新一代卫星导航信号的波形畸变特性评估方法与流程

本发明涉及一种卫星信号处理方法。
背景技术：
卫星导航从基础研究领域(天文学、力学、物理学、地球动力学等)到工程
技术领域：
(信息传递、深空探测、空间飞行器、时间传递、测速授时等)，以及关系国民经济建设和国家安全的诸多重要部门和领域(海事、交通、救援、精准农业、地震监测、电子通讯等)等各个方面，均已占据重要地位，发挥着重要作用。可以说，卫星导航技术是各种基础理论、最新科技成果、国家科技水平和综合实力的集中体现。全球卫星导航系统(globalnavigationsatellitesystem,gnss)以其高精度、实时性、不受气候和地域等条件限制的特点，已发展成为在陆地交通、航海和航空中的通用导航工具，成为应用最广泛的导航技术。世界各发达国家长期以来一直致力于卫星导航领域的研究工作，以确保向用户提供更加精确的实时位置、速度和时间等信息。卫星导航信号是卫星导航系统与接收机的唯一接口，完善的信号体制设计是终端设备开发和芯片研制的首要输入条件。可以说，信号的潜在性能决定了整个卫星导航系统的性能极限。如果卫星发射的信号本身存在缺陷，即使系统其它环节的设计再优，整个系统在定位、测速、授时性能、抗干扰能力、与其它系统的兼容与互操作性等关键性能上仍然存在难以弥补的不足。扩频调制是关系到导航信号测距能力极限的关键因素。当所播发的信号功率尽可能的分配到卫星导航信号所占据的频带边缘时，其理论信号性能将接近其设计极限。从近年来新型导航信号的设计来看，例如boc、cbcs、abcs、tmboc、cboc、qmboc等调制信号，除了需要考虑较好的测距性能，以及与传统信号的频率资源共享外，信号的主要功率均向占用频带的两端搬移。同时，出现了多级电平扩频码波形，例如galileo的cboc调制性能。为信号波形设计提供更高的自由度，可以更加灵活的控制信号的频谱占用和优化接收性能。研究表明，在相同的基带码速率的情况下，多级性波形信号可以具有更高的定位精度和抗多径能力。然而，相比传统bpsk或qpsk调制信号，新型gnss导航信号虽然有着众多优点，但同时也增加了信号设计及实现过程中的复杂性。信号的各类微小异常，都有可能对gnss的pvt性能产生致命影响。导航信号在星上产生到信号发射整个过程中，任何故障或异常都会可能使得待发射信号波形产生畸变。最终会导致接收机跟踪过程中相关峰曲线相比理想情况下出现异常，从而对不同跟踪环路和不同鉴相器的接收机产生不同程度的跟踪误差和测距误差。比较典型的案例是众所周知的1993年gpssv19卫星故障。该卫星于1989年10月21日成功发射，同年11月14日宣布正式运行。然而，在轨运行8个月之后，l1信号功率谱出现10db左右的载波泄漏及谱不对称。但该故障并未被及时发现，直到1993年3月，美国联邦航空管理局(faa)利用差分导航实现辅助着陆时发现，c/a码与p码严重不同步，约有6m的偏离，当sv19参与l1c/a差分解算时，就会产生3m～8m的定位偏差。随后出现大量针对信号波形故障的分析模型，其中最具代表性的是robertericphelts在其博士论文中提出的“2nd-orderstep”(2os)模型，该模型主要针对测距码基带波形将波形故障分为：数字畸变(tma)、模拟畸变(tmb)和混合畸变(tmc)。这三种故障模型主要针对gpsl1c/a码提出的，主要对测距码正负码片宽度(tma)、测距码波形幅度抖动失真(tmb)以及二者的混合失真进行建模分析，适用于简单bpsk或qpsk调制的测距码波形畸变评估。然而，对于新信号的波形畸变，目前尚无针较完善的针对每种新型调制信号的评估模型，另外，目前国内外相关文献尚无对另一种波形畸变：波形上升沿下降沿不对称畸变进行研究。初步研究表明：波形的不对称对信号功率谱和相关曲线也会产生影响，而且不同程度的上升沿下降沿不对称畸变也会带来不同程度的测距误差。技术实现要素：为了弥补传统导航信号波形分析方法的不足，本发明提供一种卫星导航信号波形畸变特性评估新方法，通过建立一种波形上升沿下降沿对称性分析模型(wrafes)，并对传统的测距码波形分析模型tma/tmb/tmc进行扩展，给出了适用于各种新型boc调制的波形畸变分析扩展模型，能够实现各种新型gnss卫星导航信号波形特性的精确分析，及时准确地反映卫星导航信号波形质量，为我国及其他gnss卫星导航系统信号故障诊断及系统性能验证评估提供有价值的参考。