賀成艷, 郭　際, 盧曉春, 盧　鋆

(1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 陜西 西安 710600; 2. 中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與

定時(shí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710600; 3. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所, 北京 100049)

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GNSS導(dǎo)航信號(hào)常見(jiàn)畸變產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)測(cè)距性能影響分析

賀成艷1,2, 郭際1,2, 盧曉春1,2, 盧鋆3

(1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心, 陜西 西安 710600; 2. 中國(guó)科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與

定時(shí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710600; 3. 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所, 北京 100049)

摘要：在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)導(dǎo)航信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接收過(guò)程中各種環(huán)節(jié)的異常,都有可能對(duì)衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響。用戶接收到異常信號(hào)后,會(huì)在一定程度上影響其位置、速度、時(shí)間(position, velocity, time, PVT)性能。開(kāi)展GNSS導(dǎo)航信號(hào)監(jiān)測(cè)評(píng)估,可以在第一時(shí)間及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)異常并快速告警,確保GNSS用戶,特別是民航、海事等涉及生命安全領(lǐng)域相關(guān)用戶的高效、可靠使用。然而,針對(duì)GNSS導(dǎo)航信號(hào)的各種異常的綜合監(jiān)測(cè)評(píng)估,目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)全面而系統(tǒng)的研究成果,因此無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的信號(hào)異常自動(dòng)識(shí)別與分析。文中提出建立GNSS導(dǎo)航信號(hào)畸變模型庫(kù)的理念,針對(duì)GNSS導(dǎo)航信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接收過(guò)程中各類信號(hào)異常,通過(guò)仿真分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,建立一套較完善的數(shù)學(xué)分析方法,研究GNSS導(dǎo)航信號(hào)各類常見(jiàn)畸變產(chǎn)生機(jī)理及特點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上,定性或定量地給出不同程度的信號(hào)畸變對(duì)信號(hào)質(zhì)量評(píng)估以及對(duì)用戶定位的影響。本文的研究成果能夠?yàn)樾l(wèi)星系統(tǒng)故障自動(dòng)識(shí)別與快速定位提供支撐材料。同時(shí),還可為衛(wèi)星星上信號(hào)產(chǎn)生方面的設(shè)計(jì)者提供參考,在信號(hào)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程中提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng); 導(dǎo)航信號(hào); 畸變; 測(cè)距性能

0引言

導(dǎo)航信號(hào)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)最核心的組成部分,導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量的優(yōu)劣,將直接反映GNSS定位、測(cè)速、授時(shí)性能和衛(wèi)星有效載荷的工作狀態(tài)及電性能指標(biāo)。開(kāi)展GNSS導(dǎo)航信號(hào)監(jiān)測(cè)評(píng)估,可以在第一時(shí)間及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)異常并快速告警,確保GNSS用戶,特別是民航、海事等涉及生命安全領(lǐng)域用戶的高效、可靠使用。

在對(duì)信號(hào)監(jiān)測(cè)過(guò)程中,根據(jù)公開(kāi)文獻(xiàn),比較有代表性的GNSS信號(hào)畸變或異常案例如下:

(1) 美國(guó)GPS PRN-19衛(wèi)星于1989年10月21日成功發(fā)射,同年11月14日宣布正式運(yùn)行。然而,在軌運(yùn)行8個(gè)月之后,L1信號(hào)功率譜出現(xiàn)10 dB左右的載波泄漏及譜不對(duì)稱[1]。但是沒(méi)有人及時(shí)發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題,直到1993年3月,美國(guó)聯(lián)邦航空管理局利用差分導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)輔助著陸時(shí)發(fā)現(xiàn),C/A碼與P碼嚴(yán)重不同步,約有6 m的偏離,當(dāng)SV19參與L1 C/A差分解算時(shí),就會(huì)產(chǎn)生3~8 m的定位偏差。對(duì)GPS PRN-19衛(wèi)星信號(hào)監(jiān)測(cè)評(píng)估后,進(jìn)行一系列修正,最終定位偏差降低至不到25 cm,RF譜中無(wú)載波泄漏和不對(duì)稱現(xiàn)象發(fā)生。

