CN112305569B - 一种导航信号时域波形失真度的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种导航信号时域波形失真度的测试方法，包括如下步骤：对导航卫星下行导航信号进行高速采样；在数字域完成对采样数据中待测试导航信号支路的捕获和跟踪，导航信号支路跟踪过程中，每个跟踪周期内，对载波剥离后的导航信号低通滤波，得到导航信号基带波形数据；对导航信号基带波形数据进行电平极性归一化处理；对连续的若干个跟踪周期的电平极性归一化后的导航信号基带波形数据累加，求平均得到待测试导航信号支路的码片基带时域波形数据；确定待测试导航信号支路的码片基带时域波形中高电平和低电平的脉冲宽度；与技术要求中待评估导航信号支路规定的伪随机码片宽度比较，实现对待判定导航信号时域波形失真的测试。

Description

一种导航信号时域波形失真度的测试方法

技术领域

本发明属于无线电计量测试技术领域，特别涉及一种导航信号时域波形失真度的测试方法。

背景技术

导航信号在基带扩频、调制、功率放大至信号发射的过程中，由原子钟、调制器、数模转换器、变频器、滤波器、高功率放大器、多工器和发射天线一系列组件部件，共同作用来完成，这些器件所含的非理想特性导致信号的失真。此外，为了满足用户对高精度导航需求，改善不同卫星导航系统的频率兼容性，现代全球导航卫星系统中同一个载波频点往往存在多个不同调制方式的导航信号，多种信号的复合通过同一放大器，额外增加了信号的幅度和相位非线性失真。所有的非理想特性所引起的信号失真将导致导航信号捕获跟踪、导航信息解调性能恶化，导航信号的质量直接影响导航系统的信号性能。导航信号时域波形失真度是评价导航系统导航性能的一个重要指标，是导航卫星设备研制厂商和导航卫星运营控制部门进行的一个重要测试项目。波形失真度用实际导航信号中伪随机码片宽度与理论宽度的差异来表示。在高精密的卫星导航应用中，采用导航信号载波相位进行星地测距，与采用伪随机码测距方式比较，载波相位测量方式的伪距测量精度高达2～3个数量级，在对导航信号进行载波相位测距的应用中，导航信号的波形的失真对测距结果的精度有至关重要的影响，高精度的导航定位对于时域波形失真度的指标要求很高，准确地测量导航信号的波形的失真度也是导航卫星设备研制过程中的一个测试难点。

文献《GNSS空间信号质量分析方法研究》(卢晓春、周鸿伟，CSNC2010第一届中国卫星导航学术年会论文集，pp881～888)中描述一种时域波形失真度测试方法：射频导航信号下变频到中频，中频导航信号经过载波剥离后的基带信号，进行数据内插，对同一码片形状(0010或1101)的片断进行相干累加，绘制平均后的码片图，根据平均后的码片图分析码片宽度。该方法的提出者是我国开展卫星导航信号质量评估的早期主要技术工作者，所在单位也是我国导航卫星质量评估工作的早期主要承担者，因此，提出的方法目前普遍用于我国北斗导航卫星导航信号质量评估中，是导航信号时域波形失真度测试的通用方法。

作为导航卫星导航设备制造部门测试人员，经过多年实践，发现该方法尽管解决了时域波形失真度测试方法有无问题。但是该方法存在一些不足：首先，导航射频信号下变频到中频过程将引入时域非线性失真，无法在测试结果中剥离，其次，对一个伪随机码周期内的基带波形中特定4个码片片断累加，可以累加的特定波形数目太少，如GPS卫星CA码，一个伪随机码周期为1023个码片，符合特定4个码片波形的码出现次数不多于200个，累加后形成的波形形状与理论的矩形波形有较大差异，严重影响码片宽度的精确测量；第三，为了满足不同需求，当前的卫星导航信号往往采用恒包络的复合调制方式，同一频点调制了两个以上的导航信号，在完成信号跟踪后的每个导航信号的基带信号中，往往存在其他导航信号的交调分量，这些交调分量影响了待分析导航信号时域波形失真度分析结果，不同时刻相同波形累加是降低这种影响的最佳方法，而目前方法能提供的累加数目太少，不能很好地消除交调分量干扰的影响，最后，受限于基带的时域波形形状，采用插值的方法，对提高精度的作用有限。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种导航信号时域波形失真度的测试方法，通过对导航信号采样、捕获、跟踪、对载波剥离后的整周期基带波形极性归一化后进行多个周期波形数据累加，获得的时域波形可以最大程度降低通道噪声和其他导航信号的交调分量影响，进而能够精确标定导航信号时域波形失真度，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

