一种导航信号分量相位偏差测试方法与流程

本发明涉及一种导航信号分量相位偏差测试方法。

背景技术：

为了提供高精度的卫星导航服务，导航卫星必须提供连续、高精度和高完好性的导航信号、导航信号的质量影响卫星导航系统用户的定位、测距性能，因此，导航卫星在发射前的地面测试中，必须对导航卫星的导航信号进行严格评估，确保卫星在轨后信号质量能满足用户的需求。

对于传统的无线电数字载波调制信号，如qpsk、bpsk、gsm等，通常采用商用矢量信号分析仪器，或者采用基于通用仪器和矢量信号分析软件结合的测试系统进行质量评估，但是，现代的卫星导航信号体制中，同一载波频点上往往存在个不同调制方式的信号，不能使用通用的商用矢量信号分析或者矢量信号分析软件进行分析。目前，对导航信号的质量评估均采用高速采样，然后对采样后的数据使用数字信号处理评估信号质量。导航信号分量相位偏差是导航信号质量评估项目中的关键项目。导航信号分量相位偏差是通过对导航信号处理，获取同频点各支路导航信号的载波在同一时刻的初始相位，以其中一路为参考，其他各支路载波初始相位与参考支路初始相位求差来得到，因此，这个项目评估精度取决于各支路载波初相的获取精度。

对于导航信号的相位的获取，传统的处理方式基于延迟锁定环的处理结构，这种方式中要求的信号持续时间长，导致微波采样数据庞大，而且这种结构中，利用环路滤波器的输出跟踪载波，理论上总是存在一定的跟踪误差，导致本地载波和实际的信号标称中心频率存在频率差，而且这种结构只能比较准确地分离qpsk信号，对于恒包络多调制方式的现代导航信号，无法分别获取各支路的初始相位相位。论文《数字波形匹配的导航信号载波精密同步方法》(刘崇华、崔小准、王璐等，中国计量学院学报vol25(4)，p14～19，2014年12月)中提出一种计算导航信号初始相位的方法，该方法尽管有较高的估计精度，但是载波的相位获取是通过在本地生成不同初相的本地数字波形数据与采样信号进行相关匹配，每次匹配，需要进行一次运算量大的运算，为了提高精度，需要更多的匹配次数，此外，当同一频点的信号支路数目较多时，各支路导航信号之间的交调分量对匹配的峰值造成影响，这种方法是根据本地不同初始相位的数字波形来匹配待分析数据，交调分量导致匹配峰值的畸变，结果会导致获取的载波相位误差变大。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种导航信号分量相位偏差测试方法，实现了导航信号发生器的同频点多支路导航信号的信号分量相位偏差的精密测试。

本发明的技术方案是：一种导航信号分量相位偏差测试方法，步骤如下：

(1)用高速a/d采样器对导航信号发生器生成的导航信号采样；

(2)以同频点多路导航信号中的一个支路作为参考信号，即第1个导航信号之路，设参考支路导航信号的伪随机码周期为tc，任意时刻连续提取长度为2tc的导航信号采样数据；

(3)根据采样率fs和导航信号的标称中心频率fd，生成时间长度为tc、初相为0的本地载波正弦波数据ws和初相为0的本地载波余弦波数据wc，其中本地载波频率为fl＝fd；

(4)生成一个伪随机码周期的参考支路伪随机码码片作为本地伪随机码基带数据；若参考支路存在副载波，则对参考支路伪随机码进行副载波调制，得到本地伪随机码基带数据；根据采样率fs生成时间长度为tc的参考支路导航信号本地基带样本数据样本数据点数为l＝tc×fs；

(5)将本地正弦余弦数据正交参考支路导航信号本地基带样本数据然后进行傅立叶变换，与导航信号采样数据的前l个数据的傅立叶变换进行共轭相乘，再逆傅立叶变换，对幅度进行平方处理，求出最大值，其对应的样本点序号定义为参考支路伪随机码的起始点n0；

(6)从n0开始，对参考信号的采样数据截取长度为l的数据与ws相乘，得到载波剥离后的数据和wc相乘，得到载波剥离后的数据

(7)参考支路导航信号的本地基带样本数据分别与和相乘并累加，得到as和ac，计算得到参考质量导航信号载波的初始相位为：

(8)计算获得第2个导航信号支路的载波初始相位；

(9)所有同频点的其他导航信号支路，采用与计算第2个导航信号支路的载波初始相位相同的方法，计算各自的载波初始相位；

(10)以参考支路的载波初始相位为参考，所有其他支路的载波初始相位与参考支路初始相位求差，求差结果再减去信号体制规定的相位差，得到的结果就是导航信号的信号分量相位分量偏差。

所述步骤(1)中a/d采样器采样频率fs高于导航卫星待测试频点导航信号的最高频率两倍以上。

所述步骤(1)中a/d采样器与导航信号发生器的频率参考使用同一个频率基准信号。

所述步骤(3)中本地载波正弦波数据ws和初相为0的本地载波余弦波数据wc的获取方法为：

所述步骤(8)的具体过程为：假设其伪随机码周期为t2，则生成一个伪随机码周期的伪随机码基带数据，若该导航信号存在副载波，则对该伪随机码进行副载波调制，得到本地伪随机码基带数据；根据采样率fs生成本地伪随机码基带样本数据；如果第2个导航信号支路的伪随机码周期t2小于等于参考支路伪随机码周期tc，则本地基带样本数据长度为l′＝t2×fs，读取前l′个载波剥离后的数据和分别用和表示，本地基带样本数据与和相乘并累加，得到a′s和a′c；计算第2导航信号载波的初始相位为：如果第2路导航信号支路的伪随机码周期t2大于参考支路伪随机码周期tc，则截取本地基带数据的前l个的数据，与分别与和相乘并累加，得到as和ac；计算第2导航信号载波的初始相位为：

