卫星导航长码信号波形监测方法

刘建成，王 宇，宫 磊，徐晓燕

卫星导航长码信号波形监测方法

刘建成，王 宇，宫 磊，徐晓燕

（北京卫星导航中心，北京100094）

由于信号微弱，如何获得在轨导航卫星的清晰信号波形是卫星导航信号质量监测研究中的难点之一，为此提出了一种在轨导航卫星的信号波形监测方法。该方法基于Vernier采样原理，利用大口径抛物面天线对在轨卫星进行信号采集，经过消除初相和残余频率、累加平均和数据组合等处理，获得清晰的码片波形。对于相同码速率的民用信号和长码信号，可确定民用信号和长码信号的伪码相位偏差。利用大口径抛物面天线对北斗卫星进行跟踪，获得了多颗北斗卫星B1频点民用信号和长码信号的码片波形。结果表明，民用信号和长码信号的码片波形的轮廓差异较小，但伪码相位存在偏差。

信号质量监测；长码信号；波形监测；北斗卫星导航系统

引用格式：刘建成，王 宇，宫 磊，等.卫星导航长码信号波形监测方法［J］.无线电工程，2016，46（5）：45-48.

0 引言

在轨导航卫星的信号发射通道故障会导致信号波形畸变［1］，而信号波形的畸变将影响接收机对信号的捕获和跟踪，因此需要对在轨卫星进行信号质量监测［2］。卫星导航信号质量监测项目包括：功率谱、眼图、星座图、相关峰、码片波形、发播信号功率［3］、伪码序列、I/Q支路载波相位正交性、I/Q支路伪码相位一致性［4］、I/Q支路伪码测量一致性［5］以及伪码测量与载波相位测量一致性等。按评估方式可分为基于专家判读的定性监测和基于自动判决的定量监测［6］。码片波形监测是对导航信号的I支路码片波形或Q支路码片波形的监测，从时域上检查信号是否发生畸变。通过比较实际接收信号码片波形和理想信号码片波形的宽度、上升沿和下降沿的差异等来判断信号是否发生畸变。文献［7］研究了基于清晰波形的多个评估指标的测试方法。

由于地面接收的导航信号载噪比低，码速率高，因此普通的采集设备不足以描述波形细节，需要在数据处理阶段对多个伪码周期的采集数据进行平均。由于 GPS卫星民用信号一个信息码内包含20个重复伪码，文献［8-10］提出了基于Vernier采样原理的GPS民用信号采集方法和处理方法。采用大口径天线跟踪GPS卫星，实现对GPS卫星L1频点C/A信号的采集，采样率大小考虑了径向速度影响。经过消除初相、残余频率后，对一个信息码内的20个伪码周期采集数据进行数据组合，再经累加减小噪声影响后，获得了多颗GPS健康卫星清晰的时域波形。北斗卫星民用信号一个信息码内也包含20个重复伪码，但伪码周期又经过了二次编码，一个信息码内的伪码符号不同，所以不能直接对一个信息码内的 20个伪码进行数据组合。文献［11-12］提出了先对符号相同的伪码进行累积平均，然后再数据组合，因此这种数据处理方法数据率提高倍数不受限制，同时选择在径向速度为零时进行信号采集，减小了径向运动对码片宽度的影响。

但对于长码信号而言，在信号采集时间内扩频码是非周期性的，因此无法直接采用民用信号的处理方法实现多周期累积和提高数据率。民用信号的周期性表现为伪码周期，对于长码信号而言，只能利用码片的周期性。在基于Vernier采样原理进行数据采集的基础上，先对符号相同的码片进行累积平均，然后再数据组合。这种方法可以提高长码信号的载噪比和数据率，获得清晰的长码信号的码片波形。由于该方法也适用于民用信号，因此如果相同频率的民用信号和长码信号的码速率相同，则可同时获得2个支路的码片波形，并根据码片波形的起点差异，获得I/Q支路伪码相位偏差。

1 基于Vernier采样的信号采集方法

对于周期重复性数据，如果每个周期的第1个采样点相对周期起点的位置错开固定间隔，如图1所示，则经数据组合处理，可以把n个周期的数据合成为一个周期的数据，提高了数据率。

图1　Vernier采样原理的数据组合

若预提高数据率倍数为n，根据Vernier采样原理确定采样率为［8］：

在进行数据组合前，一般要对采集数据先消除初相和频率残差，然后对n个周期的数据进行累加以提高载噪比。

2 长码信号采集方法

对民用信号而言，图1中的一个周期对应的是一个伪码周期，但对于长码信号而言，图1中的一个周期对应的是一个码片宽度。由于相邻码片的符号不一定是相同的，因此不能直接进行数据组合处理。为改变这种特性，以n个周期的数据为平均处理周期，先对符号相同的采集数据进行累积平均，使每个周期的符号均相同。比如，第n+1个码片的符号如果与第1个码片的符号相同，则该周期进行平均，若符号不同则不做处理。完成累加平均后再进行数据组合，既提高了载噪比也提高了数据率。这样的处理方法避开了由于长码信号伪码的周期太长导致无法直接采用民用信号的处理方法实现多周期累积和提高数据率的问题。

一般说来，卫星导航信号在相同的频率上，I支路调制民用信号，Q支路调制长码信号。如果民用信号和长码信号的码速率是相同的，则在同时获得清晰码片波形的基础上，可获得民用信号和长码信号的伪码相位偏差。

因此，长码信号采集和数据处理步骤包括：

①根据式（1）确定采样率，利用大口径抛物面天线完成信号采集。

信号采集需采用大口径抛物面天线，主要目的是进行接收信号放大和空域选择，以减小非信号方向干扰和多径的影响，同时接收链路采用带通滤波器，在频域上进行选择，且滤波器带宽与卫星载荷发射信号带宽相匹配，以减小噪声影响。为减小径向运动对码片宽度的影响，在径向多普勒速度为0时实现信号采集。

