CN111913146B - 一种基于gnss信号质量评估的系统校准测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法，包括校准设备测试及接收通道绝对时延及变化量测试，校准设备测试包括矢量网络分析仪时延测量精度测试、宽带示波器时延精度测试；矢量网络分析仪时延测量精度测试，具体包括以下步骤：S1：矢量网络分析仪先进行自校准测试；S2：根据RF频率和带宽的不同，分别进行直通矢量校准；S3：连接被测件，测试标准延时线的群时延特性；宽带示波器时延精度测试，具体为：用矢量信号源产生一个脉冲调制的射频信号；经过功分器一分为二，一路送到示波器作为参考通道，另一路连接标准延时线进行测试；采用比对的方法来消除对整个系统仪器的稳定性影响；本发明的优点是，精度高、操作简单、效率高。

Description

一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法

技术领域

本发明属于天线信号校准测试方法技术领域，具体涉及一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法。

背景技术

在GNSS信号质量监测评估系统中，接收通道绝对时延及变化的高精度测量，一直是困扰工程界多年的技术难题。目前，主要有以下几种实现方法。

1)矢量网络分析仪。这是国内外很多GNSS信号质量监测评估系统普遍采用方法，简单、易行、通用、高效，可以同时测得包括幅频响应和群时延在内的多个参数，效率较高。缺点是矢量网络分析仪测试时，存在精度和分辨率的矛盾，导致测试结果精度受限。

2)利用导航信号的伪距测试时延。利用导航扩频信号携带的相位信息和相关性，可以利用接收信号顺势进行大环路时延测量，多用于发射--空间--接收大环路时延测量校准。优点是充分利用已有信号资源，代价小、成效高；缺点是受到信号相位相关曲线制约，时延分辨率存在瓶颈。

3)示波器测量法。其原理是充分利用示波器在时域性能上的优异表现，通过注入一定特征的测量波形，在示波器上观测时延。该方法的优点是概念清晰、方法简明，理论上可以实现无限精度的时延测量，缺点是参考时间基准线的稳定性不高。并且，通道时延越大，测得时延数据精度越差。

所有的通道绝对时延及变化高精度测量技术，均基于以下两个基本条件：

1)十分精确的高精度时间基准；

2)十分稳定的时间参考线。

前者容易满足，后者主要受制于传统延时同轴电缆的特性，即不同频率的射频信号，在不同材料、长度和温度的同轴电缆内传输，具有不同的时延特性。

与同轴电缆相比，由于激光在光纤内传输稳定，并且光纤介质均匀稳定，对光载波上承载的射频信号没有影响，非金属的介质对外界电磁干扰也不敏感。因此，光纤在稳定性、可靠性、不受电磁干扰具有优异的性能，对于20GHz以内的射频信号，基本可以视为时不变恒参信道。并且，在本发明中，已经采用了全频段射频光传输技术，因此，利用稳定的光纤作为稳定的时间参考线，可以获得传统方法难以实现的高精度和高稳定要求。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种精度高、操作简单、效率高的基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法，包括校准设备测试及接收通道绝对时延及变化量测试，所述校准设备测试包括矢量网络分析仪时延测量精度测试、宽带示波器时延精度测试；

所述矢量网络分析仪时延测量精度测试，具体包括以下步骤：

S1：矢量网络分析仪先进行自校准测试；

S2：根据RF频率和带宽的不同，分别进行直通矢量校准；

S3：连接被测件，测试标准延时线的群时延特性；

所述宽带示波器时延精度测试，具体为：

用矢量信号源产生一个脉冲调制的射频信号；经过功分器一分为二，一路送到示波器作为参考通道，另一路连接标准延时线进行测试；采用比对的方法来消除对整个系统仪器的稳定性影响；

进一步的，所述矢量信号源参数为：频率设置1575.42MHz，输出功率为-10dBm；设置脉冲调制方式脉宽为20ms，周期为200ms；信号调制BPSK，带宽10.23MHz。

