北斗公開服務(wù)實(shí)時信號質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究

解　劍，時　磊，羅顯志，劉　亮

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050081；3.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

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北斗公開服務(wù)實(shí)時信號質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究

解劍1,2，時磊3，羅顯志1,2，劉亮1,2

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050081；3.太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024)

導(dǎo)航信號質(zhì)量的好壞直接決定了導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供的導(dǎo)航服務(wù)精度。針對現(xiàn)有的導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測只能進(jìn)行事后處理，實(shí)時性差、發(fā)現(xiàn)問題不及時和監(jiān)測時間短等問題，基于高速數(shù)字信號處理平臺，建立了實(shí)時的導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航信號頻域、時域、調(diào)制域、相關(guān)域和測量域的監(jiān)測分析，并針對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的公開服務(wù)開展了相應(yīng)的信號質(zhì)量監(jiān)測。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)完成60s信號的信號質(zhì)量監(jiān)測，所需時間為60.8s，具有很好的實(shí)時性。

實(shí)時；北斗；信號質(zhì)量監(jiān)測；高速數(shù)字信號處理

0　引言

導(dǎo)航信號是導(dǎo)航系統(tǒng)提供服務(wù)的關(guān)鍵要素，導(dǎo)航信號出現(xiàn)質(zhì)量問題將導(dǎo)致不可估量的損失[1]?，F(xiàn)階段的研究表明，導(dǎo)航信號質(zhì)量對導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能起著決定性的作用。國外的衛(wèi)星系統(tǒng)在建設(shè)或運(yùn)營過程中都曾發(fā)生過衛(wèi)星載荷發(fā)射的導(dǎo)航信號出現(xiàn)質(zhì)量問題而導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)性能下降[2]。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的快速發(fā)展，高精度導(dǎo)航應(yīng)用，諸如航空、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和搜救等，對導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能提出了更高的要求[3]。

現(xiàn)階段的導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測工作主要采用信號采集設(shè)備和事后處理的方式實(shí)現(xiàn)[4]。通過采集設(shè)備將某一段時間的導(dǎo)航信號存儲下來，事后采用軟件接收機(jī)等信號處理手段對存儲的導(dǎo)航信號進(jìn)行質(zhì)量評估。受限于采樣率、存儲空間和數(shù)據(jù)處理速度等因素，事后處理方式只能對短時間內(nèi)的導(dǎo)航信號質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，且受限于數(shù)字信號處理速度，處理5s的數(shù)據(jù)，通常需要幾分鐘甚至更長的時間，難以達(dá)到實(shí)時監(jiān)測。因此，如何在第一時間發(fā)現(xiàn)并報告導(dǎo)航衛(wèi)星載荷的信號質(zhì)量問題是確保導(dǎo)航系統(tǒng)滿足完好性和可用性設(shè)計指標(biāo)的關(guān)鍵。

本文提出一種實(shí)時的導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案，能夠?qū)崟r地對導(dǎo)航信號進(jìn)行處理，能夠快速檢測和確認(rèn)并報告導(dǎo)航衛(wèi)星的信號質(zhì)量，解決導(dǎo)航衛(wèi)星載荷信號質(zhì)量快速檢測和分析評估問題。

1　實(shí)時信號質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)模型與架構(gòu)

實(shí)時信號質(zhì)量監(jiān)測和分析評估系統(tǒng)包括標(biāo)校與模擬子系統(tǒng)、下行接收子系統(tǒng)、基帶處理與存儲回放子系統(tǒng)和分析評估子系統(tǒng)。系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖 1所示。

圖1　實(shí)時信號質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)組成

標(biāo)校與模擬子系統(tǒng)包括異常信號模擬設(shè)備和標(biāo)校設(shè)備，用于產(chǎn)生導(dǎo)航系統(tǒng)正常導(dǎo)航信號、異常導(dǎo)航信號和標(biāo)校信號，用于系統(tǒng)的測試和標(biāo)校。

下行接收子系統(tǒng)包括射頻開關(guān)、耦合器等射頻處理單元組成，實(shí)現(xiàn)輸入信號選擇、信號濾波、放大和變頻等功能，為基帶處理系統(tǒng)提供需要的信號輸入。

基帶處理與采集存儲回放子系統(tǒng)包括A/D采集模塊、基帶處理模塊和存儲回放模塊。A/D采集模塊實(shí)現(xiàn)對信號的采樣量化；基帶處理實(shí)現(xiàn)北斗公開服務(wù)導(dǎo)航信號的預(yù)處理。在采集模式下A/D器件采樣量化后的數(shù)據(jù)經(jīng)下變頻、抽取、濾波后成為零中頻數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過PCIE高速總線傳輸?shù)酱疟P陣列(或固態(tài)存儲卡)；在回放模式下將零中頻數(shù)據(jù)從磁盤陣列經(jīng)PCIE總線和回放通道傳輸?shù)交鶐幚砟K。基帶處理模塊采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)+數(shù)字信號處理芯片(DSP)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，可以很好地利用FPGA強(qiáng)大的并行處理能力和DSP的信號處理能力，有效地提高信號處理速度。