②消除初相和残余频率，获得民用信号和长码信号的数据序列。

为消除采集数据的初相和残余频率，不断调整频率和相位，对采集数据进行反相位调制处理。然后查看数据的实部和虚部是否均表现为码片形状，且码片宽度约为由码速率决定的码片宽度的倍数。调整频率和相位直至满足上述要求，反相位调制后，处理后数据的实部就是民用信号的数据序列，虚部是长码信号的数据序列。

由于消除初相时存在π相位模糊，因此存在2个初相，分别对应卫星发播的原信号初相及原信号初相的反相，而不同初相获得的是2组数据结果。由于信号采集时长不足以获得电文帧同步头，因此无法解决π相位模糊问题。下面对这2种数据分别进行处理，处理过程相同。

③确定码片起始采样点和每个码片的符号。

根据民用信号数据序列的正负号变化粗略确定一个码片的零交叉点位置，并把零交叉点后的第1个采样点确定为该码片的起始采样点。该起始点同时作为长码信号数据序列的起始点。根据起始采样点延后半个码片的数据的符号，确定为该码片符号。若不考虑信息码和二次编码符号影响，则确定的该码片符号就是伪码的符号。

④对民用信号和长码信号根据码片符号分别进行累加平均。

单独正码片的特性是当前码片符号为正，而前一个码片和后一个码片的符号均为负。按照符合该特性的码片进行累加平均。

⑤对民用信号和长码信号分别进行数据组合处理，获得了清晰的码片波形。

根据Vernier采样原理，对n个码片且长度为n·M-1的民用信号和长码信号分别进行数据组合，分别形成一个码片周期的数据序列。新的数据序列长度不变，但数据间隔缩小了n倍，可表示为：

式中，Tr为码片宽度。

⑥确定民用信号和长码信号不同的码片起点位置，则2个起点位置差即为伪码相位偏差。

分别对民用信号和长码信号正码片的上升沿部分进行线性拟合，令线性拟合获得的多项式方程为零，解该方程获得码片起点位置。民用信号码片和长码信号码片的起点位置差为伪码相位偏差。

⑦分别处理π相位模糊的数据序列，获得伪码相位偏差。

3 北斗卫星B1频点信号波形特性分析

大口径抛物面天线分别对北斗卫星导航系统的1号、3号、4号、6号、7号和9号卫星进行跟踪，利用具有矢量信号分析功能的Agilent E4445A在中频实现了B1频点信号的采集。

选择n=50，Agilent E4445A最大分析带宽为80 MHz，北斗卫星B1频点码速率为2.046 Mcps，根据式（1）计算采样率为102.259 08 MHz。采集信号时长0.5 s，VSA 89600软件存储数据类型选择mat类型，文件大小约为400 MB。

下面首先比较了文献［11］方法和本文方法对民用信号的波形监测结果，然后对同一颗卫星采用新方法获得的民用信号和长码信号的波形进行了比较，最后比较了不同卫星的波形差异。

3.1 种处理方法对民用信号的波形监测结果比较

采用文献［11］的采集的IGSO-1卫星数据，采样率为102.399 95 MHz。采用文献［11］的处理方法获得了民用信号一个伪码周期的码片波形，选取其中一个正码片，如图2（a）所示。采用本文的采集数据和处理方法，获得了民用信号的一个码片波形，如图2（b）所示。

图2　2种处理方法比较

比较图2波形可以看出，2种处理方法获得的民用信号码片波形的轮廓相同，但由于后者的累积次数更多所以码片波形更清晰，因此本文的处理方法更具有优势。

3.2 民用信号和长码信号波形比较及伪码相位偏差

采用本文方法对北斗卫星导航系统的1号、3号、4号、6号、7号和9号卫星的采集信号进行处理，获得了民用信号和长码信号码片波形，如图3所示。

图3　民用信号和长码信号码片波形比较

由图3可以看出，民用信号和长码信号的码片波形的轮廓差异较小，但存在2种波形间上升沿的超前或滞后现象，即伪码相位存在偏差。

3.3 不同卫星的码片波形比较

为比较不同卫星的波形差异，对本文处理方法获得的多颗卫星的码片波形做了19点移动平均处理，以改善噪声影响。民用信号处理结果如图4（a）所示，长码信号处理结果如图4（b）所示。由图4可以看出，无论是民用信号还是长码信号，不同卫星的码片波形均有稍微差异。波形不同可能会导致测距偏差不同，进而影响测距精度。

图4　不同卫星码片波形比较

4 结束语

本文提出了一种在轨导航卫星的信号波形监测方法。利用大口径抛物面天线对北斗卫星进行跟踪，完成了多颗卫星的信号采集和数据处理，获得了多颗北斗卫星B1频点民用信号和长码信号的码片波形。下一步研究工作是进行足够长时间的信号采集以解π相位模糊，进而获得明确的民用信号和长码信号的伪码相位偏差。

［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］ 刘建成，桑怀胜，徐 赟，等.卫星导航信号异常对信噪比的影响［J］.电讯技术，2013，53（1）：28-32.

［3］ 王 斌，庞 岩，刘会杰.导航信号有害波形检测技术研究［J］.电子与信息学报，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］ 刘建成，温日红，王宏兵，等.卫星导航信号质量监测［J］.测绘科学与工程，2014（3）：43-46.

［7］ 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）：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，FAN 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，FAN Jian-jun，FENG 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

刘建成 男，（1976—），博士，工程师。主要研究方向：卫星导航信号质量监测、卫星导航测量数据质量分析。

王 宇 男，（1975—），高级工程师。主要研究方向：卫星导航工程。