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一种用于卫星导航系统的射频信号质量评估方法.pdf

  • 上传人：a***
  • 文档编号：4814148
  • 上传时间：2018-11-14
  • 格式：PDF
  • 页数：11
  • 大小：1.99MB
    • 摘要
    申请专利号：

    CN201310428735.X

    		 申请日：

    2013.09.17
    公开号：

    CN103532641A

    		 公开日：

    2014.01.22
    当前法律状态：

    授权

    		 有效性：

    有权
    法律详情：

    授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H04B 17/00申请日:20130917|||公开
    IPC分类号：

    H04B17/00; H04L25/02

    		 主分类号：

    H04B17/00
    申请人：

    华中科技大学
    发明人：

    唐祖平; 魏蛟龙; 张小清; 刘昌建; 杨溢
    地址：

    430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
    优先权：

    专利代理机构：

    华中科技大学专利中心 42201

    		 代理人：

    朱仁玲
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    内容摘要

    本发明公开了一种用于卫星导航系统的射频信号质量评估方法，包括：对卫星有效载荷的射频信号执行采样以获得中频信号，并对其执行滤波处理；对执行滤波处理后的中频信号执行下变频以获得对应的实际基带信号；基于所获得的实际基带信号及其信号体制，生成理想基带信号各支路的信号分量；将用于评估实际基带信号的理想基带信号予以复现；以及为待评估的实际基带信号与理想基带信号之间构建相关函数，然后相应计算得出带内杂散、相关损耗等一系列的质量评估指标，由此实现射频信号的质量评估过程。通过本发明，能够明确信号质量指标与信号捕获、跟踪以及解调性能之间的关系，同时得以清晰、定量地评估信号质量对导航性能的影响。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种用于卫星导航系统的射频信号质量评估方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
    (1)对卫星有效载荷的射频信号执行采样以获得中频信号，然后对该中频信号执行滤波处理；
    (2)对执行滤波处理后的中频信号执行下变频，由此获得对应的实际基带信号；
    (3)基于步骤(2)所获得的实际基带信号及其信号体制，生成相同采样率、一个码周期长度的理想基带信号各支路的信号分量；接着，利用所述实际基带信号和所述理想基带信号各支路的信号分量，将用于评估实际基带信号的理想基带信号予以复现；
    (4)为待评估的实际基带信号与理想基带信号之间构建如下所示的相关函数：
    CCF(τ)=∫0Tpsrec(t)s0*(t-τ)dt∫0Tp|srec(t)|2dt∫0Tp|s0(t)|2dt]]>
    其中，srec(t)表示实际基带信号srec由时间变量t而确定的变量，s0(t)表示理想基带信号s0由时间变量t而确定的变量，t表示时间变量，τ表示相关时延，Tp表示实际基带信号srec的时长，s0*(t-τ)表示对理想基带信号s0由时间变量t和相关时延τ共同确定的变量所执行的共轭运算，CCF(τ)表示实际基带信号srec与理想基带信号s0之间的互相关序列CCF由相关时延T而确定的变量；
    (5)利用步骤(4)所构建的相关函数，相应计算得出与带内杂散、相关损耗相关的质量评估指标，由此实现射频信号的质量评估过程。

    2.  如权利要求1所述的射频信号质量评估方法，其特征在于，对于所述计算带内杂散和相关损耗的操作，优选分别按照以下公式计算得出：
    rST[dBc]=10×log10(1-max(|CCF(τ)|2))
    其中，rST[dBc]表示带内杂散的dB值，CCF(τ)表示实际基带信号与理想基带信号之间的互相关序列由相关时延τ而确定的变量；
    LCCF[dB]=20×log10(max(|CCF(τ)|2))
    其中，LCCF[dB]表示相关损耗的dB值，CCF(τ)表示实际基带信号与理想基带信号之间的互相关序列由相关时延τ而确定的变量。

    3.  如权利要求l或2所述的射频信号质量评估方法，其特征在于，在步骤(5)中，优选还包括定量评估伪码测距误差和码跟踪性能的操作，该操作具体如下：
    对于伪码测距误差指标，首先根据所述理想基带信号与实际基带信号的相关主峰，计算出相应的鉴别函数，然后对该鉴别函数的过零点偏移执行线性拟合，相应所获得的数据即可用来反映伪码测距误差；
    对于码跟踪性能指标，首先根据所述理想基带信号和实际基带信号的相关主峰，分别计算出相应的鉴别函数，然后分别对两个鉴别函数的过零点斜率执行线性拟合，相应所获得的斜率比值即可用来反映码跟踪性能。

