CN112213742B - 一种卫星导航系统信号质量监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星导航系统信号质量监测方法，包括对波形特性、功率特性、相关特性、调制特性、通道特性、一致性及多普勒变化的监测；波形特性监测通过对伪码正确性及数字畸变的分析实现，功率特性监测通过对地面接收功率分析实现，相关特性监测通过对相关损失及S曲线过零点偏差分析实现，调制特性的监测通过对信号调制方式分析实现，通道特性监测通过伪码解析技术求解信号实现，一致性监测通过对码与载波相位一致性及信号分量载波相位偏差分析实现；多普勒变化监测采用频谱仪实现，通过频谱仪标定最高波峰值，自动记录频率读数，对调制信号载波频率变化进行监测。本发明的优点是，实现导航信号深层次问题的快速响应及信号突发异常的告警。

Description

一种卫星导航系统信号质量监测方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种卫星导航系统信号质量监测方法。

背景技术

卫星导航信号是GNSS中唯一同时在空间段、地面段和用户段之间建立联系的核心纽带，导航信号质量的优劣直接影响到系统的服务和用户体验。因此为了保障卫星导航系统能够提供可靠的PNT服务，空间信号质量监测工作必不可少。然而现有的信号质量监测仅为基于接收机观测数据的简单分析，无法实现测距码、信号功率、调制特性等深层次问题的快速响应。

而信号质量评估工作具有一定的滞后性，对于某些突发情况不能够及时为用户提供预警，造成用户不可估量的损失。现有的全球连续监测评估系统(iGMAS)中，空间信号精度、星载钟、时间偏差等监测内容主要针对的是卫星导航星历参数，缺乏信号功率、测距性能等直接影响用户接收性能的参数监测。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种卫星导航系统信号质量监测方法，有利于系统的稳定运行，有利于提高用户的服务体验，实现导航信号深层次问题的快速响应，实现信号突发异常的告警。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种卫星导航系统信号质量监测方法，包括对波形特性、功率特性、相关特性、调制特性、通道特性、一致性及多普勒变化的监测；

所述波形特性的监测方法为：

S1：伪码正确性分析

1)对授权导航信号伪码进行解析，得到信号的伪码序列；

2)监测一个码周期内的误码率，对码跳变异常现象进行告警；

S2：数字畸变分析

1)对解调后的基带信号做相干累加平均处理，观察基带波形是否存在明显畸变；

2)统计码周期内的信号每个正负码片对应时长，并与理想码片的码片宽度做差，获得正负码片与理想码片的时间差序列；

3)分别统计两个时间序列的最大值、最小值和峰峰值，统计标准差和均值；

所述功率特性的监测方法为：

S1：地面接收功率分析

1)利用天线的连续跟踪能力，长时间跟踪某颗可见卫星，频谱分析仪同步测量接收信号的主瓣信号功率；

2)利用天线的增益校准数据、信号接收通道的增益校准数据以及仪器的功率标校数据反推出天线口面的接收信号功率；

3)利用发射信号各分量间的功率比关系考察各信号分量的地面接收功率状态；

所述相关特性的监测方法为：

S1：相关损失分析

1)对接收的导航卫星信号进行载波剥离去除，得到实测信号基带波形；

2)计算其与本地参考码的归一化互相关，继而计算相对应的实际功率值，理想的功率与实际功率的差值即为相关损失；

S2：S曲线过零点偏差(S-Curve Bias)分析

1)画出接收信号鉴相曲线锁定点偏差ε_bias(δ)随超前—滞后间距δ的变化曲线；

2)在信号的发射带宽内，相关器间隔0～1码片范围内，分析100码周期的数据段内SCB曲线的过零点偏差及其斜率的过零点变化情况；

所述调制特性的监测方法为：

S1：信号调制方式分析

1)信号经过监测天线，功分至示波器，用示波器来监测调制信号翻转点变化；

2)功分至矢量信号分析仪，利用矢量信号分析仪解调信号，得到信号星座图，计算信号调制误差；

3)长时间采集分析信号波形，对导航信号进行解调，画出信号星座图；

4)利用星座图相位点和功率谱形状相结合的方式，得到信号调制方式的监测结果；

所述通道特性的监测方法为：

S1：利用授权信号伪码解析技术，解析出授权信号伪码序列；

S2：根据理想信号生成方式生成理想信号作为输入信号，输出信号为经过监测及射频通道后的采集数据；

S3：求解通道特性，进行连续的通道特性监测；

所述一致性的监测方法为：

S1：码与载波相位一致性分析

1)利用软件接收机对高载噪比信号进行捕获跟踪，获得载波相位和码相位；

2)对相位进行差分处理，再求出码与载波的一致性；

S2：信号分量载波相位偏差分析

1)利用软件接收机对同一组数据中不同信号分量实现跟踪；

2)不同信号支路跟踪过程中分别输出信号载波相位；

3)统计分析各分量之间载波相位差值，与ICD信号设计结果比较；

4)获得信号分量相对的相位误差

所述多普勒变化的监测方法为：

S1：采用频谱仪监测多普勒变化；

S2：通过频谱仪标定最高波峰值，自动记录频率读数，对调制信号载波频率变化进行监测。

进一步的，所述波形特性的数字畸变分析中统计码周期内的信号每个正负码片对应时长，并与理想码片的码片宽度做差，获得“1”和“0”码片与理想码片的时间差序列。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