所述接收通道绝对时延及变化量测试，具体为：

受控于监控PC，产生脉冲调制射频信号，可分别测得参考光通道和实际接收通道的绝对时延To和T1，由于To作为参考基准稳定可靠，因此T1-To不同时刻的差值，即为时延变化量。

进一步的，所述矢量网络分析仪安装后的自校准测试方法，具体包括以下步骤：

1)控制开关B和A,使N5242A和校准件相连，完成指定任务的校准，并保持相应的校准文件；

2)控制开关A、B、C，完成指定任务的模拟光接收机2的测试，结果保存为S光接收机2-系统；

3)控制开关A、B、C、D、E、F、G，控制射频或中频交换矩阵，完成指定任务的接收分系统的射频或中频测试，结果保存为S合成接收系统；

4)计算结果，信号接收分系统参数S，

S＝S合成接收系统-S光接收机1-L-前+(S光接收机2-系统-S光接收机2-前)

S参数包含：幅度、相位和时延。

进一步的，接收通道的校准以矢量网络分析仪为核心，由模拟光发射机、模拟光接收机及控制开关组成；接收通道的校准还包括了由矢量信号源与宽带示波器为核心的校准通道，实现通道时延的测试；利用信号分析仪，通过矢量信号源产生标准的导航信号实现系统的通道性能分析。

进一步的，所述矢量网络分析仪校准通道安装前的自校准与测试方法，具体包括以下步骤：

1)控制开关B和开关A，连接校准件，在有用频段内矢量网络分析仪进行校准；

2)控制开关A、B和C，对来自模拟光接收机的有用频段测试，参数记为S光接收机2-前；

3)控制开关A、B、C、D和E，连接开关E的L频段校准信号到开关A的校准参考端，对来自模拟光接收机的L有用频段测试，参数记为S光接收机1-L-前；

4)控制开关A、B、C、D和E，连接开关E的S频段校准信号到开关A的校准参考端，对来自模拟光接收机的S频段测试，参数记为S光接收机1-S-前。

进一步的，所述矢量网络分析仪采用Agilent PNA-X N5242A矢量网络分析仪。

作为优选，所述矢量网络分析仪设置于工作楼机房。

作为优选，所述信号分析仪为的型号为N9030A。

作为优选，所述有用频段为L频段、S频段，包括了L1、E5、L2、E6导航信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用当前业界高端PNA N5242A一体化矢量网络分析仪，作为信号射频通道幅度、相位和时延监测的测量仪器，降低在测器件的相位、群时延以及使用网络仪测器件的谐波、杂波和交调时，谐杂波的影响，达到对频率、幅度、相位和时延的高要求。由矢量信号源与宽带示波器为核心的校准通道，能够实现通道时延的测试。同时，利用系统的N9030A信号分析仪，校准通道还能够通过矢量信号源产生标准的导航信号实现系统的通道性能分析。矢量网络分析仪在1575.42MHz频率下的时延测量误差小于0.1ns，在S频段2485频率下处了55.7ns延时线测量值出现偏大的异常测量值外也能达到小于0.1ns的测量误差。因此，矢量网络分析仪的时延测量精度能够满足0.1ns的校准指标要求。宽带示波器采用AgilentDSO90804A，时间测量精度达到25ps，满足高精度测量要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的通道校准组成框图；

图2为本发明的矢量网络分析仪校准通道组成框图；

图3为本发明的接收通道矢量网络分析仪校准测试原理框图；

图4为本发明的矢量网络分析仪量传关系图；

图5为本发明的矢量网络分析仪时延测量精度测试框图；

图6为本发明的实时示波器测量时延连接图；

图7为本发明的接收通道绝对时延及变化量测试框图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例只作为对本发明的说明，不作为对本发明的限定。

如图1-7所示的一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法，包括校准设备测试及接收通道绝对时延及变化量测试，所述校准设备测试包括矢量网络分析仪时延测量精度测试、宽带示波器时延精度测试。

