史麗晨，岑立長，王海濤

(西安建筑科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710055)

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轉(zhuǎn)發(fā)式北斗導(dǎo)航衛(wèi)星信號性能評估的研究與實現(xiàn)

史麗晨，岑立長，王海濤

(西安建筑科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710055)

北斗一代在使用過程中存在隱蔽性不良，定位實時性差等問題，為了實現(xiàn)北斗導(dǎo)航信號的性能評估，相對于以往的硬件形式，如硬件接收機、頻譜分析儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等，提出了以軟件接收機的方法對北斗導(dǎo)航信號進行性能評估;首先分析了轉(zhuǎn)發(fā)式北斗導(dǎo)航信號評估的意義、內(nèi)容與方法，并采用軟件接收機的形式進行評估；然后研究了轉(zhuǎn)發(fā)式北斗導(dǎo)航的信號性能評估關(guān)鍵技術(shù)，給出了捕獲、跟蹤、評估參數(shù)計算的程序流程；最后根據(jù)實測數(shù)據(jù)在Linux高性能集群系統(tǒng)上進行了測試驗證，實現(xiàn)了北斗導(dǎo)航信號的捕獲、跟蹤以及評估中的評估參數(shù)計算；測試結(jié)果表明，文章中的設(shè)計方法可實現(xiàn)北斗導(dǎo)航信號性能的評估，效果良好，評估內(nèi)容、指標(biāo)易于調(diào)整，便于軟件算法參數(shù)的測試、升級，可為后續(xù)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號評估以及算法測試等提供了一定的依據(jù)。

轉(zhuǎn)發(fā)式；集群；北斗導(dǎo)航；性能評估

0 引言

2015年7月25日，兩顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射升空，進行在軌驗證北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總體方案與技術(shù)體制，為建成全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)開展全面驗證[1]。

北斗一代在使用過程中存在隱蔽性不良，定位實時性差等問題，且只能實現(xiàn)區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ弧Ｐl(wèi)星播發(fā)的空間信號包括偽碼觀測值和載波觀測值，利用偽碼觀測值可以實現(xiàn)幾十米到米級的定位精度，載波觀測值可以實現(xiàn)絕對定位厘米級和相對定位毫米級的高精度定位[2]，導(dǎo)航定位精度又是衡量衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，而空間信號性能是導(dǎo)航定位精度關(guān)鍵因素之一，因此，對北斗導(dǎo)航信號性能進行評估意義重大。2014年中國科學(xué)院國家授時中心(NTSC)便提出了對北斗導(dǎo)航信號性能質(zhì)量進行評估測試，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能后續(xù)改善或增強提供一定的依據(jù)。本文依托NTSC相關(guān)平臺，就北斗導(dǎo)航信號的性能評估進行了分析，研究了評估的關(guān)鍵技術(shù)，并在Linux高性能集群系統(tǒng)上進行了試驗驗證。

1 轉(zhuǎn)發(fā)式北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號性能評估分析

圖1表示轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌原理，i站主鐘的時間信號經(jīng)調(diào)制后發(fā)送給衛(wèi)星，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)i站信號給j站，j站解調(diào)來自i站的時間信號，確定接收到的時間信號和j站主鐘的時間信號之間的時刻差，從而確定i站到衛(wèi)星、再從衛(wèi)星到j(luò)站之間的距離[3]。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星測軌原理

與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不同，新一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是轉(zhuǎn)發(fā)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，兼具無源定位與有源定位功能[4]，原子鐘直接安置在地面導(dǎo)航中心站上，利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)上行導(dǎo)航信號后廣播下行的方式實現(xiàn)導(dǎo)航定位。相比直發(fā)式系統(tǒng)，轉(zhuǎn)發(fā)式導(dǎo)航系統(tǒng)的地面原子鐘精度高穩(wěn)定性好，易于管理、維修和升級，突破了星載原子鐘研制困難成本高的技術(shù)瓶頸，不用發(fā)射專門的導(dǎo)航衛(wèi)星，易于快速建成，降低空間投資。

