GNSS信号质量关键指标测试方法研究

杨再秀，郭晓峰，杨丽云

(河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，河北 石家庄 050081)



GNSS信号质量关键指标测试方法研究

杨再秀，郭晓峰，杨丽云

(河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，河北 石家庄 050081)

摘要卫星导航信号质量直接影响导航系统性能，因此信号质量评估是卫星导航系统设计和运行控制过程中的重要环节。分析了卫星信号质量对导航性能的影响，系统介绍了信号质量的主要评估参数，并对测试方法进行了详细说明。重点介绍了基于伪距和载波相位的I/Q载波正交性、码-载波相干性、码-码相干性的测试原理及实现方案。实测结果表明，I/Q载波正交性和码-载波相干性测试精度小于0.5°，码-码相干性测试精度可达100 ps。

关键词信号质量评估；I/Q载波正交性；码-载波相干性；码-码相干性

0引言

目前，全球卫星导航系统(GNSS)的应用越来越广泛，几乎涉及到国民经济和社会发展的各个领域。已建成和正在规划建设的卫星导航系统除美国的GPS系统外，还有俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的伽利略系统、中国的北斗卫星导航系统以及日本和印度的区域卫星导航系统[1]。

GNSS信号质量直接影响导航性能，国内外对于导航信号质量评估工作都非常重视。美国斯坦福大学很早就成立了一个GPS导航实验室(GPS Lab)，致力于导航信号质量的监测与评估，并建立了相应的卫星导航信号监测系统，称为斯坦福GNSS监测站[1]。该系统可以对空中任意导航卫星L频段信号进行监测，一方面可以及时发现GPS卫星信号的异常及不足，另一方面可以对其他卫星导航系统的信号进行监测，例如Galileo、Compass系统等，从而可以分析这些信号的特点，更好地进行信号体制研究。Galileo的空间信号监测和评估任务主要由欧洲空间技术研究中心(ESTEC)的导航实验室完成，并在多个地方组建了地面观测站，如：英国奇尔波顿天文台(Chilboiton)、德国宇航研究院(DLR)和欧洲空间局(ESA)等。伴随着GIOVE-A/B卫星的成功发射，国外深入开展了对Galileo信号质量的评估工作，取得了大量研究成果[1,2]。目前，国内在信号质量评估方面还处于初级研究阶段。我国正在建设的北斗二号卫星导航系统，卫星系统正式运行前的在轨测试及正式运行后的导航信号长期质量监测与评估，都迫切需要对信号质量的评价指标和测试方法进行深入研究，为建设自主的信号质量监测与评估系统提供技术支持[3,4]。

本文主要讨论导航信号质量评估的以下指标：功率谱、I/Q载波正交性、码-载波相干性、码-码相干性、相关损耗和S曲线便移，介绍相应的测试方法，并给出了部分测试结果。针对卫星导航系统及信号特点，信号质量指标可分为一般性指标和导航相关指标两大类。

1一般性指标

一般性指标是指通信领域内常见的、具有普遍意义的信号质量指标。一般性指标包括带宽、功率谱、扩频增益、I/Q载波正交性、载波抑制度和相位噪声等。限于篇幅，下面着重讨论导航信号的功率谱和I/Q载波正交性。

1.1　功率谱

对实际导航信号功率谱密度分析一般采用Welch周期图。Welch周期图法是利用改进的平均周期图法估计随机信号的功率谱，它采用信号分段重叠、加窗和FFT等技术来计算功率谱[1]。Welch法可以改善估计谱曲线的光滑性，大大提高谱估计的分辨率，是GNSS信号功率谱分析的常用方法[4]。

1.2　I/Q载波正交性

GNSS信号普遍采用正交调制方式，将多路信号调制到两路(I/Q)正交的载波上。由于载波相位误差和信道衰落等原因，实际的I/Q载波并不是完全正交的。实际的正交调制信号可以表示为[5]：

s(t)=sI(t)cos(wct)-sQ(t)sin(wct+φ)。

(1)

式中，sI(t)为同相(I)支路基带信号；sQ(t)为正交(Q)支路基带信号；φ为I/Q载波的相位误差。当φ=0时，I/Q载波是完全正交的。

为了简化分析过程，给出s(t)的复基带形式

sP(t)=(sI(t)-sQ(t)sin(φ))+jsQ(t)cos(φ)。

(2)

利用复基带信号sP(t)可以直接得到导航信号的星座图，星座图可以很直观地反映I/Q载波相位非正交性对信号质量的影响。不同相位误差条件下QPSK信号的星座图如图1所示。显然，I/Q载波的非正交性会导致信号的幅度和相位误差。其中，幅度误差会影响GNSS信号的恒包络特性，从而导致更大的信号畸变。这里的分析是以传统的QPSK为例进行的，但是同样适用于新体制GNSS信号[6,7]。

