CN109100757B - 一种新型卫星导航信号的质量评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型卫星导航信号的质量评估方法，对导航信号的各个支路信号分别进行捕获、跟踪和解调处理，计算接收信号合成功率谱偏差，计算各支路分量的相关损失、S曲线过零点偏差、鉴相曲线斜率偏差以及信号分量间载波相位偏差，然后将实测信号的分析结果与其接口规范控制文件公布的指标进行比对，判断接收信号各项指标是否符合设计要求。本发明针对新型GNSS导航信号调制方式，提出了一套较完善的卫星导航信号质量评估方法，能够及时发现卫星生命周期中各种不可预料的异常情况，从而保障卫星导航系统的高可靠服务性能。

Description

一种新型卫星导航信号的质量评估方法
技术领域
本发明涉及一种卫星导航信号处理方法。
背景技术
作为全球卫星导航系统(GNSS)、地面运控以及用户终端之间的唯一接口，卫星导航信号的潜在性能直接决定了GNSS的PNT(定位、导航和授时)服务性能极限。如果卫星播发的导航信号本身存在缺陷，则即便是卫星系统的其它环节设计再优，整个导航系统在定位、测速、授时性能、抗干扰能力以及与其它系统的兼容与互操作性等关键性能上仍存在难以弥补的不足。对卫星播发的下行信号质量进行监测评估，可以实时评估导航系统服务性能，能够在系统试验期间给系统设计者提供可信的调试依据，从而保障卫星导航系统的完好性及可靠性。
近年来随着卫星导航系统的飞速发展，为了能够在最大程度上满足用户越来越高的需求，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和我国的北斗等各大卫星导航系统分别对其导航信号进行了现代化改进，于是出现了一批以BOC调制及其衍生方式为主的新型导航信号。相比传统卫星系统的BPSK或QPSK调制的导航信号，新型GNSS导航信号虽然有着众多优点，然而新信号的多路复用方式及宽带特性也进一步增加了信号设计及实现过程中的复杂性。导航信号在星上产生到信号发射和传播的整个过程中，任何故障或异常都可能导致播发的导航信号波形产生畸变，最终会导致接收机跟踪过程中相关峰曲线出现异常，从而对不同跟踪环路和不同鉴相器的接收机产生不同程度的跟踪误差和测距误差，严重情况下会对GNSS的PNT性能产生致命影响。
纵观国内外现有的导航信号质量评估方法，主要是针对GNSS传统BPSK或QPSK调制信号，而且传统方法已经比较成熟和全面，然而针对新型信号评估方法研究成果较少。目前对新型信号质量评估主要集中在时域波形和相关域两大方面，其中时域波形分析主要包括基于国际民航组织(ICAO)采取的传统BPSK信号畸变模型的扩展TMA/TMB/TMC模型；相关域分析主要是针对实测信号与本地复现测距码之间的相关曲线对称性、相关损失及S曲线过零点偏差方面的分析。目前我国北斗三号全球系统、Galileo系统以及GPS现代化系统均采用新体制导航信号，相比传统调制方式，新信号带宽更宽、调制方式更加复杂，这势必会对链路的幅度平衡性、各分量间相位关系、射频兼容性、宽带增益平坦度、宽带群时延平坦度、放大器非线性等诸多面提出了更高的要求，因此针对新型导航信号质量的评估将具有重要的科学研究价值和现实意义。然而目前国内外对于新信号的评估方法研究方面，缺少通用解析模型以及系统全面的分析方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针对新型GNSS卫星导航信号质量评估的方法，通过对频域的合成功率谱偏差、相关域的相关损失/S曲线过零点偏差/鉴相曲线斜率偏差、调制域的信号分量间载波相位偏差方面的深入分析，全面反映GNSS新型导航信号质量情况，从而为我国北斗全球导航卫星系统的信号设计和建设运行提供有价值的参考和技术支撑。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一，利用增益大于50dBi的接收导航卫星下行信号；信号经过低噪声放大器和接收通道后，到达同步数据采集设备；
