楊再秀，郭曉峰，楊麗云

(河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050081)

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GNSS信號(hào)質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試方法研究

楊再秀，郭曉峰，楊麗云

(河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050081)

摘要衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)性能，因此信號(hào)質(zhì)量評(píng)估是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。分析了衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量對(duì)導(dǎo)航性能的影響，系統(tǒng)介紹了信號(hào)質(zhì)量的主要評(píng)估參數(shù)，并對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。重點(diǎn)介紹了基于偽距和載波相位的I/Q載波正交性、碼-載波相干性、碼-碼相干性的測(cè)試原理及實(shí)現(xiàn)方案。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，I/Q載波正交性和碼-載波相干性測(cè)試精度小于0.5°，碼-碼相干性測(cè)試精度可達(dá)100 ps。

關(guān)鍵詞信號(hào)質(zhì)量評(píng)估；I/Q載波正交性；碼-載波相干性；碼-碼相干性

0引言

目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，幾乎涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。已建成和正在規(guī)劃建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)除美國(guó)的GPS系統(tǒng)外，還有俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐洲的伽利略系統(tǒng)、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及日本和印度的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。

GNSS信號(hào)質(zhì)量直接影響導(dǎo)航性能，國(guó)內(nèi)外對(duì)于導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量評(píng)估工作都非常重視。美國(guó)斯坦福大學(xué)很早就成立了一個(gè)GPS導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室(GPS Lab)，致力于導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，并建立了相應(yīng)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，稱(chēng)為斯坦福GNSS監(jiān)測(cè)站[1]。該系統(tǒng)可以對(duì)空中任意導(dǎo)航衛(wèi)星L頻段信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一方面可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)GPS衛(wèi)星信號(hào)的異常及不足，另一方面可以對(duì)其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如Galileo、Compass系統(tǒng)等，從而可以分析這些信號(hào)的特點(diǎn)，更好地進(jìn)行信號(hào)體制研究。Galileo的空間信號(hào)監(jiān)測(cè)和評(píng)估任務(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，并在多個(gè)地方組建了地面觀測(cè)站，如：英國(guó)奇爾波頓天文臺(tái)(Chilboiton)、德國(guó)宇航研究院(DLR)和歐洲空間局(ESA)等。伴隨著GIOVE-A/B衛(wèi)星的成功發(fā)射，國(guó)外深入開(kāi)展了對(duì)Galileo信號(hào)質(zhì)量的評(píng)估工作，取得了大量研究成果[1,2]。目前，國(guó)內(nèi)在信號(hào)質(zhì)量評(píng)估方面還處于初級(jí)研究階段。我國(guó)正在建設(shè)的北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，衛(wèi)星系統(tǒng)正式運(yùn)行前的在軌測(cè)試及正式運(yùn)行后的導(dǎo)航信號(hào)長(zhǎng)期質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)估，都迫切需要對(duì)信號(hào)質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)和測(cè)試方法進(jìn)行深入研究，為建設(shè)自主的信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)提供技術(shù)支持[3,4]。

本文主要討論導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的以下指標(biāo)：功率譜、I/Q載波正交性、碼-載波相干性、碼-碼相干性、相關(guān)損耗和S曲線便移，介紹相應(yīng)的測(cè)試方法，并給出了部分測(cè)試結(jié)果。針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及信號(hào)特點(diǎn)，信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)可分為一般性指標(biāo)和導(dǎo)航相關(guān)指標(biāo)兩大類(lèi)。

1一般性指標(biāo)

一般性指標(biāo)是指通信領(lǐng)域內(nèi)常見(jiàn)的、具有普遍意義的信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)。一般性指標(biāo)包括帶寬、功率譜、擴(kuò)頻增益、I/Q載波正交性、載波抑制度和相位噪聲等。限于篇幅，下面著重討論導(dǎo)航信號(hào)的功率譜和I/Q載波正交性。

