CN112327332A - 基于usrp的伪卫星信号质量分析装置及其分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于USRP的伪卫星信号质量分析装置及其分析方法，该方法与装置可用于对伪卫星信号的质量与定位性能进行评估。本发明所设计的伪卫星信号质量分析方法可对伪卫星中频信号质量进行直接分析评估，也能通过分析软件接收机对信号的处理过程及定位结果间接评估伪卫星信号质量。本发明所设计伪卫星信号质量分析装置，将软件无线电平台和伪卫星信号的测量分析联系在一起，降低了伪卫星信号接收分析系统的开发难度；并且借助于PC强大的存储空间和数据库软件，能够将测量数据存储到具有时间查询功能的数据库中，方便对其进行后期数据处理。
Description
技术领域
本发明属于导航定位领域，涉及一种伪卫星信号质量分析方法与装置。
背景技术
伪卫星导航定位技术存在各式各样民用和军事中的应用需求，对于高精度高可信度定位服务极具重要性。而伪卫星信号又是伪卫星导航系统中最重要的组成部分之一，伪卫星信号的正确与否及性能优劣，直接关系到系统PVT基本功能、关键性能和指标的实现。监测评估导航信号质量，可以评估系统提供服务的性能，通过评估星载有效载荷性能和工作状态，评估卫星生命周期中各种不可预料的异常情况：如发射功率下降、天线指向异常，以及伪卫星特有的信号质量和完好性等问题。在系统试验期间给系统设计者提供可信的调试依据，从而在一定程度上保证用户对伪卫星导航系统完好性的了解和确认，再进一步，对保证卫星导航系统的完好性做出贡献。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种伪卫星信号质量分析方法与装置，达到对室内外伪卫星信号进行质量评估和定位性能验证的目的。其使用布设的伪卫星发射机和通用软件无线电平台，完成伪卫星信号质量分析功能，为优化伪卫星定位系统提供支持。
一种基于USRP的伪卫星信号质量分析装置，包括接收天线、射频前端、中频信号采集与存储单元、伪卫星基带信号处理单元、伪卫星信号质量分析评估单元、接收机性能分析评估单元和伪卫星信号定位性能分析评估单元，所述射频前端为软件无线电外设，所述软件无线电外设与中频信号采集与存储单元连接，伪卫星基带信号处理单元与中频信号采集与存储单元连接，所述伪卫星信号质量分析评估单元、接收机性能分析评估单元、伪卫星信号定位性能分析评估单元均与伪卫星基带信号处理单元连接。
进一步地，所述软件无线电外设接收并处理伪卫星信号，中频信号采集与存储单元、伪卫星基带信号处理单元对伪卫星信号进行处理，伪卫星信号质量分析评估单元、接收机性能分析评估单元、伪卫星信号定位性能分析评估单元对伪卫星信号进行评估。
一种采用上述装置分析伪卫星信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A.使用伪卫星信号发射机发射伪卫星信号，通过通用软件无线电外设作为射频前端接收射频信号并通过中频信号采集与存储单元将信号变频转化为数字中频信号，然后进入步骤B；
步骤B.获取数字中频信号之后，对数据做预处理，剔除无效数据，随后进入软件接收机进行基带信号处理，所述基带信号处理过程包括信号捕获、跟踪、位同步、帧同步等过程。在软件接收机的处理过程中，实时记录软件接收机的响应状态和各个过程的处理结果，然后进入步骤C；
步骤C.根据步骤B中记录的软件接收机的响应状态和处理结果，利用软件接收机的捕获结果评估平均捕获时间、虚警概率；利用软件接收机的跟踪环路响应状态，评估鉴相器和相关器的锁定误差；利用软件接收机的同步解调过程和结果，评估解调后的基带信号质量和误码率，进入步骤D；
步骤D.根据步骤A中记录的中频信号数据和步骤B中记录的软件接收机的响应状态及处理结果，利用时域、频域、相关域、调制域分析接收到的伪卫星信号质量，评估信号相关以前导航信号异常引起的相关的相关函数畸变；所述调制域分析步骤包括：伪卫星导航信号进入软件接收机进行捕获跟踪后，输出载波剥离后的基带I/Q调制分量，基带信号可表示为I/Q支路信号的复用信号：s(t)＝I(t)+jQ(t)，其中I(t)为余弦信号cos(2πfct)的幅度调制，Q(t)为正弦信号sin(2πfct)的幅度调制,分别以I(t)和Q(t)为横轴和纵轴，画出可以直观表示信号间的关系的信号星座图及其转换轨迹图；
