CN109239746B - 一种空间gnss信号相关功率损失简易实时监测方法及系统 - Google Patents

一种空间gnss信号相关功率损失简易实时监测方法及系统 Download PDF

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CN109239746B CN201811196465.3A CN201811196465A CN109239746B CN 109239746 B CN109239746 B CN 109239746B CN 201811196465 A CN201811196465 A CN 201811196465A CN 109239746 B CN109239746 B CN 109239746B
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Abstract

一种空间GNSS信号相关功率损失简易实时监测方法及系统，包括在室外，利用全向天线接收导航卫星在轨播发的导航信号，计算实测信号的相干功率损失；在微波暗室中，利用全向天线接收模拟器发射的导航信号，计算模拟信号的相关功率损失，作为接收机引入的相关功率损失；从实测信号的相干功率损失中扣除接收机引入的相关功率损失，得到最终的相关功率损失。本发明具有实时性好的优点，可用于对GNSS信号进行实时监测评估，可及时发现导航卫星载荷出现的异常现象，及时处理，最大限度的缩短服务中断时间。

Description

一种空间GNSS信号相关功率损失简易实时监测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种空间GNSS信号相关功率损失简易实时监测方法及系统，属于卫星导航技术领域。
背景技术
导航系统通过导航信号向用户提供服务，用户对导航信号捕获、跟踪、伪码/载波测量、定位解算，最终实现定位、授时等导航服务，因此导航信号性能直接关系到用户的使用和各项服务的实现，是卫星导航系统的关键要素。导航信号质量监测与评估既是对导航信号本身性能及各项指标的综合评价，也是对导航卫星有效载荷工作状态的反推和监测，可以为卫星导航系统的信号体制设计和有效载荷的持续改进提供参考。
在北斗三号下行信号生成有效载荷在轨工作过程中，需验证生成导航信号的正确性、测试导航信号的性能指标。相关功率损失是评估信号以及卫星导航有效载荷性能的重要指标，它表征了导航信号总功率中有效功率所占的比重，以及历经通道器件之后的信号失真和自相关性的恶化程度。
现有评估方法参考如下文献。
[1]Matthias
Figure BDA0001828876210000011
Christian Kurzhals,Wolfgang Kogler,Stefan Erker,Steffen.Innovation:One Year in Orbit,GIOVE-B E1CBOC Signal Quality Assessment[J].GPS World,2009,9(1).
[2]Yang YK,etl.A simulation for impact of filter nonlinear phase onnavigation payload[C].2012 5th International Congress on Image and SignalProcessing,CISP 2012；Volume；Issue；Data 2012；Page 1417-1420.
[3]Soellner,M.GNSS offline signal quality assessment[C].21stInternational Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute ofNavigation,ION GNSS2008.
现有的空间GNSS信号质量评估方法，需要对在轨数据进行采集和后处理，实时性差，无法实时获取GNSS空间信号质量。
发明内容