一种导航信号时域波形失真度的测试方法，包括如下步骤：

S1，对导航卫星下行导航信号进行高速采样，采集后的导航信号在频域不发生频谱混叠，采样设备的参考信号频率稳定度不低于导航卫星卫星钟稳定度指标；

S2，在数字域完成对采样数据中待测试导航信号支路的捕获和跟踪，导航信号支路跟踪过程中，每个跟踪周期内，对载波剥离后的导航信号低通滤波，得到导航信号基带波形数据；

S3，对导航信号基带波形数据进行极性归一化处理，使导航信号基带波形数据与该导航信号支路的伪随机码的电平分布一致；

S4，对连续的若干个跟踪周期的极性归一化后的导航信号基带波形数据累加，求平均得到待测试导航信号支路的码片基带时域波形数据；

S5，确定待测试导航信号支路的码片基带时域波形中所有正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形的脉冲宽度；

S6，对正电平码片基带波形和负电平码片基带时域波形的脉冲宽度分别与理论脉冲宽度求差，统计连续所需时间段内的正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形的脉冲宽度偏差的均值和标准差，作为时域波形失真度的测试结果。

进一步地，步骤S3中，所述对导航信号基带波形数据进行极性归一化处理通过以下方式实施：对导航信号基带波形数据与待测试导航信号支路的伪随机码本地数据样本进行卷积，确定卷积结果中绝对值的最大值对应的实际卷积值的正负，如果为负则导航信号基带波形数据取反；如果为正值，则保持不变。

进一步地，步骤S4中，对连续的不少于100个跟踪周期的极性归一化后的导航信号基带波形数据累加，求平均得到待测试导航信号支路的码片基带时域波形数据。

进一步地，步骤S5中，对正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形中上升沿和下降沿波形通过线性拟合求解出过零点，从而确定所有正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形的脉冲宽度。

根据本发明提供的一种导航信号时域波形失真度的测试方法，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种导航信号时域波形失真度的测试方法，直接对导航射频信号进行高速采样，不涉及下变频器，避免了下变频器带来的时域非线性失真的问题；

(2)本发明提供的一种导航信号时域波形失真度的测试方法，对载波剥离后的整周期基带波形极性归一化后，多个周期波形数据累加，可以累加的周期数目不受限制，最大程度地降低了通道噪声和其他导航信号的交调分量对待测试导航信号支路的影响；

(3)本发明提供的一种导航信号时域波形失真度的测试方法，对于波形上升沿和下降沿采用直线拟合，一方面提高测量精度，同时消除通道中干扰对过零点电平影响导致的测量误差。

附图说明

图1为本发明方法实现原理图；

图2为某个频点导航信号功率谱；

图3为单个跟踪周期的基带波形；

图4为连续20个跟踪周期基带波形的累加均值；

图5为连续200个跟踪周期基带波形的累加均值；

图6为对一个正电平码片基带时域波形的宽度计算示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

本发明提供了一种导航信号时域波形失真度的测试方法，如图1所示，包括如下步骤：

1、使用高速A/D采样器对导航(射频)信号进行采样，假设导航信号中心频率为f_d＝1575.098MHz，则用650MHz采样率对导航信号进行采样。A/D采样器的参考信号频率稳定度不低于导航卫星卫星钟的稳定度。

采样后的信号数据功率谱如图2所示，可以从功率谱看出，该导航信号在频域未发生频谱混叠，且该导航信号是一个调制了多路导航信号支路的恒包络调制复合导航信号，该复合导航信号中包括B1C、B1I、B1Ap、B1Ad等导航信号支路。对时域波形失真度的测试是指分别针对各导航信号支路进行测试。

2、通过伪随机码发生器按采样率生成一个伪随机码周期的待测试导航信号支路的伪随机码本地数据样本c_i伪随机码本地数据样本中的样本值，i＝1,2……N，N为总数，伪随机码本地数据样本中的伪随机码与待测试信号支路的伪随机码一致，设置捕获的载波搜索中心频率、搜索的多普勒频率间隔和捕获二维搜索的次数，对采样的导航信号数据进行待测试导航信号支路的捕获。

3、在完成信号捕获后进行信号跟踪处理，以捕获得到码相位值确定样本数据读取的起始点，在导航信号采集数据中，按时间顺序每相隔伪随机码周期时间读取一个伪随机码周期时间长度的信号数据，进行待测试导航信号支路跟踪环的一次跟踪处理；

