一种新型卫星导航信号的质量评估方法技术

本发明专利技术提供了一种新型卫星导航信号的质量评估方法，对导航信号的各个支路信号分别进行捕获、跟踪和解调处理，计算接收信号合成功率谱偏差，计算各支路分量的相关损失、S曲线过零点偏差、鉴相曲线斜率偏差以及信号分量间载波相位偏差，然后将实测信号的分析结果与其接口规范控制文件公布的指标进行比对，判断接收信号各项指标是否符合设计要求。本发明专利技术针对新型GNSS导航信号调制方式，提出了一套较完善的卫星导航信号质量评估方法，能够及时发现卫星生命周期中各种不可预料的异常情况，从而保障卫星导航系统的高可靠服务性能。

【技术实现步骤摘要】
一种新型卫星导航信号的质量评估方法
本专利技术涉及一种卫星导航信号处理方法。
技术介绍
作为全球卫星导航系统(GNSS)、地面运控以及用户终端之间的唯一接口，卫星导航信号的潜在性能直接决定了GNSS的PNT(定位、导航和授时)服务性能极限。如果卫星播发的导航信号本身存在缺陷，则即便是卫星系统的其它环节设计再优，整个导航系统在定位、测速、授时性能、抗干扰能力以及与其它系统的兼容与互操作性等关键性能上仍存在难以弥补的不足。对卫星播发的下行信号质量进行监测评估，可以实时评估导航系统服务性能，能够在系统试验期间给系统设计者提供可信的调试依据，从而保障卫星导航系统的完好性及可靠性。近年来随着卫星导航系统的飞速发展，为了能够在最大程度上满足用户越来越高的需求，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和我国的北斗等各大卫星导航系统分别对其导航信号进行了现代化改进，于是出现了一批以BOC调制及其衍生方式为主的新型导航信号。相比传统卫星系统的BPSK或QPSK调制的导航信号，新型GNSS导航信号虽然有着众多优点，然而新信号的多路复用方式及宽带特性也进一步增加了信号设计及实现过程中的复杂性。导航信号在星上产生到信号发射和传播的整个过程中，任何故障或异常都可能导致播发的导航信号波形产生畸变，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，严重情况下会对GNSS的PNT性能产生致命影响。纵观国内外现有的导航信号质量评估方法，主要是针对GNSS传统BPSK或QPSK调制信号，而且传统方法已经比较成熟和全面，然而针对新型信号评估方法研究成果较少。目前对新型信号质量评估主要集中在时域波形和相关域两大方面，其中时域波形分析主要包括基于国际民航组织(ICAO)采取的传统BPSK信号畸变模型的扩展TMA/TMB/TMC模型；相关域分析主要是针对实测信号与本地复现测距码之间的相关曲线对称性、相关损失及S曲线过零点偏差方面的分析。目前我国北斗三号全球系统、Galileo系统以及GPS现代化系统均采用新体制导航信号，相比传统调制方式，新信号带宽更宽、调制方式更加复杂，这势必会对链路的幅度平衡性、各分量间相位关系、射频兼容性、宽带增益平坦度、宽带群时延平坦度、放大器非线性等诸多面提出了更高的要求，因此针对新型导航信号质量的评估将具有重要的科学研究价值和现实意义。然而目前国内外对于新信号的评估方法研究方面，缺少通用解析模型以及系统全面的分析方法。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种针对新型GNSS卫星导航信号质量评估的方法，通过对频域的合成功率谱偏差、相关域的相关损失/S曲线过零点偏差/鉴相曲线斜率偏差、调制域的信号分量间载波相位偏差方面的深入分析，全面反映GNSS新型导航信号质量情况，从而为我国北斗全球导航卫星系统的信号设计和建设运行提供有价值的参考和技术支撑。本专利技术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50dBi的接收导航卫星下行信号；信号经过低噪声放大器和接收通道后，到达同步数据采集设备；步骤二，对导航信号进行数据采集，采样频率大于等于250MHz，采样位数大于等于14位，采样结果存储到数据磁盘阵列；步骤三，对导航信号的各个支路信号分别进行捕获、跟踪和解调处理，计算接收信号合成功率谱偏差，计算各支路分量的相关损失、S曲线过零点偏差、鉴相曲线斜率偏差以及信号分量间载波相位偏差，然后将实测信号的分析结果与其接口规范控制文件公布的指标进行比对，判断接收信号各项指标是否符合设计要求。所述的计算接收信号合成功率谱偏差包括以下步骤：利用Welch周期图法对导航信号进行重叠加窗估计其功率谱，假设导航信号x(n)的总长度为Len，总共分为M段，每段数据长度为N，重叠比例因子取r＝0.5；对x(n)的各小段数据进行加窗处理，则各段信号的离散傅里叶变换Welch周期图法的信号功率谱得到信号功率谱之后，通过计算合成功率谱偏差稳定度和单调倾斜度来衡量信号频域性能；在信号主瓣带宽内，实测卫星信号功率谱PSDreal(nf)与设计信号功率谱PSDideal(nf)作差，得到合成功率谱偏差曲线Presidual(nf)，统计曲线标准差得到偏差稳定度Pstability，其中，NTotal为指定带宽内实测信号功率谱采样点数；对合成功率谱偏差曲线做多项式拟合，计算以中心频点为中心两侧功率谱偏差的单调变化绝对值Pslop_left和Pslop_right，得到曲线单调倾斜度Pslop＝max(Pslop_left-Pslop_right)。所述的计算各支路分量的相关损失包括以下步骤：根据信号设计情况仿真得到理想无失真信号，然后利用接收信号与接收机本地复现测距码做相关，获得接收信号相关峰最大值理想信号与接收机本地复现测距码做相关，获得理想信号相关峰最大值相关损失所述的计算各支路分量的相关损失中，SBBPreProc(t)为经过带宽为信号设计带宽滤波器后的实测基带信号；SRef(t)为经过带宽为信号设计带宽滤波器后本地参考信号；Tp为码周期。所述的计算S曲线过零点偏差包括以下步骤：设超前相关器与滞后相关器的间距为δ，即时相关器输出为P0，超前相关器输出为滞后相关器输出为则不同码跟踪环鉴相器的S曲线计算方法分别如下：①非相干超前减滞后幅值鉴相器②非相干超前减滞后功率鉴相器③似相干点积功率鉴相器④相干点积功率鉴相器计算得到S曲线后，则锁定点偏差εbias(δ)计算方法为SCurve(εbias(δ),δ)＝0；绘制接收信号鉴相曲线锁定点偏差εbias(δ)随超前-滞后间距δ的变化曲线，即可得到S曲线过零点偏差曲线SCurveBias(δ)。所述的计算鉴相曲线斜率偏差包括以下步骤：S曲线过零点斜率在不同相关器间隔下求解设计信号的S曲线过零点斜率，同时求解实测信号S曲线过零点斜率，将实际斜率曲线和理想斜率曲线对应点相除，即可获得鉴相曲线斜率偏差。所述的计算信号分量间载波相位偏差包括以下步骤：将同一组采样数据的各个信号分别进行捕获和跟踪处理，得到各信号分量的载波相位估计值；将各信号分量的载波相位估计值之间的差值与其设计数值进行比较分析，即可获得载波相位相对偏差测量结果。本专利技术的有益效果是：本专利技术针对新型GNSS导航信号调制方式，提出了一套较完善的卫星导航信号质量评估方法，相比传统方法而言：不仅能对传统单一支路信号质量进行分析评估，还能够对新型多路复用信号的合路信号和各个单路信号分别进行高精度分析评估；不仅能简单分析信号频谱、相关峰特性及调制信号星座图，还能够精细计算实测信号与设计信号的合成功率谱偏差、S曲线过零点偏差、鉴相曲线斜率偏差以及信号分量间载波相位偏差；进一步拓展了传统评估内容和评估方法的深度和广度，从而实现对新型导航信号的高精度高可信评估。本专利技术可应用于全球卫星导航系统(包括我国BDS、美国GPS、欧盟Galileo等系统)新型导航信号的接收处理，通过实时监测评估接收导航信号质量，及时发现卫星生命周期中各种不可预料的异常情况，从而保障卫星导航系统的高可靠服务性能。附图说明图1为数据接收与采集流程示意图；图2为信号质量分析处理流程图；图3为Wel本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型卫星导航信号的质量评估方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，利用增益大于50dBi的接收导航卫星下行信号；信号经过低噪声放大器和接收通道后，到达同步数据采集设备；步骤二，对导航信号进行数据采集，采样频率大于等于250MHz，采样位数大于等于14位，采样结果存储到数据磁盘阵列；步骤三，对导航信号的各个支路信号分别进行捕获、跟踪和解调处理，计算接收信号合成功率谱偏差，计算各支路分量的相关损失、S曲线过零点偏差、鉴相曲线斜率偏差以及信号分量间载波相位偏差，然后将实测信号的分析结果与其接口规范控制文件公布的指标进行比对，判断接收信号各项指标是否符合设计要求。

