北斗衛星導航系統在軌信號監測與數據質量分析＊

歐陽曉鳳，徐成濤，劉文祥，歐 鋼

（國防科學技術大學電子科學與工程學院衛星導航研發中心，湖南 長沙410073）

0 引 言

導航信號質量分析技術是我國北斗衛星信號質量的地面測試與在軌監測的重要保障，為系統故障診斷、衛星信號完好性監測等提供重要支撐。

目前GPS和Galileo都建立了成熟的導航信號質量監測分析系統。這些系統都是通過共用已經建成的用于科學研究的大口徑拋物面天線，或自建小口徑自動跟蹤的拋物面天線，實現對信號的高增益接收，完成對導航信號參數的精細分析及實時監測功能。這些系統在衛星初始在軌測試和信號異常故障定位方面發揮了重要作用。但是國外導航信號監測分析系統大都是進行離線事后分析的研究型平臺，未接入系統在線工作運行而直接對系統和用戶產生效益，沒有解決好快速在線告警與離線精確分析結合的問題。

GPS由SRI在斯坦福大學建設了信號特性及參數分析系統，該信號質量監測系統共用了斯坦福大學用于科學研究的47m大型操縱型天線，天線增益高達52dB，可在不解擴的情況下直接對信號進行測量。但該天線必須人工控制，數據采集的周期很慢，無法做到對衛星進行全時段的實時監測。為此SRI又建立了具有自動跟蹤功能的監測系統，使用直徑1.8m天線進行自動跟蹤功能，可在無人工參與的情況下對可視衛星進行全時段的監測[1]。

Galileo在建設初期就非常重視對信號特性及參數的分析，在試驗衛星GIOVE－A和GIOVE－B發射之后，就對衛星信號的接收功率、調制質量等參數進行了充分的驗證。伽利略系統的空間信號測試任務主要由歐洲空間技術研究中心（ESTEC）的導航實驗室完成，并組建了多個地面觀測站，包括英國Chilbolton天文臺[2]和荷蘭Noordwijk監測站[3]。這兩套系統的結構類似，都是由業已建成的高增益天線及Galileo全向天線、低噪聲放大器、標準測量儀器、高速數據采集設備Bitgrabber、伽利略測試接收機（GETR）等設備組成。

本系統結合目前國內外信號質量監測現狀，將監測接收機一致校驗系統粗檢與大口徑高增益天線伺服系統精檢相結合，實現了在軌衛星的數據層長期評估和信號層精細分析。

1 導航信號質量監測平臺設計

1.1 工作原理

為實現對北斗和其它導航系統的在軌信號質量監測，搭建導航信號質量監測平臺，對各大系統在軌星座的全網信號質量實時監測、異常衛星的單星評估和地面試驗衛星的質量監控。系統工作原理如圖1所示。

圖1 導航信號質量監測系統工作流程圖

上圖中工作流程包括監測接收機通過全向天線全時段接收并將接收到的各系統在軌衛星信號通過信號分析軟件進行長期的數據層粗略檢測，主要包括信號多普勒、載噪比、偽距測量值、載波相位測量值以及相關峰的評估。當三臺監測接收機中兩臺以上發生異常告警時自動啟動異常監測模式，或由衛星工況或其它異常信息反饋控制，觸發大口徑拋物面天線對異常衛星進行跟蹤，經采集系統回放異常信號，由信號質量分析軟件進行精細的在線短時間隔式分析。涵蓋衛星信號的時頻、頻域、調制域、測量域，具體分析指標如表1所示。

1.2 功能描述

GNSS導航信號質量監測與分析系統包括天線單元、信號監測接收單元、射頻采樣與數字下變頻單元、信號采集存儲單元、信號質量分析評估與監控單元，共同完成信號質量監測與分析。它們之間的關系如圖2所示。

表1 精細評估指標分類

圖2 GNSS系統導航信號質量監測系統

圖2中天線單元完成在軌衛星信號的跟蹤，包括全向天線對全網在軌星座的信號全時段接收，以及7.5m大口徑天線對指定單顆衛星的信號高增益接收。

信號監測接收單元由三臺同源監測接收機進行實時連續的全網監測接收，在DSP處理器高層調度程序控制下，完成對信號的捕獲、跟蹤、鎖定檢測、數據恢復、測量處理等操作，獲得信號載噪比、偽碼相關峰、偽距載波相位觀測量、導航電文等數據文件。

射頻采樣與數字下變頻單元和信號采集存儲單元共同完成射頻信號的數字下變頻、帶通濾波、A／D采樣及信號回放。為實現系統的短時實時在線分析，該單元支持中頻信號整段采集存儲的同時分段截取數據流至磁盤陣列，信號回放過程讀取磁盤陣列中待分析信號文件，分段流盤并輸出至信號質量分析評估監控單元。

信號質量分析評估與監控單元由系統PC終端軟件完成，包括數據層和信號層的分析處理。該單元可對全網監測接收結果進行一致性校驗及數據層粗略檢測，發現異常后告警并觸發單星跟蹤模式及信號精細檢測對全網監測接收結果進行一致性校驗及數據層粗略檢測，發現異常后告警并觸發單星跟蹤模式及信號精細檢測。信號層的精細檢測輸入為分段流盤數據，由軟件接收機完成捕獲跟蹤后進行全指標分析，分析結果按域可視化輸出至用戶界面，并實時存儲分析結果文件。

系統具體功能與設備描述如表2所述：

表2 信號質量監測分析系統功能

1.3 軟件設計

系統PC終端裝載信號質量分析軟件，該軟件接收來自于采樣系統傳輸子模塊的采樣數據，對信號的相關指標進行實時的長期數據層分析和事后信號層短時分析，將信號相關域、調制域、頻域、時域、測量域指標分析結果存儲并輸出至軟件界面顯示。