步骤E.根据步骤B中记录的软件接收机的响应状态及处理结果，利用接收机输出观测量评估伪卫星信号数据完好性和测距定位性能；
步骤F.通过步骤C、D、E中的信号分析评估结果，综合反映待测信号的信号质量。
进一步地，所述步骤B中的捕获步骤包括：输入信号与本地产生的载波信号相乘得到I支路信号，与90°移位后的本地载波相乘后得到Q支路信号，I支路和Q支路组合得到复数信号x(n)＝I(n)+jQ(n)，送入DFT运算，同时本地产生的伪码变换到频域后取共轭，随后，输入信号经过傅里叶变换与经过傅里叶变换的本地伪码相乘，输出结果经过傅里叶变换为时域信号，傅里叶逆变换输出的模值表示输入信号与本地伪码的相关结果，若结果中出现峰值，其位置表示接受信号的码相位。
进一步地，所述步骤B中的跟踪步骤包括：输入信号与两路本地载波信号相乘，将C/A码变换到基带，然后与三路本地码相乘，三路本地码之间的间距为0.5码片，经过第二次相乘后，对三路输出进行积分累加，输出的积分值表明本地三路码与输入信号中C/A码的相关程度，若本地载波相位与输入信号一致，所有信号能量集中在同向支路；若本地载波的相位与输入信号的相位有偏差，信号能量在同向支路和正交支路之间切换。
进一步地，所述步骤D中的时域步骤包括：通过步骤A、B的数据形成眼图，从眼图上观测出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。
进一步地，所述步骤D中的频域步骤包括：
将信号序列x(n)分成互不重叠的若干段，通过公式(1)对每个小段信号序列进行功率谱估计，然后再取平均作为整个序列x(n)的功率谱估计，
进一步地，所述步骤D中的相关域分析步骤包括：根据跟踪环路的输出，对接收的导航信号进行载波剥离，得到实际C/A码，计算其与本地参考C/A码的归一化互相关，其定义式如下：
其中，SBB-PreProc为实际卫星信号C/A码，SRef为本地接收机复制的C/A码，积分时间TP通常对应参考信号的一个码周期；
得到相关曲线后，将实际相关曲线与理想相关曲线进行对比，通过相关损耗、S曲线偏差和相关函数对称性等相关峰参数评估码相位的一致性，分析接收信号对测距性能的影响。
本发明所述一种伪卫星信号质量分析方法与平台，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计伪卫星信号质量分析装置，采用全新设计方法，将软件无线电平台和伪卫星信号的测量分析联系在一起，降低了伪卫星信号接收分析系统的开发难度；通过成本较低的通用软件无线电外设USRP，实现伪卫星信号的测量分析，大幅度降低了开发成本，且具有较大的灵活性；并且测量借助于PC强大的存储空间和数据库软件，能够将测量数据存储到具有时间查询功能的数据库中，对其进行后期数据处理，利用数据库可以完成对伪卫星信号变化的监控。
本发明的信号分析包括1)利用软件接收机的捕获与跟踪响应反映伪卫星信号质量；2)利用时域、频域、相关域、调制域分析接收到的伪卫星信号质量；3)利用接收机输出观测量评估伪卫星信号测距定位性能。通过这三种方法可以将伪卫星定位系统的信号质量和定位性能评估出来，对伪卫星定位系统的学术研究和工程化部署有很大的帮助。通过跟踪捕获与调制域分析相结合，分析结果更加全面、精确。
附图说明
图1是本发明设计伪卫星信号质量分析评估方法示意图；
图2是本发明设计伪卫星信号质量分析评估装置组成结构示意图。
图3是本发明设计伪卫星信号捕获示意图；
图4是本发明设计伪卫星信号跟踪示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种伪卫星信号质量分析平台，通过伪卫星信号发射机发射射频信号，通用软件无线电外设(USRP)接收并处理伪卫星信号。
