衛(wèi)星導(dǎo)航長碼信號波形監(jiān)測方法

劉建成，王 宇，宮 磊，徐曉燕

衛(wèi)星導(dǎo)航長碼信號波形監(jiān)測方法

劉建成，王 宇，宮 磊，徐曉燕

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094）

由于信號微弱，如何獲得在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的清晰信號波形是衛(wèi)星導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測研究中的難點之一，為此提出了一種在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的信號波形監(jiān)測方法。該方法基于Vernier采樣原理，利用大口徑拋物面天線對在軌衛(wèi)星進(jìn)行信號采集，經(jīng)過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。對于相同碼速率的民用信號和長碼信號，可確定民用信號和長碼信號的偽碼相位偏差。利用大口徑拋物面天線對北斗衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，獲得了多顆北斗衛(wèi)星B1頻點民用信號和長碼信號的碼片波形。結(jié)果表明，民用信號和長碼信號的碼片波形的輪廓差異較小，但偽碼相位存在偏差。

信號質(zhì)量監(jiān)測；長碼信號；波形監(jiān)測；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)航長碼信號波形監(jiān)測方法［J］.無線電工程，2016，46（5）：45-48.

0 引言

在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的信號發(fā)射通道故障會導(dǎo)致信號波形畸變［1］，而信號波形的畸變將影響接收機(jī)對信號的捕獲和跟蹤，因此需要對在軌衛(wèi)星進(jìn)行信號質(zhì)量監(jiān)測［2］。衛(wèi)星導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測項目包括：功率譜、眼圖、星座圖、相關(guān)峰、碼片波形、發(fā)播信號功率［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支路偽碼測量一致性［5］以及偽碼測量與載波相位測量一致性等。按評估方式可分為基于專家判讀的定性監(jiān)測和基于自動判決的定量監(jiān)測［6］。碼片波形監(jiān)測是對導(dǎo)航信號的I支路碼片波形或Q支路碼片波形的監(jiān)測，從時域上檢查信號是否發(fā)生畸變。通過比較實際接收信號碼片波形和理想信號碼片波形的寬度、上升沿和下降沿的差異等來判斷信號是否發(fā)生畸變。文獻(xiàn)［7］研究了基于清晰波形的多個評估指標(biāo)的測試方法。

由于地面接收的導(dǎo)航信號載噪比低，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)處理階段對多個偽碼周期的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平均。由于 GPS衛(wèi)星民用信號一個信息碼內(nèi)包含20個重復(fù)偽碼，文獻(xiàn)［8-10］提出了基于Vernier采樣原理的GPS民用信號采集方法和處理方法。采用大口徑天線跟蹤GPS衛(wèi)星，實現(xiàn)對GPS衛(wèi)星L1頻點C/A信號的采集，采樣率大小考慮了徑向速度影響。經(jīng)過消除初相、殘余頻率后，對一個信息碼內(nèi)的20個偽碼周期采集數(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)星清晰的時域波形。北斗衛(wèi)星民用信號一個信息碼內(nèi)也包含20個重復(fù)偽碼，但偽碼周期又經(jīng)過了二次編碼，一個信息碼內(nèi)的偽碼符號不同，所以不能直接對一個信息碼內(nèi)的 20個偽碼進(jìn)行數(shù)據(jù)組合。文獻(xiàn)［11-12］提出了先對符號相同的偽碼進(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，同時選擇在徑向速度為零時進(jìn)行信號采集，減小了徑向運動對碼片寬度的影響。

但對于長碼信號而言，在信號采集時間內(nèi)擴(kuò)頻碼是非周期性的，因此無法直接采用民用信號的處理方法實現(xiàn)多周期累積和提高數(shù)據(jù)率。民用信號的周期性表現(xiàn)為偽碼周期，對于長碼信號而言，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，先對符號相同的碼片進(jìn)行累積平均，然后再數(shù)據(jù)組合。這種方法可以提高長碼信號的載噪比和數(shù)據(jù)率，獲得清晰的長碼信號的碼片波形。由于該方法也適用于民用信號，因此如果相同頻率的民用信號和長碼信號的碼速率相同，則可同時獲得2個支路的碼片波形，并根據(jù)碼片波形的起點差異，獲得I/Q支路偽碼相位偏差。

