输出微波信号和导航基带发生器产生的秒脉冲信号进行双通道直接微波采样，各采样点按照时间先后顺序编号；采样频率不小于导航信号发射通道输出的微波信号频率的两倍，采样时间不小于导航信号的一个扩频码周期；
(2)根据导航信号微波载波中心频率的大小，确定下变频的本振频率信号，并对导航信号发射通道直接微波采样的信号进行数字域混频和数字低通滤波，得到数字下变频后的数字中频调制信号；
(3)根据数字中频调制信号的中心频率和带宽，确定抽取率，对数字中频调制信号进行时域抽取处理，形成多路时分数字信号；
(4)对所有的多路时分数字信号分别进行扩频相关测距，将每路时分数字信号中的最大相关峰值点作为该路时分数字信号的伪码起始点，然后根据抽取率和各路时分数字信号的时延关系，求取所有伪码起始点对应直接微波采样时采样点的序号，其中序号最小值作为实际伪码起始点；
(5)对秒脉冲信号的采样值进行处理，得到秒脉冲信号上升沿对应的采样点序号作为时延基准点；
(6)计算实际伪码起始点与时延基准点之差，该差值与采样周期的乘积就是包含测试电缆时延的导航信号发射通道绝对时延，再减去测试电缆时延后，得到导航信号发射通道的绝对时延。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法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，提高了测量精度；
(2)本发明方法采用数字下变频将导航调制信号变频到中频，这样可以实现数字抽取的多相技术，对中频数据进行时分多路，然后每一路进行扩频信号的相关捕获，得到每路时分数字信号的伪码起始点在该路时分数字信号数据中样本的序号，大大降低了扩频信号的相关捕获运算量，运算量降低为抽取率的平方分之一，由此可以减少硬件资源占用；
(3)本发明方法中对各抽取的时分多路进行扩频相关测距时，只需要进行信号的捕获，不需要进行信号跟踪。由于当前的导航卫星发射信号民用伪随机码周期为ms级，而导航卫星的发射通道绝对时延为百ns级，两者相差1000以上，一个码周期内的伪码起始点的确定就可以满足发射通道绝对时延测试要求，不存在整伪码周期时延的模糊；
(4)本方法的测量精度取决于测试电缆的校准精度和A/D采样分辨率，由于采用矢量网络分析仪校准电缆，A/D参考时钟频率高于微波调制信号两倍以上，因此本方法具有高的测量精度。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为本发明实施例中A/D后载波调制的导航信号频谱；
图3为本发明实施例中载波调制的导航信号数字下变频和低通滤波器后的频谱；
图4为本发明实施例中信号抽取成50个数组后任意一个数组中信号的频谱；
图5为本发明实施例中第5路时分数字信号扩频相关处理的峰值；
图6为本发明实施例中第19路和第32路时分数字信号的扩频测距相关值曲线；
图7为本发明实施例中各路时分数字信号扩频相关测距后得到的伪码起始点在A/D采样数据中的序号。
具体实施方式
如图1所示，为本发明方法的流程框图。本发明方法主要包括高速双通道A/D同步采样和数字域信号处理两大部分。高速双通道A/D同步采样对导航卫星下行发射的载波调制导航信号和导航信号生成器产生的秒脉冲信号进行高速同步采样，随后对采样后的数据进行数字信号处理得到导航信号发射通道绝对时延。数字域信号处理主要包括数字下变频、FIR低通滤波、抽取的时分多路、每路时分数字信号的扩频相关测距、发射信号时延点确定、秒脉冲信号上升沿点确定和发射通道绝对时延获取。
本发明方法的主要步骤如下：
(1)用高速A/D数据采集设备对导航信号发射通道的输出微波信号和导航基带发生器产生的秒脉冲信号进行双通道直接微波采样，采样频率不低于导航发射通道输出微波信号频率两倍，采样的数据长度不低于导航信号的一个扩频码周期；
(2)根据导航信号微波载波中心频率的大小，确定下变频的本振信号，对发射通道直接微波采样的导航信号进行数字域混频、FIR数字低通滤波得到数字下变频后的数字中频调制信号；该处理过程的目的是形成低中频的数字采样数据，便于后续的数字抽取，防止信号的频谱混叠带来的干扰和失真。
(3)根据数字下变频后的数字中频信号中心频率和带宽，确定抽取率，对数字中频调制信号进行时域抽取处理，形成多路时分数字信号，相邻的多路信号相互时延量为一个样本点。抽取时分多路的目的是降低扩频相关测距的运算量，运算量降低为抽取率的平方分之一。
(4)对所有的多路时分数字信号分别进行扩频相关测距，每路时分数字信号中最大相关峰值点作为该路时分数字信号的伪码起始点，然后根据抽取率和各路时分数字信号的时延关系，求取所有伪码起始点对应直接微波采样时采样点的序号，其中序号最小值为实际伪码起始点。
设待处理数据总长度为N，抽取率为D，第i路时分数字信号中伪码起始点序号为m，则第i路中的伪码起始点对应到A/D采样数据中的序号为：(m-1)×N/D+i。
假定直接采样的信号序列如下，待处理数据长度N＝16，其中C2对应的是实际伪码起始点。
抽取后形成四路时分数字信号，D＝4，分别扩频相关测距，然后求取各路时分数字信号伪码起始点对应的在直接采样信号中的序列号。
(5)得到秒脉冲信号上升沿对应的采样点序号作为时延基准点；