1、通道校准系统的核心是矢量网络分析仪，本发明采用Agilent PNA-X N5242A矢量网络分析仪，其谐杂波较好，谐、杂波水平是网络仪很重要的指标，尤其在测器件的相位、群时延以及使用网络仪测器件的谐波、杂波和交调时，谐杂波的影响较大。

N5242A矢量网络分析仪的主要技术指标：

1)频率范围：10MHz～26.5GHz；

2)频率分辨率：1Hz；

3)动态范围：127dB；

4)本底噪声：-114dBm；

5)最大输出功率：+13dBm；

6)幅度自校准精度：0.01dB；

7)相位自校准精度：0.07°；

8)群时延校准精度：0.01ns。

2、校准通道实现

通道校准的接收通道幅度、相位和时延特性主要由以矢量网络分析仪PNA-N5242A(以下简称“N5242A”)为核心的矢量网络分析仪实现。通道校准还包括了由矢量信号源与宽带示波器为核心的校准通道，能够实现通道时延的测试。同时，利用系统的N9030A信号分析仪，校准通道还能够通过矢量信号源产生标准的导航信号实现系统的通道性能分析。如图1所示为通道校准设备组成框图。

矢量网络分析仪校准通道主要以矢量网络分析仪N5242A为核心，由模拟光发射机、模拟光接收机及控制开关组成。完成N5242A自校之后，由监控设备控制4选1开关，选择射频接收通道、中频滤波接收通道，对2个层次接收通道进行校准，将校准得到的接收通道幅度、相位和时延特性，传递给后端监测软件用户通道参数修正。如图2所示为矢量网络分析仪校准通道组成及原理框图。

由于矢量网络分析仪N5242A放置在工作楼机房，低噪声放大器等放置在40米天线塔基内，而工作楼机房与40米天线塔基相距一百多米。要实现信号接收分系统的精确测量和校准，在没有完成系统安装前，必须先完成校准通道的自校准与测试，把需要的测试数据进行保存，抵消图2中模拟光发射机和接收机及开关等的影响。需要测试的频段为L频段、S频段(特别是其中的L1、E5、L2、E6导航信号)，简称有用频段。

系统安装前所需完成的测试：

如图2，首先控制开关B(J3)和开关A(J2)，连接校准件，在有用频段内(6个)N5242A进行校准。

控制开关A、B和C，对来自模拟光接收机2的有用频段测试，参数记为S_{光接收机2-前}。

控制开关A、B、C、D和E，连接开关E的L频段校准信号到开关A的校准参考端，对来自模拟光接收机1的L有用频段(除S频段)测试，参数记为S_{光接收机1-L-前}。

控制开关A、B、C、D和E，连接开关E的S频段校准信号到开关A的校准参考端，对来自模拟光接收机1的S频段测试，参数记为S_{光接收机1-S-前}。

如图3所示，在系统完成安装后的可进行指定的测试功能：

1)控制开关B和A,使N5242A和校准件相连，完成指定任务的校准(射频L、S、L1、E5、L2、E6频段和变频L1、E5、L2、E6、S)，并保持相应的校准文件；

2)控制开关A、B、C，完成指定任务的模拟光接收机2的测试，结果保存为S_{光接收机2-系统}；

3)控制开关A、B、C、D、E、F、G，控制射频或中频交换矩阵，完成指定任务的接收分系统的射频或中频测试，结果保存为S_{合成接收系统}；

4)计算结果，信号接收分系统参数S

S＝S_{合成接收系统}-S_{光接收机1-L-前}+(S_{光接收机2-系统}-S_{光接收机2-前})

S参数包含：幅度、相位和时延。

3、仪器计量

Agilent生产的PNA-X系列N5242A矢量网络分析仪，采用全新的架构，包括高质量、稳定的硬件架构和非常灵活的软件架构。它不再是简单的网络分析仪，而是一个平台或测试系统，基于这个平台引入的另一个新概念单次连接多项测量一完成校准及连接好被测件后，可以完成接收传输通道几乎所有参数的测量。