载波正交性的测试一般可采用矢量信号分析仪完成，但是它只适用于QPSK调制，因此对于新体制导航信号的多种复用方式(如互复用、AltBOC等)需要采用新的测试方法。本文给出了一种通用的正交性测试方法，测试原理如图2所示，主要包括：跟踪环路、本振和反正切模块(ATAN)。跟踪环路的作用主要是实现伪码和数据解调。本振生成正交的本地载波信号，并对解扩后的输入信号进行解调处理。最后通过反正切模块获得本振信号与输入信号的精确相位差。

图1　QPSK信号星座图

图2　载波正交性测试原理

对QPSK(10)信号正交性的实测结果如图3所示。测试条件：采样率112 MHz，载噪比60 dBHz。这里给出的是单次测量结果，I/Q载波正交性的测量精度可达0.5°。

图3　载波正交性测试结果

2导航相关指标

导航相关指标是指会对导航信号测距、守时和测速造成直接影响的特定指标。与一般性指标不同，导航相关指标反映了卫星导航系统及信号体制的特殊性。导航相关指标包括码-载波相干性、码-码相干性、相关损耗和S曲线偏移等。

2.1　码-载波相干性

码-载波相干性反映了码相位与载波相位的一致性，对于载波相位测距和载波相位平滑伪距等应用具有重要意义。美国对WAAS系统信号的码-载波相位相干性给出了明确的指标要求。短期(小于10 s)的码频率和载波频率偏差应小于5×10-11，即

(3)

式中，fcode=1.023MHz；fcarrier=1 575.42MHz。对于长期的稳定性要求为，1σ相位误差不超过一个载波周期[8]。

码与载波相位相干性的测量需要利用伪距和载波相位，伪距体现码相位的变化情况，而载波相位则体现了载波的频率抖动。某一时刻的码与载波相位偏差为：

(4)

式中，PR为伪距测量值；λ为载波波长；θ为这一时刻的载波相位。如果码和载波的频率抖动是慢变的，那么某一时刻的相位误差Δθ并不能体现频率的抖动，这时需要测量2个时刻相位差的差值，即

(5)

式中，Δt表示一定时间间隔。显然，测量码-载波相干性的关键就是对码相位和载波相位的精确估计[8]。BPSK(10)信号的码-载波相干性测试结果如图4所示。图4中，以码-载波精确相干性信号(0°)为测试基准，通过精密延迟线设备改变码相位，实现码-载波之间的相对相位延迟。由图4可见测试精度可达0.5°。

2.2　码-码相干性

码码相干性指的是同频点导航信号各分量的最大相关值之间的延迟，实际上就是各分量的码相位之间的同步精度。同频点导航信号的分量如L1频点的GPS C/A，P(Y)码和M码等。码-码相干性的测量方法比较简单，一般直接利用被测信号的码相位即可[9,10]。

图5和图6分别给出了CBOC与BOC(14,2)、BOCc(15,2.5)与BPSK(10)信号码-码相干性的测试结果。可见CBOC与BOC(14,2)的相干性较好，这主要是因为BPSK(10)的预检测积分时间为0.2 ms，而其他信号的积分时间均为2 ms，影响了BPSK(10)的码跟踪精度。显然，码-码相干性的测试精度可达100 ps。

图5　CBOC与BOC(14,2)码-码相干性测试结果

图6　BPSK(10)码-码相干性测试结果

2.3　相关损耗

相关损耗是衡量导航信号质量非常重要的参数。相关损耗指的是在相关处理中有用信号功率相对于所接收信号的全部可用功率的损耗。相关损耗直接与导航信号的互相关函数有关，下面首先给出互相关函数的定义[7]：

(6)

式中，S(t)为接收的实际信号；E(t)为本地产生的理想信号；Tp为积分时间；τ为延迟。基于互相关函数的相关损耗定义为[4,10]：

(7)

式中，CL0为理想信号的互相关函数。接收带宽对BPSK、BOC信号相关损耗的影响如图7所示。其中，fc和fsc分别代表伪码频率和副载波频率，对于BPSK信号fsc=0。由图中可见，要避免过大的相关损耗，接收处理带宽至少应大于fc+fsc。除了接收处理的影响以外，信号生成和传输过程中引入的线性/非线性失真也会带来一定程度的相关损耗。

图7　相关损耗分析结果

2.4　S曲线偏移

S曲线偏移(SCB)是评估导航信号质量的另一个重要指标。S曲线就是接收机跟踪环路中常用的超前减滞后相关值的鉴相曲线。信号畸变会导致S曲线的过零点随着相关间距(δ)的变化而不同，这就是所谓的S曲线偏移。非相干超前减滞后功率鉴相器的S曲线可表示为[4,10]：