(6)导航基带发生器产生的秒脉冲信号上升沿总是与导航信号的一个伪码周期起始点一致，计算实际伪码起始点与时延基准点之差，该差值与采样周期的乘积再减去测试电缆时延后，就得到了导航信号发射通道的绝对时延。
测试中可能产生的误差因素分析如下：
(1)高速A/D参考时钟的准确度。在数据处理中，对A/D两个通道采样点进行差分处理，从而消除了A/D参考时钟的准确度误差，误差仅取决于参考时钟的短期稳定度，假定参考时钟秒稳定度可达1e-10，伪随机码的周期为1e-3s，则造成的测量误差为2e-13s，该误差可忽略。
(2)测试电缆时延标效误差：采用矢量网络分析器校正电缆时延，测试误差小于0.1ns。
(3)A/D采样器的时间分辨率误差，该误差量为采样周期。
(4)考虑到环境温度和测试设备转接头的影响因素，测量误差小于0.1ns。
综合上述测量误差分析，总的测试误差小于(0.2ns+A/D采样周期)。
实施例
用一个导航信号源产生一个模拟的导航数据，载波频率1207.35MHz，两路扩频的BPSK信号，扩频码率分别为2.046MHz和10.23MHz，数据采样率5GSa/s，采样数据长度为1ms，采样数据量个数5e6。直接微波采样导航信号数据的频谱如图2所示。
对采样后的数据进行数字下变频和FIR低通滤波，形成中心频率为12.14MHz的低中频调制的数字信号，其频谱如图3所示。
按抽取率为50对低中频调制的数字信号进行抽取，形成50路时分数字信号，任取其中一路数字信号进行观察，其频谱如图4所示。
对各路时分数字信号分别进行扩频相关测距处理，搜索相关峰，各路信号扩频相关处理中的相关峰值对应于该路信号的伪码起始点，第5路时分数字信号的扩频相关处理的部分相关结果如图5所示，第19路和第32路时分数字信号的扩频相关处理的部分相关结果如图6所示。
根据抽取率和各路时分数字信号的时延关系，求取所有伪码起始点对应直接微波采样时采样点的序号，50路时分数字信号的各路伪码起始点对应在微波直接采样数据中的采样点序号如图7所示，其中第22路伪码起始点序号52371最小，为实际伪码起始点。第22路伪码起始点序号减去秒脉冲上升沿对应序号，得到的包含了测试电缆的下行发射通道绝对时延长为2369个样本点，采样率为5GSa/s，则包含了测试电缆的下行发射通道绝对时延为2369/5＝473.8ns。
在导航信号源输出中，增加一根用矢量网络分析仪标校的电缆，电缆时延为41.3ns，重复以上描述方法，得到的包含了测试电缆的下行发射通道绝对时延长度为2575个样本点，绝对时延量变为515.0ns，增加量为41.2ns，与标校电缆时延一致。
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 (1)
1.一种导航信号发射通道绝对时延的测试方法，其特征在于步骤如下：
(1)对导航信号发射通道的输出微波信号和导航基带发生器产生的秒脉冲信号进行双通道直接微波采样，各采样点按照时间先后顺序编号；采样频率不小于导航信号发射通道输出的微波信号频率的两倍，采样时间不小于导航信号的一个扩频码周期；
(2)根据导航信号微波载波中心频率的大小，确定下变频的本振频率信号，并对导航信号发射通道直接微波采样的信号进行数字域混频和数字低通滤波，得到数字下变频后的数字中频调制信号；
(3)根据数字中频调制信号的中心频率和带宽，确定抽取率，对数字中频调制信号进行时域抽取处理，形成多路时分数字信号；
(4)对所有的多路时分数字信号分别进行扩频相关测距，将每路时分数字信号中的最大相关峰值点作为该路时分数字信号的伪码起始点，然后根据抽取率和各路时分数字信号的时延关系，求取所有伪码起始点对应直接微波采样时采样点的序号，其中序号最小值作为实际伪码起始点；
(5)对秒脉冲信号的采样值进行处理，得到秒脉冲信号上升沿对应的采样点序号作为时延基准点；
(6)计算实际伪码起始点与时延基准点之差，该差值与采样周期的乘积就是包含测试电缆时延的导航信号发射通道绝对时延，再减去测试电缆时延后，得到导航信号发射通道的绝对时延。
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN105659932B true CN105659932B (zh) | 2014-01-22 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107063584A (zh) * | 2017-04-22 | 2017-08-18 | 中南大学 | 一种锅炉管泄漏判别与定位方法 |
| CN106226793B (zh) * | 2016-07-29 | 2019-01-15 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种在轨导航信号iq相位一致性标定方法 |
| CN115776312A (zh) * | 2023-02-13 | 2023-03-10 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种面向星地高精度微波时频传递的信号体制设计方法 |
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