劉建成，王 宇，宮 磊，徐曉燕

衛(wèi)星導(dǎo)航長(zhǎng)碼信號(hào)波形監(jiān)測(cè)方法

劉建成，王 宇，宮 磊，徐曉燕

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094）

由于信號(hào)微弱，如何獲得在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的清晰信號(hào)波形是衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)研究中的難點(diǎn)之一，為此提出了一種在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)波形監(jiān)測(cè)方法。該方法基于Vernier采樣原理，利用大口徑拋物面天線(xiàn)對(duì)在軌衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)采集，經(jīng)過(guò)消除初相和殘余頻率、累加平均和數(shù)據(jù)組合等處理，獲得清晰的碼片波形。對(duì)于相同碼速率的民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)，可確定民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的偽碼相位偏差。利用大口徑拋物面天線(xiàn)對(duì)北斗衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，獲得了多顆北斗衛(wèi)星B1頻點(diǎn)民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的碼片波形。結(jié)果表明，民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的碼片波形的輪廓差異較小，但偽碼相位存在偏差。

信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)；長(zhǎng)碼信號(hào)；波形監(jiān)測(cè)；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

引用格式：劉建成，王 宇，宮 磊，等.衛(wèi)星導(dǎo)航長(zhǎng)碼信號(hào)波形監(jiān)測(cè)方法［J］.無(wú)線(xiàn)電工程，2016，46（5）：45-48.

0 引言

在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)發(fā)射通道故障會(huì)導(dǎo)致信號(hào)波形畸變［1］，而信號(hào)波形的畸變將影響接收機(jī)對(duì)信號(hào)的捕獲和跟蹤，因此需要對(duì)在軌衛(wèi)星進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)［2］。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：功率譜、眼圖、星座圖、相關(guān)峰、碼片波形、發(fā)播信號(hào)功率［3］、偽碼序列、I/Q支路載波相位正交性、I/Q支路偽碼相位一致性［4］、I/Q支路偽碼測(cè)量一致性［5］以及偽碼測(cè)量與載波相位測(cè)量一致性等。按評(píng)估方式可分為基于專(zhuān)家判讀的定性監(jiān)測(cè)和基于自動(dòng)判決的定量監(jiān)測(cè)［6］。碼片波形監(jiān)測(cè)是對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的I支路碼片波形或Q支路碼片波形的監(jiān)測(cè)，從時(shí)域上檢查信號(hào)是否發(fā)生畸變。通過(guò)比較實(shí)際接收信號(hào)碼片波形和理想信號(hào)碼片波形的寬度、上升沿和下降沿的差異等來(lái)判斷信號(hào)是否發(fā)生畸變。文獻(xiàn)［7］研究了基于清晰波形的多個(gè)評(píng)估指標(biāo)的測(cè)試方法。

由于地面接收的導(dǎo)航信號(hào)載噪比低，碼速率高，因此普通的采集設(shè)備不足以描述波形細(xì)節(jié)，需要在數(shù)據(jù)處理階段對(duì)多個(gè)偽碼周期的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。由于 GPS衛(wèi)星民用信號(hào)一個(gè)信息碼內(nèi)包含20個(gè)重復(fù)偽碼，文獻(xiàn)［8-10］提出了基于Vernier采樣原理的GPS民用信號(hào)采集方法和處理方法。采用大口徑天線(xiàn)跟蹤GPS衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS衛(wèi)星L1頻點(diǎn)C/A信號(hào)的采集，采樣率大小考慮了徑向速度影響。經(jīng)過(guò)消除初相、殘余頻率后，對(duì)一個(gè)信息碼內(nèi)的20個(gè)偽碼周期采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)組合，再經(jīng)累加減小噪聲影響后，獲得了多顆GPS健康衛(wèi)星清晰的時(shí)域波形。北斗衛(wèi)星民用信號(hào)一個(gè)信息碼內(nèi)也包含20個(gè)重復(fù)偽碼，但偽碼周期又經(jīng)過(guò)了二次編碼，一個(gè)信息碼內(nèi)的偽碼符號(hào)不同，所以不能直接對(duì)一個(gè)信息碼內(nèi)的 20個(gè)偽碼進(jìn)行數(shù)據(jù)組合。文獻(xiàn)［11-12］提出了先對(duì)符號(hào)相同的偽碼進(jìn)行累積平均，然后再數(shù)據(jù)組合，因此這種數(shù)據(jù)處理方法數(shù)據(jù)率提高倍數(shù)不受限制，同時(shí)選擇在徑向速度為零時(shí)進(jìn)行信號(hào)采集，減小了徑向運(yùn)動(dòng)對(duì)碼片寬度的影響。