本发明的技术解决问题是：解决现有方法无法及时发现GNSS信号质量恶化的缺点，提供一种导航卫星播发的GNSS信号的相关功率损失实时监测方法，该方法具有实时性好的优点，可用于对GNSS信号进行实时监测评估，可及时发现导航卫星载荷出现的异常现象，及时处理，最大限度的缩短服务中断时间。
本发明的技术解决方案是：
一种空间GNSS信号相关功率损失简易实时监测方法，步骤如下：
(1)在室外，利用全向天线接收导航卫星在轨播发的导航信号，计算实测信号的相干功率损失；
(2)在微波暗室中，利用全向天线接收模拟器发射的导航信号，计算模拟信号的相关功率损失，作为接收机引入的相关功率损失；
(3)从实测信号的相干功率损失中扣除接收机引入的相关功率损失，得到最终的相关功率损失；
室外用的全向天线以及与之配套的射频通道和数字接收设备，与微波暗室中用的全向天线以及与之配套的射频通道和数字接收设备相同。
所述步骤(1)计算实测信号的相干功率损失，步骤如下：
(1.1)全向天线接收导航卫星在轨播发的导航信号，通过低噪声放大器、滤波器后，通过模数转换器进行数字带通采样；
(1.2)对数字带通采样后的信号进行功率累加运算，得到信号的总功率；
(1.3)对信号进行捕获，跟踪，将跟踪后的即时跟踪支路的相关功率值平方后再进行累加运算，得到信号分量的有效功率；
(1.4)根据公开发布的信号格式，查阅互调分量占总的信号功率的百分比；
(1.5)根据公开发布的信号格式，得到信号分量占总的信号功率的百分比；
(1.6)利用互调分量占总的信号功率的百分比，从总功率中扣除互调分量的功率，得到有效合路信号的功率；
(1.7)利用信号分量占总的信号功率的百分比，从有效合路信号的功率中计算信号分量的功率；
(1.8)利用信号分量的功率减去信号分量的有效功率，得到实测信号的相关功率。
进行数字带通采样时，数字带通采样的频率选择满足如下要求：
(a)带通采样后的中心频点满足：
Figure BDA0001828876210000031
(b)带通采样后不产生频谱混叠；
其中，带通采样后的中心频点为：
Figure BDA0001828876210000032
fc是射频的中心频点，fs是采样频率，floor()是取整。
带通采样后不产生频谱混叠的具体判断方法为：
通过宽带频谱仪观察滤波后的信号，判断：带内最高功率谱密度减去带外最高功率谱密度的差是否大于30dB；
(a)若大于30dB，则可确定不会产生混叠；
(b)若小于等于30dB，需要读取带通采样前带外干扰对应的频点ft；
计算带通采样后带外干扰对应频点：
Figure BDA0001828876210000033
若abs(fIFt-fIFc)≥BW，则说明该干扰不会影响导航信号；
若abs(fIFt-fIFc)<BW，则说明该干扰将影响导航信号，需要进一步更改滤波器的设计参数，提高带外抑制，BW为单边带带宽。
计算模拟信号的相干功率损失，步骤如下：
(2.1)全向天线接收微波暗室中，模拟器播发的导航信号，通过低噪声放大器、滤波器后，通过模数转换器进行数字带通采样；
(2.2)对数字带通采样后的信号进行功率累加运算，得到信号的总功率；
(2.3)对信号进行捕获，跟踪，将跟踪后的即时跟踪支路的相关功率值平方后再进行累加运算，得到信号分量的有效功率；
(2.4)根据公开发布的信号格式，查阅互调分量占总的信号功率的百分比；
(2.5)根据公开发布的信号格式，得到信号分量占总的信号功率的百分比；
(2.6)利用互调分量占总的信号功率的百分比，从总功率中扣除互调分量的功率，得到有效合路信号的功率；
(2.7)利用信号分量占总的信号功率的百分比，从有效合路信号的功率中计算信号分量的功率；
(2.8)利用信号分量的功率减去信号分量的有效功率，得到模拟信号的相关功率。
一种空间GNSS信号相关功率损失简易实时监测系统，包括：
实测信号的相干功率损失计算模块：在室外，利用全向天线接收导航卫星在轨播发的导航信号，计算实测信号的相干功率损失；
模拟信号的相关功率损失计算模块：在微波暗室中，利用全向天线接收模拟器发射的导航信号，计算模拟信号的相关功率损失，作为接收机引入的相关功率损失；