【技术特征摘要】
1.一种新型卫星导航信号的质量评估方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一，利用增益大于50dBi的接收导航卫星下行信号；信号经过低噪声放大器和接收通道后，到达同步数据采集设备；步骤二，对导航信号进行数据采集，采样频率大于等于250MHz，采样位数大于等于14位，采样结果存储到数据磁盘阵列；步骤三，对导航信号的各个支路信号分别进行捕获、跟踪和解调处理，计算接收信号合成功率谱偏差，计算各支路分量的相关损失、S曲线过零点偏差、鉴相曲线斜率偏差以及信号分量间载波相位偏差，然后将实测信号的分析结果与其接口规范控制文件公布的指标进行比对，判断接收信号各项指标是否符合设计要求。2.根据权利要求1所述的新型卫星导航信号的质量评估方法，其特征在于：所述的计算接收信号合成功率谱偏差包括以下步骤：利用Welch周期图法对导航信号进行重叠加窗估计其功率谱，假设导航信号x(n)的总长度为Len，总共分为M段，每段数据长度为N，重叠比例因子取r＝0.5；对x(n)的各小段数据进行加窗处理，则各段信号的离散傅里叶变换Welch周期图法的信号功率谱得到信号功率谱之后，通过计算合成功率谱偏差稳定度和单调倾斜度来衡量信号频域性能；在信号主瓣带宽内，实测卫星信号功率谱PSDreal(nf)与设计信号功率谱PSDideal(nf)作差，得到合成功率谱偏差曲线Presidual(nf)，统计曲线标准差得到偏差稳定度Pstability，其中，NTotal为指定带宽内实测信号功率谱采样点数；对合成功率谱偏差曲线做多项式拟合，计算以中心频点为中心两侧功率谱偏差的单调变化绝对值Pslop_left和Pslop_right，得到曲线单调倾斜度Pslop＝max(Pslop_left-Pslop_right)。3.根据权利要求1所述的新型卫星导航信号的质量评估方法，其特征在于：所述的计算各支路分量的相关损失包...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺成艳，饶永南，卢晓春，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西,61