但對(duì)于長(zhǎng)碼信號(hào)而言，在信號(hào)采集時(shí)間內(nèi)擴(kuò)頻碼是非周期性的，因此無(wú)法直接采用民用信號(hào)的處理方法實(shí)現(xiàn)多周期累積和提高數(shù)據(jù)率。民用信號(hào)的周期性表現(xiàn)為偽碼周期，對(duì)于長(zhǎng)碼信號(hào)而言，只能利用碼片的周期性。在基于Vernier采樣原理進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，先對(duì)符號(hào)相同的碼片進(jìn)行累積平均，然后再數(shù)據(jù)組合。這種方法可以提高長(zhǎng)碼信號(hào)的載噪比和數(shù)據(jù)率，獲得清晰的長(zhǎng)碼信號(hào)的碼片波形。由于該方法也適用于民用信號(hào)，因此如果相同頻率的民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的碼速率相同，則可同時(shí)獲得2個(gè)支路的碼片波形，并根據(jù)碼片波形的起點(diǎn)差異，獲得I/Q支路偽碼相位偏差。

1 基于Vernier采樣的信號(hào)采集方法

對(duì)于周期重復(fù)性數(shù)據(jù)，如果每個(gè)周期的第1個(gè)采樣點(diǎn)相對(duì)周期起點(diǎn)的位置錯(cuò)開(kāi)固定間隔，如圖1所示，則經(jīng)數(shù)據(jù)組合處理，可以把n個(gè)周期的數(shù)據(jù)合成為一個(gè)周期的數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)率。

圖1　Vernier采樣原理的數(shù)據(jù)組合

若預(yù)提高數(shù)據(jù)率倍數(shù)為n，根據(jù)Vernier采樣原理確定采樣率為［8］：

在進(jìn)行數(shù)據(jù)組合前，一般要對(duì)采集數(shù)據(jù)先消除初相和頻率殘差，然后對(duì)n個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加以提高載噪比。

2 長(zhǎng)碼信號(hào)采集方法

對(duì)民用信號(hào)而言，圖1中的一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的是一個(gè)偽碼周期，但對(duì)于長(zhǎng)碼信號(hào)而言，圖1中的一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的是一個(gè)碼片寬度。由于相鄰碼片的符號(hào)不一定是相同的，因此不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)組合處理。為改變這種特性，以n個(gè)周期的數(shù)據(jù)為平均處理周期，先對(duì)符號(hào)相同的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行累積平均，使每個(gè)周期的符號(hào)均相同。比如，第n+1個(gè)碼片的符號(hào)如果與第1個(gè)碼片的符號(hào)相同，則該周期進(jìn)行平均，若符號(hào)不同則不做處理。完成累加平均后再進(jìn)行數(shù)據(jù)組合，既提高了載噪比也提高了數(shù)據(jù)率。這樣的處理方法避開(kāi)了由于長(zhǎng)碼信號(hào)偽碼的周期太長(zhǎng)導(dǎo)致無(wú)法直接采用民用信號(hào)的處理方法實(shí)現(xiàn)多周期累積和提高數(shù)據(jù)率的問(wèn)題。

一般說(shuō)來(lái)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)在相同的頻率上，I支路調(diào)制民用信號(hào)，Q支路調(diào)制長(zhǎng)碼信號(hào)。如果民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的碼速率是相同的，則在同時(shí)獲得清晰碼片波形的基礎(chǔ)上，可獲得民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的偽碼相位偏差。

因此，長(zhǎng)碼信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理步驟包括：

①根據(jù)式（1）確定采樣率，利用大口徑拋物面天線(xiàn)完成信號(hào)采集。

信號(hào)采集需采用大口徑拋物面天線(xiàn)，主要目的是進(jìn)行接收信號(hào)放大和空域選擇，以減小非信號(hào)方向干擾和多徑的影響，同時(shí)接收鏈路采用帶通濾波器，在頻域上進(jìn)行選擇，且濾波器帶寬與衛(wèi)星載荷發(fā)射信號(hào)帶寬相匹配，以減小噪聲影響。為減小徑向運(yùn)動(dòng)對(duì)碼片寬度的影響，在徑向多普勒速度為0時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集。