步骤二，对导航信号进行数据采集，采样频率大于等于250MHz，采样位数大于等于14位，采样结果存储到数据磁盘阵列；
步骤三，对导航信号的各个支路信号分别进行捕获、跟踪和解调处理，计算接收信号合成功率谱偏差，计算各支路分量的相关损失、S曲线过零点偏差、鉴相曲线斜率偏差以及信号分量间载波相位偏差，然后将实测信号的分析结果与其接口规范控制文件公布的指标进行比对，判断接收信号各项指标是否符合设计要求。
所述的计算接收信号合成功率谱偏差包括以下步骤：利用Welch周期图法对导航信号进行重叠加窗估计其功率谱，假设导航信号x(n)的总长度为Len，总共分为M段，每段数据长度为N，重叠比例因子
Figure BDA0001811604200000021
取r＝0.5；对x(n)的各小段数据进行加窗处理，则各段信号的离散傅里叶变换
Figure BDA0001811604200000022
Welch周期图法的信号功率谱
Figure BDA0001811604200000023
得到信号功率谱之后，通过计算合成功率谱偏差稳定度和单调倾斜度来衡量信号频域性能；在信号主瓣带宽内，实测卫星信号功率谱PSDreal(nf)与设计信号功率谱PSDideal(nf)作差，得到合成功率谱偏差曲线Presidual(nf)，统计曲线标准差得到偏差稳定度Pstability，
Figure BDA0001811604200000031
其中，NTotal为指定带宽内实测信号功率谱采样点数；对合成功率谱偏差曲线做多项式拟合，计算以中心频点为中心两侧功率谱偏差的单调变化绝对值Pslop_left和Pslop_right，得到曲线单调倾斜度Pslop＝max(Pslop_left-Pslop_right)。
所述的计算各支路分量的相关损失包括以下步骤：根据信号设计情况仿真得到理想无失真信号，然后利用接收信号与接收机本地复现测距码做相关，获得接收信号相关峰最大值
Figure BDA0001811604200000032
理想信号与接收机本地复现测距码做相关，获得理想信号相关峰最大值
Figure BDA0001811604200000033
相关损失
Figure BDA0001811604200000034
所述的计算各支路分量的相关损失中，
Figure BDA0001811604200000035
Figure BDA0001811604200000036
SBBPreProc(t)为经过带宽为信号设计带宽滤波器后的实测基带信号；SRef(t)为经过带宽为信号设计带宽滤波器后本地参考信号；Tp为码周期。
所述的计算S曲线过零点偏差包括以下步骤：
设超前相关器与滞后相关器的间距为δ，即时相关器输出为P0，超前相关器输出为
Figure BDA0001811604200000037
滞后相关器输出为
Figure BDA0001811604200000038
则不同码跟踪环鉴相器的S曲线计算方法分别如下：
①非相干超前减滞后幅值鉴相器
Figure BDA0001811604200000039
②非相干超前减滞后功率鉴相器
Figure BDA0001811604200000041
③似相干点积功率鉴相器
Figure BDA0001811604200000042
④相干点积功率鉴相器
Figure BDA0001811604200000043
计算得到S曲线后，则锁定点偏差εbias(δ)计算方法为SCurve(εbias(δ),δ)＝0；绘制接收信号鉴相曲线锁定点偏差εbias(δ)随超前-滞后间距δ的变化曲线，即可得到S曲线过零点偏差曲线SCurveBias(δ)。
所述的计算鉴相曲线斜率偏差包括以下步骤：
S曲线过零点斜率
Figure BDA0001811604200000044
在不同相关器间隔下求解设计信号的S曲线过零点斜率，同时求解实测信号S曲线过零点斜率，将实际斜率曲线和理想斜率曲线对应点相除，即可获得鉴相曲线斜率偏差。
所述的计算信号分量间载波相位偏差包括以下步骤：
将同一组采样数据的各个信号分别进行捕获和跟踪处理，得到各信号分量的载波相位估计值；将各信号分量的载波相位估计值之间的差值与其设计数值进行比较分析，即可获得载波相位相对偏差测量结果。
