GNSS導(dǎo)航信號常見畸變產(chǎn)生機理及對測距性能影響分析

賀成艷, 郭　際, 盧曉春, 盧　鋆

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

定時重點實驗室, 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)航信號常見畸變產(chǎn)生機理及對測距性能影響分析

賀成艷1,2, 郭際1,2, 盧曉春1,2, 盧鋆3

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

定時重點實驗室, 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)航信號的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接收過程中各種環(huán)節(jié)的異常,都有可能對衛(wèi)星信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。用戶接收到異常信號后,會在一定程度上影響其位置、速度、時間(position, velocity, time, PVT)性能。開展GNSS導(dǎo)航信號監(jiān)測評估,可以在第一時間及時準(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GNSS導(dǎo)航信號的各種異常的綜合監(jiān)測評估,目前國內(nèi)外尚無全面而系統(tǒng)的研究成果,因此無法進行實時或準(zhǔn)實時的信號異常自動識別與分析。文中提出建立GNSS導(dǎo)航信號畸變模型庫的理念,針對GNSS導(dǎo)航信號的產(chǎn)生、發(fā)射、傳播和接收過程中各類信號異常,通過仿真分析和實測數(shù)據(jù)驗證,建立一套較完善的數(shù)學(xué)分析方法,研究GNSS導(dǎo)航信號各類常見畸變產(chǎn)生機理及特點,并在此基礎(chǔ)上,定性或定量地給出不同程度的信號畸變對信號質(zhì)量評估以及對用戶定位的影響。本文的研究成果能夠為衛(wèi)星系統(tǒng)故障自動識別與快速定位提供支撐材料。同時,還可為衛(wèi)星星上信號產(chǎn)生方面的設(shè)計者提供參考,在信號設(shè)計和優(yōu)化過程中提供依據(jù)。

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

0引言

導(dǎo)航信號是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)最核心的組成部分,導(dǎo)航信號質(zhì)量的優(yōu)劣,將直接反映GNSS定位、測速、授時性能和衛(wèi)星有效載荷的工作狀態(tài)及電性能指標(biāo)。開展GNSS導(dǎo)航信號監(jiān)測評估,可以在第一時間及時準(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。

在對信號監(jiān)測過程中,根據(jù)公開文獻(xiàn),比較有代表性的GNSS信號畸變或異常案例如下:

(1) 美國GPS PRN-19衛(wèi)星于1989年10月21日成功發(fā)射,同年11月14日宣布正式運行。然而,在軌運行8個月之后,L1信號功率譜出現(xiàn)10 dB左右的載波泄漏及譜不對稱[1]。但是沒有人及時發(fā)現(xiàn)該問題,直到1993年3月,美國聯(lián)邦航空管理局利用差分導(dǎo)航實現(xiàn)輔助著陸時發(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,就會產(chǎn)生3~8 m的定位偏差。對GPS PRN-19衛(wèi)星信號監(jiān)測評估后,進行一系列修正,最終定位偏差降低至不到25 cm,RF譜中無載波泄漏和不對稱現(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:不僅因為第一次發(fā)射L5信號,更是因為利用德國宇航研究院的30 m信號監(jiān)測評估系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),該衛(wèi)星發(fā)射的信號中含有L1和L2多徑信號。這種信號異常在高仰角處更明顯,較高仰角處的信號星座圖出現(xiàn)畸變[2]。經(jīng)問題分析排查,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多徑信號所致。

(3) 歐盟利用德國宇航研究院30 m天線、奇爾波頓天文臺25 m天線等空間信號質(zhì)量監(jiān)測與評估設(shè)備,長期實時監(jiān)測GIOVE-A與GIOVE-B試驗衛(wèi)星信號。觀測期間曾第一時間發(fā)現(xiàn)E1 BOC(15,2.5)和E5 AltBOC(15,10)的功率譜不對稱,并分析了該現(xiàn)象對用戶的影響,為故障排查提供有價值的參考依據(jù)。