(8)

相应的S曲线偏移值(τbias(δ))定义为：

SCurve(τbias(δ),δ)=0。

(9)

式中，δ为超前减滞后间距。

相对于定位用户，S曲线偏移对授时性能的影响更为严重。这是因为对于定位应用，导航信号发射过程中的共有误差可以在定位解算时加以消除，但是对于授时应用来说却是很难消除的[7]。

3结束语

针对卫星导航系统及信号特点，将信号质量指标分为一般性指标和导航相关指标两大类，重点介绍了I/Q载波正交性、码-载波相干性和码-码相干性的测试原理及实现方案。针对GNSS新体制导航信号特点，提出了基于载波跟踪环路的I/Q载波正交性通用测试方法、基于伪距和载波相位测量的码-载波相干性和码-码相干性测试方案。实测结果表明，I/Q载波正交性和码-载波相干性测量精度优于0.5°，码-码相干性测量精度优于100 ps，证明了上述测量方案的有效性和实用性。随着GNSS现代化进程的推进，新体制导航信号的信号质量评估工作受到广泛关注，本文提出的测试方法对于新体制信号质量监测系统建设具有重要的指导意义。

参考文献

[1]卢晓春,周鸿伟.GNSS空间信号质量分析方法研究[J].中国科学:物理学力学天文学,2010,40(5)：528-533.

[2]SPELAT M,HOLLREISER M,CRISCI M,et al.GIOVE-A Signal-in-Space Test Activity at ESTEC [C] ∥ Proceedings of ION GNSS 2006.Fort Worth,Texas,2006:26-29.

[3]王伟,徐启炳,蒙艳松,等．新型导航信号生成与评估技术[J]．数字通信世界,2012 (2):56-60．

[4]PERELLO G,MALIK M,FALCONE M.Selected RNSS Measurements and Analysis[C] ∥ Proceedings of ENC-GNSS-2008,Toulouse,2008:1-4.

[5]王缚鹏，何巍巍.QPSK扩频信号I、Q正交性测量方法研究[J]．无线电工程,2014,44 (1):24-27．

[6]ROONEY E,UNWIN M,GATTI G,et al.GIOVE A In Orbit Testing Results [C] ∥ Proceedings of ION GNSS-2006.Fort Worth,Texas,2006:1 535-1 546.

[7]WEILER R,KAKARLAPUDI S.Navigation Payloads vs.Receivers:Sampling Frequency Effect [C] ∥ Fourth European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing.Oberpfaffenhofen,Deutschland 2009:1-7.

[8]GREWAL M,CHEUNG L,LUCY R,et al.Field Test Results of Clock Stability and Code Carrier Coherency of Dual Frequency Navigation Transponders [C] ∥Proceedings of ION (Institute of Navigation) GPS 2000.Salt Lake City,2000:277-283.

[9]邢兆栋.同阶二元偏移载波调制信号跟踪技术[J].无线电工程,2014,44 (5):40-43,51.

[10]SOELLNER M,KURZHALS C,HECHENBLAIKNER G,et al.GNSS Offline Signal Quality Assessment [C] ∥ Proceedings of the 21st International Technical Meeting of the Satellite Division.Savannah,GA,2008:909-920.

杨再秀男，(1981—)，工程师。主要研究方向:卫星导航技术。

郭晓峰男，(1976—)，工程师。主要研究方向:卫星导航技术。

Measurement Methods of GNSS Signal Quality

Key Assessment Indexes

YANG Zai-xiu,GUO Xiao-feng,YANG Li-yun

(HebeiSatelliteNavigationTechnologyandEquipmentEngineeringTechnologyCenter,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractSince the signal quality has direct impact on the performance of satellite navigation system,the signal quality assessment has been an important work in process of navigation system design and the operation control stage.This paper analyzes the impact of signal quality on navigation system performance,and introduces the signal quality assessment parameters.The measurement methods of these parameters are also studied in this paper.The measurement principles and the hardware implementation of I/Q carrier Orthogonality,code-carrier coherency,and code-code coherency are discussed,which are based on the measurement of pseudorange and carrier phase.Test results show that the measuring accuracy of I/Q carrier orthogonality and code-carrier coherency can be less than 0.5° and the accuracy of code-code coherency can be less than 100 ps.

Key wordssignal quality assessment;I/Q carrier orthogonality;code-carrier coherency;code-code coherency

作者简介

基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2012AA121801)。

收稿日期：2015-03-07

中图分类号TN911.72

文献标识码A

文章编号1003-3106(2015)06-0055-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.15

引用格式：杨再秀，郭晓峰，杨丽云.GNSS信号质量关键指标测试方法研究[J].无线电工程，2015，45(6)：55-58.