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)a/d采样器的采样时钟与导航信号发生器的参考信号使用同一频率基准，在信号处理中本地载波频率直接使用标称频率值，完全消除频率误差的影响。

(2)在载波初相计算中，只需要两次对正弦载波剥离和余弦载波剥离后的信号进行相乘累加运算，就可以进行相位鉴别得到载波初相，运算量小，仅需要两个参考支路伪随机周期的数据。

(3)本方法采用一个伪随机码周期的数据相乘累加，消除其他支路伪随机码对所取支路的影响，通过反正切来计算载波初始相位，避免了多支路导航信号工作时所形成交调分量对计算结果的影响。

附图说明

图1为本发明方法实现原理图；

图2导航信号的数字域频谱。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图。主要步骤如下：

(1)用高速a/d采样器导航信号发生器生成的导航信号采样，要求a/d采样器采样频率fs高于导航卫星待测试频点导航信号的最高频率两倍以上；a/d采样器的时钟与导航信号发生器的频率参考使用同一个频率基准信号；假设导航信号中心频率为fd＝1575.42mhz，导航信号单边带带宽16.368mhz，则待待测试频点导航信号的最高频率为1575.42+16.368＝1591.788mhz，用fs＝5ghz采样率采样，fs高于最高频率两倍以上。采样数据功率谱如图2所示。

(2)以同频点的多路导航信号中的一个支路作为参考信号，假设参考支路导航信号的伪随机码周期为tc，任意时刻连续提取长度为2tc的导航信号采样数据，数据个数为n＝2×tc×fs。假设tc＝1ms，则采样读取的导航信号采样数据为1e7个。

(3)根据采样率fs和导航信号的标称中心频率fd，生成时间长度为tc、初相为0的本地载波正弦波数据ws和初相为0的本地载波余弦波数据wc，其中数据样本点数目l＝tc×fs，本地载波频率取值为导航信号的标称中心频率；

(4)生成一个伪随机码周期的参考支路伪随机码码片，如果参考支路有副载波，则还对伪随机码进行副载波调制，根据采样率fs生成参考支路导航信号的本地基带样本数据数据长度为l＝tc×fs。这里l＝5e6。如果参考信号为bpsk调制，对其伪随机码发生器生成伪随机码生成为l个样本点数据bpsk调制伪随机码基带数据样本：

式中db(i),i＝1,…,l，为bpsk调制伪随机码基带数据样本。

如果为boc调制，则首先生成数目为l的副载波样本点：

然后与伪随机码基带数据样本模2加，形成boc调制基带数据。

式中表示模2加处理，i＝1,2,…,n

(5)本地载波的正弦余弦数据对本地基带数据进行载波正交调制。假设本地基带数据为boc调制数据，于是正交调制后的数据变为：

式中dm(k)＝dr(k)(wc(k)+jws(k))。

正交调制后的数据进行傅立叶变换，与读取n个导航信号采样数据的前l个数据的傅立叶变换进行共轭相乘，再逆傅立叶变换，并对幅度进行平方处理：

式中fft()表示对括号中数据进行傅立叶变换，fft*()表示对数据进行傅立叶变换后并进行共轭处理，ifft()表示对括号中数据进行逆傅立叶变换。为读取n个导航信号采样数据的前l个数据。

对平方后的幅度搜索最大值，其对应的样本点序号则为导航信号中对应参考支路伪随机码的起始点n0。

(6)从n0开始，从导航信号的采样数据截取长度为l的数据

与初相为0的本地正弦数据ws相乘，得到载波剥离后的数据和初相为0的本地余弦数据wc相乘，得到载波剥离后的数据

式中ds(k)＝dd(k)×wc(k)，dc(k)＝dd(k)×ws(k)

(7)参考支路导航信号的本地基带样本数据分别与和相乘并累加，得到as和ac，计算参考质量导航信号载波的初始相位为：

(8)进行第2个导航信号支路的载波初始相位计算。

假设其伪随机码周期为t2，则生成一个伪随机码周期的伪随机码基带数据，如果该导航信号存在副载波，则继续对该伪随机码进行副载波调制，从而得到本地伪随机码基带数据。根据采样率fs生成本地伪随机码基带样本数据。如果第2个导航信号支路的伪随机码周期小于参考支路伪随机码周期tc，这时本地基带样本数据长度为l′＝t2×fs，载波剥离后的数据和读取前l′个，分别用和表示，本地基带样本数据与和相乘并累加，得到a′s和a′c；计算第2导航信号载波的初始相位为：

如果第2路导航信号支路的伪随机码周期大于参考支路伪随机码周期tc，则截取本地基带数据的前l个的数据，与分别与和相乘并累加，得到as和ac；计算第2导航信号载波的初始相位为：

(9)所有同频点的其他导航信号支路，采用第(8)步骤相同的方法，计算各自的载波初始相位。

(10)以参考支路的载波初始相位为参考，所有其他支路的载波初始相位与参考支路初始相位求差，求差的结果再减去导航信号体制规定的相位差，最后得到的结果就是导航信号的信号分量相位分量偏差。

假设导航信号体制中规定第2条导航信号支路与参考支路的载波相位差为π/2，则第2条导航信号支路的信号分量相位分量偏差为：

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。