(2) GPS SVN49于2009年發(fā)射,發(fā)射不久即受廣泛關(guān)注:不僅因?yàn)榈谝淮伟l(fā)射L5信號(hào),更是因?yàn)槔玫聡?guó)宇航研究院的30 m信號(hào)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),該衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)中含有L1和L2多徑信號(hào)。這種信號(hào)異常在高仰角處更明顯,較高仰角處的信號(hào)星座圖出現(xiàn)畸變[2]。經(jīng)問(wèn)題分析排查,發(fā)現(xiàn)這種異常是由L5有效載荷連接部分的輔助天線接口處產(chǎn)生內(nèi)在的L1/L2多徑信號(hào)所致。

(3) 歐盟利用德國(guó)宇航研究院30 m天線、奇爾波頓天文臺(tái)25 m天線等空間信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)估設(shè)備,長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)GIOVE-A與GIOVE-B試驗(yàn)衛(wèi)星信號(hào)。觀測(cè)期間曾第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)E1 BOC(15,2.5)和E5 AltBOC(15,10)的功率譜不對(duì)稱,并分析了該現(xiàn)象對(duì)用戶的影響,為故障排查提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

縱觀GNSS歷史,導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)曾出現(xiàn)過(guò)幾次信號(hào)異常,對(duì)用戶(尤其是高精度用戶)帶來(lái)了不同程度的影響,雖然最終經(jīng)過(guò)信號(hào)質(zhì)量分析,排查出故障原因并得到修正,但是,大多情況下只是就事論事,只針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行事后分析研究,目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)體系性研究成果和專業(yè)性研究平臺(tái),尚未形成導(dǎo)航信號(hào)實(shí)時(shí)異常自動(dòng)識(shí)別與評(píng)估機(jī)制,中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心正在建設(shè)國(guó)內(nèi)最大口徑的40 m信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng),并聯(lián)合院內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域優(yōu)秀青年專家,充分利用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有信號(hào)資源平臺(tái),打造世界一流的專業(yè)性信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)估平臺(tái),本文的研究成果可以為信號(hào)故障快速排查與定位提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

建立GNSS導(dǎo)航信號(hào)畸變模型庫(kù),能夠針對(duì)GNSS導(dǎo)航信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程、發(fā)射過(guò)程、傳播過(guò)程和接收過(guò)程,給出各種信號(hào)單一畸變和組合畸變數(shù)學(xué)分析模型,模擬并生成各類可能的畸變,給出各類單一或多種畸變組合時(shí)的異常信號(hào)特性,包括頻域功率譜特性、時(shí)域碼片波形特性(數(shù)字畸變和模擬畸變等)、眼圖特性、調(diào)制特性(星座圖、相位誤差和幅度誤差等)、相關(guān)特性(相關(guān)函數(shù)曲線的對(duì)稱性和平滑性、相關(guān)損耗等)等,并與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)比對(duì),根據(jù)與理想信號(hào)的差異以及各類畸變的特性,分析畸變可能出現(xiàn)的原因及其惡化程度。

基于此,本文首先簡(jiǎn)要介紹GNSS空間信號(hào)常見(jiàn)畸變及畸變產(chǎn)生機(jī)理,并給出導(dǎo)航信號(hào)各類常見(jiàn)畸變的特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究各種畸變對(duì)用戶可能帶來(lái)的影響。在文章的最后,給出實(shí)測(cè)導(dǎo)航信號(hào)頻譜畸變、波形畸變及其特點(diǎn),并給出頻譜和波形畸變可能產(chǎn)生的原因及對(duì)用戶帶來(lái)的影響,為衛(wèi)星系統(tǒng)故障快速排查提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

1GNSS常見(jiàn)畸變及其產(chǎn)生機(jī)理研究

在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)用戶定位解算軟件之前,信號(hào)從產(chǎn)生到接收的各個(gè)環(huán)節(jié)若出現(xiàn)異常,如有效載荷、空間大氣、多徑效應(yīng)、電磁干擾、地面接收通道等,都有可能對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響。實(shí)際接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào),有可能是其中某一個(gè)環(huán)節(jié)異常引起的畸變,也有可能是多種環(huán)節(jié)異常引起的畸變的組合。上述各環(huán)節(jié)單獨(dú)可能對(duì)導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生的影響如圖1所示,其中,A表示頻譜畸變,B表示碼片波形畸變,C表示碼間串?dāng)_,D表示信號(hào)多徑,E表示環(huán)境電磁干擾,F表示相位噪聲。

