CN116626716A - 一种北斗信号的跟踪监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗信号的跟踪监测方法，基于北斗导航卫星历史信号载噪比数据来构建检测阈值，再根据信号的基带噪声带宽、信号功率获得前载噪比来构建检测统计量，通过对比检测统计量和检测阈值，可以实现对北斗信号的功率监测。对多相关采样数据进行加权处理，生成相关峰监测统计量，与相关峰监测检测阈值进行对比判断，实现北斗信号的相关峰异常监测，从而有效的对北斗信号异常进行监测。本发明同时采用两种监测手段实现北斗导航信号突发异常的快速告警。

Description

一种北斗信号的跟踪监测方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，具体涉一种北斗信号的跟踪监测方法。

背景技术

卫星导航信号在接收机测量信息中最直观的体现就是信号功率，由于卫星导航系统的卫星在轨道上运行具备周期性，且可信监测站内所部署的接收机天线周围环境条件相对固化，因此在选定点位上安装的基准接收机天线接收信号强度遵循一定规律，通常与导航卫星的仰角相关，在信号异常的时候其功率也会产生异变，这是信号功率监测得以开展的重要基础。

信号功率异常监测技术依据卫星导航系统标准定位服务（Service performancestandard，SPS）相关标准文件中规定的信号功率范围，通过实时、连续跟踪评估，结合地面站基准接收机天线点位处统计分析的阈值数值，以确认接收到的可见卫星信号功率在阈值以内。

在卫星信号功率低的情况下信号的跟踪精度也会降低，测量性能下降，因此需要对每颗卫星的信号功率进行连续、实时的监视和分析。

发明内容

为解决现有技术中，信号质量评估工作具有的一定的滞后性，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，且缺乏信号功率、测距性能等直接影响用户接收性能的参数监测的技术问题，本发明提供一种北斗信号的跟踪监测方法，通过在固定点上利用基准接收机对视野内每颗可见卫星的信号功率进行连续、实时的检测、分析，检测由于卫星硬件或接收机硬件故障造成的信号异常，并对出现的异常情况进行告警，避免可信性能损失。本发明基于北斗导航卫星历史信号统计信息，通过计算历史信号载噪比来构建检测阈值，再根据信号的基带噪声带宽、信号功率获得当前载噪比来构建检测统计量，通过对比检测统计量和检测阈值，实现北斗信号功率监测。对多相关采样数据进行加权处理，生成相关峰监测统计量，与相关峰监测检测阈值进行对比判断，实现北斗信号的相关峰异常监测，从而实现北斗信号的异常监测。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种北斗信号的跟踪监测方法，包括如下步骤：

S1：统计历史观测信息；

S2：计算信号载噪比，构建检测统计量和检测阈值；

S3：将检测统计量对比检测阈值，判断信号功率状态；

S4：对多相关采样数据加权处理，生成相关峰检测统计量；

S5：相关峰监阈值生成，判断相关峰状态。

进一步地，所述S1具体包括：

1）获取无环境干扰下的卫星导航接收机的接收信号的噪声功率，并利用天线的连续跟踪能力，长时间跟踪一颗可见卫星，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卫星导航接收机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发射信号各分量的地面接收功率状态，获得星上发射机功放工作状态和周围环境变化规律。

进一步地，所述S2具体包括：

1）根据仰角区间对历史数据信号载噪比进行分组，每为1组，统计并计算出每组信号载噪比的均值和标准差；

2）从误警率设定以及安全需求出发，将每组信号载噪比的均值减去6倍标准差作为每颗可见卫星的检测阈值；

3）前一时刻k-1时，卫星导航接收机与接收卫星构成一个接收机通道，记录前一时刻k-1和当前时刻k该接收机通道的信号的功率与基带噪声带宽的比值，即当前载噪比；

4）利用前一时刻k-1的信号载噪比对当前载噪比做平滑处理，并采用平滑处理后的载噪比作为检测统计量进行统计分析。

进一步地，所述S3具体包括：

1）将k时刻卫星导航接收机与接收卫星平滑处理后的载噪比与检测阈值对比；

2）如果当前时刻的平滑处理后的载噪比低于检测阈值，表明信号功率过低，且由此造成的完好性风险大于给其分配的完好性风险指标数值；若平滑处理后的载噪比大于检测阈值则通过检测，若小于检测阈值则给卫星导航接收机的通道设置功率小于检测阈值的标志。

