专利名称：高性能导航卫星空间信号质量评估方法
技术领域：
本发明涉及一种信号评估方法。
背景技术：
卫星导航信号是导航卫星系统中最重要的组成部分之一，是卫星、地面运控与用户之间协调工作的纽带。卫星导航信号质量的好坏将直接关系到系统定位、授时和测速等基本功能、关键性能和指标的实现，导航信号质量监测评估是卫星导航系统完好性的重要保障手段。由于卫星导航信号淹没于噪声之中，目前，高精度信号质量评估系统多采用较高增益的射频接收系统例如，美国利用斯坦福大学的45. 7米大口径天线接收系统进行导航信号质量监测评估；欧盟Galileo利用25米和30米较大口径天线接收系统监测评估卫星导航信号质量；中科院国家授时中心利用自身优势建立基于7. 3米天线的“BeiDou”系统信号质量监测与评估系统；中电集团54所建成了以2. 4米天线为核心的空间信号质量监测评估系统。纵观国内外现有的导航信号质量评估方法，主要分为基于标准仪器的信号质量监测和基于数据采集的离线信号分析两种。而基于标准仪器的信号质量监测方法，主要是利用频谱仪观测接收信号频谱，或是利用矢量信号分析仪观测接收信号波形的方式进行评估；基于数据采集的离线信号分析，主要是对利用数据采集卡采集的经高增益天线接收的导航信号进行软件接收机分析，通过分析接收信号的捕获相关峰、载噪比、PLL输出、DLL输出、解调数据、信号时域波形和星座图等方面，来评估接收信号质量。但是，由于上述方法都只是从某些面来分析导航信号质量，目前国内外还没有一套较为完善的卫星导航信号质量监测评估方法体系，不能准确确定能够全面反映空间导航信号质量的评估参数及参数表达方式。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航信号质量评估方法，通过对导航卫星下行信号的质量进行监测与评估，全面的反映导航信号质量，为我国导航卫星系统的信号体制设计和系统相关建设提供有价值的参考。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；步骤二 导航卫星下行信号经过低噪声放大后分为三路；步骤三一路信号分配到标准测量设备，对信号的功率、带宽、中心频点、调制特性、波形特性进行实时监测；第二路信号进行信号采集(为较高精度离线分析，采样频率需大于等于150MHz，位数大于等于14位)并存储；第三路送入监测接收机；步骤四将测距性能、功率、相干性能、码多径性能、载波多径、多路复用性能和捕获跟踪解调性能的评估与ICD公布指标相比较，综合判断接收信号各项要素指标是否符合要求；所述的测距性能包括载波相位及其稳定性，所述的功率是指卫星发射EIRP，所述的相干性能包括测距码与载波、测距码与二次码、测距码与电文之间的相干性，所述的码多径性能是指码多径误差，所述的载波多径是指载波多径误差，所述的多路复用性能包括复用前后单路信号功率损耗和测距码波形。所述的步骤三中，利用频谱仪监测单载波在设定的时间周期内的参数的抖动情况，参数包括载波连续性、相位跳变和功率跳变情况，若抖动范围大于设定值，则认为信号功率稳定性较差；利用标准测量仪器对扩频信号的参数实时监测，参数包括通道功率、带外杂散、频谱谱线、调制信号包络、相位翻转点、信号星座图、载波相位正交误差、IQ幅度误差、IQ原点偏移、码片正确性、载波频率误差变化曲线和相位变化曲线，将参数实测结果与ICD公布参数指标相比较，若实测结果超出ICD公布参数指标，则认为信号存在畸变；利用监测接收机对接收机观测量进行实时监测，包括码伪距、载波相位、C/N0、多普勒频移、电文校验信息，若实测结果超出ICD公布参数指标，则认为信号存在畸变；通过对载波特性、测距码特性、导航电文和调制方式四个方面单项要素的分析，判断接收导航信号各单项要素指标是否符合设定的指标要求，从而评估接收信号质量；所述的载波特性包括频率、功率、波形及幅度、杂波抑制和谐波抑制，所述的测距码特性包括码长、波形、数字畸变和模拟畸变、速率、正确性和相关性，所述的导航电文包括电文速率、电文正确性和校验信息，所述的调制方式包括信号谱线、带宽、调制信号包络、眼云图、矢量信号散点图、IQ载波相位正交误差、IQ幅度误差、EVM、相关峰曲线波形和S曲线偏差。