圖1　導(dǎo)航信號(hào)常見(jiàn)畸變產(chǎn)生機(jī)理示意圖

頻譜畸變主要表現(xiàn)為載波泄漏、頻譜不對(duì)稱、雜散等現(xiàn)象:在模擬調(diào)制中,若正交調(diào)制器載波泄漏至輸出端,則會(huì)導(dǎo)致載波泄漏現(xiàn)象;若發(fā)射濾波器異常或發(fā)射機(jī)功放飽和,則可能引起頻譜不對(duì)稱現(xiàn)象;若星上發(fā)射機(jī)功放惡化或本振信號(hào)出現(xiàn)雜散,則會(huì)出現(xiàn)信號(hào)雜散。

引言中提到的美國(guó)GPS PRN19衛(wèi)星的信號(hào)異常,則是由碼片波形畸變所致。文獻(xiàn)[3]提出了“2nd-order step”(2OS)模型,歸納分析3種可能的碼片畸變模型:數(shù)字畸變、模擬畸變和混合畸變[3]。這3種畸變類型將在第2.2節(jié)詳細(xì)介紹。

若系統(tǒng)傳輸特性不理想,如:信道、頻域均衡器、發(fā)射接收濾波器特性不良等,可能使相鄰碼元脈沖波形互相疊加,此現(xiàn)象稱為碼間串?dāng)_。

若發(fā)射天線接口不匹配或性能惡化、隔離器(或環(huán)形器)性能差、接收環(huán)境多徑效應(yīng),則可能產(chǎn)生星上的信號(hào)內(nèi)多徑和地面多徑。主要表現(xiàn)在接收機(jī)碼形失真和相關(guān)峰不對(duì)稱。GPS SVN49衛(wèi)星的畸變是由于發(fā)射天線接口不匹配帶來(lái)的星上多徑所致。

常見(jiàn)的干擾主要包括窄帶干擾、寬帶干擾及脈沖干擾等。干擾或噪聲都可看作獨(dú)立于有效信號(hào)的加性干擾,可通過(guò)相應(yīng)算法最大程度上減小或消除,而碼間串?dāng)_屬乘性干擾,不可剔除。目前,干擾信號(hào)的識(shí)別與分離技術(shù),是導(dǎo)航信號(hào)處理的一大熱點(diǎn)及難點(diǎn)。

系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲引起的輸出信號(hào)相位隨機(jī)起伏,稱為相位噪聲。相位噪聲主要由變頻器本振源或參考源純度不高所致。在時(shí)域上表現(xiàn)為“相位抖動(dòng)”,也即輸出信號(hào)相位的隨機(jī)變化;在頻域上表現(xiàn)為“頻譜不純”,也即看到的不是一根譜線。常用單位赫茲的噪聲密度與信號(hào)總功率之比來(lái)衡量相位噪聲,單位為dBc/Hz。相位噪聲是評(píng)價(jià)頻率源頻譜純度的重要指標(biāo)之一。

GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的各種異?；蚧儗?duì)信號(hào)質(zhì)量及信號(hào)性能的影響如圖2所示。本文通過(guò)對(duì)接收信號(hào)相關(guān)參數(shù)或特性(包括功率譜、眼圖、星座圖、碼片波形、相關(guān)函數(shù)、偽距、載波相位、測(cè)距碼相干性等)的分析,可以評(píng)估接收GNSS信號(hào)是否存在畸變,為GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星下行信號(hào)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果的分析提供參照模型,為信號(hào)故障定位提供參考依據(jù)。信號(hào)畸變性能影響分析是為下一步實(shí)現(xiàn)信號(hào)畸變類型的自動(dòng)識(shí)別做特征提取研究。

圖2　各種畸變對(duì)信號(hào)質(zhì)量及信號(hào)性能影響分析

2GNSS常見(jiàn)畸變特性分析

2.1頻譜

頻譜畸變主要表現(xiàn)為以下3種情況:

(1) 頻譜不對(duì)稱:信號(hào)頻譜包絡(luò)的左右不對(duì)稱、頻譜擴(kuò)展或壓縮等。以BPSK(10)調(diào)制信號(hào)為例,當(dāng)出現(xiàn)頻譜不對(duì)稱畸變時(shí),頻譜如圖3所示。

(2) 信號(hào)雜散:發(fā)射單載波時(shí),信號(hào)帶內(nèi)及帶外出現(xiàn)雜波;發(fā)射擴(kuò)頻信號(hào)時(shí),雜波疊加至有用信號(hào)頻譜包絡(luò)上。雜波的影響類似于干擾,在此不再詳述。