相关功率损失确定模块：从实测信号的相干功率损失中扣除接收机引入的相关功率损失，得到最终的相关功率损失。
实测信号的相干功率损失计算模块计算实测信号的相干功率损失，具体如下：
(1.1)全向天线接收导航卫星在轨播发的导航信号，通过低噪声放大器、滤波器后，通过模数转换器进行数字带通采样；
(1.2)对数字带通采样后的信号进行功率累加运算，得到信号的总功率；
(1.3)对信号进行捕获，跟踪，将跟踪后的即时跟踪支路的相关功率值平方后再进行累加运算，得到信号分量的有效功率；
(1.4)根据公开发布的信号格式，查阅互调分量占总的信号功率的百分比；
(1.5)根据公开发布的信号格式，得到信号分量占总的信号功率的百分比；
(1.6)利用互调分量占总的信号功率的百分比，从总功率中扣除互调分量的功率，得到有效合路信号的功率；
(1.7)利用信号分量占总的信号功率的百分比，从有效合路信号的功率中计算信号分量的功率；
(1.8)利用信号分量的功率减去信号分量的有效功率，得到实测信号的相关功率。
进行数字带通采样时，数字带通采样的频率选择满足如下要求：
(a)带通采样后的中心频点满足：
Figure BDA0001828876210000051
(b)带通采样后不产生频谱混叠；
其中，带通采样后的中心频点为：
Figure BDA0001828876210000052
fc是射频的中心频点，fs是采样频率，floor()是取整；
带通采样后不产生频谱混叠的具体判断方法为：
通过宽带频谱仪观察滤波后的信号，判断：带内最高功率谱密度减去带外最高功率谱密度的差是否大于30dB；
(a)若大于30dB，则可确定不会产生混叠；
(b)若小于等于30dB，需要读取带通采样前带外干扰对应的频点ft；
计算带通采样后带外干扰对应频点：
Figure BDA0001828876210000053
若abs(fIFt-fIFc)≥BW，则说明该干扰不会影响导航信号；
若abs(fIFt-fIFc)<BW，则说明该干扰将影响导航信号，需要进一步更改滤波器的设计参数，提高带外抑制，BW为单边带带宽。
模拟信号的相关功率损失计算模块计算模拟信号的相干功率损失，步骤如下：
(2.1)全向天线接收微波暗室中，模拟器播发的导航信号，通过低噪声放大器、滤波器后，通过模数转换器进行数字带通采样；
(2.2)对数字带通采样后的信号进行功率累加运算，得到信号的总功率；
(2.3)对信号进行捕获，跟踪，将跟踪后的即时跟踪支路的相关功率值平方后再进行累加运算，得到信号分量的有效功率；
(2.4)根据公开发布的信号格式，查阅互调分量占总的信号功率的百分比；
(2.5)根据公开发布的信号格式，得到信号分量占总的信号功率的百分比；
(2.6)利用互调分量占总的信号功率的百分比，从总功率中扣除互调分量的功率，得到有效合路信号的功率；
(2.7)利用信号分量占总的信号功率的百分比，从有效合路信号的功率中计算信号分量的功率；
(2.8)利用信号分量的功率减去信号分量的有效功率，得到模拟信号的相关功率。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明技术方案同现有的GNSS信号质量监测方法相比，本发明公开的方法克服了现有方法无法及时发现GNSS信号相关功率恶化的缺点，具有实时性好的优点，相比现有的GNSS信号质量监测方法，可及时发现导航卫星载荷出现的异常现象，及时处理，最大限度的缩短导航服务中断时间。
附图说明
图1为本发明实时监测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明具体实施方式。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参考附图并以ACE-BOC为例，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例一种空间ACE-BOC信号相关功率损失的简易实时监测方法包括以下步骤：
(1)利用全向天线接收导航卫星在轨播发的ACE-BOC导航信号，计算实测信号的相干功率损失；
计算实测信号的相干功率损失，步骤如下：