②消除初相和殘余頻率，獲得民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的數(shù)據(jù)序列。

為消除采集數(shù)據(jù)的初相和殘余頻率，不斷調(diào)整頻率和相位，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行反相位調(diào)制處理。然后查看數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部是否均表現(xiàn)為碼片形狀，且碼片寬度約為由碼速率決定的碼片寬度的倍數(shù)。調(diào)整頻率和相位直至滿(mǎn)足上述要求，反相位調(diào)制后，處理后數(shù)據(jù)的實(shí)部就是民用信號(hào)的數(shù)據(jù)序列，虛部是長(zhǎng)碼信號(hào)的數(shù)據(jù)序列。

由于消除初相時(shí)存在π相位模糊，因此存在2個(gè)初相，分別對(duì)應(yīng)衛(wèi)星發(fā)播的原信號(hào)初相及原信號(hào)初相的反相，而不同初相獲得的是2組數(shù)據(jù)結(jié)果。由于信號(hào)采集時(shí)長(zhǎng)不足以獲得電文幀同步頭，因此無(wú)法解決π相位模糊問(wèn)題。下面對(duì)這2種數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，處理過(guò)程相同。

③確定碼片起始采樣點(diǎn)和每個(gè)碼片的符號(hào)。

根據(jù)民用信號(hào)數(shù)據(jù)序列的正負(fù)號(hào)變化粗略確定一個(gè)碼片的零交叉點(diǎn)位置，并把零交叉點(diǎn)后的第1個(gè)采樣點(diǎn)確定為該碼片的起始采樣點(diǎn)。該起始點(diǎn)同時(shí)作為長(zhǎng)碼信號(hào)數(shù)據(jù)序列的起始點(diǎn)。根據(jù)起始采樣點(diǎn)延后半個(gè)碼片的數(shù)據(jù)的符號(hào)，確定為該碼片符號(hào)。若不考慮信息碼和二次編碼符號(hào)影響，則確定的該碼片符號(hào)就是偽碼的符號(hào)。

④對(duì)民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)根據(jù)碼片符號(hào)分別進(jìn)行累加平均。

單獨(dú)正碼片的特性是當(dāng)前碼片符號(hào)為正，而前一個(gè)碼片和后一個(gè)碼片的符號(hào)均為負(fù)。按照符合該特性的碼片進(jìn)行累加平均。

⑤對(duì)民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)組合處理，獲得了清晰的碼片波形。

根據(jù)Vernier采樣原理，對(duì)n個(gè)碼片且長(zhǎng)度為n·M-1的民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)據(jù)組合，分別形成一個(gè)碼片周期的數(shù)據(jù)序列。新的數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度不變，但數(shù)據(jù)間隔縮小了n倍，可表示為：

式中，Tr為碼片寬度。

⑥確定民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)不同的碼片起點(diǎn)位置，則2個(gè)起點(diǎn)位置差即為偽碼相位偏差。

分別對(duì)民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)正碼片的上升沿部分進(jìn)行線(xiàn)性擬合，令線(xiàn)性擬合獲得的多項(xiàng)式方程為零，解該方程獲得碼片起點(diǎn)位置。民用信號(hào)碼片和長(zhǎng)碼信號(hào)碼片的起點(diǎn)位置差為偽碼相位偏差。

⑦分別處理π相位模糊的數(shù)據(jù)序列，獲得偽碼相位偏差。

3 北斗衛(wèi)星B1頻點(diǎn)信號(hào)波形特性分析

大口徑拋物面天線(xiàn)分別對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)和9號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，利用具有矢量信號(hào)分析功能的Agilent E4445A在中頻實(shí)現(xiàn)了B1頻點(diǎn)信號(hào)的采集。