(3) 載波泄漏:信號(hào)載頻或諧波位置出現(xiàn)附加載波。帶有載波泄漏的信號(hào)經(jīng)載波剝離后,其電平將發(fā)生平移,引入直流分量。圖4給出了載波泄漏時(shí)的信號(hào)功率譜。

2.2碼片波形

碼片波形畸變主要表現(xiàn)為以下3種情況[4]。

(1) 數(shù)字畸變:擴(kuò)頻碼正負(fù)碼形寬度不一致,相關(guān)峰擴(kuò)展和平移。主要產(chǎn)生于衛(wèi)星信號(hào)生成單元的數(shù)字電路部分,獨(dú)立于模擬電路[5]。圖5展示了碼片下降沿有d=0.3Tc延時(shí)的波形及其相關(guān)峰曲線,Tc表示一個(gè)碼片周期?？梢钥闯?數(shù)字畸變會(huì)帶來(lái)相關(guān)曲線的平移和中心頂峰處的平坦“死區(qū)”。

圖3　BPSK(10)頻譜不對(duì)稱現(xiàn)象示意圖

圖4　載波泄漏情況下信號(hào)功率譜

(2) 模擬畸變:基帶碼形抖動(dòng)失真,相關(guān)峰曲線扭曲變形[6],如圖6所示?？梢钥闯瞿M畸變會(huì)使接收信號(hào)相關(guān)峰頂峰尖銳處展寬,對(duì)稱性變差,并且增益降低。若信噪比較低,則會(huì)降低接收機(jī)環(huán)路穩(wěn)定性,引入較大的測(cè)距誤差。

(3) 混合畸變:數(shù)字畸變和模擬畸變同時(shí)存在,正負(fù)碼形寬度不一致且碼片波形抖動(dòng)失真;相關(guān)峰扭曲擴(kuò)展。GPS PRN-19事件,被認(rèn)為就是這種混合畸變產(chǎn)生的結(jié)果[3]。圖7給出了混合畸變碼片波形和相關(guān)峰曲線。

圖5　數(shù)字畸變信號(hào)碼片波形和相關(guān)峰

圖6　模擬畸變信號(hào)碼片波形和相關(guān)峰

圖7　混合畸變信號(hào)碼片波形和相關(guān)峰

2.3碼間串?dāng)_

碼間串?dāng)_的表現(xiàn)形式:相鄰碼元的脈沖波形相互疊加,從而影響正常判決。對(duì)比圖8(a)和圖8(b)可知:眼圖張開(kāi)的大小和跡線寬度反映碼間串?dāng)_的強(qiáng)弱。若多組線重疊性越好,眼圖張開(kāi)越大,則碼間串?dāng)_越小,反之越大。

圖8　碼間串?dāng)_及噪聲情況下的眼圖

2.4多徑

多徑表現(xiàn)形式:接收碼形失真,相關(guān)峰曲線不對(duì)稱,多徑對(duì)碼形和相關(guān)峰影響如圖9所示。在多徑情況下,由于直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)的幅度相位不同,信號(hào)間互相疊加,使得實(shí)際接收信號(hào)的幅度和相位發(fā)生畸變[7-8],帶來(lái)偽距測(cè)量誤差和載波相位測(cè)量誤差。

圖9　多徑對(duì)碼形和相關(guān)峰影響

2.5電磁干擾

常見(jiàn)干擾主要包括單頻干擾、窄帶干擾和寬帶干擾[9]。可以將載波泄漏可以看做是單頻干擾的特例[10-11]。一般地,若干擾帶寬小于有用信號(hào)帶寬的10%時(shí),認(rèn)為是窄帶干擾;若大于10%,則認(rèn)為是寬帶干擾[12]。圖10給出實(shí)測(cè)導(dǎo)航信號(hào)受干擾影響情況。

2.6相位噪聲

相位噪聲會(huì)會(huì)影響信噪比,影響系統(tǒng)的抗干擾能力[13-14],導(dǎo)致接收信號(hào)碼片長(zhǎng)短不一,眼圖上升下降邊緣模糊,相關(guān)損耗增大,造成接收機(jī)的捕獲、跟蹤等性能下降,從而影響信號(hào)測(cè)距性能[15]。

圖11　相位噪聲時(shí)的星座圖和相關(guān)曲線

2.7其他畸變

除了上述常見(jiàn)畸變外,還有AM-AM飽和失真、AM-PM失真、固定干擾/雜散等畸變形式,但由于這些畸變現(xiàn)象及影響表現(xiàn)基本上都可以歸結(jié)為前面討論畸變的某種或幾種的結(jié)合,因此本節(jié)不再詳述。