校准通道的测试精度是依靠矢量网络分析仪N5242A等测试测量仪器来实现的，因此必须对这些测试测量仪器进行定期的测试或计量。GNSS空间信号质量评估系统的通道校准设备包括矢量网络分析仪、宽带示波器、矢量信号源以及信号分析仪等测试测量仪器，这些仪器将定期送往具备计量资质的计量单位进行定期计量和测试。

矢量网络分析仪量传关系如图4所示。

4、系统校准指标

依据系统的通道校准需求，需要满足接收通道的校准和校准通道的自校准。由接收通道指标则可以推导出系统校准的指标。梳理指标如下：

1)校准通道幅度自校准精度：0.1dB。

2)校准通道相位自校准精度：0.5°。

3)接收通道幅度校准精度：0.1dB。

4)接收通道相位标校精度：1°。

5)接收通道群时延校准精度：0.1ns。

6)接收通道绝对时延校准精度：0.05ns。

校准通道设备为矢量网络分析仪和示波器，在设备满足指标需求条件下校准通道亦能实现指标要求。通道校准设备指标如下。

频率标校分辨率：0.1Hz；

增益标校分辨率：0.1dB；

时延标校分辨率：0.1ns。

5、测试

5.1校准设备测试

通过校准设备的测试验证矢量网络分析仪的时延测量精度和示波器的时延测量精度满足系统校准对校准设备的指标要求。

1)矢量网络分析仪时延测量精度测试

矢量网络分析仪先进行自校，然后，根据RF频率和带宽的不同，分别进行直通矢量校准，然后连接被测件，测试标准延时线的群时延特性。

仪器和被测设备开机预热30分钟以上，设置矢量网络分析仪频率参数：

中心频率＝1575.42MHz，SPAN＝68MHz；

中心频率＝2485.0MHz，SPAN＝90MHz；

功率电平＝-10dBm，分辨率带宽500Hz，分别进行矢量校准。如图5所示，连接被测设备和仪器。

表1给出标准延时线的矢量网络分析仪测试数据。测试结果显示矢量网络分析仪在1575.42MHz频率下的时延测量误差小于0.1ns，在S频段2485频率下处了55.7ns延时线测量值出现偏大的异常测量值外也能达到小于0.1ns的测量误差。可见，矢量网络分析仪的时延测量精度能够满足0.1ns的校准指标要求。

表1 标准延时线矢量网络分析仪测试数据表

2)宽带示波器时延精度测试

采用宽带示波器，直接在时域上开展对时延的精密测量，是业界公认的有效测试方法。其测试精度取决于采样速率和分辨率，为了达到高精度测试要求，选用AgilentDSO90804A，时间测量精度达到25ps，满足高精度测量要求。

具体方法是：用矢量信号源产生一个脉冲调制的射频信号，经过功分器一分为二，一路送到示波器作为参考通道，另一路连接标准延时线进行测试。考虑到整个系统仪器的稳定性要求，我们采用比对的方法来消除影响。

如图6所示连接，设置矢量信号源E8267D参数：频率设置1575.42MHz，输出功率为-10dBm；设置脉冲调制方式脉宽为20ms，周期为200ms；信号调制BPSK，带宽10.23MHz。

先对系统进行校准，示波器通道A和B连接到功分器，然后校准仪器，读取相同位置序号载波的时延数值，记录A和B的时延差值C。在通道B中连接被测件，再记录A和B的时延差值D。

A通道参考点时间位置：通过得到参考点左右两边对称位置时标，取中间值为参考点时标T1＝(TL1+TR1)/2。未加延迟线时B通道参考点位置T2：方法同上，T2＝(TL2+TR2)/2。得到A、B通道电缆时延差τ0＝T2-T1；

在B通道加10ns延迟线后，测量A通道参考点位置T11；测量B通道参考点位置T21；得到A、B通道时延差(电缆+延迟线)τ1＝T21-T11；得到10ns延迟线的测量值：τ’1＝τ1-τ0；得到10ns延迟线测量精度误差：Δτ’1＝τ’1-10ns。