對北斗導(dǎo)航信號性能進行評估可以實現(xiàn)北斗導(dǎo)航信號的實時監(jiān)測與高精度分析，有效的評估信號是否存在異常，并能給出信號異常原因。評估內(nèi)容主要包括：信號射頻特性、測距碼特性、信號調(diào)制特性、測距性能、空間信息、衛(wèi)星狀態(tài)等。評估的過程如圖2所示。

圖2 評估過程示意圖

在天線接收到在軌衛(wèi)星信號后，通過對采集設(shè)備的采集數(shù)據(jù)進行信號質(zhì)量分析與評估來實現(xiàn)北斗導(dǎo)航信號性能評估，首先要捕獲衛(wèi)星信號，得到初始載波頻率和碼相位粗略值，然后以捕獲結(jié)果作為跟蹤部分的初始條件，保持與衛(wèi)星信號的精確同步，最后由相應(yīng)的程序來計算評估參數(shù)和指標(biāo)，繪制相關(guān)圖形等。

軟件接收機和硬件接收機都可以實現(xiàn)衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤，硬件接收機是目前市場上技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品，其射頻前端與基帶數(shù)字信號處理的電子器件集成在不同的專用集成電路(ASIC)芯片中，而信號跟蹤環(huán)路控制、導(dǎo)航定位解算以及用戶界面與接口驅(qū)動等軟件，信號處理所涉及的算法、相關(guān)器、跟蹤通道、參數(shù)等都固化在相關(guān)的芯片中[5]。軟件接收機基于一個通用的硬件平臺，通過對硬件加載程序來實現(xiàn)基帶數(shù)字信號處理算法和導(dǎo)航定位解算，在改變算法時只需對軟件程序做出相應(yīng)修改后重新下載即可。

相比之下，硬件接收機運算能力強，處理效率高，但沒有可編程性，缺乏靈活度，一旦涉及算法的變化、不同的參數(shù)、甚至評估另外一種全新的導(dǎo)航信號，就得重新設(shè)計、生產(chǎn)新的ASIC，其費用與周期較長。軟件接收機則具有高度的可配置性，體現(xiàn)在[6]：

1)修改軟件即可適應(yīng)新的導(dǎo)航信號，如GPS或伽利略信號；

2)易于測試新的算法，供研究機構(gòu)研究；

3)根據(jù)環(huán)境調(diào)整門限，調(diào)整相關(guān)參數(shù)；

4)便于修改評估內(nèi)容與指標(biāo)，滿足不同評估需求。

北斗系統(tǒng)是建設(shè)中的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，大量的新技術(shù)在不斷應(yīng)用，對北斗導(dǎo)航信號測試評估必將涉及算法參數(shù)的修改、評估內(nèi)容與指標(biāo)的變更等，采用軟件接收機的形式對北斗導(dǎo)航信號進行性能評估則保證了評估的靈活性。

2 北斗導(dǎo)航信號評估的關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 北斗導(dǎo)航信號的捕獲

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號由載波、導(dǎo)航數(shù)據(jù)電文和偽隨機碼三部分組成，捕獲是利用偽隨機碼良好的相關(guān)特性，當(dāng)本地偽隨機碼的碼相位、本地載波的頻率和輸入信號中的碼相位以及載波頻率相匹配時，有最大的相關(guān)值。本地碼相位與輸入信號中的碼相位在任何一邊的偏移超過一個碼元時，有最小的相關(guān)值，當(dāng)檢測到最大相關(guān)值時便達到了捕獲的目的。

本文采用并行碼相位搜索算法[7]，利用快速傅里葉變換處理循環(huán)相關(guān)，運算量小，捕獲速度快。設(shè)長度有限且為N的序列x(n)和y(n)的離散傅立葉變換分別為：

(1)

(2)

則x(n)和y(n)的循環(huán)互相關(guān)為：

(3)

省略縮放因子1/N，則z(n)的N點離散傅里葉變換為：

(4)