3GNSS常見(jiàn)畸變對(duì)測(cè)距性能的影響

前文已經(jīng)介紹了GNSS導(dǎo)航信號(hào)常見(jiàn)畸變現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理及特點(diǎn),本節(jié)則進(jìn)一步研究各種畸變分別對(duì)用戶可能帶來(lái)的測(cè)距誤差。由于篇幅原因,且目前發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)航信號(hào)常見(jiàn)畸變?yōu)轭l譜畸變和碼片波形畸變,在此重點(diǎn)介紹這兩種信號(hào)畸變對(duì)用戶測(cè)距影響。

3.1頻譜畸變影響

3.1.1載波泄漏影響分析

根據(jù)Betz給出的經(jīng)典公式來(lái)計(jì)算測(cè)距誤差[16]:在理想情況下,考慮信號(hào)跟蹤誤差隨功率譜、接收帶寬、相關(guān)器間隔、跟蹤環(huán)帶寬、積分時(shí)間和載噪比等條件的變化,EMLP碼跟蹤誤差方差可表示為

(1)

假設(shè)干擾功率譜是白色的,單邊功率譜為N0;信號(hào)接收功率為Pc;接收機(jī)前端帶寬嚴(yán)格帶限,為βr;干擾信號(hào)等效雙邊帶功率譜密度為射頻干擾單邊功率譜密度的兩倍;有用信號(hào)復(fù)包絡(luò)s(t)的功率為射頻信號(hào)的兩倍,信號(hào)s(t)的功率為Ps(不考慮信道失真時(shí)),信道影響等效基帶傳遞函數(shù)為H(f);GS(f)為信號(hào)功率譜;w(t)為單位功率;T表示積分時(shí)間;Δ表示相關(guān)器步長(zhǎng),單位為s;BL環(huán)路帶寬,單位為Hz。

假設(shè)衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)地面功率約為-158 dBW,載噪比為43.5 dB/Hz。利用BDS GEO-1 B3信號(hào)進(jìn)行仿真,信號(hào)帶寬為20.46 MHz,信噪比為-29.609 dB,則有用信號(hào)信噪比隨載波泄漏能量變化關(guān)系仿真結(jié)果如圖12(a)所示。

圖12　信噪比隨載波泄漏功率變化關(guān)系

為了進(jìn)一步分析信噪比與接收機(jī)捕獲跟蹤性能的關(guān)系[17],圖12(b)給出在不同虛警概率情況下,捕獲概率隨信噪比的變化關(guān)系。其中參數(shù)設(shè)置分別為:積分時(shí)間0.002 s,碼速率10.23 MHz。

利用測(cè)距誤差公式(1),參數(shù)設(shè)置分別為:積分時(shí)間0.002 s,碼速率10.23 MHz,前端帶寬40.92 MHz,相關(guān)器間隔0.5 chip。圖13給出測(cè)距誤差隨信噪比變化關(guān)系曲線。

圖13　測(cè)距誤差與信噪比關(guān)系

由圖12和圖13可以看出,若接收信號(hào)頻譜載頻位置載波泄漏功率為0~15 dB,則對(duì)接收信號(hào)捕獲概率和跟蹤誤差影響甚微,基本不會(huì)對(duì)用戶帶來(lái)多大的影響。

3.1.2譜不對(duì)稱影響分析

根據(jù)頻譜不對(duì)稱產(chǎn)生機(jī)理公式[18-19],有

A=10·lg10(1-2α)

(2)

式中,α為峰峰衰減因子。圖14給出了分別利用BDS GEO-1 B3的偽隨機(jī)噪聲(pseudo random noise, PRN)碼和Galileo GIOVE-B E5的PRN碼,分析了不同參數(shù)A對(duì)信號(hào)功率損耗影響。其中圖14(a)為BDS結(jié)果,積分時(shí)間0.001 s,圖14(b)為Galileo結(jié)果,積分時(shí)間0.004 s。碼率10.23 MHz,前端帶寬40.92 MHz,相關(guān)器間隔0.5 chip。