在B通道加100ns延迟线，测量A通道参考点位置T110；测量B通道参考点位置T210；得到A、B通道时延差(电缆+延迟线)τ10＝T210-T110；得到100ns延迟线的测量值：τ’10＝τ10-τ0；得到100ns延迟线测量精度误差：Δτ’10＝τ’10-100ns。

表2 标准延时线宽带示波器时延测试记录表(单位：ns)

表2所示为标准延时线宽带示波器时延测试结果。10ns延时线的测量误差0.01ns，100ns延时线的测量误差0.1ns。可见，示波器的时延测量精度满足通道校准的时延测量指标需求。

3)矢量网络分析仪和示波器测试精度对比

通过矢量网络分析仪和示波器时延精度对比测试试验，表明：

两者的测量误差均为0.1ns，满足校准通道设备时延测量指标要求，能够满足系统校准需求；

矢量网络分析仪测试方法相对简单，判读过程人为因素影响小，结果直接，可重复性优异，适合实际工程使用。

示波器测试结果较稳定，能够实现绝对时延的测量，但测试方法操作复杂。

5.2接收通道绝对时延及变化量测试

图7是应用于系统中的测试框图，受控于监控PC，产生脉冲调制射频信号，可以分别测得参考光通道和实际接收通道的绝对时延To和T1，由于To作为参考基准稳定可靠，因此，T1-To不同时刻的差值，即为时延变化量。

在实验室中搭建了如图7所示的环境，其中，信号源采用AgilentE8267D，示波器采用Tektronix的DPO7254，其具有40Gsps的高速采样能力。由于试验过程中采用的是普通的光纤同时未进行温度控制和设备稳定，测量得到的时延变化量较大，达到了6.7ns。测试结果表明利用光线延时进行的通道绝对时延和通道相对时延的测量，能够实现通道校准0.1ns的测量精度指标需求，但是该测试方法需要进行温度控制保证光纤的时延稳定性，同时要求光收发设备有比较好的工作稳定性。

本发明中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法，其特征在于，包括校准设备测试及接收通道绝对时延及变化量测试，所述校准设备测试包括矢量网络分析仪时延测量精度测试、宽带示波器时延精度测试；

所述矢量网络分析仪时延测量精度测试，具体包括以下步骤：

S1：矢量网络分析仪先进行自校准测试；

S2：根据RF频率和带宽的不同，分别进行直通矢量校准；

S3：连接被测件，测试标准延时线的群时延特性；

所述宽带示波器时延精度测试，具体为：

用矢量信号源产生一个脉冲调制的射频信号；经过功分器一分为二，一路送到示波器作为参考通道，另一路连接标准延时线进行测试；采用比对的方法来消除对整个系统仪器的稳定性影响；

所述接收通道绝对时延及变化量测试，具体为：

受控于监控PC，产生脉冲调制射频信号，可分别测得参考光通道和实际接收通道的绝对时延To和T1，由于To作为参考基准稳定可靠，因此T1-To不同时刻的差值，即为时延变化量。

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法，其特征在于，接收通道的校准以矢量网络分析仪为核心，由模拟光发射机、模拟光接收机及控制开关组成；接收通道的校准还包括了由矢量信号源与宽带示波器为核心的校准通道，实现通道时延的测试；利用信号分析仪，通过矢量信号源产生标准的导航信号实现系统的通道性能分析。

3.根据权利要求2所述的一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法，其特征在于，所述矢量网络分析仪采用PNA-XN5242A矢量网络分析仪。

4.根据权利要求2所述的一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法，其特征在于，所述矢量网络分析仪设置于工作楼机房。

5.根据权利要求2所述的一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法，其特征在于，所述信号分析仪的型号为N9030A。

6.根据权利要求1所述的一种基于GNSS信号质量评估的系统校准测试方法，其特征在于，所述矢量信号源的参数为：频率设置1575.42MHz，输出功率为-10dBm；设置脉冲调制方式脉宽为20ms，周期为200ms；信号调制BPSK，带宽10.23MHz。