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：步骤一，利用增益大于20dbi的天线接收导航卫星下行信号；步骤二，对卫星下行信号进行数据采集，并将采集信号存储到数据磁盘阵列；采样频率大于等于150mhz，采集位数大于等于14位；步骤三，对采集信号进行捕获和精确跟踪，剥离载波和导航电文，得到卫星导航信号测距码；步骤四，利用wrafes模型及扩展的tma、tmb、tmc模型，通过计算实测卫星信号的tma、tmb、tmc模型参数以及wrifes模型的δδ-test参数、symmetricratiotests参数、asymmetricratiotests参数，与各参数门限值进行比较，分析测距码波形是否存在畸变。所述的步骤四中，假设gnss信号的一个码片由nsub个长度相等的子码片组成，不同子码片的幅度表示为an，n＝1,2,…nsub，每个主码片波形函数其中，tc表示一个码片时间；于是，gnss信号其中，ci表示为prn码序列的幅度；s(t)的功率谱密度其中，f表示信号s(t)的频率；数字畸变信号时域波形及其与理想码信号的相关函数畸变波形产生的相关函数其中，表示含有畸变的导航信号时域波形，sideal(t)表示理想设计信号时域波形，devil(t)表示含有畸变的实测导航信号与其理想设计信号互差后的畸变部分；表示信号相关函数，其中下标a，b表示信号a与信号b之间的互相关；当表示信号a或信号b的自相关时，下标简记为a或b；上标c表示做相关运算的信号成分；计算各个码片翻转时上升沿或下降沿提前或延迟的时间，然后统计其均值和标准差，得到tma模型的数字畸变量；假设产生模拟畸变系统的脉冲响应其中表示振荡频率，ωn表示无阻尼振荡频率，ζ表示阻尼系数，ωd表示阻尼振荡频率，衰减因子σd＝ζωn；模拟畸变相关函数计算各个码片翻转时幅度振铃效应的振荡频率和衰减因子，然后统计其均值和标准差，得到tmb模型的数字畸变量；混合畸变相关函数计算各个码片翻转时上升沿或下降沿提前或延迟的时间以及各个码片翻转时幅度振铃效应的振荡频率和衰减因子，然后统计其均值和标准差，得到tmc模型的数字畸变量；以归一化信号幅度w±d的d表示当前点到码片中心点的距离与整个码片长度的比值，以δδ-test参数描述波形翻转时刻过零点附近的不对称性，假设该参数服从均值为0的高斯分布；以symmetricratiotests参数评价波形上升下降过程的不对称性，同样假设该参数服从均值为0的高斯分布；以asymmetricratiotests参数表示波形上升和下降过程中各个对应点的不对称情况，假设上升下降过程成对参数的互差服从均值为0的高斯分布，则上述参数包括：本发明的有益效果是：本发明提出了一种卫星导航信号波形对称性分析方法--wrafes模型，并在传统2os模型的基础上，提出了适用于新型gnss卫星导航信号的tma/tmb/tmc扩展模型。不仅能够实现新一代卫星导航信号的数字畸变、模拟畸变和混合畸变特性分析，而且还首次实现了gnss卫星导航信号波形的对称性分析，通过准确计算tma模型的数字畸变参数、tmb模型的模拟畸变参数、tmc模型的数字畸变和模拟畸变参数，wrafes模型的δδ-test参数、symmetricratiotests参数以及asymmetricratiotests参数，可以准确评估接收卫星下行信号波形是否存在畸变，并可广泛应用于其他卫星导航系统导航信号波形的分析处理。本发明可应用于全球卫星导航系统(包括我国beidou、美国gps、欧盟galileo等系统)下行导航信号波形的分析评估。通过准确评估导航信号的tma/tmb/tmc参数、wrafes模型参数及相关曲线参数，及时发现卫星下行信号的异常现象，从而在系统试验期间给系统设计者提供可信的调试依据，在一定程度上保证卫星导航系统的完好性。