本发明的有益效果是：
本发明针对新型GNSS导航信号调制方式，提出了一套较完善的卫星导航信号质量评估方法，相比传统方法而言：不仅能对传统单一支路信号质量进行分析评估，还能够对新型多路复用信号的合路信号和各个单路信号分别进行高精度分析评估；不仅能简单分析信号频谱、相关峰特性及调制信号星座图，还能够精细计算实测信号与设计信号的合成功率谱偏差、S曲线过零点偏差、鉴相曲线斜率偏差以及信号分量间载波相位偏差；进一步拓展了传统评估内容和评估方法的深度和广度，从而实现对新型导航信号的高精度高可信评估。
本发明可应用于全球卫星导航系统(包括我国BDS、美国GPS、欧盟Galileo等系统)新型导航信号的接收处理，通过实时监测评估接收导航信号质量，及时发现卫星生命周期中各种不可预料的异常情况，从而保障卫星导航系统的高可靠服务性能。
附图说明
图1为数据接收与采集流程示意图；
图2为信号质量分析处理流程图；
图3为Welch周期图法重叠加窗示意图；
图4为新型调制信号--AltBOC信号星座图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
步骤一：信号接收。
如附图1所示。首先，利用较高增益的天线(增益大于50dBi)接收导航卫星下行信号，信号经过低噪声放大器和接收通道后到达高速同步数据采集设备(为进行较高精度离线分析，建议采样频率大于等于250MHz，采样位数大于等于14位)；
步骤二：数据采集存储。
导航信号进入同步数据采集设备进行数据采集，并存储到数据磁盘阵列。如附图1所示。
步骤三：信号质量综合分析与评估。
利用软件接收机调入并读取离线采集数据，对新型导航信号数据的各个支路信号分别进行捕获、跟踪和解调处理，计算接收信号合成功率谱偏差，计算各支路分量的相关损失、S曲线过零点偏差、鉴相曲线斜率偏差以及信号分量间载波相位偏差，然后将实测信号的分析结果与其接口规范控制文件(ICD)公布的相关指标比对分析，综合判断接收信号各项指标是否符合设计要求。详细处理流程如附图2所示。具体评估方法如下：
(一)合成功率谱偏差分析
(1)评估指标
频率分辨率在1KHz情况下，80％主瓣带宽内：
MEO卫星信号功率谱偏差的标准差小于0.5dB，其偏差值以中心频点为中心单调变化绝对值小于0.5dB；
GEO卫星信号功率谱偏差的标准差小于1dB，其偏差值以中心频点为中心单调变化绝对值小于1dB。
(2)评估方法
如附图3所示，利用Welch周期图法对输入数据进行重叠加窗估计其功率谱。假设接收卫星导航信号为x(n)，信号总长度为Len＝length(x)，总共分为M段，重叠比例因子为r(0≤r≤1)，设每段数据长度为N，则满足如下表达式：
N·[I+(M-I)·r]＝Len (I)
可得
Figure BDA0001811604200000061
一般情况下取r＝0.5。对x(n)的各小段数据进行加窗处理，则各段信号的DFT(离散傅里叶变换)为：
Figure BDA0001811604200000062
然后取其幅频特性的平方再除以N，即可得到Welch周期图法的信号功率谱：
Figure BDA0001811604200000063
得到信号功率谱之后，通过计算合成功率谱偏差稳定度和单调倾斜度来衡量信号频域性能。
A.合成功率谱偏差稳定度
在信号主瓣带宽内，实测卫星信号功率谱与设计信号功率谱作差，得到合成功率谱偏差曲线Presidual(nf)，统计曲线标准差得到偏差稳定度Pstability。
Figure BDA0001811604200000064
Presidual(nf)＝(PSDreal(nf)-PSDideal(nf)) (5)
PSDreal(nf)为实测信号功率谱；
PSDideal(nf)为理想信号功率谱；
NTotal为指定带宽内实测信号功率谱采样点数。
B.合成功率谱偏差单调倾斜度
在信号主瓣带宽内，实测卫星信号功率谱与设计信号功率谱作差得到合成功率谱偏差曲线。对偏差曲线做多项式拟合，计算以中心频点为中心两侧功率谱偏差的单调变化绝对值，得到曲线单调倾斜度Pslop。