軟件與系統的外部接口讀取采集存儲系統的中頻或基帶采樣數據文件，軟件內部設計分為界面及信號分析算法兩部分，內部接口設計及工作流程如圖3所示。

圖3 信號質量分析軟件工作流程圖

2 實測數據分析結果

2.1 實測場景設置

利用上述導航信號質量監測平臺，對北斗在軌信號和其它導航系統信號進行了實際評估。分別使用 Trimble接收機對 GPS－PRN15、GLONASSPRN12和北斗二代一期MEO－12號衛星在軌信號開展實測，其中指標精細檢測場景下采用本單位7.5m轉臺天線 （如圖4所示）進行高增益接收，由評估單元的軟件完成時域、頻域、調制域、相關域、測量域等精細檢測的指標分析。

圖4 國防科大導航中心信號監測7.5m大口徑天線

粗略檢測場景使用全向天線（如圖5所示）。

兩種天線接收的信號由系統采集存儲小系統回放（如圖6所示），并由終端PC軟件進行全星座的長期數據層分析和全指標信號層分析。

2.2 數據質量分析結果

多系統信號質量的數據層檢測主要完成信號的數據層長期評估，對平行一致校驗后的異常信號載噪比、偽碼相關峰、偽距載波相位觀測量、導航電文等數據進行粗略分析，主要分析指標包括碼減載波、頻間相位互差穩定性和相關峰對稱性。

圖5 國防科大導航中心信號監測全向天線

圖6 信號監測采集回放系統

對衛星信號質量的在軌測試中，為剝離電離層延遲和本地多徑的影響，采用7.5m大口徑天線進行單星窄波束跟蹤和高增益接收時。使用本系統監測接收機在大口徑天線測試場景下分別對GEO、MEO和IGSO衛星進行分析，剝離電離層延遲后得到的碼減載波（CMC）[4]結果如圖7所示。由圖中實測結果可知，使用本單位自主研發的北斗監測接收機對北斗各類衛星進行測量，不同衛星信號質量受到衛星多普勒和傳輸路徑的影響，GEO優于MEO和IGSO衛星，具體CMC標準差結果如圖7所示。

圖7 北斗GEO／MEO／IGSO衛星信號CMC分析

為比較北斗與其它導航系統性能，使用Trimble接收機得到的碼減載波結果如圖8所示。

圖8 GPS／GLONASS／北斗衛星信號CMC分析（大口徑天線）

北斗和GPS、GLONASS系統信號的CMC結果標準差如表3所示，可見由于Trimble接收機的前端設計，在相同信噪比等條件下對GPS信號頻點靈敏度較高，碼載波測量精度和相干性略優，但北斗信號質量基本與GPS信號質量相同，具體CMC標準差結果如圖10腳注和表3所示。

表3 GPS＼BDS＼GLONASS頻點1、2的CMC標準差

信號相關峰質量監測主要衡量信號相關峰對稱性、相關峰延遲、平頂畸變等變化信息，根據信號跟蹤得到的碼相位和載波頻率，復現本地載波，得到I／Q兩路正交雙通道的基帶信號。對基帶信號與本地跟蹤的偽碼進行相關運算，并求其包絡即可得到信號的相關峰波形。根據相關峰對稱性系數可直觀地判斷衛星信號是否發生異常，以GPS、GLONASS、北斗系統的頻點1信號為例，GPS和北斗星上信號相關峰特性最優，對稱性系數約為0.99，GLNASS稍差，對稱性系數約為0.94.具體分析結果如圖9所示。

圖9 GPS／GLONASS／北斗系統各頻點信號相關峰及對稱性

頻間相位互差表示導航系統各個頻點間偽碼同步程度，具體計算同樣用相關峰的間隔距離表示，而頻間相位互差穩定性表示頻間相位互差隨時間變化的性能，可用方差表示，以各系統信號為例具體計算結果如表4所示。

表4 各系統頻點1、2的偽碼相位互差

由表4可知，采用大口徑天線消除信噪比低、多徑和干擾等因素對地面信號監測的影響后，GPS星上發射信號質量最優，北斗信號稍次之，GLONASS穩定性較差。

3 結 論

分析了北斗系統在軌衛星信號質量，并闡述了分析系統的設計方案與技術實現，該系統提供了GNSS兼容與互操作條件下在軌星座無線信號實時監測的重要技術支撐和關鍵技術攻關。同時，該系統的信號采集存儲單元和信號分析軟件也可承擔有線工作模式下異常衛星、新發射衛星或地面試驗衛星的精細檢測，形成了完整的信號質量監測體系。

在軌測試結果表明：目前在軌運行的我國北斗二代一期信號質量優良，監測指標可達到其它已完成組網的全球導航定位系統標準。

[1]PHELTS R E，GAO G X，WONG G，et al.New GPS signals avlation grade chips off the block IIF[J].Inside GNSS，2010（7／8）：36－45.

[2]GATTI G，FALCONE M，ALPE V，et al.Glove－B chilbolton in－orbit test[J].Inside GNSS ，2008（9／10）：30－35.

[3]TIBERIUS C，MAREL H V D，SLEEWAEGEN JM，et al.Analyzing a Glove－A／B double difference[J].Inside GNSS，2008（9／10）：40－44.

[4]楊再秀，王偉，蒙艷松，等.GNSS信號質量評估與測試方法研究[C]∥第二屆衛星導航學術年會，2011.