伪卫星信号接收。伪卫星信号接收设备USRP型号射频前端选用AD9361射频收发芯片，其射频工作范围70MHz-6 GHz，包含两路独立的接收端口和两路独立的发送端口，12位模数转换和12位数模转换。硬件的信号处理部分为赛灵思公司的Spartan6 FPGA芯片，该芯片的时钟频率为61.44MHz，同时支持对应速率的数据传输。USRP采用USB3.0接口与主机连接，可实时提供56MHz的带宽，其特点是完全集成化，不需要外接子板，经过FPGA处理后的数字信号可以通过USB接口与上位机交互，交互中的数据由上位机安装的UHD接口控制。
所述伪卫星信号质量分析方法主要有三个方面：1)利用软件接收机的捕获与跟踪响应反映伪卫星信号质量；2)利用时域、频域、相关域、调制域分析接收到的伪卫星信号质量；3)利用接收机输出观测量评估伪卫星信号测距定位性能。通过这三种方法可以将伪卫星定位系统的信号质量和定位性能评估出来，对伪卫星定位系统的学术研究和工程化部署有很大的帮助。
基于已布设的伪卫星信号发射机和软件接收机平台，执行伪卫星信号的收发实验测试，借助所述的伪卫星信号质量分析方法与装置，实现伪卫星信号质量分析，包括如下步骤：
步骤A.使用伪卫星信号发射机发射伪卫星信号，通过通用软件无线电外设(USRP)作为射频前端接收射频信号并将信号下变频转化为数字中频信号。然后进入步骤B；
步骤B.获取数字中频信号之后，对数据做预处理，剔除无效数据，随后进入软件接收机进行基带信号处理，主要包括信号捕获、跟踪、解调等。在软件接收机的处理过程中，实时记录软件接收机的响应状态和各个过程的处理结果。然后进入步骤C；
步骤C.根据步骤B中记录的软件接收机的响应状态和处理结果，利用软件接收机的捕获结果评估平均捕获时间、虚警概率等参数，反映信号的可被捕获的难易程度，间接的反映待测信号的质量；利用软件接收机的跟踪环路响应状态，评估鉴相器和相关器的锁定误差，反映信号跟踪环路的稳定程度，间接反映待测信号的稳定性；利用软件接收机的同步解调过程和结果，评估解调后的基带信号质量和误码率等参数，间接反映信道的通信质量和信号的失真情况。进入步骤D。
步骤D.根据步骤A中记录的中频信号数据和步骤B中记录的软件接收机的响应状态及处理结果，利用时域、频域、相关域、调制域分析接收到的伪卫星信号质量。其中，时域信号分析主要通过信号的波形图、均值、方差、均方根、眼图、概率密度函数等方面进行分析和评估；频域信号分析主要通过频谱、功率谱、倒谱、载噪比等方面进行分析和评估；调制域信号分析主要是从星座图及其体现的调制误码比和误差矢量幅值来分析码间串扰及噪声；相关域信号分析主要是从互相关函数等相关特性曲线、相关曲线方差、相关损耗、相关曲线对称性分析等方面来进行分析，评估信号相关以前导航信号异常引起的相关的相关函数畸变。
步骤E.根据步骤B中记录的软件接收机的响应状态及处理结果，利用接收机输出观测量评估伪卫星信号数据完好性和测距定位性能，主要包括精度性能分析、完好性性能分析、连续性性能分析、可用性性能分析、脆弱性性能分析等。
步骤F.通过步骤C、D、E中的信号分析评估结果，综合反映待测信号的信号质量。
所述伪卫星信号质量分析装置目的是实现上述伪卫星信号质量分析方法。包括但不限于接收天线、射频前端、中频信号采集与存储单元、伪卫星基带信号处理单元、伪卫星信号质量分析评估单元、接收机性能分析评估单元和伪卫星信号定位性能分析评估单元。
信号捕获、跟踪，如图2、图3所示。信号捕获的目的是估算出接收信号的载波频率和码相位这两个参数，然后根据这两个参数初始化后面的跟踪环路，以帮助接收通道展开对信号的跟踪。其过程为：输入信号与本地产生的载波信号相乘得到I支路信号，与90°移位后的本地载波相乘后得到Q支路信号。I支路和Q支路组合得到复数信号x(n)＝I(n)+jQ(n)，送入DFT运算，同时本地产生的伪码变换到频域后取共轭。随后，输入信号经过傅里叶变换与经过傅里叶变换的本地伪码相乘，输出结果经过傅里叶变换为时域信号，傅里叶逆变换输出的模值表示输入信号与本地伪码的相关结果。若结果中出现峰值，其位置表示接受信号的码相位。捕获完成后，进入跟踪阶段，其过程为：首先是输入信号与两路本地载波信号相乘，将C/A码变换到基带。然后与三路本地码相乘，通常，三路本地码之间的间距为0.5码片。经过第二次相乘后，对三路输出进行积分累加，输出的积分值表明本地三路码与输入信号中C/A码的相关程度。如果本地载波相位与输入信号一致，所有信号能量集中在同向支路。但是如果本地载波的相位与输入信号的相位有偏差，信号能量在同向支路和正交支路之间切换。
