新一代卫星导航信号的波形畸变特性评估方法技术

本发明专利技术提供了一种新一代卫星导航信号的波形畸变特性评估方法，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，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、Symmetric Ratio Tests参数以及Asymmetric Ratio Tests参数，能够准确评估接收卫星下行信号波形是否存在畸变，首次实现了GNSS卫星导航信号波形的对称性分析，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。

【技术实现步骤摘要】
新一代卫星导航信号的波形畸变特性评估方法
本专利技术涉及一种卫星信号处理方法。
技术介绍
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
(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。
技术实现思路
为了弥补传统导航信号波形分析方法的不足，本专利技术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：本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种卫星导航信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新一代卫星导航信号的波形畸变特性评估方法，其特征在于包括以下步骤：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、Symmetric Ratio Tests参数、Asymmetric Ratio Tests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。

【技术特征摘要】
1.一种新一代卫星导航信号的波形畸变特性评估方法，其特征在于包括以下步骤：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。2.根据权利要求1所述的新一代卫星导航信号的波形畸变特性评估方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺成艳，施进平，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