(1.1)全向天线接收导航卫星在轨播发的ACE-BOC导航信号，通过低噪声放大器、滤波器后，通过模数转换器进行数字带通采样；
进行数字带通采样时，数字带通采样的频率选择满足如下要求：
(a)带通采样后的中心频点满足：
Figure BDA0001828876210000071
(b)带通采样后不产生频谱混叠；
其中，带通采样后的中心频点为：
Figure BDA0001828876210000072
fc是射频的中心频点1191.795MHz，fs是采样频率230MHz，floor()是取整运算，fIFc为41.795MHz；
带通采样后不产生频谱混叠的具体判断方法为：
通过宽带频谱仪观察滤波后的信号，判断：带内最高功率谱密度减去带外最高功率谱密度的差是否大于30dB；
(a)若大于30dB，则可确定不会产生混叠；
(b)若小于等于30dB，需要读取带通采样前带外干扰对应的频点ft；
计算带通采样后带外干扰对应频点：
Figure BDA0001828876210000073
若abs(fIFt-fIFc)≥BW，则说明该干扰不会影响导航信号；
若abs(fIFt-fIFc)<BW，则说明该干扰将影响导航信号，需要进一步更改滤波器的设计参数，提高带外抑制，BW为单边带带宽。
通过滤波器后的信号，带外信号功率相对于带内信号均小于30dB，因此采样后，不会产生混叠。
(1.2)对数字带通采样后的信号进行功率累加运算，得到信号的总功率，为-3dBm。
(1.3)对Ad路信号进行捕获，跟踪，将跟踪后的即时跟踪支路的相关功率值平方后再进行累加运算，得到信号分量的有效功率，Ad的信号功率为-20dBm。
(1.4)根据公开发布的信号格式，查阅ACE-BOC互调分量占总的信号功率的百分比为80％；
(1.5)根据公开发布的信号格式，得到Ad路信号分量占总的信号功率的百分比为25％；
(1.6)利用互调分量占总的信号功率的百分比，从总功率-3dBm中扣除互调分量的功率1dB，得到有效合路信号的功率-4dBm；
(1.7)利用Ad路信号分量占总的信号功率的百分比25％(即相差6dB)，从有效合路信号的功率-4dBm中计算Ad路信号分量的功率为-10dBm；
(1.8)利用信号分量的功率-10dBm减去信号分量的有效功率-20dBm，得到实测ACE-BOC信号的相关功率损失为10dB。
(2)在微波暗室中，利用和步骤(1)中相同的天线、射频通道和数字接收设备，接收模拟器发射的ACE-BOC导航信号，计算模拟信号的相关功率损失，作为接收机引入的相关功率损失；
室外用的全向天线以及与之配套的射频通道和数字接收设备，与微波暗室中用的全向天线以及与之配套的射频通道和数字接收设备相同。
(2.1)全向天线接收微波暗室中，模拟器播发的ACE-BOC导航信号，通过低噪声放大器、滤波器后，通过模数转换器进行数字带通采样；
(2.2)对数字带通采样后的信号进行功率累加运算，得到ACE-BOC信号的总功率为-5dBm；
(2.3)对Ad路信号进行捕获，跟踪，将跟踪后的即时跟踪支路的相关功率值平方后再进行累加运算，得到信号分量的有效功率，Ad的信号功率为-22dBm。
(2.4)根据公开发布的信号格式，查阅ACE-BOC互调分量占总的信号功率的百分比为80％；
(2.5)根据公开发布的信号格式，得到Ad路信号分量占总的信号功率的百分比为25％；
(2.6)利用互调分量占总的信号功率的百分比，从总功率-5dBm中扣除互调分量的功率1dB，得到有效合路信号的功率-6dBm；
(2.7)利用Ad路信号分量占总的信号功率的百分比25％(即相差6dB)，从有效合路信号的功率-6dBm中计算Ad路信号分量的功率为-12dBm；
(2.8)利用信号分量的功率-12dBm减去信号分量的有效功率-20dBm，得到模拟ACE-BOC信号的相关功率损失为8dB。
(3)从实测信号的相干功率损失10dB中扣除接收机引入的相关功率损失8dB，得到最终的相关功率损失为2dB。
本发明来源于北斗三号全球系统重大工程，北斗三号卫星导航信号生成有效载荷作为卫星的绝对核心，其工作状态和性能直接关系到最终用户的使用感受，是卫星导航系统的关键要素。