1.1　功率譜

對(duì)實(shí)際導(dǎo)航信號(hào)功率譜密度分析一般采用Welch周期圖。Welch周期圖法是利用改進(jìn)的平均周期圖法估計(jì)隨機(jī)信號(hào)的功率譜，它采用信號(hào)分段重疊、加窗和FFT等技術(shù)來(lái)計(jì)算功率譜[1]。Welch法可以改善估計(jì)譜曲線的光滑性，大大提高譜估計(jì)的分辨率，是GNSS信號(hào)功率譜分析的常用方法[4]。

1.2　I/Q載波正交性

GNSS信號(hào)普遍采用正交調(diào)制方式，將多路信號(hào)調(diào)制到兩路(I/Q)正交的載波上。由于載波相位誤差和信道衰落等原因，實(shí)際的I/Q載波并不是完全正交的。實(shí)際的正交調(diào)制信號(hào)可以表示為[5]：

s(t)=sI(t)cos(wct)-sQ(t)sin(wct+φ)。

(1)

式中，sI(t)為同相(I)支路基帶信號(hào)；sQ(t)為正交(Q)支路基帶信號(hào)；φ為I/Q載波的相位誤差。當(dāng)φ=0時(shí)，I/Q載波是完全正交的。

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，給出s(t)的復(fù)基帶形式

sP(t)=(sI(t)-sQ(t)sin(φ))+jsQ(t)cos(φ)。

(2)

利用復(fù)基帶信號(hào)sP(t)可以直接得到導(dǎo)航信號(hào)的星座圖，星座圖可以很直觀地反映I/Q載波相位非正交性對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響。不同相位誤差條件下QPSK信號(hào)的星座圖如圖1所示。顯然，I/Q載波的非正交性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的幅度和相位誤差。其中，幅度誤差會(huì)影響GNSS信號(hào)的恒包絡(luò)特性，從而導(dǎo)致更大的信號(hào)畸變。這里的分析是以傳統(tǒng)的QPSK為例進(jìn)行的，但是同樣適用于新體制GNSS信號(hào)[6,7]。

載波正交性的測(cè)試一般可采用矢量信號(hào)分析儀完成，但是它只適用于QPSK調(diào)制，因此對(duì)于新體制導(dǎo)航信號(hào)的多種復(fù)用方式(如互復(fù)用、AltBOC等)需要采用新的測(cè)試方法。本文給出了一種通用的正交性測(cè)試方法，測(cè)試原理如圖2所示，主要包括：跟蹤環(huán)路、本振和反正切模塊(ATAN)。跟蹤環(huán)路的作用主要是實(shí)現(xiàn)偽碼和數(shù)據(jù)解調(diào)。本振生成正交的本地載波信號(hào)，并對(duì)解擴(kuò)后的輸入信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理。最后通過(guò)反正切模塊獲得本振信號(hào)與輸入信號(hào)的精確相位差。

圖1　QPSK信號(hào)星座圖

圖2　載波正交性測(cè)試原理

對(duì)QPSK(10)信號(hào)正交性的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖3所示。測(cè)試條件：采樣率112 MHz，載噪比60 dBHz。這里給出的是單次測(cè)量結(jié)果，I/Q載波正交性的測(cè)量精度可達(dá)0.5°。

圖3　載波正交性測(cè)試結(jié)果

2導(dǎo)航相關(guān)指標(biāo)

導(dǎo)航相關(guān)指標(biāo)是指會(huì)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)測(cè)距、守時(shí)和測(cè)速造成直接影響的特定指標(biāo)。與一般性指標(biāo)不同，導(dǎo)航相關(guān)指標(biāo)反映了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及信號(hào)體制的特殊性。導(dǎo)航相關(guān)指標(biāo)包括碼-載波相干性、碼-碼相干性、相關(guān)損耗和S曲線偏移等。