附图说明图1为卫星导航信号接收与分析处理流程示意图；图2为测距码波形畸变的tma/tmb/tmc模型示意图，其中，(a)为tma模型，即数字畸变，(b)为tmb模型，即模拟畸变，(c)为tmc模型，即混合畸变；图3为卫星导航信号波形不对称分析模型图；图4为boc(1，1)调制信号相关曲线；图5为wrafes模型参数计算结果；图6为信号波形不对称畸变的相关峰参数特性分析。具体实施方式本发明主要包括以下步骤：步骤一：利用较高增益(天线增益大于20dbi)的天线接收导航卫星下行信号。其技术效果是准确接收下行卫星导航信号，为下一步的卫星信号采集提供前提条件。步骤二：利用高速数据采集设备，进行卫星下行信号数据采集，并将采集数据存储到数据磁盘阵列。为保证分析结果的高精度和高可靠性，采集设备中频采样频率需大于等于150mhz，采集位数大于等于14位。其技术效果是准确采集卫星导航信号，为下一步的卫星导航信号处理提供基础。步骤三：利用软件接收机进行采集信号的捕获和精确跟踪，剥离载波和导航电文，得到卫星导航信号测距码。其技术效果是准确分离出测距码，为卫星导航信号波形评估提供重要的信号输入。步骤四：本发明在对新型gnss信号建立统一的数学模型基础上，将传统2os模型进行修正改进，给出了适用于新型gnss信号波形畸变的扩展模型；针对2os模型仅能对信号幅度和占空比进行分析而无法分析信号波形对称性的问题，本发明提出了一种gnss波形不对称分析方法-wrafes时域建模方法，重点针对波形上升下降沿的前段、中段和后段建模分析其不对称性，并给出了2个δδ-test参数、7个symmetricratiotests参数、14个asymmetricratiotests参数和1个symmetricarearatio参数计算表达式，详细分析了各参数的作用及特点；最后，对gnss信号相关域建模，给出相关峰曲线的各相关器输出及相关峰特性评估参数表达式，并分析各评估参数的作用、特点以及参数门限值，作为评判gnss信号是否存在畸变的依据。该步骤是本发明的关键部分，其技术效果是能够准确分析gnss卫星各类下行导航信号波形是否存在畸变，从波形幅度、波形占空比、波形不对称性及相关域特性，准确评估卫星导航信号波形质量。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。步骤一：卫星导航信号接收：利用较高增益(天线增益大于20dbi)的天线接收导航卫星下行信号。具体做法如附图1所示。该步骤为下一步的卫星信号采集提供前提条件。步骤二：卫星导航信号采集：如附图1所示，利用高速数据采集设备，进行卫星下行信号数据采集，并将采集数据存储到数据磁盘阵列。为保证分析结果的高精度和高可靠性，采集设备中频采样频率需大于等于150mhz，采集位数大于等于14位。该步骤能够准确采集卫星导航信号，为下一步的卫星导航信号处理提供基础。步骤三：分离出测距码：如附图1所示，利用软件接收机进行采集信号的捕获和精确跟踪，通过跟踪可以得到卫星导航信号的载波频率、载波相位、测距频率和测距码相位，软件接收机本地产生复现载波和测距码，从而剥离接收导航信号的载波和导航电文，得到周期性的卫星导航信号测距码。其技术效果是准确分离出测距码，为卫星导航信号波形评估提供重要的信号输入。对于新型gnss信号，由于多数信号均采用多路复用调制方式，因此进行载波剥离和导航电文剥离后，得到的只是复合基带信号。对复合基带信号首先进行重采样，保证每个码片含有整数个采样点。由于扩频码的周期性、扩频码之间良好的正交性以及噪声的随机性，我们利用周期累加方法，对扩频码进行多个周期累加平均，以此来达到各支路信号分离目的。步骤四：卫星导航信号波形特性分析：利用wrafes模型及扩展的tma/tmb/tmc模型，通过计算实测卫星信号的tma/tmb/tmc模型参数以及wrafes模型的δδ-test参数、symmetricratiotests参数以及asymmetricratiotests参数，与各参数门限值进行比较，分析测距码波形是否存在畸变。如图2至图6所示，首先进行新型gnss信号数学建模，给出导航信号的数学表达式；然后对传统的适用于bpsk调制信号的2os模型进行改进，给出适用于新型gnss信号波形畸变的扩展模型建模方法，主要对信号波形的幅度和占空比进行分析；接着详细介绍本发明新提出的wrafes建模方法，针对卫星导航信号波形对称性进行分析；最后给出gnss信号相关峰曲线特性分析方法，能够从相关域全面分析信号波形畸变对用户测距影响。