信号分析。信号分析主要包括时域、频域、调制域、相关域四个方面。
时域分析，从码片和眼图两个方面入手。码片波形是信号的时域波形，是信号特性最直接最准确的反映。通过眼图可以直观地反映出信号的畸变情况。通信领域中，从“眼图”上可以观察出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。在导航领域，非线性畸变导致的I/Q交叉耦合、带宽限制、噪声等因素，会对信号的眼图产生影响。
频域分析，主要是分析其功率谱及其包络。周期图法及其改进方法是经典的功率谱分析方法。其是将观测到的有限长序列x(n)视为能量有限信号，求其N点离散傅里叶变换，得XN(ejω)，再取模值的平方并除以N，得到x(n)的功率谱估计。其表达式如下：
周期图是信号功率谱的一个有偏估计，且当信号序列的长度增大到无穷时，估值的方差不趋于零。因此，随着所取信号序列长度的不同，所得到的周期图也不同，这种现象称为随机起伏。为改善周期图法。可将信号序列x(n)分成互不重叠的若干段，对每个小段信号序列进行功率谱估计，然后再取平均作为整个序列x(n)的功率谱估计。这种利用数据分段来评估信号功率谱的方法称为平均周期图法。
调制域分析，主要是分析伪卫星信号星座图。伪卫星导航信号进入软件接收机进行捕获跟踪后，输出载波剥离后的基带I/Q调制分量，基带信号可表示为I/Q支路信号的复用信号：s(t)＝I(t)+jQ(t)，其中I(t)为余弦信号cos(2πfct)的幅度调制，Q(t)为正弦信号sin(2πfct)的幅度调制。由于cos(2πfct)与sin(2πfct)正交，所以I(t)与Q(t)正交。通常将I(t)称为同向分量，Q(t)称为正交分量。分别以I(t)和Q(t)为横轴和纵轴，可以画出信号星座图及其转换轨迹图。星座图通过将数字信号在复平面内表示，可以直观的表示信号间的关系。
相关域分析，利用相关曲线，可以评估由信道带限和失真等因素引起的相关功率损耗及其对导航性能的影响。首先，根据跟踪环路的输出，对接收的导航信号进行载波剥离，得到实际C/A码，计算其与本地参考C/A码的归一化互相关，其定义式如下：
其中，SBB-PreProc为实际卫星信号C/A码，SRef为本地接收机复制的C/A码，积分时间TP通常对应参考信号的一个码周期。
得到相关曲线后，将实际相关曲线与理想相关曲线进行对比，通过相关损耗、S曲线偏差和相关函数对称性等相关峰参数评估码相位的一致性，分析接收信号对测距性能的影响。
上述技术方案所设计伪卫星信号质量分析平台，采用全新设计方法，将软件无线电平台和伪卫星信号的测量分析联系在一起，降低了伪卫星信号接收分析系统的开发难度；通过成本较低的通用软件无线电外设USRP，实现伪卫星信号的测量分析，大幅度降低了开发成本，且具有较大的灵活性；并且测量借助于PC强大的存储空间和数据库软件，能够将测量数据存储到具有时间查询功能的数据库中，对其进行后期数据处理，利用数据库可以完成对伪卫星信号变化的监控。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种基于USRP的伪卫星信号质量分析装置，其特征在于包括接收天线、射频前端、中频信号采集与存储单元、伪卫星基带信号处理单元、伪卫星信号质量分析评估单元、接收机性能分析评估单元和伪卫星信号定位性能分析评估单元，所述射频前端为软件无线电外设，所述软件无线电外设(USRP)与中频信号采集与存储单元连接，伪卫星基带信号处理单元与中频信号采集与存储单元连接，所述伪卫星信号质量分析评估单元、接收机性能分析评估单元、伪卫星信号定位性能分析评估单元均与伪卫星基带信号处理单元连接。
2.根据权利要求1所述基于USRP的伪卫星信号质量分析装置，其特征在于，伪卫星信号发射机发射射频信号，软件无线电外设接收并处理伪卫星信号，中频信号采集与存储单元、伪卫星基带信号处理单元对伪卫星信号进行处理，伪卫星信号质量分析评估单元、接收机性能分析评估单元、伪卫星信号定位性能分析评估单元对伪卫星信号进行评估。