圖14　不同衰減對(duì)功率損耗的影響

下面我們利用測(cè)距誤差公式(1),分析譜不對(duì)稱帶來(lái)的BDS GEO-1 B3 PRN碼的測(cè)距誤差。取積分時(shí)間0.002 s,碼率10.23 MHz,前端帶寬40.92 MHz,相關(guān)器間隔0.5 chip,仿真理想功率譜和不對(duì)稱功率譜(不對(duì)稱度為2 dB)在不同信噪比條件下的跟蹤誤差,如圖15所示。

圖15　理想譜和畸變譜的跟蹤誤差比較

經(jīng)過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)信噪比大于-35 dB時(shí),由高頻端功率譜線高于低頻端功率譜線0.4~2 dB產(chǎn)生的不對(duì)稱帶來(lái)的測(cè)距誤差增量不高于0.002 5 m。

3.2碼片波形畸變影響

假設(shè)超前減滯后鑒相器的相關(guān)器間隔為d,則鑒相器的跟蹤誤差τ可由式(3)來(lái)計(jì)算[20]:

(3)

式中,Rdistortion表示含有畸變的測(cè)距碼相關(guān)函數(shù)。

圖16是以BDS GEO-3 B1I測(cè)距碼為例,不同數(shù)字畸變(提前0~0.3 chip)和不同相關(guān)器間隔情況下的鎖定點(diǎn)偏差仿真分析結(jié)果。結(jié)果表明,數(shù)字畸變?cè)酱?則帶來(lái)的鎖定點(diǎn)偏差越大。

圖16　不同數(shù)字畸變鎖定點(diǎn)偏差分析結(jié)果

假設(shè)數(shù)字畸變提前146.6 ns,也即0.3 chip,則不同相關(guān)器間隔下(間隔從0~1個(gè)碼片)的S曲線及鎖定點(diǎn)偏差如圖17所示。圖中鎖定點(diǎn)偏差為負(fù),表示相關(guān)峰向左偏移?？梢钥闯?從0.2 chip之后鎖定點(diǎn)偏差基本不變,這說(shuō)明在相關(guān)曲線頂峰處有平坦區(qū),但相關(guān)曲線對(duì)稱性較好。

圖17　數(shù)字畸變情況下的S曲線及鎖定點(diǎn)偏差

假設(shè)只有模擬畸變,相關(guān)器間隔為0.5 chip,則不同衰減因子和不同衰減振蕩頻率情況下,鎖定點(diǎn)偏差如圖18所示。分析結(jié)果表明,σ和fd的值越大,則帶來(lái)的鎖定點(diǎn)偏差越小。當(dāng)fd=17 MHz,σ=8.8時(shí),鎖定點(diǎn)偏差僅為0.067 m。

圖19給出的是當(dāng)參數(shù)分別為fd=6 MHz,σ=3.8時(shí),不同相關(guān)器間隔下(間隔從0~1個(gè)碼片)的S曲線及鎖定點(diǎn)偏差。若存在混合畸變:相關(guān)器間隔為0.5 chip,數(shù)字畸變延遲0.3 chip,則不同衰減因子和不同衰減振蕩頻率情況下,鎖定點(diǎn)偏差如圖20所示。

若數(shù)字畸變提前0.3 chip,模擬畸變參數(shù)分別為fd=6 MHz,σ=3.8時(shí),不同相關(guān)器間隔下的S曲線及鎖定點(diǎn)偏差如圖21所示?？梢钥闯?當(dāng)相關(guān)器間隔0.5 chip時(shí),帶來(lái)的測(cè)距誤差約為10 m。

圖18　不同衰減因子和不同振蕩頻率時(shí)的鎖定點(diǎn)偏差

圖19　模擬畸變情況下的S曲線及鎖定點(diǎn)偏差　　　　　　　　　　　　　圖20　數(shù)模混合畸變鎖定點(diǎn)偏差分析結(jié)果

圖21　混合畸變情況下的S曲線及鎖定點(diǎn)偏差

4實(shí)測(cè)GNSS信號(hào)畸變現(xiàn)象分析

4.1頻譜畸變實(shí)測(cè)結(jié)果

利用中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心的7.3 m天線空間信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng),將Agilent頻譜分析儀E4440A的相關(guān)參數(shù)分別設(shè)置為:SPAN:40 MHz;VBW:1kHz;RBW:1kHz。2012年4月份監(jiān)測(cè)到北斗衛(wèi)星GEO-3衛(wèi)星B3頻點(diǎn)空間信號(hào)的頻譜如圖22所示。可以看出,在BDS GEO-3 B3信號(hào)中心頻點(diǎn)及第一諧波處有高于信號(hào)正常功率譜包絡(luò)的能量。經(jīng)研究分析,存在載波泄漏現(xiàn)象。這很可能是由于正交調(diào)制器載波泄漏至輸出端所致。