分析評估單元運(yùn)行在高性能工作站或服務(wù)器上，接收基帶采集與處理單元預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，利用信號質(zhì)量監(jiān)測算法，對導(dǎo)航信號質(zhì)量進(jìn)行分析評估。由于信號質(zhì)量監(jiān)測所需要的數(shù)據(jù)量較大，計算復(fù)雜，監(jiān)測項目多，簡單的計算平臺不能夠?qū)崿F(xiàn)信號質(zhì)量算法的實(shí)時處理。本系統(tǒng)分析評估單元選用一臺具有多個PCIE插槽的高性能工作站，并集成圖像處理器(GraphicsProcessingUnit，GPU)板卡來完成分析評估功能。

2　信號質(zhì)量監(jiān)測算法

信號質(zhì)量監(jiān)測算法是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是信號質(zhì)量分析評估的核心要素，主要采用現(xiàn)代信號處理方法，并結(jié)合導(dǎo)航信號特性進(jìn)行改進(jìn)。監(jiān)測算法主要包括頻域監(jiān)測、時域監(jiān)測、調(diào)制域監(jiān)測、相關(guān)域監(jiān)測和測量域監(jiān)測等方法。

2.1頻域監(jiān)測

頻域監(jiān)測主要進(jìn)行導(dǎo)航信號、射頻信號的功率譜和信號功率監(jiān)測，利用Welch譜估計[6]的方法，對導(dǎo)航信號的功率譜和信道功率進(jìn)行估計，分析信號功率譜包絡(luò)是否滿足設(shè)計要求，是否存在異常譜線；通過對導(dǎo)航信號信道功率的長時間統(tǒng)計，觀察信號功率是否滿足衛(wèi)星發(fā)射信號的有效全向輻射功率(EffectiveIsotropicRadiatedPower，EIRP)設(shè)計要求。

(1)

式中，

是歸一化因子，保證得到的譜是漸進(jìn)無偏估計；d2(n)為所用的加窗函數(shù)。對L分段周期圖進(jìn)行平均，可以得到整個信號的功率譜估計為：

(2)

2.2時域監(jiān)測

導(dǎo)航信號產(chǎn)生過程主要可以分為數(shù)字階段和模擬階段，信號產(chǎn)生過程中異常現(xiàn)象大致可以分為數(shù)字信號異常(TMA)、模擬信號異常(TMB)和數(shù)字與模擬異常(TMC)等幾種異?，F(xiàn)象。這些異?？梢酝ㄟ^在高信噪比條件下對恢復(fù)出的時域波形進(jìn)行監(jiān)測。大口徑天線的高增益提供了較高的信噪比，從而使導(dǎo)航信號在時域可見。時域監(jiān)測主要通過信號處理技術(shù)將接收到的信號的時域波形恢復(fù)出來，分析其碼片波形的上升沿和下降沿是否存在延遲或超前現(xiàn)象，以及延遲或超前的程度。通過把時域波形在同一個坐標(biāo)系中重繪，并進(jìn)行統(tǒng)計，可以得到眼圖和眼圖過零點(diǎn)分布。通過對眼圖和眼圖過零點(diǎn)分布的分析可以得出導(dǎo)航信號的上升沿和下降沿與設(shè)計要求的差異，驗(yàn)證信號是否存在異常。

2.3調(diào)制域監(jiān)測

導(dǎo)航信號測距精度受到信號載噪比的影響，載噪比越低，測距誤差越大。載噪比和信噪比之間存在確定性關(guān)系，C/N0=SNR×Bn。對于正交相移鍵控(QPSK)等調(diào)制信號而言，信噪比的高低決定了調(diào)制性能的好壞，在矢量信號分析中通常用矢量幅度誤差(EVM)來描述調(diào)制性能。EVM與信噪比的關(guān)系為：

(3)

本系統(tǒng)通過對導(dǎo)航信號的解擴(kuò)、解調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)播發(fā)的各種公開服務(wù)信號的星座圖，并對信號的EVM進(jìn)行估計，評估導(dǎo)航信號質(zhì)量。