縱觀GNSS歷史,導(dǎo)航衛(wèi)星信號曾出現(xiàn)過幾次信號異常,對用戶(尤其是高精度用戶)帶來了不同程度的影響,雖然最終經(jīng)過信號質(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,只針對發(fā)現(xiàn)的問題進行事后分析研究,目前國內(nèi)外尚無體系性研究成果和專業(yè)性研究平臺,尚未形成導(dǎo)航信號實時異常自動識別與評估機制,中國科學(xué)院國家授時中心正在建設(shè)國內(nèi)最大口徑的40 m信號質(zhì)量監(jiān)測評估系統(tǒng),并聯(lián)合院內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域優(yōu)秀青年專家,充分利用國內(nèi)外現(xiàn)有信號資源平臺,打造世界一流的專業(yè)性信號質(zhì)量監(jiān)測評估平臺,本文的研究成果可以為信號故障快速排查與定位提供有價值的參考依據(jù)。

建立GNSS導(dǎo)航信號畸變模型庫,能夠針對GNSS導(dǎo)航信號的產(chǎn)生過程、發(fā)射過程、傳播過程和接收過程,給出各種信號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的異常信號特性,包括頻域功率譜特性、時域碼片波形特性(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)曲線的對稱性和平滑性、相關(guān)損耗等)等,并與標(biāo)準(zhǔn)信號比對,根據(jù)與理想信號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,本文首先簡要介紹GNSS空間信號常見畸變及畸變產(chǎn)生機理,并給出導(dǎo)航信號各類常見畸變的特點,在此基礎(chǔ)上,進一步研究各種畸變對用戶可能帶來的影響。在文章的最后,給出實測導(dǎo)航信號頻譜畸變、波形畸變及其特點,并給出頻譜和波形畸變可能產(chǎn)生的原因及對用戶帶來的影響,為衛(wèi)星系統(tǒng)故障快速排查提供有價值的參考依據(jù)。

1GNSS常見畸變及其產(chǎn)生機理研究

在衛(wèi)星導(dǎo)航信號到達(dá)用戶定位解算軟件之前,信號從產(chǎn)生到接收的各個環(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,都有可能對衛(wèi)星導(dǎo)航信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。實際接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號,有可能是其中某一個環(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)單獨可能對導(dǎo)航信號產(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)航信號常見畸變產(chǎn)生機理示意圖

頻譜畸變主要表現(xiàn)為載波泄漏、頻譜不對稱、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,則會導(dǎo)致載波泄漏現(xiàn)象;若發(fā)射濾波器異?；虬l(fā)射機功放飽和,則可能引起頻譜不對稱現(xiàn)象;若星上發(fā)射機功放惡化或本振信號出現(xiàn)雜散,則會出現(xiàn)信號雜散。

引言中提到的美國GPS PRN19衛(wèi)星的信號異常,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)生星上的信號內(nèi)多徑和地面多徑。主要表現(xiàn)在接收機碼形失真和相關(guān)峰不對稱。GPS SVN49衛(wèi)星的畸變是由于發(fā)射天線接口不匹配帶來的星上多徑所致。

常見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立于有效信號的加性干擾,可通過相應(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,干擾信號的識別與分離技術(shù),是導(dǎo)航信號處理的一大熱點及難點。

系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲引起的輸出信號相位隨機起伏,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。在時域上表現(xiàn)為“相位抖動”,也即輸出信號相位的隨機變化;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總功率之比來衡量相位噪聲,單位為dBc/Hz。相位噪聲是評價頻率源頻譜純度的重要指標(biāo)之一。

GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的各種異常或畸變對信號質(zhì)量及信號性能的影響如圖2所示。本文通過對接收信號相關(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、測距碼相干性等)的分析,可以評估接收GNSS信號是否存在畸變,為GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星下行信號質(zhì)量評估結(jié)果的分析提供參照模型,為信號故障定位提供參考依據(jù)。信號畸變性能影響分析是為下一步實現(xiàn)信號畸變類型的自動識別做特征提取研究。

圖2　各種畸變對信號質(zhì)量及信號性能影響分析

2GNSS常見畸變特性分析

2.1頻譜

頻譜畸變主要表現(xiàn)為以下3種情況:

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

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

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

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

圖3　BPSK(10)頻譜不對稱現(xiàn)象示意圖

圖4　載波泄漏情況下信號功率譜

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

(3) 混合畸變:數(shù)字畸變和模擬畸變同時存在,正負(fù)碼形寬度不一致且碼片波形抖動失真;相關(guān)峰扭曲擴展。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)字畸變信號碼片波形和相關(guān)峰