本发明的有益效果是本发明提出了一套较完善的卫星导航信号质量评估方法，不仅包括基于标准仪器的信号质量监测和基于数据采集的离线信号分析，还提出了利用高性能监测接收机对码伪距稳定性、载波相位稳定性、同频点不同支路测距码间的一致性、不同频点相同支路测距码间的一致性、C/N0、多普勒频移、电文校验信息等方面进行实时监测评估的方法；不仅包括利用频谱仪观测接收信号频谱，利用矢量信号分析仪观测接收信号波形，还提出了利用频谱仪监测单载波功率、信号频率、相位噪声、杂波抑制、通道功率、信号带外能量分布，提出了利用矢量信号分析仪进行信号调制星座图、EVM(Error Vector Magnitude,误差矢量幅度)、眼云图、码片波形、载波频率误差变化曲线、载波相位变化曲线、载波相位正交误差、I/Q幅度误差及幅度不平衡性的评估，利用示波器进行单载波和扩频信号波形、调制信号包络和相位翻转点的评估；对采集数据的分析，不仅包括上述常见的几个方面，还包括单项要素中载波、测距码、电文和调制方式的评估，综合评估要素中相干性的评估、信号多路复用性能评估、多径特性评估和功率评估。这些方面涵盖了评估信号质量的各个方面，从而能够进行多层次全方位的信号质量分析与评估。可以高精度全方位多层次的评估接收卫星下行信号质量，并可广泛应用于其他导航系统数据的分析处理。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)接收信号的分析处理，通过实时监测评估接收导航信号质量，评估系统服务性能，评估卫星生命周期中各种不可预料的异常情况，从而在系统试验期间给系统设计者提供可信的调试依据，在一定程度上对保证卫星导航系统的完好性做出贡献。
图1为数据接收与处理流程示意图；图2为信号质量评估流程图；图3为码片模拟畸变和数字畸变示意图，其中，Ca)为数字畸变，(b)为模拟畸变，(C)为混合畸变；图4为GPS不同卫星相关峰比较示意图；图5为星座图参数测量原理示意图；图中横坐标表示同向分量,纵坐标表示正交风量；0表示理想坐标原点；A表示理想星座点出表示实测星座点；0’表示偏移的原点；0A’表示参考的理想矢量；0C表示理想幅度；CB’表不幅度误差，AB’表不误差矢量；00’表不误差矢量原点偏移；Rad表不相位误差；图6为实测信号星座图；图7为实测信号眼图；图8为眼图参数计算结果显示；图9为时域波形异常与自相关函数畸变示意图，其中，Ca)为码片时域波形异常，(b)为自相关函数畸变。
具体实施例方式本发明解决其技术问题所采用的技术方案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；步骤二 导航卫星下行信号经过低噪声放大后均分为三路；步骤三信号单项要素监测与评估其中一路信号分配到标准测量设备，对信号的功率、带宽、中心频点、调制特性、波形特性进行实时监测。第二路信号经过信号采集(为较高精度离线分析，采样频率需大于等于150MHz，位数大于等于14位)并存储到数据磁盘阵列。另外一路送入监测接收机。步骤四信号综合分析与评估。本发明主要涉及以下五个方面的内容，其中步骤三的主要内容为关键点I至关键点4，步骤四的主要内容为关键点5。关键点1:利用频谱仪对单载波进行监测；技术效果连续几天或几周观测载波连续性、相位跳变和功率跳变情况，由这些参数的抖动情况分析卫星发射功率稳定性，若抖动范围比较大，则认为信号功率稳定性较差。关键点2 :利用标准测量仪器对扩频信号实时监测；技术效果实时监测通道功率、带外杂散、频谱谱线、调制信号包络、相位翻转点、信号星座图、载波相位正交误差、IQ幅度误差、IQ原点偏移、码片正确性、载波频率误差变化曲线、相位变化曲线，将参数实测结果与ICD公布参数指标相比较，判断接收导航信号的稳定性及调制性能。若实测结果超出ICD公布参数指标，则认为信号存在畸变。关键点3 :利用监测接收机对接收机观测量进行实时监测；技术效果通过对码伪距、载波相位、C/NO、多普勒频移、电文校验信息等参数的实时监测，评估码伪距稳定性、载波相位稳定性、相同频点不同支路测距码间的一致性、不同频点相同支路测距码间的一致性、接收导航信号多普勒频移变化是否正常，以及电文翻转情况等，评估接收导航信号是否存在畸变。若实测结果超出ICD公布参数指标，则认为信号存在畸变。