北斗二号区域系统建设中所采用的信号质量评估方法已经不适用于北斗三号全球系统的建设。为保障北斗三号全球系统的建设，设计了一种新型的导航信号质量评估参数的确定方法。该方法突破了多项技术难关，将导航信号质量评估技术领域带入了高精度、高灵活性、易扩展性的新时代。该方法不仅应用于北斗全球导航系统的核心单机、核心分系统和整星的测试工作，解了型号任务研制的燃眉之急；而且通过和用户部门地积极沟通，推广应用于新建设的北斗三号卫星在轨信号质量监测系统，用于监测在轨卫星播发的导航信号质量。
本发明公开的信号质量评估方法，不仅能够应用于载荷产品，而且能够应用于整星产品，并能够更进一步得到用户认可，应用于整星在轨监控，促进了我国北斗导航产业的发展，具有较强的行业影响力。
本发明兼具适应性和扩展性强的优点，可广泛应用于导航卫星有效载荷的研制过程和整机测试，也可灵活地适用于未来新型导航信号体制的信号质量分析，并扩展至其它卫星通信、数传、星间链路系统的信号质量参数评估，为我国导航、对地观测等重大工程作出贡献。
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 (3)

1.一种空间GNSS信号相关功率损失简易实时监测方法，其特征在于步骤如下：
(1)在室外，利用全向天线接收导航卫星在轨播发的导航信号，计算实测信号的相关功率损失，具体为：
(1.1)全向天线接收导航卫星在轨播发的导航信号，通过低噪声放大器、滤波器后，通过模数转换器进行数字带通采样；
进行数字带通采样时，数字带通采样的频率选择满足如下要求：
(a)带通采样后的中心频点满足：
Figure FDA0003108883990000011
(b)带通采样后不产生频谱混叠；
其中，带通采样后的中心频点为：
Figure FDA0003108883990000012
fc是射频的中心频点，fs是采样频率，floor()是取整；
(1.2)对数字带通采样后的信号进行功率累加运算，得到信号的总功率；
(1.3)对信号进行捕获，跟踪，将跟踪后的即时跟踪支路的相关功率值平方后再进行累加运算，得到信号分量的有效功率；
(1.4)根据公开发布的信号格式，查阅互调分量占总的信号功率的百分比；
(1.5)根据公开发布的信号格式，得到信号分量占总的信号功率的百分比；
(1.6)利用互调分量占总的信号功率的百分比，从总功率中扣除互调分量的功率，得到有效合路信号的功率；
(1.7)利用信号分量占总的信号功率的百分比，从有效合路信号的功率中计算信号分量的功率；
(1.8)利用信号分量的功率减去信号分量的有效功率，得到实测信号的相关功率；
带通采样后不产生频谱混叠的具体判断方法为：
通过宽带频谱仪观察滤波后的信号，判断：带内最高功率谱密度减去带外最高功率谱密度的差是否大于30dB；
(a)若大于30dB，则可确定不会产生混叠；
(b)若小于等于30dB，需要读取带通采样前带外干扰对应的频点ft；
计算带通采样后带外干扰对应频点：
Figure FDA0003108883990000021
若abs(fIFt-fIFc)≥BW，则说明该干扰不会影响导航信号；
若abs(fIFt-fIFc)<BW，则说明该干扰将影响导航信号，需要进一步更改滤波器的设计参数，提高带外抑制，BW为单边带带宽；
(2)在微波暗室中，利用全向天线接收模拟器发射的导航信号，计算模拟信号的相关功率损失，作为接收机引入的相关功率损失；
计算模拟信号的相关功率损失，步骤如下：
(2.1)全向天线接收微波暗室中，模拟器播发的导航信号，通过低噪声放大器、滤波器后，通过模数转换器进行数字带通采样；
(2.2)对数字带通采样后的信号进行功率累加运算，得到信号的总功率；
(2.3)对信号进行捕获，跟踪，将跟踪后的即时跟踪支路的相关功率值平方后再进行累加运算，得到信号分量的有效功率；
(2.4)根据公开发布的信号格式，查阅互调分量占总的信号功率的百分比；
(2.5)根据公开发布的信号格式，得到信号分量占总的信号功率的百分比；
(2.6)利用互调分量占总的信号功率的百分比，从总功率中扣除互调分量的功率，得到有效合路信号的功率；