圖6　模擬畸變信號碼片波形和相關(guān)峰

圖7　混合畸變信號碼片波形和相關(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。對比圖8(a)和圖8(b)可知:眼圖張開的大小和跡線寬度反映碼間串?dāng)_的強弱。若多組線重疊性越好,眼圖張開越大,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)峰曲線不對稱,多徑對碼形和相關(guān)峰影響如圖9所示。在多徑情況下,由于直達(dá)信號和多徑信號的幅度相位不同,信號間互相疊加,使得實際接收信號的幅度和相位發(fā)生畸變[7-8],帶來偽距測量誤差和載波相位測量誤差。

圖9　多徑對碼形和相關(guān)峰影響

2.5電磁干擾

常見干擾主要包括單頻干擾、窄帶干擾和寬帶干擾[9]?？梢詫⑤d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帶寬的10%時,認(rèn)為是窄帶干擾;若大于10%,則認(rèn)為是寬帶干擾[12]。圖10給出實測導(dǎo)航信號受干擾影響情況。

2.6相位噪聲

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

圖11　相位噪聲時的星座圖和相關(guān)曲線

2.7其他畸變

除了上述常見畸變外,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常見畸變對測距性能的影響

前文已經(jīng)介紹了GNSS導(dǎo)航信號常見畸變現(xiàn)象產(chǎn)生機理及特點,本節(jié)則進一步研究各種畸變分別對用戶可能帶來的測距誤差。由于篇幅原因,且目前發(fā)現(xiàn)的導(dǎo)航信號常見畸變?yōu)轭l譜畸變和碼片波形畸變,在此重點介紹這兩種信號畸變對用戶測距影響。

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)典公式來計算測距誤差[16]:在理想情況下,考慮信號跟蹤誤差隨功率譜、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;信號接收功率為Pc;接收機前端帶寬嚴(yán)格帶限,為βr;干擾信號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;有用信號復(fù)包絡(luò)s(t)的功率為射頻信號的兩倍,信號s(t)的功率為Ps(不考慮信道失真時),信道影響等效基帶傳遞函數(shù)為H(f);GS(f)為信號功率譜;w(t)為單位功率;T表示積分時間;Δ表示相關(guān)器步長,單位為s;BL環(huán)路帶寬,單位為Hz。

假設(shè)衛(wèi)星信號到達(dá)地面功率約為-158 dBW,載噪比為43.5 dB/Hz。利用BDS GEO-1 B3信號進行仿真,信號帶寬為20.46 MHz,信噪比為-29.609 dB,則有用信號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

為了進一步分析信噪比與接收機捕獲跟蹤性能的關(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:積分時間0.002 s,碼速率10.23 MHz。

利用測距誤差公式(1),參數(shù)設(shè)置分別為:積分時間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給出測距誤差隨信噪比變化關(guān)系曲線。

圖13　測距誤差與信噪比關(guān)系

由圖12和圖13可以看出,若接收信號頻譜載頻位置載波泄漏功率為0~15 dB,則對接收信號捕獲概率和跟蹤誤差影響甚微,基本不會對用戶帶來多大的影響。

3.1.2譜不對稱影響分析

根據(jù)頻譜不對稱產(chǎn)生機理公式[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對信號功率損耗影響。其中圖14(a)為BDS結(jié)果,積分時間0.001 s,圖14(b)為Galileo結(jié)果,積分時間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　不同衰減對功率損耗的影響

下面我們利用測距誤差公式(1),分析譜不對稱帶來的BDS GEO-1 B3 PRN碼的測距誤差。取積分時間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稱功率譜(不對稱度為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)過仿真分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)信噪比大于-35 dB時,由高頻端功率譜線高于低頻端功率譜線0.4~2 dB產(chǎn)生的不對稱帶來的測距誤差增量不高于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)來計算[20]:

(3)

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

圖16是以BDS GEO-3 B1I測距碼為例,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偏差仿真分析結(jié)果。結(jié)果表明,數(shù)字畸變越大,則帶來的鎖定點偏差越大。

圖16　不同數(shù)字畸變鎖定點偏差分析結(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個碼片)的S曲線及鎖定點偏差如圖17所示。圖中鎖定點偏差為負(fù),表示相關(guān)峰向左偏移?？梢钥闯?從0.2 chip之后鎖定點偏差基本不變,這說明在相關(guān)曲線頂峰處有平坦區(qū),但相關(guān)曲線對稱性較好。

圖17　數(shù)字畸變情況下的S曲線及鎖定點偏差

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,鎖定點偏差如圖18所示。分析結(jié)果表明,σ和fd的值越大,則帶來的鎖定點偏差越小。當(dāng)fd=17 MHz,σ=8.8時,鎖定點偏差僅為0.067 m。