3.一种采用权利要求1或2装置分析伪卫星信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A.使用伪卫星信号发射机发射伪卫星信号，通过通用软件无线电外设作为射频前端接收射频信号并通过中频信号采集与存储单元将信号变频转化为数字中频信号，然后进入步骤B；
步骤B.获取数字中频信号之后，对数据做预处理，剔除无效数据，随后进入软件接收机进行基带信号处理，所述基带信号处理过程包括信号捕获、跟踪、位同步、帧同步步骤,在软件接收机的处理过程中，实时记录软件接收机的响应状态和各个过程的处理结果，然后进入步骤C；
步骤C.根据步骤B中记录的软件接收机的响应状态和处理结果，利用软件接收机的捕获结果评估平均捕获时间、虚警概率；利用软件接收机的跟踪环路响应状态，评估鉴相器和相关器的锁定误差；利用软件接收机的同步解调过程和结果，评估解调后的基带信号质量和误码率，进入步骤D；
步骤D.根据步骤A中记录的中频信号数据和步骤B中记录的软件接收机的响应状态及处理结果，利用时域、频域、相关域、调制域分析接收到的伪卫星信号质量，评估信号相关以前导航信号异常引起的相关的相关函数畸变；所述调制域分析步骤包括：伪卫星导航信号进入软件接收机进行捕获跟踪后，输出载波剥离后的基带I/Q调制分量，基带信号可表示为I/Q支路信号的复用信号：s(t)＝I(t)+jQ(t)，其中I(t)为余弦信号cos(2πfct)的幅度调制，Q(t)为正弦信号sin(2πfct)的幅度调制,分别以I(t)和Q(t)为横轴和纵轴，画出可以直观表示信号间的关系的信号星座图及其转换轨迹图；
步骤E.根据步骤B中记录的软件接收机的响应状态及处理结果，利用接收机输出观测量评估伪卫星信号数据完好性和测距定位性能；
步骤F.通过步骤C、D、E中的信号分析评估结果，综合反映待测信号的信号质量。
4.根据权利要求3所述的分析伪卫星信号的方法，其特征在于，所述步骤B中的捕获步骤包括：输入信号与本地产生的载波信号相乘得到I支路信号，与90°移位后的本地载波相乘后得到Q支路信号，I支路和Q支路组合得到复数信号x(n)＝I(n)+jQ(n)，送入DFT运算，同时本地产生的伪码变换到频域后取共轭，随后，输入信号经过傅里叶变换与经过傅里叶变换的本地伪码相乘，输出结果经过傅里叶变换为时域信号，傅里叶逆变换输出的模值表示输入信号与本地伪码的相关结果，若结果中出现峰值，其位置表示接受信号的码相位。
5.根据权利要求3所述的分析伪卫星信号的方法，其特征在于，所述步骤B中的跟踪步骤包括：输入信号与两路本地载波信号相乘，将C/A码变换到基带，然后与三路本地码相乘，三路本地码之间的间距为0.5码片，经过第二次相乘后，对三路输出进行积分累加，输出的积分值表明本地三路码与输入信号中C/A码的相关程度，若本地载波相位与输入信号一致，所有信号能量集中在同向支路；若本地载波的相位与输入信号的相位有偏差，信号能量在同向支路和正交支路之间切换。
6.根据权利要求3所述的分析伪卫星信号的方法，其特征在于，所述步骤D中的时域步骤包括：通过步骤A、B的数据形成眼图，从眼图上观测出码间串扰和噪声的影响，从而估计系统优劣程度。
7.根据权利要求3所述的分析伪卫星信号的方法，其特征在于，所述步骤D中的频域步骤包括：
将信号序列x(n)分成互不重叠的若干段，通过公式(1)对每个小段信号序列进行功率谱估计，然后再取平均作为整个序列x(n)的功率谱估计，
8.根据权利要求3所述的分析伪卫星信号的方法，其特征在于，所述步骤D中的相关域分析步骤包括：根据跟踪环路的输出，对接收的导航信号进行载波剥离，得到实际C/A码，计算其与本地参考C/A码的归一化互相关，其定义式如下：
其中，SBB-PreProc为实际卫星信号C/A码，SRef为本地接收机复制的C/A码，积分时间TP通常对应参考信号的一个码周期；
得到相关曲线后，将实际相关曲线与理想相关曲线进行对比，通过相关损耗、S曲线偏差和相关函数对称性等相关峰参数评估码相位的一致性，分析接收信号对测距性能的影响。
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