关键点4 :接收信号单项要素评估方法；技术效果通过对载波特性(频率、功率、波形及幅度、杂波抑制、谐波抑制等)、测距码特性(码长、波形、数字畸变和模拟畸变、速率、正确性和相关性等)、导航电文(电文速率、电文正确性、校验信息等)、调制方式(信号谱线、带宽、调制信号包络、眼云图、矢量信号散点图、IQ载波相位正交误差、IQ幅度误差、EVM、相关峰曲线波形、S曲线偏差等)四个方面单项要素的分析，判断接收导航信号各单项要素指标是否符合要求，从而评估接收信号质量。关键点5 :接收信号综合性能评估方法；技术效果通过对测距性能(载波相位及其稳定性)、功率(卫星发射EIRP)、相干性能(测距码与载波、测距码与二次码、测距码与电文之间的相干性)、码多径性能(码多径误差)、载波多径(载波多径误差)、多路复用性能(复用前后单路信号功率损耗和测距码波形)、捕获跟踪解调性能的评估，再加上关键点4中各单项要素评估结果，与ICD公布指标相比较，综合判断接收信号各项要素指标是否符合要求。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。步骤一接收信号。如附图1所示。首先，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；步骤二 线路分配。如附图1所示。天线接收的卫星下行信号经过三路；步骤三数据采集，信号监测与评估。如附图1所示(一)其中一路信号经过标准测量设备，详见附图1所示。对信号的功率、频谱、调制信号翻转点、信号星座图、矢量图、眼图、信号相位轨迹图、IQ原点偏移、波形特性实时监测。具体监测方法(I)利用频谱仪MARKER功能，标定单载波峰值，自动记录功率读数，可监测单载波功率；利用频谱仪MARKER功能，标定单载波最高波峰值，自动记录频率读数，可监测单载波频率；利用频谱仪观测信号频谱图，分别利用MARKER标定信号功率和被测频率偏移点功率，通过计算其差值来评估相位噪声和杂波抑制。(2)将频谱仪设置为信号通道功率测量，连续观测通道功率值。计算一段时间内信号功率稳定性；利用频谱仪观测接收信号频谱，分别利用MARKER标定信号功率和被测频率偏移点功率，计算其差值，分析信号带外杂散能量分布；利用频谱仪观测接收信号频谱，并标记占总功率99%的信号带宽；利用频谱仪统计卫星设计带宽内的信号功率，统计二倍设计带宽内的信号功率，计算信号带外能量分布；利用频谱仪采集信号频谱，比对与标准谱线差异。(3)利用示波器在标准Ipps触发下，观测调制信号翻转点变化。
(4)利用矢量信号分析仪解调信号，得到信号星座图、矢量图、眼图、信号相位轨迹图、IQ原点偏移、波形特性。(二)另外一路信号进入监测接收机，如附图1所示。对接收卫星下行信号码伪距、载波相位、C/N0、多普勒频移、电文校验信息实时监测。具体监测方法利用监测接收机连续几天或几周内监测伪距观测量，观察是否存在伪距跳变，考察其稳定性；连续监测载波相位观测量，观察是否存在相位跳变，考察其连续性；连续监测C/N0观测量，观察是否存在跳变；连续监测多普勒频移观测量，观察是否存在跳变或异常；连续监测导航电文校验信息，验证校验信息的正确性。对于扩频码信号质量的监测，主要是利用测量型监测接收机输出的多相关器值，以及宽窄相关测距值的互相符合性，检测输入导航信号相关峰变形等情况，以确定卫星信号是否存在畸变。(三)第三路信号经过高性能信号采集设备采集(为较高精度离线分析，采样频率需大于等于150MHz，位数大于等于14位)，如附图1所示。并存储到数据磁盘阵列，离线分析软件调取采集的数据，分析接收信号各单项要素性能。导航信号质量评估处理流程详见附图2。具体评估方法如下(I)载波质量评估利用高采样率示波器，监测载波信号波形，查找并记录相位突变点和功率变化情况，评估载波幅度变化情况和相位连续性；利用高精度频谱仪Marker功能，测量单载波信号功率，根据通道功率标校结果，推算天线口面接收功率；再利用常用大气衰减模型，计算卫星天线出口信号功率。在卫星发射条件允许的情况下，连续几天或几周观测单载波信号功率，评估其稳定性；利用高精度频谱仪，观测卫星发射带宽内信号功率分布情况，记录较高能量点功率值，并测量谐波抑制与杂波抑制。(2)测距码质量评估对采集的数据首先完成多普勒频移和相位预估、干扰剔除、通道均衡，然后剥离载波和子载波，复现信号的码片波形，比对标准码片波形，判断码片波形是否存在畸变，包括模拟畸变和数字畸变等；详见附图3。A.