歐陽(yáng)曉鳳，徐成濤，劉文祥，歐 鋼

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院衛(wèi)星導(dǎo)航研發(fā)中心，湖南 長(zhǎng)沙410073）

0 引 言

導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量分析技術(shù)是我國(guó)北斗衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量的地面測(cè)試與在軌監(jiān)測(cè)的重要保障，為系統(tǒng)故障診斷、衛(wèi)星信號(hào)完好性監(jiān)測(cè)等提供重要支撐。

目前GPS和Galileo都建立了成熟的導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都是通過(guò)共用已經(jīng)建成的用于科學(xué)研究的大口徑拋物面天線(xiàn)，或自建小口徑自動(dòng)跟蹤的拋物面天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的高增益接收，完成對(duì)導(dǎo)航信號(hào)參數(shù)的精細(xì)分析及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。這些系統(tǒng)在衛(wèi)星初始在軌測(cè)試和信號(hào)異常故障定位方面發(fā)揮了重要作用。但是國(guó)外導(dǎo)航信號(hào)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)大都是進(jìn)行離線(xiàn)事后分析的研究型平臺(tái)，未接入系統(tǒng)在線(xiàn)工作運(yùn)行而直接對(duì)系統(tǒng)和用戶(hù)產(chǎn)生效益，沒(méi)有解決好快速在線(xiàn)告警與離線(xiàn)精確分析結(jié)合的問(wèn)題。

GPS由SRI在斯坦福大學(xué)建設(shè)了信號(hào)特性及參數(shù)分析系統(tǒng)，該信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共用了斯坦福大學(xué)用于科學(xué)研究的47m大型操縱型天線(xiàn)，天線(xiàn)增益高達(dá)52dB，可在不解擴(kuò)的情況下直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。但該天線(xiàn)必須人工控制，數(shù)據(jù)采集的周期很慢，無(wú)法做到對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行全時(shí)段的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為此SRI又建立了具有自動(dòng)跟蹤功能的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用直徑1.8m天線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤功能，可在無(wú)人工參與的情況下對(duì)可視衛(wèi)星進(jìn)行全時(shí)段的監(jiān)測(cè)[1]。

Galileo在建設(shè)初期就非常重視對(duì)信號(hào)特性及參數(shù)的分析，在試驗(yàn)衛(wèi)星GIOVE－A和GIOVE－B發(fā)射之后，就對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收功率、調(diào)制質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行了充分的驗(yàn)證。伽利略系統(tǒng)的空間信號(hào)測(cè)試任務(wù)主要由歐洲空間技術(shù)研究中心（ESTEC）的導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室完成，并組建了多個(gè)地面觀(guān)測(cè)站，包括英國(guó)Chilbolton天文臺(tái)[2]和荷蘭Noordwijk監(jiān)測(cè)站[3]。這兩套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，都是由業(yè)已建成的高增益天線(xiàn)及Galileo全向天線(xiàn)、低噪聲放大器、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器、高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備Bitgrabber、伽利略測(cè)試接收機(jī)（GETR）等設(shè)備組成。

本系統(tǒng)結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，將監(jiān)測(cè)接收機(jī)一致校驗(yàn)系統(tǒng)粗檢與大口徑高增益天線(xiàn)伺服系統(tǒng)精檢相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)層長(zhǎng)期評(píng)估和信號(hào)層精細(xì)分析。

1 導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

為實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗和其它導(dǎo)航系統(tǒng)的在軌信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)，搭建導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)各大系統(tǒng)在軌星座的全網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、異常衛(wèi)星的單星評(píng)估和地面試驗(yàn)衛(wèi)星的質(zhì)量監(jiān)控。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