圖19給出的是當(dāng)參數(shù)分別為fd=6 MHz,σ=3.8時,不同相關(guān)器間隔下(間隔從0~1個碼片)的S曲線及鎖定點偏差。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,不同相關(guān)器間隔下的S曲線及鎖定點偏差如圖21所示?？梢钥闯?當(dāng)相關(guān)器間隔0.5 chip時,帶來的測距誤差約為10 m。

圖18　不同衰減因子和不同振蕩頻率時的鎖定點偏差

圖19　模擬畸變情況下的S曲線及鎖定點偏差　　　　　　　　　　　　　圖20　數(shù)?；旌匣冩i定點偏差分析結(jié)果

圖21　混合畸變情況下的S曲線及鎖定點偏差

4實測GNSS信號畸變現(xiàn)象分析

4.1頻譜畸變實測結(jié)果

利用中國科學(xué)院國家授時中心的7.3 m天線空間信號質(zhì)量監(jiān)測評估系統(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)測到北斗衛(wèi)星GEO-3衛(wèi)星B3頻點空間信號的頻譜如圖22所示?？梢钥闯?在BDS GEO-3 B3信號中心頻點及第一諧波處有高于信號正常功率譜包絡(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1 kHz帶寬頻譜監(jiān)測結(jié)果

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

圖23　衛(wèi)星信號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用戶影響甚微,基本可以忽略不計。

4.2碼片波形畸變實測結(jié)果

實測GPS L5信號I/Q支路測距碼畸變情況如圖24所示。由于L5采用BPSK(10)調(diào)制,標(biāo)準(zhǔn)信號I/Q支路測距碼長度為1/10.23e6 Hz=97.751 7 ns,而圖中實測信號I/Q支路測距碼都有混合畸變,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)全面地分析信號異常及其對測距性能的影響,本文首先簡要介紹GNSS空間信號各類常見畸變,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)生機理,分析每種常見信號畸變的特點,并在此基礎(chǔ)上,進一步研究信號畸變對測距性能影響。

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測結(jié)果。研究結(jié)果表明:若載波泄漏功率小于15 dB,則對信號捕獲跟蹤影響甚微,當(dāng)大于15 dB時,隨著泄漏功率的增大,將會降低接收機靈敏度,對信號的接收、捕獲、跟蹤和測距等造成嚴(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,頻譜不對稱小于2 dB,產(chǎn)生的信號測距誤差增量不高于0.002 5 m。但是隨著譜不對稱程度的增加,將會對信號性能產(chǎn)生影響;模擬畸變參數(shù)σ和fd的值越大,并且數(shù)字畸變越小,對測距性能影響越小,經(jīng)多種監(jiān)測手段、多種數(shù)據(jù)來源及多種分析方法的比較,對GPS衛(wèi)星信號分析結(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)字畸變越小。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,則將會產(chǎn)生SPS(標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù))測距誤差約1.6 m,對于差分用戶來說測距誤差大約6 cm。

由于目前北斗和GPS系統(tǒng)實測信號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,本文實測結(jié)果以QPSK調(diào)制為主進行分析。下一步將針對各類BOC信號,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新信號體制下的畸變類型及對測距性能影響。為新信號體制下衛(wèi)星導(dǎo)航信號畸變的故障預(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行信號質(zhì)量評估時建立信號異常分析比對模板,能在檢測到信號異常的同時及時給出信號異常原因,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,主要研究方向為GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理技術(shù)、GNSS信號質(zhì)量評估技術(shù)。

E-mail:hechengyan@ntsc.ac.cn

郭際(1955-),男,研究員,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向為天文測時、數(shù)據(jù)誤差分析、星表編制、國際地球自轉(zhuǎn)聯(lián)測、授時臺建設(shè)和現(xiàn)代化技術(shù)升級改造、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,主要研究方向為精密時間信息傳輸與信息處理、無線電測距技術(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

作者簡介：

中圖分類號：TN 911.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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

基金項目：國家自然科學(xué)基金重點項目(11073022)；中國科學(xué)院方向性資助項目(KJCX2-YW-T12)；中科院西部博士專項資助項目(2013BS25)；衛(wèi)星導(dǎo)航與定位教育部重點實驗室(B類)開放基金資助課題

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。