由以上分析可以看出，x(n)和y(n)的循環(huán)互相關(guān)z(n)的傅立葉變換可以用這兩個序列的頻域表達式X(k)的復(fù)共軛X*(k)和Y(k)表示。然后再對Z(k)取反傅立葉變換，就可以得到z(n)了。

圖3所示為C語言下捕獲程序流程圖，具體過程如下：

圖3 捕獲部分程序流程圖

1)產(chǎn)生本地載波信號Xi(n)與PRN碼c(n)，對c(n)作DFT運算C(n)，取其復(fù)共軛C*(n)；

2)從輸入信號中取1 ms的數(shù)據(jù)S(n)與Xi(n)相乘，將結(jié)果進行DFT變換，運算結(jié)果記作Si(k)；

3)將Si(k)和C*(n)相乘，結(jié)果為Di(k)；并進行IDFT變換到時域di(n)，并取絕對值|di(n)|；

4)在|di(n)|中找到最大的相關(guān)峰值，并與預(yù)先設(shè)定的閾值比較，計算出在粗捕獲后載波頻率估計量f0和碼偏估計量△。

5)再次用上述過程得到的碼偏估計值△去除一段原始數(shù)據(jù)中的PRN碼進行精捕獲，找出相關(guān)峰，并確定最終的捕獲結(jié)果。

2.2 北斗導(dǎo)航信號的跟蹤

對北斗導(dǎo)航信號進行跟蹤可以得到更精確的載波頻率和碼相位，進而解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)進行評估。本文采用延遲鎖相環(huán)(DLL)和Costas環(huán)來進行跟蹤[6]，其C程序流程如圖4所示。

圖4 跟蹤部分程序流程圖

具體過程為：

1)以捕獲結(jié)果為跟蹤的初始值；

2)取1 ms數(shù)據(jù)與本地載波相乘，轉(zhuǎn)換到基帶；

3)基帶信號與超前、即時、滯后碼序列分別做相關(guān)運算，得到相關(guān)結(jié)果；

4)鑒相器根據(jù)相關(guān)結(jié)果，計算相位誤差，更新載波頻率與碼相位，實現(xiàn)精確同步。

2.3 評估參數(shù)計算

捕獲、跟蹤計算后，根據(jù)所得到的參數(shù)信息，對功率譜、眼圖、信號調(diào)制星座圖特性、相關(guān)曲線特性、多普勒、測距碼間相位一致性等評估參數(shù)進行計算。此類計算，由獨立的Worker程序在集群系統(tǒng)上并行運算，其C程序流程如圖5所示。

圖5 評估參數(shù)計算流程圖

3 測試驗證

3.1 測試平臺

本文測試依托NTSC的Linux高性能集群系統(tǒng)平臺，如圖6所示，其硬件配置包括了1臺負責(zé)任務(wù)接收下發(fā)、工作控制的胖節(jié)點服務(wù)器，1臺進行數(shù)據(jù)存儲的存儲服務(wù)器，1臺用于管理、監(jiān)測工作狀態(tài)的管理服務(wù)器，7臺執(zhí)行具體任務(wù)分析計算的計算節(jié)點服務(wù)器，節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為萬兆局域網(wǎng)，使用的操作系統(tǒng)為Linux(CentOs6.4 64位)。

圖6 集群硬件環(huán)境配置圖

3.2 測試結(jié)果與分析

測試數(shù)據(jù)來源于NTSC昊平觀測站實測數(shù)據(jù)，信號為北斗信號，中頻為187.5 MHz，采樣頻率為250 M，碼片長度為2046，在Linux高性能集群系統(tǒng)平臺上進行，相關(guān)參數(shù)設(shè)置為搜索總帶寬(acqSearchBand)為14 kHz，捕獲門限(acqThreshold)為2.5，重采樣(resample)為200，碼跟蹤環(huán)參數(shù)中，噪聲帶寬(dllNoiseBandwidth)為3 Hz，阻尼比(dllDampingRatio)為0.7，相關(guān)器的碼元差(dllCorrelatorSpacing)為0.5碼元。載波跟蹤環(huán)路中，噪聲帶寬是(pllNoiseBandwidth)50 Hz，阻尼比(pllDampingRatio)是0.7。捕獲與跟蹤結(jié)果如圖7、8所示，可以看到捕獲衛(wèi)星為1號衛(wèi)星，捕獲特性良好，相關(guān)曲線主峰波形較標(biāo)準，無明顯副瓣；跟蹤特性中軟件接收機處理環(huán)節(jié)輸出的PLL曲線、DLL曲線和解調(diào)曲線較快趨于平滑穩(wěn)定，曲線抖動范圍較小，跡線清晰。