2.4相關(guān)域監(jiān)測

2.4.1相關(guān)峰監(jiān)測

相關(guān)性能是導(dǎo)航信號最重要的性能，是地面設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)航信號接收處理的關(guān)鍵因素[7]。相關(guān)峰測試主要采用多相關(guān)器技術(shù)，在信號跟蹤過程中復(fù)現(xiàn)信號的自相關(guān)峰。本系統(tǒng)采用多相關(guān)的處理的方法，在跟蹤環(huán)路中設(shè)置多組相關(guān)器。多相關(guān)的監(jiān)測接收機(jī)是附加N路相關(guān)器通道，每路通道的相關(guān)器與即時通道相關(guān)器保持固定的碼片間距。從而監(jiān)測通道可以輸出接收信號與本地信號不同碼片間距的相關(guān)值，通過判斷相關(guān)峰的對稱性與平滑性來判斷信號是否出現(xiàn)異常。

2.4.2相關(guān)損耗監(jiān)測

相關(guān)耗損是衡量導(dǎo)航信號相關(guān)性能的一個重要的指標(biāo)[4]，導(dǎo)航信號空間信號接口控制文檔中對每種信號的相關(guān)耗損都進(jìn)行了規(guī)定。導(dǎo)航信號的相關(guān)損耗主要由2個原因?qū)е拢孩?同一載頻上復(fù)用了多個信號分量；② 由于信道帶寬限制和失真導(dǎo)致。

下面對相關(guān)損耗的定義進(jìn)行闡述。導(dǎo)航信號相關(guān)函數(shù)的計算公式為：對接收的數(shù)字信號進(jìn)行多普勒去除，得到基帶信號分量，計算其與本地理想碼序列參考信號的歸一化互相關(guān)，如下式：

(4)

式中，SBB-PreProc表示累加平均處理后的基帶信號；參考信號SRef表示本地接收機(jī)產(chǎn)生的理想基帶復(fù)制碼信號；積分時間Tp通常對應(yīng)參考信號的主碼周期。

相關(guān)損耗指在相關(guān)處理中有用信號功率相對于所接收信號的全部可用功率的損耗，由下式計算：

(5)

(6)

2.5測量域監(jiān)測

測量域監(jiān)測主要利用基帶處理模塊對導(dǎo)航信號接收得到的測量信息進(jìn)行監(jiān)測，導(dǎo)航信號的測量性能是導(dǎo)航服務(wù)性能的直接體現(xiàn)。測量域監(jiān)測主要分為偽距測量值和載波相位測量值方面的監(jiān)測，導(dǎo)航信號通常包含多個信號分量，通過對多個信號分量測量值的組合監(jiān)測可以對導(dǎo)航信號的測量域性能進(jìn)行全方位的監(jiān)測[8]。測量域監(jiān)測項目具體可分為以下幾個方面。

2.5.1一致性監(jiān)測

一致性監(jiān)測主要包括碼相位一致性和載波相位一致性的監(jiān)測。目前的導(dǎo)航應(yīng)用中，經(jīng)常會用到不同信號分量和不同頻點(diǎn)之間的測量信號來實(shí)現(xiàn)組合定位，因此不同信號分量之間的測量值應(yīng)該滿足一定要求。接口控制文件中也對不同信號分量之間的碼相位一致性和載波相位關(guān)系都進(jìn)行了規(guī)定。一致性監(jiān)測主要針對導(dǎo)航信號的偽距測量值和載波相位測量值進(jìn)行監(jiān)測，判斷導(dǎo)航信號一致性是否滿足要求。

2.5.2測距碼正確性監(jiān)測

測距碼的相關(guān)性是導(dǎo)航接收設(shè)備能夠?qū)?dǎo)航信號進(jìn)行接收處理，實(shí)現(xiàn)測量的關(guān)鍵因素。通常測距碼的相關(guān)性能好壞直接影響導(dǎo)航接收設(shè)備的測量性能。本系統(tǒng)一方面通過對接收信號的捕獲跟蹤處理，從導(dǎo)航信號中提取出測距碼，另一方面在本地根據(jù)測距碼的生成式生成正確的測距碼，最后將二者進(jìn)行比對，驗(yàn)證導(dǎo)航信號播發(fā)的測距碼是否正確。

2.5.3異常監(jiān)測

異常監(jiān)測主要包括偽距測量異常和載波相位測量異常。導(dǎo)航信號發(fā)生短暫異?，F(xiàn)象，通常會導(dǎo)致接收端測量值出現(xiàn)異常，影響導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重后果。通過基帶處理模塊獲得的偽距和載波相位信息，結(jié)合異常監(jiān)測算法，對導(dǎo)航信號偽距測量值和載波相位測量值的異常狀況進(jìn)行監(jiān)測。偽距異常主要通過統(tǒng)計偽距的一階和二階變化率來進(jìn)行監(jiān)測；載波相位異常監(jiān)測主要通過統(tǒng)計載波相位的載波階躍和載波加速度實(shí)現(xiàn)。