2.1　碼-載波相干性

碼-載波相干性反映了碼相位與載波相位的一致性，對(duì)于載波相位測(cè)距和載波相位平滑偽距等應(yīng)用具有重要意義。美國(guó)對(duì)WAAS系統(tǒng)信號(hào)的碼-載波相位相干性給出了明確的指標(biāo)要求。短期(小于10 s)的碼頻率和載波頻率偏差應(yīng)小于5×10-11，即

(3)

式中，fcode=1.023MHz；fcarrier=1 575.42MHz。對(duì)于長(zhǎng)期的穩(wěn)定性要求為，1σ相位誤差不超過(guò)一個(gè)載波周期[8]。

碼與載波相位相干性的測(cè)量需要利用偽距和載波相位，偽距體現(xiàn)碼相位的變化情況，而載波相位則體現(xiàn)了載波的頻率抖動(dòng)。某一時(shí)刻的碼與載波相位偏差為：

(4)

式中，PR為偽距測(cè)量值；λ為載波波長(zhǎng)；θ為這一時(shí)刻的載波相位。如果碼和載波的頻率抖動(dòng)是慢變的，那么某一時(shí)刻的相位誤差Δθ并不能體現(xiàn)頻率的抖動(dòng)，這時(shí)需要測(cè)量2個(gè)時(shí)刻相位差的差值，即

(5)

式中，Δt表示一定時(shí)間間隔。顯然，測(cè)量碼-載波相干性的關(guān)鍵就是對(duì)碼相位和載波相位的精確估計(jì)[8]。BPSK(10)信號(hào)的碼-載波相干性測(cè)試結(jié)果如圖4所示。圖4中，以碼-載波精確相干性信號(hào)(0°)為測(cè)試基準(zhǔn)，通過(guò)精密延遲線設(shè)備改變碼相位，實(shí)現(xiàn)碼-載波之間的相對(duì)相位延遲。由圖4可見(jiàn)測(cè)試精度可達(dá)0.5°。

2.2　碼-碼相干性

碼碼相干性指的是同頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào)各分量的最大相關(guān)值之間的延遲，實(shí)際上就是各分量的碼相位之間的同步精度。同頻點(diǎn)導(dǎo)航信號(hào)的分量如L1頻點(diǎn)的GPS C/A，P(Y)碼和M碼等。碼-碼相干性的測(cè)量方法比較簡(jiǎn)單，一般直接利用被測(cè)信號(hào)的碼相位即可[9,10]。

圖5和圖6分別給出了CBOC與BOC(14,2)、BOCc(15,2.5)與BPSK(10)信號(hào)碼-碼相干性的測(cè)試結(jié)果?？梢?jiàn)CBOC與BOC(14,2)的相干性較好，這主要是因?yàn)锽PSK(10)的預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間為0.2 ms，而其他信號(hào)的積分時(shí)間均為2 ms，影響了BPSK(10)的碼跟蹤精度。顯然，碼-碼相干性的測(cè)試精度可達(dá)100 ps。

圖5　CBOC與BOC(14,2)碼-碼相干性測(cè)試結(jié)果

圖6　BPSK(10)碼-碼相干性測(cè)試結(jié)果

2.3　相關(guān)損耗

相關(guān)損耗是衡量導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量非常重要的參數(shù)。相關(guān)損耗指的是在相關(guān)處理中有用信號(hào)功率相對(duì)于所接收信號(hào)的全部可用功率的損耗。相關(guān)損耗直接與導(dǎo)航信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)有關(guān)，下面首先給出互相關(guān)函數(shù)的定義[7]：

(6)

式中，S(t)為接收的實(shí)際信號(hào)；E(t)為本地產(chǎn)生的理想信號(hào)；Tp為積分時(shí)間；τ為延遲。基于互相關(guān)函數(shù)的相關(guān)損耗定義為[4,10]：

(7)