由于近日北斗系统全球组网的工作圆满结束，建立卫星导航系统信号质量监测相关标准有利于信号质量监测工作的规范和统一，有利于系统的稳定运行，有利于提高用户的服务体验，因此，制定信号质量监测标准的需求较为迫切，提出标准的时机也较为成熟。本发明提出北斗卫星导航信号质量监测参数的表征方法，用明确的指标项表征导航信号质量的状态；提出北斗卫星导航信号质量监测参数的测试方法，确定测试要求、测试条件以及数据处理方法、结果评价等的技术规范，能够实现导航信号深层次问题的快速响应，实现信号突发异常的告警，是导航系统完好性、连续性的重要保障措施，是确保高精度服务的有效手段。基于信号质量监测技术，能够开发信号质量监测平台及设备，实现监测站快速部署，战场环境态势分析，有利于在局部战争中掌握战场主动权。

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。

1、信号监测参数及表征方法

制定GNSS导航信号的信号质量监测参数的表征方法，确定监测内容与监测参数的规范表述及其定义。

(1)波形特性

a)伪码正确性：监测一个码周期内的误码率；

b)数字畸变：监测信号的时域波形失真程度；

(2)功率特性

a)地面接收功率：监测信号接收功率的变化情况，反映星上发射机功放工作状态等；

(3)相关特性

a)相关损失：反映信号实际功率损失情况；

b)S曲线过零点偏差(S-Curve Bias)：反映信号的测距性能；

(4)调制特性

a)信号调制方式：监测信号调制方式的变化情况；

(5)通道特性

a)通道特性：反映空间传输、卫星载荷的状态；

(6)一致性

a)码与载波相位一致性：反映信号码与载波的偏离情况；

b)信号分量载波相位偏差：监测信号分量相对的相位误差。

2、监测参数分析方法

本发明提出了卫星导航系统的信号质量监测参数分析方法，包括对功率特性、相关特性、波形特性、调制特性、通道特性、一致性等参数的分析研究。

(1)波形特性

a)伪码正确性：对授权导航信号伪码进行解析，得到信号的伪码序列，监测一个码周期内的误码率，可对码跳变等异常现象进行告警；

b)数字畸变：对解调后的基带信号做相干累加平均处理，观察基带波形是否存在明显畸变，统计码周期内的信号每个正负码片对应时长，并与理想码片码片宽度做差，获得“1”和“0”码片与理想码片的时间差序列，分别统计两个时间序列的最大值、最小值和峰峰值，统计标准差和均值。

(2)功率特性

a)地面接收功率：利用天线的连续跟踪能力，长时间跟踪某颗可见卫星，频谱分析仪同步测量接收信号的主瓣信号功率。利用天线的增益校准数据、信号接收通道的增益校准数据以及仪器的功率标校数据反推出天线口面的接收信号功率，然后利用发射信号各分量间的功率比关系考察各信号分量的地面接收功率状态。

(3)相关特性

a)相关损失：对接收的导航卫星信号进行载波剥离，得到实测信号基带波形，计算其与本地参考码的归一化互相关，继而计算相对应的实际功率值，理想的功率与实际功率的差值即为相关损失；

b)S曲线过零点偏差(S-Curve Bias)：画出接收信号鉴相曲线锁定点偏差ε_bias(δ)随超前—滞后间距δ的变化曲线。在信号的发射带宽内，相关器间隔0～1码片范围内，分析100码周期的数据段内SCB曲线的过零点偏差及其斜率的过零点变化情况。

(4)调制特性

a)信号调制方式：信号经过监测天线，功分至示波器，用示波器来监测调制信号翻转点变化；功分至矢量信号分析仪，利用矢量信号分析仪解调信号，得到信号星座图，计算信号调制误差；并长时间采集分析信号波形，对导航信号进行解调，画出信号星座图，利用星座图相位点和功率谱形状相结合的方式，得到信号调制方式的监测结果。

(5)通道特性

通道特性：利用授权信号伪码解析技术，解析出授权信号伪码序列，并根据理想信号生成方式生成理想信号作为输入信号，输出信号为经过监测及射频通道后的采集数据，求解通道特性，进行连续的通道特性监测。