数字畸变表现形式扩频码正负码形宽度不一致，相关峰扩展；数字畸变原因星上基带处理器异常。B.模拟畸变表现形式基带码形抖动失真，相关峰扭曲变形；模拟畸变原因星上发射机基带滤波或射频滤波异常。C.混合畸变表现形式正负码形宽度不一致且出现抖动失真，相关峰扭曲扩展；混合畸变原因基带码产生器异常，射频滤波异常。统计不同卫星测距码的数字畸变程度，然后同图显示，比较各星测距码的数字畸变差异。以GPS卫星为例1)各星PRN码的数字畸变都不是0，各星的码都不理想；2)PRN14码的数字畸变最大，约4. 5ns。越是之前发的星，数字畸变越小。若假设其他各星都是理想的，都无数字畸变，而其中某星数字畸变为10ns，则将会产生SPS测距误差约1. 6米，对于差分用户来说将会约6厘米。由于接收机滤波器和一些残留的多径效应，相关峰并不是对称的。然而对于相同的信号，这种影响应该是相同的。但是从GPS分析结果发现a)不同卫星的相关峰不一样；
b)PRN14与其他的不同。而相关峰可以体现模拟畸变和数字畸变。例如GPS测距码，由于不同的码相关所得的相关峰斜率可能不同，所以有如下公式进行归一化
权利要求
1.一种高性能导航卫星空间信号质量评估方法，其特征在于包括下述步骤步骤一利用天线接收导航卫星下行信号；步骤二 导航卫星下行信号经过低噪声放大后分为三路；步骤三一路信号分配到标准测量设备，对信号的功率、带宽、中心频点、调制特性、波形特性进行实时监测；第二路信号进行信号采集并存储；第三路送入监测接收机；步骤四将测距性能、功率、相干性能、码多径性能、载波多径、多路复用性能和捕获跟踪解调性能的评估与ICD公布指标相比较，综合判断接收信号各项要素指标是否符合要求；所述的测距性能包括载波相位及其稳定性，所述的功率是指卫星发射EIRP，所述的相干性能包括测距码与载波、测距码与二次码、测距码与电文之间的相干性，所述的码多径性能是指码多径误差，所述的载波多径是指载波多径误差，所述的多路复用性能包括复用前后单路信号功率损耗和测距码波形。
2.根据权利要求1所述的高性能导航卫星空间信号质量评估方法，其特征在于所述的步骤一中使用的天线增益大于20dBi。
3.根据权利要求1所述的高性能导航卫星空间信号质量评估方法，其特征在于所述的步骤三种信号采集的采样频率需大于等于150MHz，位数大于等于14位。
4.根据权利要求1所述的高性能导航卫星空间信号质量评估方法，其特征在于所述的步骤三中，利用频谱仪监测单载波在设定的时间周期内的参数的抖动情况，参数包括载波连续性、相位跳变和功率跳变情况，若抖动范围大于设定值，则认为信号功率稳定性较差；利用标准测量仪器对扩频信号的参数实时监测，参数包括通道功率、带外杂散、频谱谱线、调制信号包络、相位翻转点、信号星座图、载波相位正交误差、IQ幅度误差、IQ原点偏移、码片正确性、载波频率误差变化曲线和相位变化曲线，将参数实测结果与ICD公布参数指标相比较，若实测结果超出ICD公布参数指标，则认为信号存在畸变；利用监测接收机对接收机观测量进行实时监测，包括码伪距、载波相位、C/N0、多普勒频移、电文校验信息，若实测结果超出ICD公布参数指标，则认为信号存在畸变；通过对载波特性、测距码特性、导航电文和调制方式四个方面单项要素的分析，判断接收导航信号各单项要素指标是否符合设定的指标要求，从而评估接收信号质量；所述的载波特性包括频率、功率、波形及幅度、杂波抑制和谐波抑制，所述的测距码特性包括码长、波形、数字畸变和模拟畸变、速率、正确性和相关性，所述的导航电文包括电文速率、电文正确性和校验信息，所述的调制方式包括信号谱线、带宽、调制信号包络、眼云图、矢量信号散点图、IQ载波相位正交误差、IQ幅度误差、EVM、相关峰曲线波形和S曲线偏差。
全文摘要
本发明提供了一种高性能导航卫星空间信号质量评估方法，首先利用较高增益的天线接收导航卫星下行信号，将导航卫星下行信号经过低噪声放大后均分为三路进行信号单项要素监测与评估，最后进行信号综合分析与评估。本发明可以高精度全方位多层次的评估接收卫星下行信号质量，并可广泛应用于其他导航系统数据的分析处理。
文档编号G01S19/23GK103033824SQ201210552698
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者贺成艳, 郭际, 卢晓春, 王雪 申请人:中国科学院国家授时中心