上圖中工作流程包括監(jiān)測(cè)接收機(jī)通過(guò)全向天線(xiàn)全時(shí)段接收并將接收到的各系統(tǒng)在軌衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)信號(hào)分析軟件進(jìn)行長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)層粗略檢測(cè)，主要包括信號(hào)多普勒、載噪比、偽距測(cè)量值、載波相位測(cè)量值以及相關(guān)峰的評(píng)估。當(dāng)三臺(tái)監(jiān)測(cè)接收機(jī)中兩臺(tái)以上發(fā)生異常告警時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)異常監(jiān)測(cè)模式，或由衛(wèi)星工況或其它異常信息反饋控制，觸發(fā)大口徑拋物面天線(xiàn)對(duì)異常衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，經(jīng)采集系統(tǒng)回放異常信號(hào)，由信號(hào)質(zhì)量分析軟件進(jìn)行精細(xì)的在線(xiàn)短時(shí)間隔式分析。涵蓋衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)頻、頻域、調(diào)制域、測(cè)量域，具體分析指標(biāo)如表1所示。

1.2 功能描述

GNSS導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)包括天線(xiàn)單元、信號(hào)監(jiān)測(cè)接收單元、射頻采樣與數(shù)字下變頻單元、信號(hào)采集存儲(chǔ)單元、信號(hào)質(zhì)量分析評(píng)估與監(jiān)控單元，共同完成信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)與分析。它們之間的關(guān)系如圖2所示。

表1 精細(xì)評(píng)估指標(biāo)分類(lèi)

圖2 GNSS系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖2中天線(xiàn)單元完成在軌衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，包括全向天線(xiàn)對(duì)全網(wǎng)在軌星座的信號(hào)全時(shí)段接收，以及7.5m大口徑天線(xiàn)對(duì)指定單顆衛(wèi)星的信號(hào)高增益接收。

信號(hào)監(jiān)測(cè)接收單元由三臺(tái)同源監(jiān)測(cè)接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的全網(wǎng)監(jiān)測(cè)接收，在DSP處理器高層調(diào)度程序控制下，完成對(duì)信號(hào)的捕獲、跟蹤、鎖定檢測(cè)、數(shù)據(jù)恢復(fù)、測(cè)量處理等操作，獲得信號(hào)載噪比、偽碼相關(guān)峰、偽距載波相位觀(guān)測(cè)量、導(dǎo)航電文等數(shù)據(jù)文件。

射頻采樣與數(shù)字下變頻單元和信號(hào)采集存儲(chǔ)單元共同完成射頻信號(hào)的數(shù)字下變頻、帶通濾波、A／D采樣及信號(hào)回放。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的短時(shí)實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析，該單元支持中頻信號(hào)整段采集存儲(chǔ)的同時(shí)分段截取數(shù)據(jù)流至磁盤(pán)陣列，信號(hào)回放過(guò)程讀取磁盤(pán)陣列中待分析信號(hào)文件，分段流盤(pán)并輸出至信號(hào)質(zhì)量分析評(píng)估監(jiān)控單元。

信號(hào)質(zhì)量分析評(píng)估與監(jiān)控單元由系統(tǒng)PC終端軟件完成，包括數(shù)據(jù)層和信號(hào)層的分析處理。該單元可對(duì)全網(wǎng)監(jiān)測(cè)接收結(jié)果進(jìn)行一致性校驗(yàn)及數(shù)據(jù)層粗略檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常后告警并觸發(fā)單星跟蹤模式及信號(hào)精細(xì)檢測(cè)對(duì)全網(wǎng)監(jiān)測(cè)接收結(jié)果進(jìn)行一致性校驗(yàn)及數(shù)據(jù)層粗略檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常后告警并觸發(fā)單星跟蹤模式及信號(hào)精細(xì)檢測(cè)。信號(hào)層的精細(xì)檢測(cè)輸入為分段流盤(pán)數(shù)據(jù)，由軟件接收機(jī)完成捕獲跟蹤后進(jìn)行全指標(biāo)分析，分析結(jié)果按域可視化輸出至用戶(hù)界面，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)分析結(jié)果文件。

系統(tǒng)具體功能與設(shè)備描述如表2所述：

表2 信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)功能

1.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)PC終端裝載信號(hào)質(zhì)量分析軟件，該軟件接收來(lái)自于采樣系統(tǒng)傳輸子模塊的采樣數(shù)據(jù)，對(duì)信號(hào)的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)層分析和事后信號(hào)層短時(shí)分析，將信號(hào)相關(guān)域、調(diào)制域、頻域、時(shí)域、測(cè)量域指標(biāo)分析結(jié)果存儲(chǔ)并輸出至軟件界面顯示。