圖22　衛(wèi)星信號(hào)1 kHz帶寬頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果

為此連續(xù)觀察該星B3頻點(diǎn)信號(hào)功率譜,圖23為衛(wèi)星信號(hào)1kHz帶寬連續(xù)7天的頻譜監(jiān)測(cè)色溫圖,橫縱坐標(biāo)分別表示頻率和時(shí)間。分析結(jié)果表明:黃色中間的紅色曲線說(shuō)明有高出信號(hào)正常功率的能量存在。而中心頻點(diǎn)以天為單位來(lái)回漂移則說(shuō)明存在多普勒。

圖23　衛(wèi)星信號(hào)1 kHz帶寬頻譜色溫圖

從圖22和圖23中可以看出,載波泄漏能量只有約5 dB。根據(jù)3.1.1節(jié)研究結(jié)果可知,此種程度的載波泄漏對(duì)用戶影響甚微,基本可以忽略不計(jì)。

4.2碼片波形畸變實(shí)測(cè)結(jié)果

實(shí)測(cè)GPS L5信號(hào)I/Q支路測(cè)距碼畸變情況如圖24所示。由于L5采用BPSK(10)調(diào)制,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)I/Q支路測(cè)距碼長(zhǎng)度為1/10.23e6 Hz=97.751 7 ns,而圖中實(shí)測(cè)信號(hào)I/Q支路測(cè)距碼都有混合畸變,其中I支路正負(fù)極性碼片平均分別延遲5.5 ns和提前5.5 ns;Q支路正負(fù)極性碼片平均分別延遲3.9 ns和提前3.9 ns。經(jīng)分析研究,認(rèn)為這種數(shù)模混合畸變很可能是由于GPS衛(wèi)星星上信號(hào)生成單元的數(shù)字電路部分異常,以及星上發(fā)射基帶濾波或射頻濾波異常所致。

圖24　GPS L5 IQ支路測(cè)距碼數(shù)字畸變分析示意圖

5結(jié)論

為系統(tǒng)全面地分析信號(hào)異常及其對(duì)測(cè)距性能的影響,本文首先簡(jiǎn)要介紹GNSS空間信號(hào)各類常見(jiàn)畸變,包括頻譜畸變、碼片波形畸變、碼間串?dāng)_、多徑、電磁干擾和相位噪聲的產(chǎn)生機(jī)理,分析每種常見(jiàn)信號(hào)畸變的特點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究信號(hào)畸變對(duì)測(cè)距性能影響。

由于篇幅原因,僅給出頻譜畸變和碼片波形畸變的影響及實(shí)測(cè)結(jié)果。研究結(jié)果表明:若載波泄漏功率小于15 dB,則對(duì)信號(hào)捕獲跟蹤影響甚微,當(dāng)大于15 dB時(shí),隨著泄漏功率的增大,將會(huì)降低接收機(jī)靈敏度,對(duì)信號(hào)的接收、捕獲、跟蹤和測(cè)距等造成嚴(yán)重影響,須采取相應(yīng)措施抑制載波泄漏;在信噪比高于-35 dB時(shí),頻譜不對(duì)稱小于2 dB,產(chǎn)生的信號(hào)測(cè)距誤差增量不高于0.002 5 m。但是隨著譜不對(duì)稱程度的增加,將會(huì)對(duì)信號(hào)性能產(chǎn)生影響;模擬畸變參數(shù)σ和fd的值越大,并且數(shù)字畸變?cè)叫?對(duì)測(cè)距性能影響越小,經(jīng)多種監(jiān)測(cè)手段、多種數(shù)據(jù)來(lái)源及多種分析方法的比較,對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)分析結(jié)果表明:GPS系統(tǒng)各衛(wèi)星PRN碼的數(shù)字畸變都不是0;PRN-14碼的數(shù)字畸變最大,約4.5 ns;越老的衛(wèi)星,數(shù)字畸變?cè)叫?。若假設(shè)而只有某顆衛(wèi)星數(shù)字畸變?yōu)?0 ns, 其他各星都是理想的,則將會(huì)產(chǎn)生SPS(標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù))測(cè)距誤差約1.6 m,對(duì)于差分用戶來(lái)說(shuō)測(cè)距誤差大約6 cm。