Pslop＝max(Pslop_left-Pslop_right) (6)
Pslop_left为拟合曲线中心频点左侧的单调变化绝对值；
Pslop_right为拟合曲线中心频点右侧的单调变化绝对值。
(二)由载荷失真引起的相关损失分析
(1)评估指标
在信号主瓣带宽情况下评价信号的相关损失，北斗民用信号的相关损失评估指标如下：
Figure BDA0001811604200000071
(2)评估方法
在信号设计带宽内的实际接收信号功率与理想信号功率间的差值即为相关损失。在保证恒包络的前提下，新型调制信号由多个信号分量通过一定的复用方式并加入一些交调分量组合得到。对于新型调制信号而言，各支路信号的相关损失计算必须以信号间功率配比为基础，而通常情况下用户无法得知信号交调项，因此无法精确计算信号间功率比。实际应用中建议首先根据信号设计情况仿真得到理想无失真信号，然后利用接收信号与接收机本地复现测距码做相关，获得接收信号相关峰最大值
Figure BDA0001811604200000081
理想信号与接收机本地复现测距码做相关，获得理想信号相关峰最大值
Figure BDA0001811604200000082
相关损失可以表示为：
Figure BDA0001811604200000083
其中：
Figure BDA0001811604200000084
Figure BDA0001811604200000085
SBBPreProc(t)为经过带宽为信号设计带宽滤波器后的实测基带信号；SRef(t)为经过带宽为信号设计带宽滤波器后本地参考信号；Tp为码周期；
Figure BDA0001811604200000086
为理想信号功率，
Figure BDA0001811604200000087
为实际接收信号功率。
(三)S曲线过零点偏差分析
(1)评估指标
在主瓣带宽情况下：
Figure BDA0001811604200000088
BPSK信号：S曲线过零点偏差在相关器间隔为1码片内时，小于0.5ns；
Figure BDA0001811604200000089
BOC(m，n)信号：S曲线过零点偏差在相关器间隔为n/2m码片内时，小于0.5ns；
Figure BDA00018116042000000810
MBOC信号，S曲线过零点偏差在相关器间隔为0-0.15码片、0.37-0.46码片范围内时，小于0.5ns；在0.16-0.36码片(MBOC平台处)内幅度小于10ns。
(2)评估方法
理想情况下，接收机码跟踪环鉴相曲线(S曲线)的过零点应位于码跟踪误差为零处，而实际应用中由于信道传输失真、多径和噪声等影响，导致接收机码跟踪环锁定点产生偏差。
几种常见的接收机码跟踪环鉴相器主要包括：非相干超前减滞后幅值鉴相器、非相干超前减滞后功率鉴相器、似相干点积功率鉴相器、相干点积功率鉴相器。本发明将针对各类常见码跟踪环鉴相器，介绍S曲线过零点偏差分析方法。
设超前相关器与滞后相关器的间距为δ，单位为码片，即时相关器输出为P0，超前相关器输出为
Figure BDA0001811604200000091
滞后相关器输出为
Figure BDA0001811604200000092
则不同码跟踪环鉴相器的S曲线计算方法分别如下：
①非相干超前减滞后幅值鉴相器
Figure BDA0001811604200000093
②非相干超前减滞后功率鉴相器
Figure BDA0001811604200000094
此种方法被大多数接收机所采用。
③似相干点积功率鉴相器
Figure BDA0001811604200000095
相比超前减滞后鉴相器，点积功率鉴相器并非利用三种相关器的输出：即时相关器输出P、超前相关器输出E和滞后相关器输出L，而是直接利用I支路的即时IP、超前IE和滞后IL相干积分数据，以及Q支路的即时QP、超前QE和滞QL相干积分结果进行鉴相，公式中的下标
Figure BDA0001811604200000096