(6)一致性

a)码与载波相位一致性：利用软件接收机对高载噪比信号进行捕获跟踪，获得载波相位和码相位，然后对相位进行差分处理，再求出码与载波的一致性；

b)信号分量载波相位偏差：利用软件接收机对同一组数据中不同信号分量实现跟踪，不同信号支路跟踪过程中分别输出信号载波相位，统计分析各分量之间载波相位差值，与ICD信号设计结果比较，获得信号分量相对的相位误差；

(7)多普勒变化：利用频谱仪MARKER功能，标定最高波峰值，自动记录频率读数，对调制信号载波频率变化进行监测。

3、信号质量监测指标

提出信号质量监测指标要求，实现指标与参数的一一对应，实现系统信号状态的指标表征。

(1)监测结果输出频度：10秒/次；

(2)监测结果输出延迟：≤60秒；

(3)地面接收功率监测精度：优于0.5dB(68％，10分钟统计结果)；

(4)相关损失监测精度：优于0.2dB(68％，同组数据统计100次)；

(5)S曲线过零点偏差监测精度：优于0.2ns(68％，同组数据统计100 次)。

4、信号质量监测平台要求

提出信号质量监测设备的基本要求，确定测试环境、设备能力要求、设备状态、及校准方法的基本要求。

(1)数据质量要求

a)数据采集：

i.采样率：≥750MHz；

ii.采样带宽：≥80MHz；

iii.A/D位数：≥12bit；

iv.接收机数据载噪比：≥35dB/Hz。

(2)平台处理能力要求

a)预警能力：当监测结果异常时及时告知用户；

b)数据吞吐和冗余数据处理能力：由于采集数据数据量较大，要求监测平台能够保证读取数据、分析数据和结果输出三项工作同时进行，并且要能够自动及时清理冗余数据，保证结果输出的实时性。

卫星导航信号是GNSS中唯一同时在空间段、地面段和用户段之间建立联系的核心纽带，导航信号质量的优劣直接影响到系统的服务和用户体验。国内研究人员通过分析还原了“GPS导航战”，国家授时中心研究人员通过数据整理分析发现GPS系统于2017年已启动过该模式。北斗系统也曾发生过长码跳变、信号异常等现象，可见单纯通过信号质量评估无法及时有效的发现导航系统热点问题。因此为了保障卫星导航系统能够提供可靠的PNT服务，空间信号质量监测工作必不可少。然而现有的信号质量监测仅为基于接收机观测数据的简单分析，无法实现测距码、信号功率、调制特性等深层次问题的快速响应。

而信号质量评估工作具有一定的滞后性，对于某些突发情况不能够及时为用户提供预警，造成用户不可估量的损失。现有的全球连续监测评估系统(iGMAS)中，空间信号精度、星载钟、时间偏差等监测内容主要针对的是卫星导航星历参数，缺乏信号功率、测距性能等直接影响用户接收性能的参数监测。

效果：信号质量监测能够实现导航信号深层次问题的快速响应，实现信号突发异常的告警，是导航系统完好性、连续性的重要保障措施，是确保高精度服务的有效手段。

基于信号质量监测技术，能够开发信号质量监测平台及设备，实现监测站快速部署，战场环境态势分析，有利于在局部战争中掌握战场主动权。

5、本发明的实现条件及实现途径：

1)实施本发明需要具备的条件

中国科学院国家授时中心2009年初建立了我国第一套北斗区域系统信号质量监测平台，2015年建立了以40m天线为核心具有世界领先水平的 GNSS空间信号质量评估系统，在信号质量监测评估的平台建设方面积累了丰富的经验，在信号质量监测技术研究工作中取得了重大的突破，现有的技术条件已能够实现部分评估参数向标准化监测方向转化，尤其在采集数据分析方面已完成相关损失、S曲线过零点偏差、波形失真等用户较关注的参数准实时分析的验证。

北斗全球系统工程建设过程中，国家授时中心全面支撑卫星载荷研制单位的设计、测试、验证等工作，全程参与卫星载荷的出厂测试、在轨测试及入网测试。国家授时中心协助完成了电文反转、相关峰不对称、功率比偏差、信号畸变等信号质量问题的排查定位，完成了在轨性能优化方法的研究，为信号质量监测技术标准的提出奠定了重要的技术基础。

国家授时中心承担了北斗区域系统与北斗全球系统各阶段信号质量评估等项目，取得了一系列成果，为本发明的研究方案打下了坚实的基础。

以上具备的条件有利于本发明的顺利进行。

2)本方案提出的意义及必要性

北斗全球(北斗三号)卫星导航系统是迄今为止我国航天史上规模最大、技术最复杂、系统性最强、建设任务最繁重的系统工程，是我国航天能力上台阶、上水平的标志性项目。2017年11月5日，我国在西昌卫星发射中心发射了北斗全球(北斗三号)卫星导航系统第一、二颗卫星，标志着我国北斗导航系统正式拉开了全球组网序幕，2018年12月27日全球基本系统正式提供服务，2020年6月23日北斗三号全球卫星导航系统星座部署圆满完成，完好性、连续性是导航系统提供PNT服务的重要条件，而开展信号质量监测能够有效支撑导航系统的稳定运行，有利于为高精度用户提供更优良的服务体验。