由于目前北斗和GPS系統(tǒng)實(shí)測(cè)信號(hào)主要為二相相移鍵控(binary phase shift keying, BPSK)或正交相位偏移鍵控(quadrature phase shift keying， QPSK)調(diào)制方式,本文實(shí)測(cè)結(jié)果以QPSK調(diào)制為主進(jìn)行分析。下一步將針對(duì)各類BOC信號(hào),如BOC(1,1)、BOC(6,1)、BOC(10,5)、BOC(15,2.5)、AltBOC(15,10)等調(diào)制方式,詳細(xì)分析各類BOC新信號(hào)體制下的畸變類型及對(duì)測(cè)距性能影響。為新信號(hào)體制下衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)畸變的故障預(yù)警以及快速排查定位提供有力支撐材料。本文的研究成果可以幫助在進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量評(píng)估時(shí)建立信號(hào)異常分析比對(duì)模板,能在檢測(cè)到信號(hào)異常的同時(shí)及時(shí)給出信號(hào)異常原因,為故障快速排查提供數(shù)據(jù)和支撐材料。

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賀成艷(1986-),女,助理研究員,博士,主要研究方向?yàn)镚NSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理技術(shù)、GNSS信號(hào)質(zhì)量評(píng)估技術(shù)。

E-mail:hechengyan@ntsc.ac.cn

郭際(1955-),男,研究員,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樘煳臏y(cè)時(shí)、數(shù)據(jù)誤差分析、星表編制、國(guó)際地球自轉(zhuǎn)聯(lián)測(cè)、授時(shí)臺(tái)建設(shè)和現(xiàn)代化技術(shù)升級(jí)改造、導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)。

E-mail:guoji@ntsc.ac.cn

盧曉春(1970-),女,研究員,博士研究生導(dǎo)師,博士,主要研究方向?yàn)榫軙r(shí)間信息傳輸與信息處理、無(wú)線電測(cè)距技術(shù)與定位導(dǎo)航。

E-mail:luxc@ntsc.ac.cn

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150106.1159.003.html

Generation mechanisms of GNSS navigation signal distortions and

influence on ranging performance

HE Cheng-yan1,2, GUO Ji1,2, LU Xiao-chun1,2, LU Jun3

(1.NationalTimeServiceCenter,ChineseAcademyofSciences,Xi’an710600,China; 2.KeyLaboratoryof

PrecisionNavigationandTimingTechnology,ChineseAcademyofSciences,Xi’an710600,China;

3.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationTechnology,Beijing100049,China)

Abstract:In the signal generation, emission, transmission and receiving processes of the global navigation satellite system (GNSS), due to some unpredictable anomalies or effects, there are various abnormalities that would affect GNSS signal quality. Consequently, those unpredictable anomalies and effects received by users would influence the position, velocity and time (PVT) performance of the GNSS. By monitoring and assessment of GNSS signal quality, it would be possible to detect signal distortions and warn the users as soon as possible, thus guaranteeing a safe and efficient use of the GNSS, especially for civil aviation and maritime affair users. However, for the monitoring and assessment of a variety of abnormal GNSS navigation signals, there are no comprehensive and systematic research results yet, and no real-time or quasi real-time automatic identification and mechanism for signal distortion analyzing at present. The idea of establishing a GNSS signal distortion mo-del is introduced. To detect GNSS signal distortions caused during the processes from signal generation to signal receiving, and to further analyze their impacts on the service performance of the GNSS, a relatively complete mathematical method is proposed through simulation and data verification. Besides, the generation mechanisms and characteristics of GNSS signal distortions are analyzed in detail, and based on that, the influences of GNSS signal distortions on signal quality assessment and user positioning are given both in qualitative and quantitative methods. The achievements in this paper could be used as a valuable technical reference for automatic identification and locating of GNSS satellite faults. In addition, it could also be a good reference for satellite signal gene-ration designers in signal designing and optimizing.

Keywords:global navigation satellite system (GNSS); navigation signal; distortion; ranging performance

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TN 911.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.07.22

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(11073022)；中國(guó)科學(xué)院方向性資助項(xiàng)目(KJCX2-YW-T12)；中科院西部博士專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013BS25)；衛(wèi)星導(dǎo)航與定位教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(B類)開(kāi)放基金資助課題

收稿日期：2014-05-19；修回日期：2014-10-30；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2015-01-06。