式中，CL0為理想信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)。接收帶寬對(duì)BPSK、BOC信號(hào)相關(guān)損耗的影響如圖7所示。其中，fc和fsc分別代表偽碼頻率和副載波頻率，對(duì)于BPSK信號(hào)fsc=0。由圖中可見(jiàn)，要避免過(guò)大的相關(guān)損耗，接收處理帶寬至少應(yīng)大于fc+fsc。除了接收處理的影響以外，信號(hào)生成和傳輸過(guò)程中引入的線性/非線性失真也會(huì)帶來(lái)一定程度的相關(guān)損耗。

圖7　相關(guān)損耗分析結(jié)果

2.4　S曲線偏移

S曲線偏移(SCB)是評(píng)估導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的另一個(gè)重要指標(biāo)。S曲線就是接收機(jī)跟蹤環(huán)路中常用的超前減滯后相關(guān)值的鑒相曲線。信號(hào)畸變會(huì)導(dǎo)致S曲線的過(guò)零點(diǎn)隨著相關(guān)間距(δ)的變化而不同，這就是所謂的S曲線偏移。非相干超前減滯后功率鑒相器的S曲線可表示為[4,10]：

(8)

相應(yīng)的S曲線偏移值(τbias(δ))定義為：

SCurve(τbias(δ),δ)=0。

(9)

式中，δ為超前減滯后間距。

相對(duì)于定位用戶(hù)，S曲線偏移對(duì)授時(shí)性能的影響更為嚴(yán)重。這是因?yàn)閷?duì)于定位應(yīng)用，導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射過(guò)程中的共有誤差可以在定位解算時(shí)加以消除，但是對(duì)于授時(shí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)卻是很難消除的[7]。

3結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及信號(hào)特點(diǎn)，將信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)分為一般性指標(biāo)和導(dǎo)航相關(guān)指標(biāo)兩大類(lèi)，重點(diǎn)介紹了I/Q載波正交性、碼-載波相干性和碼-碼相干性的測(cè)試原理及實(shí)現(xiàn)方案。針對(duì)GNSS新體制導(dǎo)航信號(hào)特點(diǎn)，提出了基于載波跟蹤環(huán)路的I/Q載波正交性通用測(cè)試方法、基于偽距和載波相位測(cè)量的碼-載波相干性和碼-碼相干性測(cè)試方案。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，I/Q載波正交性和碼-載波相干性測(cè)量精度優(yōu)于0.5°，碼-碼相干性測(cè)量精度優(yōu)于100 ps，證明了上述測(cè)量方案的有效性和實(shí)用性。隨著GNSS現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，新體制導(dǎo)航信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量評(píng)估工作受到廣泛關(guān)注，本文提出的測(cè)試方法對(duì)于新體制信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

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楊再秀男，(1981—)，工程師。主要研究方向:衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。

郭曉峰男，(1976—)，工程師。主要研究方向:衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。

Measurement Methods of GNSS Signal Quality

Key Assessment Indexes

YANG Zai-xiu,GUO Xiao-feng,YANG Li-yun

(HebeiSatelliteNavigationTechnologyandEquipmentEngineeringTechnologyCenter,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractSince the signal quality has direct impact on the performance of satellite navigation system,the signal quality assessment has been an important work in process of navigation system design and the operation control stage.This paper analyzes the impact of signal quality on navigation system performance,and introduces the signal quality assessment parameters.The measurement methods of these parameters are also studied in this paper.The measurement principles and the hardware implementation of I/Q carrier Orthogonality,code-carrier coherency,and code-code coherency are discussed,which are based on the measurement of pseudorange and carrier phase.Test results show that the measuring accuracy of I/Q carrier orthogonality and code-carrier coherency can be less than 0.5° and the accuracy of code-code coherency can be less than 100 ps.

Key wordssignal quality assessment;I/Q carrier orthogonality;code-carrier coherency;code-code coherency

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2012AA121801)。

收稿日期：2015-03-07

中圖分類(lèi)號(hào)TN911.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)06-0055-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.15

引用格式：楊再秀，郭曉峰，楊麗云.GNSS信號(hào)質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)測(cè)試方法研究[J].無(wú)線電工程，2015，45(6)：55-58.