1 基于Vernier采樣的信號采集方法

對于周期重復(fù)性數(shù)據(jù)，如果每個周期的第1個采樣點相對周期起點的位置錯開固定間隔，如圖1所示，則經(jīng)數(shù)據(jù)組合處理，可以把n個周期的數(shù)據(jù)合成為一個周期的數(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，一般要對采集數(shù)據(jù)先消除初相和頻率殘差，然后對n個周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加以提高載噪比。

2 長碼信號采集方法

對民用信號而言，圖1中的一個周期對應(yīng)的是一個偽碼周期，但對于長碼信號而言，圖1中的一個周期對應(yīng)的是一個碼片寬度。由于相鄰碼片的符號不一定是相同的，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個周期的數(shù)據(jù)為平均處理周期，先對符號相同的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行累積平均，使每個周期的符號均相同。比如，第n+1個碼片的符號如果與第1個碼片的符號相同，則該周期進(jìn)行平均，若符號不同則不做處理。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了由于長碼信號偽碼的周期太長導(dǎo)致無法直接采用民用信號的處理方法實現(xiàn)多周期累積和提高數(shù)據(jù)率的問題。

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

因此，長碼信號采集和數(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完成信號采集。

信號采集需采用大口徑拋物面天線，主要目的是進(jìn)行接收信號放大和空域選擇，以減小非信號方向干擾和多徑的影響，同時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)射信號帶寬相匹配，以減小噪聲影響。為減小徑向運動對碼片寬度的影響，在徑向多普勒速度為0時實現(xiàn)信號采集。

②消除初相和殘余頻率，獲得民用信號和長碼信號的數(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足上述要求，反相位調(diào)制后，處理后數(shù)據(jù)的實部就是民用信號的數(shù)據(jù)序列，虛部是長碼信號的數(shù)據(jù)序列。

由于消除初相時存在π相位模糊，因此存在2個初相，分別對應(yīng)衛(wèi)星發(fā)播的原信號初相及原信號初相的反相，而不同初相獲得的是2組數(shù)據(jù)結(jié)果。由于信號采集時長不足以獲得電文幀同步頭，因此無法解決π相位模糊問題。下面對這2種數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理，處理過程相同。

③確定碼片起始采樣點和每個碼片的符號。

根據(jù)民用信號數(shù)據(jù)序列的正負(fù)號變化粗略確定一個碼片的零交叉點位置，并把零交叉點后的第1個采樣點確定為該碼片的起始采樣點。該起始點同時作為長碼信號數(shù)據(jù)序列的起始點。根據(jù)起始采樣點延后半個碼片的數(shù)據(jù)的符號，確定為該碼片符號。若不考慮信息碼和二次編碼符號影響，則確定的該碼片符號就是偽碼的符號。

④對民用信號和長碼信號根據(jù)碼片符號分別進(jìn)行累加平均。

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

⑤對民用信號和長碼信號分別進(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n個碼片且長度為n·M-1的民用信號和長碼信號分別進(jìn)行數(shù)據(jù)組合，分別形成一個碼片周期的數(shù)據(jù)序列。新的數(shù)據(jù)序列長度不變，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確定民用信號和長碼信號不同的碼片起點位置，則2個起點位置差即為偽碼相位偏差。

分別對民用信號和長碼信號正碼片的上升沿部分進(jìn)行線性擬合，令線性擬合獲得的多項式方程為零，解該方程獲得碼片起點位置。民用信號碼片和長碼信號碼片的起點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頻點信號波形特性分析

大口徑拋物面天線分別對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的1號、3號、4號、6號、7號和9號衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤，利用具有矢量信號分析功能的Agilent E4445A在中頻實現(xiàn)了B1頻點信號的采集。