3　信號質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果

下面利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的公開服務(wù)信號對本系統(tǒng)的監(jiān)測能力進(jìn)行驗(yàn)證[9]。采用本系統(tǒng)分別對B1信號的功率譜、眼圖、星座圖和相關(guān)峰進(jìn)行了分析，如圖2、圖3、圖4和圖5所示。分析結(jié)果能夠很好地反映導(dǎo)航信號的頻域、時域、調(diào)制域和相關(guān)域性能，實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航信號質(zhì)量的監(jiān)測。

圖2　B1信號功率譜

圖3　B1信號眼圖

圖4　B1信號星座圖

圖5　B1信號相關(guān)峰

用采集設(shè)備分別采集了5s，30s和1min的數(shù)據(jù)，采集設(shè)備采樣率為240MHz，量化位數(shù)為16bit，分析帶寬80MHz，用傳統(tǒng)方法和本系統(tǒng)分別進(jìn)行導(dǎo)航信號質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，比較了2種方法完成信號質(zhì)量監(jiān)測所需要的時間，如表1所示。

表1　傳統(tǒng)方法與本系統(tǒng)方法處理時間對比 (單位：s)

從分析結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)方法處理5s的數(shù)據(jù)，需要263.8s的時間，隨著數(shù)據(jù)長度的增加，處理所需的時間也增加。而本系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)60s的數(shù)據(jù)，所用時間為60.8s，處理信號花費(fèi)的時間基本與數(shù)據(jù)長度相當(dāng)，能夠在較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號的分析評估，相比于傳統(tǒng)的信號處理方法而言，具有很好的實(shí)時性。此外，由于傳統(tǒng)處理方法各監(jiān)測項目之間采用串行處理方法，隨著監(jiān)測項目的增加，處理所需時間也會增加，而本系統(tǒng)各個監(jiān)測項目之間采用并行處理模式，增加監(jiān)測項目對處理所需時間不會產(chǎn)生太大影響。

4　結(jié)束語

基于高速數(shù)字信號處理平臺，利用硬件平臺對導(dǎo)航信號進(jìn)行實(shí)時預(yù)處理，并采用高性能計算平臺對導(dǎo)航信號質(zhì)量進(jìn)行分析評估，建立了實(shí)時的北斗公開服務(wù)導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)[10]。本文首先介紹了系統(tǒng)采用的導(dǎo)航衛(wèi)星信號頻域、時域、調(diào)制域、相關(guān)域和測量域等層面的質(zhì)量監(jiān)測算法，最后利用本系統(tǒng)開展了相應(yīng)的信號質(zhì)量監(jiān)測工作，對北斗B1導(dǎo)航信號的功率譜、眼圖、星座圖和相關(guān)峰等信號質(zhì)量進(jìn)行了分析評估。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)處理60 s的數(shù)據(jù)，需要60.8 s的時間，與數(shù)據(jù)的時間長度相當(dāng)。本系統(tǒng)的建立能夠?qū)崿F(xiàn)對導(dǎo)航信號質(zhì)量的各項指標(biāo)的長時間連續(xù)監(jiān)測，解決了傳統(tǒng)方法只能事后處理，處理速度慢、實(shí)時性差、信號處理時間隨監(jiān)測項目增多而增加等問題，在導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)中具有很好的應(yīng)用前景。

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解劍男，(1986—)，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測等。

羅顯志男，(1976—)，高級工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航、導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測等。

ResearchofReal-TimeSignalQualityMonitoringofBeiDouOpenService

XIEJian1,2，SHILei3，LUOXian-zhi1,2，LIULiang1,2

(1.State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology,Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Satellite Navigation Technology and Equipment Engineering Technology Research Center of Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050081，China；3.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China)

Thequalityofnavigationsignaldirectlyaffectstheperformanceofthenavigationserviceprovidedbynavigationsystem.Existingsystemsofsignalqualitymonitoringcanonlyperformprocessingexpost，havingsomeproblemsinreal-timeprocessingandmonitoringperiod.Basedonhighspeeddigitalsignalprocessingplatform，weconstituteareal-timesignalqualitymotoringsystemtomonitorthequalityofnavigationsignalinspectrum，time，modulation，correlationandmeasurementdomain.AndwegetsomemonitoringresultsforBeiDouopenservicesignals.Accordingtothetestresults，thissystemusesonly60.8secondstoprocesssignalfor60secondswithhighqualityinreal-timeprocessing.

real-time；BeiDou；signalqualitymonitoring；highspeeddigitalsignalprocessing

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.11

2016-04-29

地理信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項目(SKLGIE2014-M-2-4)。

TP311A

1003-3106(2016)08-0043-04

引用格式：解劍，時磊，羅顯志，等.北斗公開服務(wù)實(shí)時信號質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].無線電工程,2016,46(8):43-46，60.