表示超前或滞后的码片间隔。此种方法所需相关器较多。
④相干点积功率鉴相器
Figure BDA0001811604200000101
相干点积功率鉴相方法最简单，接收机计算量最小，但要求信号功率集中在I支路上：若接收机载波环采用锁相环，且工作在稳态区，此时可满足要求。但若接收机载波环为锁频环，或锁相环还未稳定，则部分信号功率会流失在Q支路，此时该鉴相器性能将降低。
利用上述方法计算得到S曲线后，则锁定点偏差εbias(δ)计算方法为：
SCurve(εbias(δ),δ)＝0 (14)
绘制接收信号鉴相曲线锁定点偏差εbias(δ)随超前-滞后间距δ的变化曲线，即可得到S曲线过零点偏差曲线SCurveBias(δ)。
(四)鉴相曲线斜率偏差分析
(1)评估指标
鉴相曲线斜率偏差：≤10％(不含MBOC调制信号相关曲线平台处)
(2)评估方法
S曲线过零点斜率D(δ)定义为：
Figure BDA0001811604200000102
在不同相关器间隔下求解设计信号的S曲线过零点斜率，同时求解实测信号S曲线过零点斜率，将实际斜率曲线和理想斜率曲线对应点相除，即可获得鉴相曲线斜率偏差：
Figure BDA0001811604200000103
(五)信号分量间载波相位偏差分析
(1)评估指标
信号分量间载波相位偏差绝对值的最大值：≤0.1rad。
(2)评估方法
由于新型调制信号在一个频点内通常会复用多个信号，调制星座图星座点较多，而且星座点之间距离较短，星座点翻转迹线复杂，如附图4所示。因此传统测量方法已不再适用于新型信号分析。本发明采用基于高精度数据采集的GNSS软件接收机处理方法，将同一组采样数据分别送入专用于各个信号分量评估的软件接收机进行高精度捕获和跟踪处理，得到各信号分量的载波相位估计值。将各信号分量的载波相位估计值之间的差值与其设计数值进行比较分析，即可获得载波相位相对偏差测量结果。具体计算方法如下：
假设多路复用信号s(t)中包含三个有用信号分量：s1(t)，s2(t)和s3(t)。分别利用s1(t)，s2(t)和s3(t)信号的软件接收机对输入合路信号s(t)进行捕获和跟踪数据处理，当各个软件接收机达到稳定跟踪状态时，输出的载波相位估计值分别为：
Figure BDA0001811604200000111
Figure BDA0001811604200000112
Figure BDA0001811604200000113
其中，ωc为载波标称频率，
Figure BDA0001811604200000114
分别表示各个软件接收机输出的载波多普勒估计值；
Figure BDA0001811604200000115
分别表示各个软件接收机输出的载波初相估计值；
Figure BDA0001811604200000116
分别是对信号分量所在I支路或Q支路载波相位偏差的估计值。
两个软件接收机输出的载波相位估计值相减得到：
Figure BDA0001811604200000117
式中
Figure BDA0001811604200000118
分别为s1(t)与s2(t)、s1(t)与s3(t)实测信号之间的载波相位差值，将其分别与设计差值
Figure BDA0001811604200000119
作差，即为信号分量之间载波相位偏差Δ：
Figure BDA00018116042000001110
Figure BDA00018116042000001111

Claims (3)

1.一种新型卫星导航信号的质量评估方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，利用增益大于50dBi的接收导航卫星下行信号；信号经过低噪声放大器和接收通道后，到达同步数据采集设备；
步骤二，对导航信号进行数据采集，采样频率大于等于250MHz，采样位数大于等于14位，采样结果存储到数据磁盘阵列；
步骤三，对导航信号的各个支路信号分别进行捕获、跟踪和解调处理，计算接收信号合成功率谱偏差，计算各支路分量的相关损失、S曲线过零点偏差、鉴相曲线斜率偏差以及信号分量间载波相位偏差，然后将实测信号的分析结果与其接口规范控制文件公布的指标进行比对，判断接收信号各项指标是否符合设计要求；
