北斗公開服務實時信號質量監測系統研究

解　劍，時　磊，羅顯志，劉　亮

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.河北省衛星導航技術與裝備工程技術研究中心，河北 石家莊 050081；3.太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024)

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北斗公開服務實時信號質量監測系統研究

解劍1,2，時磊3，羅顯志1,2，劉亮1,2

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.河北省衛星導航技術與裝備工程技術研究中心，河北 石家莊 050081；3.太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024)

導航信號質量的好壞直接決定了導航系統能夠提供的導航服務精度。針對現有的導航信號質量監測只能進行事后處理，實時性差、發現問題不及時和監測時間短等問題，基于高速數字信號處理平臺，建立了實時的導航信號質量監測系統，實現了導航信號頻域、時域、調制域、相關域和測量域的監測分析，并針對北斗導航系統的公開服務開展了相應的信號質量監測。測試結果表明，本系統完成60s信號的信號質量監測，所需時間為60.8s，具有很好的實時性。

實時；北斗；信號質量監測；高速數字信號處理

0　引言

導航信號是導航系統提供服務的關鍵要素，導航信號出現質量問題將導致不可估量的損失[1]。現階段的研究表明，導航信號質量對導航系統的服務性能起著決定性的作用。國外的衛星系統在建設或運營過程中都曾發生過衛星載荷發射的導航信號出現質量問題而導致系統服務性能下降[2]。隨著衛星導航系統應用的快速發展，高精度導航應用，諸如航空、精準農業和搜救等，對導航系統服務性能提出了更高的要求[3]。

現階段的導航信號質量監測工作主要采用信號采集設備和事后處理的方式實現[4]。通過采集設備將某一段時間的導航信號存儲下來，事后采用軟件接收機等信號處理手段對存儲的導航信號進行質量評估。受限于采樣率、存儲空間和數據處理速度等因素，事后處理方式只能對短時間內的導航信號質量進行監測，且受限于數字信號處理速度，處理5s的數據，通常需要幾分鐘甚至更長的時間，難以達到實時監測。因此，如何在第一時間發現并報告導航衛星載荷的信號質量問題是確保導航系統滿足完好性和可用性設計指標的關鍵。

本文提出一種實時的導航信號質量監測系統體系架構和實現方案，能夠實時地對導航信號進行處理，能夠快速檢測和確認并報告導航衛星的信號質量，解決導航衛星載荷信號質量快速檢測和分析評估問題。

1　實時信號質量監測系統模型與架構

實時信號質量監測和分析評估系統包括標校與模擬子系統、下行接收子系統、基帶處理與存儲回放子系統和分析評估子系統。系統體系架構如圖 1所示。

圖1　實時信號質量監測系統組成

標校與模擬子系統包括異常信號模擬設備和標校設備，用于產生導航系統正常導航信號、異常導航信號和標校信號，用于系統的測試和標校。

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

基帶處理與采集存儲回放子系統包括A/D采集模塊、基帶處理模塊和存儲回放模塊。A/D采集模塊實現對信號的采樣量化；基帶處理實現北斗公開服務導航信號的預處理。在采集模式下A/D器件采樣量化后的數據經下變頻、抽取、濾波后成為零中頻數據，該數據通過PCIE高速總線傳輸到磁盤陣列(或固態存儲卡)；在回放模式下將零中頻數據從磁盤陣列經PCIE總線和回放通道傳輸到基帶處理模塊。基帶處理模塊采用現場可編程門陣列(FPGA)+數字信號處理芯片(DSP)架構實現，可以很好地利用FPGA強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。

分析評估單元運行在高性能工作站或服務器上，接收基帶采集與處理單元預處理后的數據，利用信號質量監測算法，對導航信號質量進行分析評估。由于信號質量監測所需要的數據量較大，計算復雜，監測項目多，簡單的計算平臺不能夠實現信號質量算法的實時處理。本系統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　信號質量監測算法

信號質量監測算法是本系統的關鍵部分，是信號質量分析評估的核心要素，主要采用現代信號處理方法，并結合導航信號特性進行改進。監測算法主要包括頻域監測、時域監測、調制域監測、相關域監測和測量域監測等方法。

2.1頻域監測

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

(1)

式中，

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

(2)

2.2時域監測

導航信號產生過程主要可以分為數字階段和模擬階段，信號產生過程中異常現象大致可以分為數字信號異常(TMA)、模擬信號異常(TMB)和數字與模擬異常(TMC)等幾種異常現象。這些異常可以通過在高信噪比條件下對恢復出的時域波形進行監測。大口徑天線的高增益提供了較高的信噪比，從而使導航信號在時域可見。時域監測主要通過信號處理技術將接收到的信號的時域波形恢復出來，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象，以及延遲或超前的程度。通過把時域波形在同一個坐標系中重繪，并進行統計，可以得到眼圖和眼圖過零點分布。通過對眼圖和眼圖過零點分布的分析可以得出導航信號的上升沿和下降沿與設計要求的差異，驗證信號是否存在異常。

2.3調制域監測

導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系，C/N0=SNR×Bn。對于正交相移鍵控(QPSK)等調制信號而言，信噪比的高低決定了調制性能的好壞，在矢量信號分析中通常用矢量幅度誤差(EVM)來描述調制性能。EVM與信噪比的關系為：

(3)