进一步地，所述S4具体包括：

1）对卫星导航接收机给出的卫星导航信号相关函数采样，获得卫星信号相关函数的特征参数，并用所述特征参数对卫星导航信号相关峰的对称性进行检测，对卫星偏差进行计算以及修正，并进行平滑、滤波和归一化处理；

2）对卫星导航接收机的多对相关峰差值修正以及膨胀后的相关对进行加权组合处理，生成检测统计量。

进一步地，所述S5具体包括：

1）根据仰角不同设置不同的检测阈值；

2）将检测统计量与检测阈值进行对比判断，形成检测结果，当检测结果均不超过检测阈值时，通道相关峰检测通过，当检测存在超过检测阈值的情况时，判定相关峰存在异常，将通道监测标识置为异常。

与传统差分定位技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明支持不同的基准接收机硬件配置、基准接收机天线位置、天线增益类型等，同时该方法具有实时性与准确性。同时，如果当前时刻载噪比低于阈值值，表明信号功率过低，且由此造成的完好性风险大于给其分配的数值，则在该通道上生成一个标志，通过后续告警信息处理最终产生告警信息。

附图说明

图1为本发明的一种北斗信号的跟踪监测方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种北斗信号的跟踪监测方法具体包括如下步骤：

S1：统计历史观测信息，具体包括：

1）获取无环境干扰下的卫星导航接收机的接收信号的噪声功率，并利用天线的连续跟踪能力，长时间跟踪一颗可见卫星，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发射信号各分量的地面接收功率状态得到星上发射机功放工作状态和周围环境变化规律。

S2：计算信号载噪比，构建检测统计量和检测阈值，具体包括：

1）根据仰角区间对历史数据信号载噪比进行分组，每为1组，统计并计算出每组信号载噪比的均值和标准差。

2）从误警率设定以及安全需求出发，将每组信号载噪比的均值减去6倍标准差作为每颗可见卫星的检测阈值。

3）前一时刻k-1时，卫星导航接收机与接收卫星构成一个接收机通道，记录前一时刻k-1和当前时刻k该接收机通道的信号的功率与基带噪声带宽的比值，即当前载噪比。

4）利用前一时刻k-1的信号载噪比对当前时刻k的当前载噪比做平滑处理，并将采用平滑处理后的载噪比作为检测统计量进行统计分析。

S3：利用检测统计量对比检测阈值，判断信号功率状态，具体包括：

1）将k时刻卫星导航接收机与接收卫星平滑处理后的载噪比与S2的检测阈值对比。

2）如果当前时刻的平滑处理后的载噪比低于检测阈值，表明信号功率过低，且由此造成的完好性风险大于给其分配的完好性风险指标数值。若平滑处理后的载噪比大于检测阈值则通过检测，若小于检测阈值则给对应的卫星导航接收机的通道设置功率小于检测阈值的标志。

S4：多相关采样数据加权处理，生成相关峰检测统计量，具体包括；

1）对卫星导航接收机给出的卫星导航信号相关函数采样，获得卫星信号相关函数的特征参数，并用这些特征参数对卫星导航信号相关峰的对称性进行检测，对卫星偏差进行计算以及修正，并进行平滑、滤波和归一化处理；

2）对卫星导航接收机的多对相关峰差值修正以及膨胀后的相关对进行加权组合处理，生成检测统计量。

S5：相关峰监阈值生成，判断相关峰状态，具体包括：

1）由于卫星导航接收机天线的高度、增益、类型都会影响卫星信号的功率，不同卫星导航接收机对同一卫星信号采样值的幅度均不同，则必然会给检测统计量引入额外的偏差，所以根据仰角不同设置不同的检测阈值；

2）将检测统计量检测与检测阈值进行对比判断，形成检测结果，当检测结果均不超过检测阈值时，相关峰检测通过，当检测存在超过检测阈值的情况时，判定相关峰存在异常，将通道监测标识置为异常。