具体分析处理方法及步骤如下：(一)新型gnss信号数学建模方法对于新型gnss信号，由于一个主码片间隔内可能含有多级电平，因此可以假设一个码片由nsub个长度相等的子码片组成，不同子码片的幅度表示为an，n＝1,2,…nsub。于是每个主码片波形可以表示如下：其中gsub(t)是表示子码片形状的函数，tc表示一个码片时间，单位为秒。于是，任何gnss信号都可以用下面的通用表达式表示为：其中ci表示为prn码序列的幅度。我们假设gsub(t)也是矩形波。于是，s(t)的功率谱密度可以表示为：式(3)前半部分为可以看做是bpsk(nsub)的功率谱表达式，记为后面部分记为其中f表示信号s(t)的频率。因此任何新信号的功率谱都可以用以下通用表达式表示为：类似的，在下面小节中我们也用通用表达式的方式，给出新型信号畸变模型。(二)新型gnss信号波形畸变扩展模型建模方法(1)扩展tma模型如图2(a)所示。该种畸变定义为每个prn主码码片翻转时上升沿或下降沿提前或延迟的时间，又称数字畸变。假设理想子码为sideal(t)，畸变波形部分为devil(t)，根据公式(4)，任何一个新型调制信号都可以表示为bpsk信号与另一种信号boc信号的卷积，则数字畸变信号时域波形及其与理想码信号的相关函数可表示为：畸变波形产生的相关函数表示为：其中表示含有畸变的导航信号时域波形，sideal(t)表示理想设计信号时域波形，devil(t)表示含有畸变的实测导航信号与其理想设计信号互差后的畸变部分。表示理想设计信号sideal(t)的自相关函数。这里的表示信号相关函数，其中下标a，b表示信号a与信号b之间的互相关；当表示信号a或信号b的自相关时，下标简记为a或b；上标c表示做相关运算的信号成分，例如：由于任何一个新型调制信号都可以表示为bpsk信号成分与另一种boc调制信号成分的卷积，则表示该信号中的bpsk信号自相关函数，表示该信号中boc调制信号自相关函数。表示devil(t)信号与sideal(t)的互相关函数。同理，则表示devil(t)信号中的bpsk信号成分与sideal(t)中的bpsk信号成分的互相关函数。根据步骤三得到测距码信号后，计算各个码片翻转时上升沿或下降沿提前或延迟的时间，然后统计其均值和标准差，得到tma模型的数字畸变量。(2)扩展tmb模型如图2(b)所示。该畸变定义为每个prn码片翻转时幅度的振铃效应，主要由振荡频率和衰减因子两个参数表示，又称模拟畸变。该畸变独立于tma畸变而产生。假设产生模拟畸变系统的脉冲响应为：其中表示振荡频率，其中ωn表示无阻尼振荡频率，ζ表示阻尼系数，ωd表示阻尼振荡频率，衰减因子σd＝ζωn；。根据步骤三得到测距码信号后，计算各个码片翻转时幅度振铃效应的振荡频率和衰减因子，然后统计其均值和标准差，得到tmb模型的数字畸变量。(3)扩展tmc模型如图2(c)所示。该畸变为扩展tma和扩展tmb的混合畸变。混合畸变相关函数表达式可表示如下：根据步骤三得到测距码信号后，计算各个码片翻转时上升沿或下降沿提前或延迟的时间以及各个码片翻转时幅度振铃效应的振荡频率和衰减因子，然后统计其均值和标准差，得到tmc模型的数字畸变量。(三)gnss信号波形对称性分析wrafes建模方法传统icao畸变模型以及扩展tma/tmb/tmc模型，都是针对基带波形宽度和幅度畸变提出的，国内外学者都未对码片波形上升下降沿对称性进行分析，研究表明，该畸变对信号时域波形、频谱和相关函数曲线也会产生影响。前面提到的三种模型无法对该畸变进行描述，因此本发明提出了波形上升沿下降沿对称性分析模型(waveformrisingandfallingedgessymmetry)，简称wrafes模型。wrafes模型示意图如附图3所示，图中w±d的d表示该点到码片中心点的距离与整个码片长度比值。根据码片波形各点不对称性对用户测距的影响分析结果来看，该模型中各点选取的基本原则是：在波形上升沿和下降沿的前段、中段和后段部分多选点，尤其是多个电平波形的上升沿和下降沿中段部分，因为该部分对信号测距性能影响较大。