本系統通過對導航信號的解擴、解調，可以實現北斗導航系統播發的各種公開服務信號的星座圖，并對信號的EVM進行估計，評估導航信號質量。

2.4相關域監測

2.4.1相關峰監測

相關性能是導航信號最重要的性能，是地面設備能夠實現導航信號接收處理的關鍵因素[7]。相關峰測試主要采用多相關器技術，在信號跟蹤過程中復現信號的自相關峰。本系統采用多相關的處理的方法，在跟蹤環路中設置多組相關器。多相關的監測接收機是附加N路相關器通道，每路通道的相關器與即時通道相關器保持固定的碼片間距。從而監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值，通過判斷相關峰的對稱性與平滑性來判斷信號是否出現異常。

2.4.2相關損耗監測

相關耗損是衡量導航信號相關性能的一個重要的指標[4]，導航信號空間信號接口控制文檔中對每種信號的相關耗損都進行了規定。導航信號的相關損耗主要由2個原因導致：① 同一載頻上復用了多個信號分量；② 由于信道帶寬限制和失真導致。

下面對相關損耗的定義進行闡述。導航信號相關函數的計算公式為：對接收的數字信號進行多普勒去除，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，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表示本地接收機產生的理想基帶復制碼信號；積分時間Tp通常對應參考信號的主碼周期。

相關損耗指在相關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測量域監測

測量域監測主要利用基帶處理模塊對導航信號接收得到的測量信息進行監測，導航信號的測量性能是導航服務性能的直接體現。測量域監測主要分為偽距測量值和載波相位測量值方面的監測，導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測可以對導航信號的測量域性能進行全方位的監測[8]。測量域監測項目具體可分為以下幾個方面。

2.5.1一致性監測

一致性監測主要包括碼相位一致性和載波相位一致性的監測。目前的導航應用中，經常會用到不同信號分量和不同頻點之間的測量信號來實現組合定位，因此不同信號分量之間的測量值應該滿足一定要求。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系都進行了規定。一致性監測主要針對導航信號的偽距測量值和載波相位測量值進行監測，判斷導航信號一致性是否滿足要求。

2.5.2測距碼正確性監測

測距碼的相關性是導航接收設備能夠對導航信號進行接收處理，實現測量的關鍵因素。通常測距碼的相關性能好壞直接影響導航接收設備的測量性能。本系統一方面通過對接收信號的捕獲跟蹤處理，從導航信號中提取出測距碼，另一方面在本地根據測距碼的生成式生成正確的測距碼，最后將二者進行比對，驗證導航信號播發的測距碼是否正確。

2.5.3異常監測

異常監測主要包括偽距測量異常和載波相位測量異常。導航信號發生短暫異常現象，通常會導致接收端測量值出現異常，影響導航系統服務性能，甚至導致嚴重后果。通過基帶處理模塊獲得的偽距和載波相位信息，結合異常監測算法，對導航信號偽距測量值和載波相位測量值的異常狀況進行監測。偽距異常主要通過統計偽距的一階和二階變化率來進行監測；載波相位異常監測主要通過統計載波相位的載波階躍和載波加速度實現。

3　信號質量監測結果

下面利用北斗導航系統的公開服務信號對本系統的監測能力進行驗證[9]。采用本系統分別對B1信號的功率譜、眼圖、星座圖和相關峰進行了分析，如圖2、圖3、圖4和圖5所示。分析結果能夠很好地反映導航信號的頻域、時域、調制域和相關域性能，實現對導航信號質量的監測。

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信號相關峰

用采集設備分別采集了5s，30s和1min的數據，采集設備采樣率為240MHz，量化位數為16bit，分析帶寬80MHz，用傳統方法和本系統分別進行導航信號質量進行監測，比較了2種方法完成信號質量監測所需要的時間，如表1所示。

表1　傳統方法與本系統方法處理時間對比 (單位：s)

從分析結果可以看出，傳統方法處理5s的數據，需要263.8s的時間，隨著數據長度的增加，處理所需的時間也增加。而本系統處理數據60s的數據，所用時間為60.8s，處理信號花費的時間基本與數據長度相當，能夠在較短時間內實現導航信號的分析評估，相比于傳統的信號處理方法而言，具有很好的實時性。此外，由于傳統處理方法各監測項目之間采用串行處理方法，隨著監測項目的增加，處理所需時間也會增加，而本系統各個監測項目之間采用并行處理模式，增加監測項目對處理所需時間不會產生太大影響。

4　結束語

基于高速數字信號處理平臺，利用硬件平臺對導航信號進行實時預處理，并采用高性能計算平臺對導航信號質量進行分析評估，建立了實時的北斗公開服務導航信號質量監測系統[10]。本文首先介紹了系統采用的導航衛星信號頻域、時域、調制域、相關域和測量域等層面的質量監測算法，最后利用本系統開展了相應的信號質量監測工作，對北斗B1導航信號的功率譜、眼圖、星座圖和相關峰等信號質量進行了分析評估。測試結果表明，本系統處理60 s的數據，需要60.8 s的時間，與數據的時間長度相當。本系統的建立能夠實現對導航信號質量的各項指標的長時間連續監測，解決了傳統方法只能事后處理，處理速度慢、實時性差、信號處理時間隨監測項目增多而增加等問題，在導航系統建設中具有很好的應用前景。

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解劍男，(1986—)，工程師。主要研究方向：衛星導航、導航信號質量監測等。

羅顯志男，(1976—)，高級工程師。主要研究方向：衛星導航、導航信號質量監測等。

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實驗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.北斗公開服務實時信號質量監測系統研究[J].無線電工程,2016,46(8):43-46，60.