为了验证本发明的实际效果，在开阔环境下通过机械臂模拟在实际应用中GNSS天线接收跟踪北斗信号的各种状态，判断北斗信号是否发生异常并统计发生异常后响应时间。首先该机械臂围绕天线的垂直轴以的步长进行旋转（/>）；其次，机械臂围绕天线的水平轴以/>为步长倾斜至/>（0-/>），这样可以产生720个取向随机的排列；最后，机械臂围绕垂直轴在/>到/>进行两次随机旋转，得到最终1440个方向。机械臂在1440个方向中的每一个方向上保持静止1秒，而从一个方向驱动到下一个方向所需的平均时间也约为1秒。不同方向上GNSS信号的状态有差异，当天线处于朝下状态时，会导致信号异常。表1为信号发生异常是采用不同方法的告警率及告警时间。

表1

由表1可知，采用本发明相较于传统信号工率监测法告警成功率提高20.4%，平均告警时间缩短0.02秒。在实际应用中可以实时高效的监测北斗信号异常情况。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种北斗信号的跟踪监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：统计历史观测信息；

S2：计算信号载噪比，构建检测统计量和检测阈值；

S3：将检测统计量对比检测阈值，判断信号功率状态；

S4：对多相关采样数据加权处理，生成相关峰检测统计量；

S5：相关峰监阈值生成，判断相关峰状态。

2.根据权利要求1所述的一种北斗信号的跟踪监测方法，其特征在于，所述S1具体包括：

1）获取无环境干扰下的卫星导航接收机的接收信号的噪声功率，并利用天线的连续跟踪能力，长时间跟踪一颗可见卫星，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卫星导航接收机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发射信号各分量的地面接收功率状态，获得星上发射机功放工作状态和周围环境变化规律。

3.根据权利要求2所述的一种北斗信号的跟踪监测方法，其特征在于，所述S2具体包括：

1）根据仰角区间对历史数据信号载噪比进行分组，每为1组，统计并计算出每组信号载噪比的均值和标准差；

2）从误警率设定以及安全需求出发，将每组信号载噪比的均值减去6倍标准差作为每颗可见卫星的检测阈值；

3）前一时刻k-1时，卫星导航接收机与接收卫星构成一个接收机通道，记录前一时刻k-1和当前时刻k该接收机通道的信号的功率与基带噪声带宽的比值，即当前载噪比；

4）利用前一时刻k-1的信号载噪比对当前载噪比做平滑处理，并采用平滑处理后的载噪比作为检测统计量进行统计分析。

4.根据权利要求3所述的一种北斗信号的跟踪监测方法，其特征在于，所述S3具体包括：

1）将k时刻卫星导航接收机与接收卫星平滑处理后的载噪比与检测阈值对比；

2）如果当前时刻的平滑处理后的载噪比低于检测阈值，表明信号功率过低，且由此造成的完好性风险大于给其分配的完好性风险指标数值；若平滑处理后的载噪比大于检测阈值则通过检测，若小于检测阈值则给卫星导航接收机的通道设置功率小于检测阈值的标志。

5.根据权利要求4所述的一种北斗信号的跟踪监测方法，其特征在于，所述S4具体包括：

1）对卫星导航接收机给出的卫星导航信号相关函数采样，获得卫星信号相关函数的特征参数，并用所述特征参数对卫星导航信号相关峰的对称性进行检测，对卫星偏差进行计算以及修正，并进行平滑、滤波和归一化处理；

2）对卫星导航接收机的多对相关峰差值修正以及膨胀后的相关对进行加权组合处理，生成检测统计量。

6.根据权利要求5所述的一种北斗信号的跟踪监测方法，其特征在于，所述S5具体包括：

1）根据仰角不同设置不同的检测阈值；

2）将检测统计量与检测阈值进行对比判断，形成检测结果，当检测结果均不超过检测阈值时，通道相关峰检测通过，当检测存在超过检测阈值的情况时，判定相关峰存在异常，将通道监测标识置为异常。