(2.7)利用信号分量占总的信号功率的百分比，从有效合路信号的功率中计算信号分量的功率；
(2.8)利用信号分量的功率减去信号分量的有效功率，得到模拟信号的相关功率；
(3)从实测信号的相关功率损失中扣除接收机引入的相关功率损失，得到最终的相关功率损失。
2.根据权利要求1所述的一种空间GNSS信号相关功率损失简易实时监测方法，其特征在于：室外用的全向天线以及与之配套的射频通道和数字接收设备，与微波暗室中用的全向天线以及与之配套的射频通道和数字接收设备相同。
3.一种空间GNSS信号相关功率损失简易实时监测系统，其特征在于包括：
实测信号的相关功率损失计算模块：在室外，利用全向天线接收导航卫星在轨播发的导航信号，计算实测信号的相关功率损失；
模拟信号的相关功率损失计算模块：在微波暗室中，利用全向天线接收模拟器发射的导航信号，计算模拟信号的相关功率损失，作为接收机引入的相关功率损失；
相关功率损失确定模块：从实测信号的相关功率损失中扣除接收机引入的相关功率损失，得到最终的相关功率损失；
实测信号的相关功率损失计算模块计算实测信号的相关功率损失，具体如下：
(1.1)全向天线接收导航卫星在轨播发的导航信号，通过低噪声放大器、滤波器后，通过模数转换器进行数字带通采样；
(1.2)对数字带通采样后的信号进行功率累加运算，得到信号的总功率；
(1.3)对信号进行捕获，跟踪，将跟踪后的即时跟踪支路的相关功率值平方后再进行累加运算，得到信号分量的有效功率；
(1.4)根据公开发布的信号格式，查阅互调分量占总的信号功率的百分比；
(1.5)根据公开发布的信号格式，得到信号分量占总的信号功率的百分比；
(1.6)利用互调分量占总的信号功率的百分比，从总功率中扣除互调分量的功率，得到有效合路信号的功率；
(1.7)利用信号分量占总的信号功率的百分比，从有效合路信号的功率中计算信号分量的功率；
(1.8)利用信号分量的功率减去信号分量的有效功率，得到实测信号的相关功率；
进行数字带通采样时，数字带通采样的频率选择满足如下要求：
(a)带通采样后的中心频点满足：
Figure FDA0003108883990000041
(b)带通采样后不产生频谱混叠；
其中，带通采样后的中心频点为：
Figure FDA0003108883990000042
fc是射频的中心频点，fs是采样频率，floor()是取整；
带通采样后不产生频谱混叠的具体判断方法为：
通过宽带频谱仪观察滤波后的信号，判断：带内最高功率谱密度减去带外最高功率谱密度的差是否大于30dB；
(a)若大于30dB，则可确定不会产生混叠；
(b)若小于等于30dB，需要读取带通采样前带外干扰对应的频点ft；
计算带通采样后带外干扰对应频点：
Figure FDA0003108883990000043
若abs(fIFt-fIFc)≥BW，则说明该干扰不会影响导航信号；
若abs(fIFt-fIFc)<BW，则说明该干扰将影响导航信号，需要进一步更改滤波器的设计参数，提高带外抑制，BW为单边带带宽；
模拟信号的相关功率损失计算模块计算模拟信号的相关功率损失，步骤如下：
(2.1)全向天线接收微波暗室中，模拟器播发的导航信号，通过低噪声放大器、滤波器后，通过模数转换器进行数字带通采样；
(2.2)对数字带通采样后的信号进行功率累加运算，得到信号的总功率；
(2.3)对信号进行捕获，跟踪，将跟踪后的即时跟踪支路的相关功率值平方后再进行累加运算，得到信号分量的有效功率；
(2.4)根据公开发布的信号格式，查阅互调分量占总的信号功率的百分比；
(2.5)根据公开发布的信号格式，得到信号分量占总的信号功率的百分比；
(2.6)利用互调分量占总的信号功率的百分比，从总功率中扣除互调分量的功率，得到有效合路信号的功率；
(2.7)利用信号分量占总的信号功率的百分比，从有效合路信号的功率中计算信号分量的功率；
(2.8)利用信号分量的功率减去信号分量的有效功率，得到模拟信号的相关功率。
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