選擇n=50，Agilent E4445A最大分析帶寬為80 MHz，北斗衛(wèi)星B1頻點(diǎn)碼速率為2.046 Mcps，根據(jù)式（1）計(jì)算采樣率為102.259 08 MHz。采集信號(hào)時(shí)長(zhǎng)0.5 s，VSA 89600軟件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)類(lèi)型選擇mat類(lèi)型，文件大小約為400 MB。

下面首先比較了文獻(xiàn)［11］方法和本文方法對(duì)民用信號(hào)的波形監(jiān)測(cè)結(jié)果，然后對(duì)同一顆衛(wèi)星采用新方法獲得的民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的波形進(jìn)行了比較，最后比較了不同衛(wèi)星的波形差異。

3.1 種處理方法對(duì)民用信號(hào)的波形監(jiān)測(cè)結(jié)果比較

采用文獻(xiàn)［11］的采集的IGSO-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采樣率為102.399 95 MHz。采用文獻(xiàn)［11］的處理方法獲得了民用信號(hào)一個(gè)偽碼周期的碼片波形，選取其中一個(gè)正碼片，如圖2（a）所示。采用本文的采集數(shù)據(jù)和處理方法，獲得了民用信號(hào)的一個(gè)碼片波形，如圖2（b）所示。

圖2　2種處理方法比較

比較圖2波形可以看出，2種處理方法獲得的民用信號(hào)碼片波形的輪廓相同，但由于后者的累積次數(shù)更多所以碼片波形更清晰，因此本文的處理方法更具有優(yōu)勢(shì)。

3.2 民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)波形比較及偽碼相位偏差

采用本文方法對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、7號(hào)和9號(hào)衛(wèi)星的采集信號(hào)進(jìn)行處理，獲得了民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)碼片波形，如圖3所示。

圖3　民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)碼片波形比較

由圖3可以看出，民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的碼片波形的輪廓差異較小，但存在2種波形間上升沿的超前或滯后現(xiàn)象，即偽碼相位存在偏差。

3.3 不同衛(wèi)星的碼片波形比較

為比較不同衛(wèi)星的波形差異，對(duì)本文處理方法獲得的多顆衛(wèi)星的碼片波形做了19點(diǎn)移動(dòng)平均處理，以改善噪聲影響。民用信號(hào)處理結(jié)果如圖4（a）所示，長(zhǎng)碼信號(hào)處理結(jié)果如圖4（b）所示。由圖4可以看出，無(wú)論是民用信號(hào)還是長(zhǎng)碼信號(hào)，不同衛(wèi)星的碼片波形均有稍微差異。波形不同可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)距偏差不同，進(jìn)而影響測(cè)距精度。

圖4　不同衛(wèi)星碼片波形比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)波形監(jiān)測(cè)方法。利用大口徑拋物面天線(xiàn)對(duì)北斗衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，完成了多顆衛(wèi)星的信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，獲得了多顆北斗衛(wèi)星B1頻點(diǎn)民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的碼片波形。下一步研究工作是進(jìn)行足夠長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)采集以解π相位模糊，進(jìn)而獲得明確的民用信號(hào)和長(zhǎng)碼信號(hào)的偽碼相位偏差。

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Long-code Signal Waveform Monitoring Method for Navigation Satellites

LIU Jian-cheng，WANG Yu，GONG Lei，XU Xiao-yan
（Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China）

Due to the weakness of signal，signal waveform monitoring for navigation satellites in orbit is one of the difficulties in satellite navigation signal quality monitoring research，so a signal waveform monitoring method for navigation satellites in orbit is proposed.Based on the Vernier sampling principle，a large-diameter parabolic antenna is used for in-orbit satellite signal collection.After initial phase and residual frequency elimination，accumulation and combination，a clear chip waveform is obtained.For civilian and longcode signals with the same code rate，the PN code phase bias can be determined.By using a large-diameter parabolic antenna for COMPASS satellite tracking，the civilian and long-code chip waveforms of several COMPASS satellites in B1 band are obtained，and the PN code phase bias of the satellite signals are got.The results show that there is little difference between the civilian signal waveform and long-code signal waveform，but there is a code phase bias between them.

signal quality monitoring；long-code signal；waveform monitoring；COMPASS

TN96

A

1003-3106（2016）05-0045-04

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.12

2016-01-06

劉建成 男，（1976—），博士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

王 宇 男，（1975—），高級(jí)工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航工程。