综上所述，北斗系统全球组网工作圆满结束，建立相关标准有利于信号质量监测工作的规范和统一，有利于系统的稳定运行，有利于提高用户的服务体验，因此，制定信号质量监测标准的需求较为迫切，提出标准的时机也较为成熟。

3)本发明的关键技术及解决途径

随着新型导航信号的发展，高带宽、新型调制技术和多路复用技术成为各卫星导航系统的新特点，信号质量监测参数向精细化和多维化发展，所以本发明的主要关键技术为两项：a)提出卫星导航信号质量监测参数的表征方法，用明确的指标项表征导航信号质量的状态；b)提出卫星导航信号质量监测参数的测试方法。确定测试要求、测试条件以及数据处理方法、结果评价等的技术规范。

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 (2)

1.一种卫星导航系统信号质量监测方法，其特征在于，包括对波形特性、功率特性、相关特性、调制特性、通道特性、一致性及多普勒变化的监测；

所述波形特性的监测方法为：

S1：伪码正确性分析

1)对授权导航信号伪码进行解析，得到信号的伪码序列；

2)监测一个码周期内的误码率，对码跳变异常现象进行告警；

S2：数字畸变分析

1)对解调后的基带信号做相干累加平均处理，观察基带波形是否存在明显畸变；

2)统计码周期内的信号每个正负码片对应时长，并与理想码片的码片宽度做差，获得正负码片与理想码片的时间差序列；

3)分别统计两个时间序列的最大值、最小值和峰峰值，统计标准差和均值；

所述功率特性的监测方法为：

S1：地面接收功率分析

1)利用天线的连续跟踪能力，长时间跟踪某颗可见卫星，频谱分析仪同步测量接收信号的主瓣信号功率；

2)利用天线的增益校准数据、信号接收通道的增益校准数据以及仪器的功率标校数据反推出天线口面的接收信号功率；

3)利用发射信号各分量间的功率比关系考察各信号分量的地面接收功率状态；

所述相关特性的监测方法为：

S1：相关损失分析

1)对接收的导航卫星信号进行载波剥离去除，得到实测信号基带波形；

2)计算其与本地参考码的归一化互相关，继而计算相对应的实际功率值，理想的功率与实际功率的差值即为相关损失；

S2：S曲线过零点偏差(S-Curve Bias)分析

1)画出接收信号鉴相曲线锁定点偏差ε_bias(δ)随超前—滞后间距δ的变化曲线；

2)在信号的发射带宽内，相关器间隔0～1码片范围内，分析100码周期的数据段内SCB曲线的过零点偏差及其斜率的过零点变化情况；

所述调制特性的监测方法为：

S1：信号调制方式分析

1)信号经过监测天线，功分至示波器，用示波器来监测调制信号翻转点变化；

2)功分至矢量信号分析仪，利用矢量信号分析仪解调信号，得到信号星座图，计算信号调制误差；

3)长时间采集分析信号波形，对导航信号进行解调，画出信号星座图；

4)利用星座图相位点和功率谱形状相结合的方式，得到信号调制方式的监测结果；

所述通道特性的监测方法为：

S1：利用授权信号伪码解析技术，解析出授权信号伪码序列；

S2：根据理想信号生成方式生成理想信号作为输入信号，输出信号为经过监测及射频通道后的采集数据；

S3：求解通道特性，进行连续的通道特性监测；

所述一致性的监测方法为：

S1：码与载波相位一致性分析

1)利用软件接收机对高载噪比信号进行捕获跟踪，获得载波相位和码相位；

2)对相位进行差分处理，再求出码与载波的一致性；

S2：信号分量载波相位偏差分析

1)利用软件接收机对同一组数据中不同信号分量实现跟踪；

2)不同信号支路跟踪过程中分别输出信号载波相位；

3)统计分析各分量之间载波相位差值，与ICD信号设计结果比较；

4)获得信号分量相对的相位误差；

所述多普勒变化的监测方法为：

S1：采用频谱仪监测多普勒变化；

S2：通过频谱仪标定最高波峰值，自动记录频率读数，对调制信号载波频率变化进行监测。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航系统信号质量监测方法，其特征在于，所述波形特性的数字畸变分析中统计码周期内的信号每个正负码片对应时长，并与理想码片的码片宽度做差，获得“1”和“0”码片与理想码片的时间差序列。