選擇n=50，Agilent E4445A最大分析帶寬為80 MHz，北斗衛(wèi)星B1頻點碼速率為2.046 Mcps，根據(jù)式（1）計算采樣率為102.259 08 MHz。采集信號時長0.5 s，VSA 89600軟件存儲數(shù)據(jù)類型選擇mat類型，文件大小約為400 MB。

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

3.1 種處理方法對民用信號的波形監(jiān)測結(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一個偽碼周期的碼片波形，選取其中一個正碼片，如圖2（a）所示。采用本文的采集數(shù)據(jù)和處理方法，獲得了民用信號的一個碼片波形，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。

3.2 民用信號和長碼信號波形比較及偽碼相位偏差

采用本文方法對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的1號、3號、4號、6號、7號和9號衛(wèi)星的采集信號進(jìn)行處理，獲得了民用信號和長碼信號碼片波形，如圖3所示。

圖3　民用信號和長碼信號碼片波形比較

由圖3可以看出，民用信號和長碼信號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，對本文處理方法獲得的多顆衛(wèi)星的碼片波形做了19點移動平均處理，以改善噪聲影響。民用信號處理結(jié)果如圖4（a）所示，長碼信號處理結(jié)果如圖4（b）所示。由圖4可以看出，無論是民用信號還是長碼信號，不同衛(wèi)星的碼片波形均有稍微差異。波形不同可能會導(dǎo)致測距偏差不同，進(jìn)而影響測距精度。

圖4　不同衛(wèi)星碼片波形比較

4 結(jié)束語

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

［1］ 盧曉春，周鴻偉.GNSS空間信號質(zhì)量分析方法研究［J］.中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2010，40（5）：528-533.

［2］ 劉建成，桑懷勝，徐 赟，等.衛(wèi)星導(dǎo)航信號異常對信噪比的影響［J］.電訊技術(shù)，2013，53（1）：28-32.

［3］ 王 斌，龐 巖，劉會杰.導(dǎo)航信號有害波形檢測技術(shù)研究［J］.電子與信息學(xué)報，2011，33（7）：1 713-1 717.

［4］ MACABIAU C，CHATRE E.Impact of Evil Waveform on GBASPerformance［C］∥ ProceedingsoftheIEEE PLANS 2000，SanDiego California：IEEE PLANS，2000：22-29.

［5］ PHELTS R E.Multicorrelator Techniques for Robust Mitigation of Threats to GPS Signal Quality［D］.California：Standford University，2001.

［6］ 劉建成，溫日紅，王宏兵，等.衛(wèi)星導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測［J］.測繪科學(xué)與工程，2014（3）：43-46.

［7］ 楊再秀，郭曉峰，楊麗云.GNSS信號質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)測試方法研究［J］.無線電工程，2015，45（6）：59-62.

［8］ MITELMAN A M.Signal Quality Monitoring for GPS Augmentation Systems［D］.California：Standford University，2004.

［9］ WONG Gabriel，PHELTS R E，WALTER Todd，et al. Bounding Errors Caused by Nominal GNSS Signal Deformations［C］∥Proceedings of the ION GNSS，Manassas，VA：ION GNSS，2011：2 657-2 664.

［10］PHELTS R E，WALTER Todd，ENGE Per.Characterizing Nominal Analog Signal Deformation on GNSS Signals ［C］∥Proceedings of the ION GNSS，Savannah，GA：ION GNSS 2009：1 343-1 350.

［11］LIU Jian-cheng，YANG Hua-feng，F(xiàn)AN Jian-jun，et al.Deformation Characteristics of COMPASS Satellite Signals ［C］∥China Satellite Navigation Conference（CSNC），Lecture Notes in Electrical Engineering，2014：171-180.

［12］LIU Jian-cheng，F(xiàn)AN Jian-jun，F(xiàn)ENG Xiao-chao，et al. Ranging Bias of COMPASS Satellite Signals［C］∥China Satellite Navigation Conference（CSNC），Lecture Notes in Electrical Engineering，2015：347-355.

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)航信號質(zhì)量監(jiān)測、衛(wèi)星導(dǎo)航測量數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

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