軟件與系統(tǒng)的外部接口讀取采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的中頻或基帶采樣數(shù)據(jù)文件，軟件內(nèi)部設(shè)計(jì)分為界面及信號(hào)分析算法兩部分，內(nèi)部接口設(shè)計(jì)及工作流程如圖3所示。

圖3 信號(hào)質(zhì)量分析軟件工作流程圖

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

2.1 實(shí)測(cè)場(chǎng)景設(shè)置

利用上述導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)北斗在軌信號(hào)和其它導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行了實(shí)際評(píng)估。分別使用 Trimble接收機(jī)對(duì) GPS－PRN15、GLONASSPRN12和北斗二代一期MEO－12號(hào)衛(wèi)星在軌信號(hào)開(kāi)展實(shí)測(cè)，其中指標(biāo)精細(xì)檢測(cè)場(chǎng)景下采用本單位7.5m轉(zhuǎn)臺(tái)天線(xiàn) （如圖4所示）進(jìn)行高增益接收，由評(píng)估單元的軟件完成時(shí)域、頻域、調(diào)制域、相關(guān)域、測(cè)量域等精細(xì)檢測(cè)的指標(biāo)分析。

圖4 國(guó)防科大導(dǎo)航中心信號(hào)監(jiān)測(cè)7.5m大口徑天線(xiàn)

粗略檢測(cè)場(chǎng)景使用全向天線(xiàn)（如圖5所示）。

兩種天線(xiàn)接收的信號(hào)由系統(tǒng)采集存儲(chǔ)小系統(tǒng)回放（如圖6所示），并由終端PC軟件進(jìn)行全星座的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)層分析和全指標(biāo)信號(hào)層分析。

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析結(jié)果

多系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量的數(shù)據(jù)層檢測(cè)主要完成信號(hào)的數(shù)據(jù)層長(zhǎng)期評(píng)估，對(duì)平行一致校驗(yàn)后的異常信號(hào)載噪比、偽碼相關(guān)峰、偽距載波相位觀(guān)測(cè)量、導(dǎo)航電文等數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略分析，主要分析指標(biāo)包括碼減載波、頻間相位互差穩(wěn)定性和相關(guān)峰對(duì)稱(chēng)性。

圖5 國(guó)防科大導(dǎo)航中心信號(hào)監(jiān)測(cè)全向天線(xiàn)

圖6 信號(hào)監(jiān)測(cè)采集回放系統(tǒng)

對(duì)衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量的在軌測(cè)試中，為剝離電離層延遲和本地多徑的影響，采用7.5m大口徑天線(xiàn)進(jìn)行單星窄波束跟蹤和高增益接收時(shí)。使用本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)接收機(jī)在大口徑天線(xiàn)測(cè)試場(chǎng)景下分別對(duì)GEO、MEO和IGSO衛(wèi)星進(jìn)行分析，剝離電離層延遲后得到的碼減載波（CMC）[4]結(jié)果如圖7所示。由圖中實(shí)測(cè)結(jié)果可知，使用本單位自主研發(fā)的北斗監(jiān)測(cè)接收機(jī)對(duì)北斗各類(lèi)衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量，不同衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量受到衛(wèi)星多普勒和傳輸路徑的影響，GEO優(yōu)于MEO和IGSO衛(wèi)星，具體CMC標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果如圖7所示。

圖7 北斗GEO／MEO／IGSO衛(wèi)星信號(hào)CMC分析

為比較北斗與其它導(dǎo)航系統(tǒng)性能，使用Trimble接收機(jī)得到的碼減載波結(jié)果如圖8所示。

圖8 GPS／GLONASS／北斗衛(wèi)星信號(hào)CMC分析（大口徑天線(xiàn)）

北斗和GPS、GLONASS系統(tǒng)信號(hào)的CMC結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差如表3所示，可見(jiàn)由于Trimble接收機(jī)的前端設(shè)計(jì)，在相同信噪比等條件下對(duì)GPS信號(hào)頻點(diǎn)靈敏度較高，碼載波測(cè)量精度和相干性略?xún)?yōu)，但北斗信號(hào)質(zhì)量基本與GPS信號(hào)質(zhì)量相同，具體CMC標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果如圖10腳注和表3所示。