圖7 捕獲結(jié)果圖

圖8 跟蹤結(jié)果圖

圖9 參數(shù)修正前的信號調(diào)制特性圖

圖9與圖10為對同一信號采用不同參數(shù)時，所得到的信號調(diào)制特性圖，可以看到參數(shù)修正后信號星座圖正常，載波相位正交誤差較小，幅度誤差較小。

圖10 參數(shù)修正后的信號調(diào)制特性圖

4 結(jié)論

本文首先對轉(zhuǎn)發(fā)式北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號的性能評估及其過程進行了分析，對比了軟件與硬件接收機評估形式的優(yōu)缺點后，采用了軟件接收機的形式進行評估，然后給出了評估過程中捕獲、跟蹤和評估參數(shù)的C程序流程，最后依托NTSC相關(guān)平臺，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，在Linux高性能集群系統(tǒng)平臺上進行了測

試驗證，實現(xiàn)了北斗導(dǎo)航信號的捕獲、跟蹤以及評估中的評估參數(shù)計算。測試結(jié)果驗證了評估的有效性，可實現(xiàn)北斗導(dǎo)航信號性能評估與分析，效果良好，可為后續(xù)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號評估以及算法測試等提供了一定的依據(jù)。

[1] 我國成功發(fā)射2顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星[EB/OL].http://www.yunzhitai.com/discover/space/4471.html.

[2] 胡志剛.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能評估理論與實驗驗證[D].武漢：武漢大學(xué)，2013.

[3] 雷 輝.基于轉(zhuǎn)發(fā)式的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地球靜止軌道衛(wèi)星精密定軌試驗[J].測繪學(xué)報，2011,40:31-33.

[4] 王艷紅，趙文智，楊 明.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其于民航導(dǎo)航的應(yīng)用[J].計算機測量與控制，2014，22(2)：496-498.

[5] 謝 剛. GPS原理與接收機設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[6] 吳娟麗. GPS軟件接收機的研究與Matlab實現(xiàn)[D]. 西安：長安大學(xué)，2009.

[7] Borre K， Akos D M， Bertelsen N．A Sothware—Defined GPS and Galileo Receiver[M]．Boston：BirkhauSer，2007.

Research and Realization of Performance Evaluation for Transponder BDS Navigation Satellite Signal

Shi Lichen, Cen Lizhang, Wang Haitao

(College of Mechanic and Electronic Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China)

Beidou Isthas bad performance in concealment and real-time positioning. In order to achieve the performance evaluation of Beidou navigation signal, relative to the previous form of hardware, such as hardware receiver, spectrum analyzer, and vector network analyzer, etc., the passage puts forward a method of software receiver to evaluate performance of Beidou navigation signals. First, the significance, content and method of performance evaluation were presented, and the form of software receiver was used to evaluate. Then, key technology for performance evaluation of new BDS signal was studied, and a procedure for acquisition and tracking was given and tested on Linux high performance cluster system at last , as well as parameter calculation. Experiments show that the evaluation can be realized with good effect；evaluation contents、index are easy to adjust and promotion for algorithm、 parameters testing of software is convenient; and can provide the certain basis for satellite navigation signal in subsequent evaluation and algorithm test.

transponder; cluster; BDS navigation; performance evaluation

2015-11-09；

2015-12-10。

史麗晨(1972-)，女，陜西西安人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事故障診斷、信號測試方向的研究。

1671-4598(2016)06-0282-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.077

TP806+.1

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