每次跟踪处理包括如下处理：计算伪随机码码率、信号初始跟踪频率，每次跟踪的码长；计算码锁定环路和载波锁定环路的时间常数；载入本次处理的导航信号采样数据；NCO载波发生器对本次处理的导航信号采样数据进行正交下变频；本地超前伪随机码、即时伪随机码、滞后伪随机码分别对正交下变频的I和Q支路进行相关积分累加和清零。通过码环路鉴别器、载波鉴相与环路滤波分别完成码跟踪和载波跟踪误差计算、参数更新。

4、跟踪稳定后，对于每个跟踪周期，I支路变频后经过低通滤波，消除载波高频分量影响，得到I支路基带波形数据i表示跟踪周期序号，N表示该跟踪周期中的数据样本点总数。

单个跟踪周期得到的I支路基带波形如图3所示。从图中看出，对于大于两个导航信号支路的复合导航信号，单个导航信号基带波形受到其他导航信号的交调分量的影响，直接对单个恢复的波形中波形的宽度进行计算，会导致很大的测试误差。

5、对滤波后的I支路基带波形数据进行极性归一化处理。将按导航信号采样率生成的伪随机码本地数据样本与I支路基带波形数据进行卷积处理：

计算卷积结果绝对值的最大值，确定卷积结果绝对值的最大值对应的实际卷积值，如果该数值大于0，表示I支路基带波形数据的极性分布与伪随机码的极性分布一致，I支路基带波形数据保持不变；如果该数值小于0，表示I支路基带波形数据的极性分布与伪随机码的极性分布相反，对I支路基带波形数据取反。

6、对多个跟踪周期的极性归一化后的I支路基带波形数据累加求平均，得到待评估导航信号支路的码片基带时域波形数据。图4和图5分别是20个、200个跟踪周期内基带波形数据累加的结果，从图中看出，累加20次后，波形受到的噪声和交调分量影响仍然比较大，累加200次后，基带波形数据就能很好地抑制噪声和交调分量。

7、将所有基带时域波形中上升沿和下降沿通过线性拟合求解出准确的过零点，确定所有正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形的脉冲宽度。以图6的一个正电平码片基带时域波形为例，分别设定高低电平门限值，读取这两个门限值之间数据[y₁ y₂… y_G]，进行直线拟合：

式中b₀表示拟合后直线的第一个波形数据拟合值，b₁表示拟合直线的斜率；以采样点y₁为参考，然后计算过零点的采样点序号x：

类似方法计算完成下降沿过零点的采样点序号，在完成上升沿和下降沿过零点序号后，计算正电平码片基带时域波形的脉冲宽度Δ₊：

Δ₊＝(x₂-x₁)/f_s (4)

式中x₂为下降沿过零点序号，x₁为上升沿过零点序号，f_s为导航信号采样率。用同样的方法可以计算负电平码片基带时域波形的脉冲宽度。

8、将正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形的脉冲宽度分别与理论脉冲宽度求差。统计连续所需时间段内的正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形脉冲宽度偏差的均值和标准差，作为码片基带时域波形失真度的测试结果。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

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 (4)

1.一种导航信号时域波形失真度的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，对导航卫星下行导航信号进行高速采样，采集后的导航信号在频域不发生频谱混叠，采样设备的参考信号频率稳定度不低于导航卫星卫星钟稳定度指标；

S2，在数字域完成对采样数据中待测试导航信号支路的捕获和跟踪，导航信号支路跟踪过程中，每个跟踪周期内，对载波剥离后的导航信号低通滤波，得到导航信号基带波形数据；

S3，对导航信号基带波形数据进行极性归一化处理，使导航信号基带波形数据与该导航信号支路的伪随机码的电平分布一致；

S4，对连续的若干个跟踪周期的极性归一化后的导航信号基带波形数据累加，求平均得到待测试导航信号支路的码片基带时域波形数据；

S5，确定待测试导航信号支路的码片基带时域波形中所有正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形的脉冲宽度；

S6，对正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形的脉冲宽度分别与理论脉冲宽度求差，统计连续所需时间段内的正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形的脉冲宽度偏差的均值和标准差，作为时域波形失真度的测试结果。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤S3中，所述对导航信号基带波形数据进行极性归一化处理通过以下方式实施：对导航信号基带波形数据与待测试导航信号支路的伪随机码本地数据样本进行卷积，确定卷积结果中绝对值的最大值对应的实际卷积值的正负，如果为负则导航信号基带波形数据取反；如果为正值，则保持不变。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤S4中，对连续的不少于100个跟踪周期的极性归一化后的导航信号基带波形数据累加，求平均得到待测试导航信号支路的码片基带时域波形数据。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤S5中，对正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形中上升沿和下降沿波形通过线性拟合求解出过零点，从而确定所有正电平码片基带时域波形和负电平码片基带时域波形的脉冲宽度。