表3 GPS＼BDS＼GLONASS頻點(diǎn)1、2的CMC標(biāo)準(zhǔn)差

信號(hào)相關(guān)峰質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要衡量信號(hào)相關(guān)峰對(duì)稱(chēng)性、相關(guān)峰延遲、平頂畸變等變化信息，根據(jù)信號(hào)跟蹤得到的碼相位和載波頻率，復(fù)現(xiàn)本地載波，得到I／Q兩路正交雙通道的基帶信號(hào)。對(duì)基帶信號(hào)與本地跟蹤的偽碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并求其包絡(luò)即可得到信號(hào)的相關(guān)峰波形。根據(jù)相關(guān)峰對(duì)稱(chēng)性系數(shù)可直觀(guān)地判斷衛(wèi)星信號(hào)是否發(fā)生異常，以GPS、GLONASS、北斗系統(tǒng)的頻點(diǎn)1信號(hào)為例，GPS和北斗星上信號(hào)相關(guān)峰特性最優(yōu)，對(duì)稱(chēng)性系數(shù)約為0.99，GLNASS稍差，對(duì)稱(chēng)性系數(shù)約為0.94.具體分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 GPS／GLONASS／北斗系統(tǒng)各頻點(diǎn)信號(hào)相關(guān)峰及對(duì)稱(chēng)性

頻間相位互差表示導(dǎo)航系統(tǒng)各個(gè)頻點(diǎn)間偽碼同步程度，具體計(jì)算同樣用相關(guān)峰的間隔距離表示，而頻間相位互差穩(wěn)定性表示頻間相位互差隨時(shí)間變化的性能，可用方差表示，以各系統(tǒng)信號(hào)為例具體計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 各系統(tǒng)頻點(diǎn)1、2的偽碼相位互差

由表4可知，采用大口徑天線(xiàn)消除信噪比低、多徑和干擾等因素對(duì)地面信號(hào)監(jiān)測(cè)的影響后，GPS星上發(fā)射信號(hào)質(zhì)量最優(yōu)，北斗信號(hào)稍次之，GLONASS穩(wěn)定性較差。

3 結(jié) 論

分析了北斗系統(tǒng)在軌衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量，并闡述了分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與技術(shù)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)提供了GNSS兼容與互操作條件下在軌星座無(wú)線(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)支撐和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。同時(shí)，該系統(tǒng)的信號(hào)采集存儲(chǔ)單元和信號(hào)分析軟件也可承擔(dān)有線(xiàn)工作模式下異常衛(wèi)星、新發(fā)射衛(wèi)星或地面試驗(yàn)衛(wèi)星的精細(xì)檢測(cè)，形成了完整的信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系。

在軌測(cè)試結(jié)果表明：目前在軌運(yùn)行的我國(guó)北斗二代一期信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)良，監(jiān)測(cè)指標(biāo)可達(dá)到其它已完成組網(wǎng)的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

[1]PHELTS R E，GAO G X，WONG G，et al.New GPS signals avlation grade chips off the block IIF[J].Inside GNSS，2010（7／8）：36－45.

[2]GATTI G，F(xiàn)ALCONE M，ALPE V，et al.Glove－B chilbolton in－orbit test[J].Inside GNSS ，2008（9／10）：30－35.

[3]TIBERIUS C，MAREL H V D，SLEEWAEGEN JM，et al.Analyzing a Glove－A／B double difference[J].Inside GNSS，2008（9／10）：40－44.

[4]楊再秀，王偉，蒙艷松，等.GNSS信號(hào)質(zhì)量評(píng)估與測(cè)試方法研究[C]∥第二屆衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)，2011.