对于含有副载波调制的多级电平码片波形，建议每级电平的上升下降沿都选取多个点进行不对称性分析。因此在实际应用中，可以根据实测信号波形的特点，选取合适的d的取值。表1给出了对波形上升沿和下降沿不对称性进行量化分析的各种参数，包括δδ测试参数、对称性评价参数和非对称评价参数，其中：●δδ-test参数描述了波形翻转时刻过零点附近的不对称性，假设该参数服从均值为0的高斯分布；●symmetricratiotests参数主要用于评价波形上升下降过程的不对称性，同样假设该参数服从均值为0的高斯分布；●asymmetricratiotests参数可用于表示波形上升和下降过程中各个对应点的不对称情况。假设上升下降过程成对参数的互差服从均值为0的高斯分布。●表1wrafes参数列表图5以2015年7月25日成功发射的第一颗北斗试验星m1-s为例，给出利用wrafes模型得到的实测统计结果。(四)gnss信号相关峰曲线特性分析方法gnss信号相关峰曲线示意图如图4所示，在正负一个码片间隔内，相关峰曲线的绝对值最大值是即时相关器输出，记为r0，距离最大值0.05码片、0.1码片、0.5码片和1码片的相关器输出分别记为r0.05、r0.05、r-0.1、r0.1、r-0.5、r0.5、r-1和r1，因此定义r＝[r-1，r-0.5，r-0.1，r-0.05，r0，r0.05，r0.1，r0.5，r1]为相关器输出。假设相关器输出服从高斯分布，则其均值方差协方差为其中r(.)表示相关函数曲线，dr表示距离相关曲线r(·)中心点的距离，t为相干积分时间，为相关器r1和r2的距离，c/n0表示信号载噪比。相关峰特性评估参数为：p1＝p4-p5p2＝p5-p4(10)其中当i＝3，4，5，6时，m取值分别为0.05,0.1,0.5,1；当i＝7，8，...，14时，k取值分别为-0.05,0.05,-0.1,0.1,-0.5,0.5,-1,1。因此可以计算各参数理论均值和方差如表2所示：表2相关特性参数均值和方差参数均值方差p100.6/2t(c/n0)p202.4/2t(c/n0)p300.6/2t(c/n0)p401.2/2t(c/n0)p502.0/2t(c/n0)p602.0/2t(c/n0)p70.852.775/2t(c/n0)p80.852.775/2t(c/n0)p90.70.51/2t(c/n0)p100.70.51/2t(c/n0)p11-0.50.75/2t(c/n0)p12-0.50.75/2t(c/n0)p1301.0/2t(c/n0)p1401.0/2t(c/n0)假设相关器输出结果服从高斯分布，则相关峰特性评估参数检测门限可以表示为：thredi＝meani±σierf-1(1-pfa)(11)其中erf-1(·)表示误差函数的逆，pfa表示期望误警概率，meani为第i个参数的均值，σi为第i个参数的均方差。实际应用中，可以根据实测环境情况设置相应的均值及检测门限。由于采用高精度大口径天线，因此假设实测信号具有理论均值和方差特性，并假设pfa＝10-5，c/n0＝65db-hz，则各参数实测结果以及门限值如图6所示。相关峰特性评估参数具备如下特性：(1)码片波形的不对称会产生相关曲线的不对称：若波形下降过程的面积大于上升过程的面积，则相关曲线右峰高于左峰，反之亦然；(2)波形的不对称除了产生相关峰曲线的左右不对称外，还会产生相对于理想相关曲线的左右偏移；(3)相关曲线评估参数中：●p3、p4、p9、p10对波形的不对称比较敏感，p13和p14不敏感；●p1仅对波形上升下降过程中的两端处的不对称敏感：其值随着码片波形下降沿面积增大而增大；●与p1相反，p3主要对上升下降过程中间部分的不对称敏感：其值随着下降沿面积增大而增大；●p4对波形上升和下降整个过程都比较敏感：p4的值随着下降沿面积增大而增大；●p7和p9主要对波形上升和下降过程中的后半段比较敏感，也即过零点后的部分敏感：其值随着下降沿面积增大而增大；●p2、p8和p10主要对波形上升和下降过程中的前半段比较敏感，也即过零点前的部分敏感：其值随着下降沿面积增大而减小。当前第1页12