所述的计算接收信号合成功率谱偏差包括以下步骤：利用Welch周期图法对导航信号进行重叠加窗估计其功率谱，假设导航信号x(n)的总长度为Len，总共分为M段，每段数据长度为N，重叠比例因子
Figure FDA0003693860710000011
取r＝0.5；对x(n)的各小段数据进行加窗处理，则各段信号的离散傅里叶变换
Figure FDA0003693860710000012
Welch周期图法的信号功率谱
Figure FDA0003693860710000013
得到信号功率谱之后，通过计算合成功率谱偏差稳定度和单调倾斜度来衡量信号频域性能；在信号主瓣带宽内，实测卫星信号功率谱PSDreal(nf)与设计信号功率谱PSDideal(nf)作差，得到合成功率谱偏差曲线Presidual(nf)，统计曲线标准差得到偏差稳定度Pstability，
Figure FDA0003693860710000014
其中，NTotal为指定带宽内实测信号功率谱采样点数；对合成功率谱偏差曲线做多项式拟合，计算以中心频点为中心两侧功率谱偏差的单调变化绝对值Pslop_left和Pslop_right，得到曲线单调倾斜度Pslop＝max(Pslop_left-Pslop_right)；
所述的计算各支路分量的相关损失包括以下步骤：根据信号设计情况仿真得到理想无失真信号，然后利用接收信号与接收机本地复现测距码做相关，获得接收信号相关峰最大值；理想信号与接收机本地复现测距码做相关，获得理想信号相关峰最大值
Figure FDA0003693860710000021
相关损失
Figure FDA0003693860710000022
所述的计算各支路分量的相关损失中，
Figure FDA0003693860710000023
Figure FDA0003693860710000024
SBBPreProc(t)为经过带宽为信号设计带宽滤波器后的实测基带信号；SRef(t)为经过带宽为信号设计带宽滤波器后本地参考信号；Tp为码周期；
所述的计算S曲线过零点偏差包括以下步骤：
设超前相关器与滞后相关器的间距为δ，即时相关器输出为P0，超前相关器输出为
Figure FDA0003693860710000025
滞后相关器输出为
Figure FDA0003693860710000026
则不同码跟踪环鉴相器的S曲线计算方法分别如下：
①非相干超前减滞后幅值鉴相器
Figure FDA0003693860710000027
②非相干超前减滞后功率鉴相器
Figure FDA0003693860710000028
③似相干点积功率鉴相器
Figure FDA0003693860710000029
④相干点积功率鉴相器
Figure FDA0003693860710000031
计算得到S曲线后，则锁定点偏差εbias(δ)计算方法为SCurve(εbias(δ),δ)＝0；绘制接收信号鉴相曲线锁定点偏差εbias(δ)随超前-滞后间距δ的变化曲线，即可得到S曲线过零点偏差曲线SCurveBias(δ)。
2.根据权利要求1所述的新型卫星导航信号的质量评估方法，其特征在于，所述的计算鉴相曲线斜率偏差包括以下步骤：S曲线过零点斜率
Figure FDA0003693860710000032
在不同相关器间隔下求解设计信号的S曲线过零点斜率，同时求解实测信号S曲线过零点斜率，将实际斜率曲线和理想斜率曲线对应点相除，即可获得鉴相曲线斜率偏差。
3.根据权利要求1所述的新型卫星导航信号的质量评估方法，其特征在于，所述的计算信号分量间载波相位偏差包括以下步骤：将同一组采样数据的各个信号分别进行捕获和跟踪处理，得到各信号分量的载波相位估计值；将各信号分量的载波相位估计值之间的差值与其设计数值进行比较分析，即可获得载波相位相对偏差测量结果。
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