    4.  如权利要求1-3任意一项所述的射频信号质量评估方法，其特征在于，在步骤(5)中，优选还包括计算信号分量相位差和信号分量幅度差两项质量评估指标的操作，并且优选分别按照以下公式计算得出：
    Δθi=θit-θi
    其中，Δθi表示实际基带信号的第i个信号分量的相位差，θit表示实际基带信号与理想基带信号第i个信号分量之间的互相关序列中，其最大模值点的相角，θi表示理想基带信号第i个信号分量的载波相位设计值；
    Δpi[dB]=10×log10(pitpi)]]>
    其中，Δpi[dB]表示实际基带信号的第i个信号分量的幅度差的dB值，pi表示实际基带信号的第i个信号分量占总功率比例的设计值，pit表示实际基带信号的第i个信号分量占总功率比例的实际值。

    5.  如权利要求1-4任意一项所述的射频信号质量评估方法，其特征在于，在步骤(5)中，优选还包括计算信号分量码相位一致性和频点码相位一致性两项质量评估指标的操作，并且优选分别按照以下公式计算得出：
    Δεi，分量=εi，分量-ε0
    其中，Δεi，分量表示实际基带信号的第i个信号分量的码相位偏差，εi，分量表示该第i个信号分量的鉴别函数过零点偏移值，ε0表示基准信号分量的鉴别函数过零点偏移值；
    Δεi，频点=εi，频点-ε1
    其中，Δεi，频点表示实际基带信号的第i个频点的码相位偏差，εi，频点表示该第i个频点的合路信号的鉴别函数过零点偏移值，ε1表示基准频点合路信号的鉴别函数过零点偏移值。

    6.  如权利要求5所述的射频信号质量评估方法，其特征在于，在步骤(5)中，优选还包括将信号功率谱、频谱失真、星座图、误差矢量幅度、载波泄漏等一系列指标纳入质量评估的操作。

    说明书

    说明书一种用于卫星导航系统的射频信号质量评估方法
    技术领域
    本发明属于卫星导航技术领域，更具体地，涉及一种用于卫星导航系统的射频信号质量评估方法。
    背景技术
    卫星导航信号用于导航系统的授时和测距，对导航性能的影响主要体现在载波跟踪性能、伪码跟踪性能、电文解调性能三个方面。导航信号体制决定导航系统的先天性能，空间信号质量则决定了实际系统所能达到的最佳性能与信号体制性能之间的差距。在通信系统中，信息的正确解调是设计目标，其性能与采样判决时刻信号矢量的误差相关；而在导航系统中，更加关注测距精度，它取决于信号波形的质量。因此，导航系统对信号质量的要求高于一般通信系统，相应地，对其信号质量评估方式的全面性和准确性方面提出了更高的要求。
    现有技术中已经提出了一些用于卫星导航系统的质量评估方案，例如，CN102571652A中公开了一种GNSS基带信号的评估方法，并从频域功率谱、时域波形、码片边缘、调制误差、相关特性这几个方面分析GNSS基带信号的性能。然而，进一步的研究表明，上述方案仍然存在以下的局限：：1）该方法仅考虑对基带信号质量的评估，不能真实反映空间信号质量对导航性能的影响，没有给出从射频信号无失真变频到基带的信号处理方法，而且由于采用基带采样方式，不同频点的信号需配置不同的模拟通道，不可避免地引入模拟通道间的时延不一致性，导致频间信号一致性的评估精度降低；2）眼图的六项评估指标偏理想化，且难以应用到目前GNSS中三路及以上信号分量的复合信号的质量评估，而现阶段主流的四大导航系统， 包括北斗、GPS、伽利略和GLONASS，都以三路及以上信号分量的复合信号为主；3）正交相位误差和幅度不平衡性评估方法的适用范围较窄，一般用于QPSK调制，也难以应用到目前GNSS中三路及以上信号分量的复合信号的质量评估；4）该方法没有明确说明这些指标与信号捕获、跟踪、解调之间的关系，无法定量评估信号质量对导航性能的影响。
    发明内容
    针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于卫星导航系统的射频信号质量评估方法，其中通过直接从射频采样导航信号，并结合卫星导航信号自身的特点来设计一系列的评估指标，相应能够进一步明确信号质量指标与信号捕获、跟踪以及解调性能之间的关系，同时得以清晰、定量地评估信号质量对导航性能的影响。
    为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于卫星导航系统的射频信号质量评估方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
    （1）对卫星有效载荷的射频信号执行采样以获得中频信号，然后对该中频信号执行滤波处理；
    （2）对执行滤波处理后的中频信号执行下变频，由此获得对应的实际基带信号；
    （3）基于步骤（2）所获得的实际基带信号及其信号体制，生成相同采样率、一个码周期长度的理想基带信号各支路的信号分量；接着，利用所述实际基带信号和所述理想基带信号各支路的信号分量，将用于评估实际基带信号的理想基带信号予以复现；
    （4）为待评估的实际基带信号与理想基带信号之间构建如下所示的相关函数：
    CCF(τ)=∫0Tpsrec(t)s0*(t-τ)dt∫0Tp|srec(t)|2dt∫0Tp|s0(t)|2dt]]>
    其中，srec(t)表示实际基带信号srec由时间变量t而确定的变量，s0(t)表示理想基带信号s0由时间变量t而确定的变量，t表示时间变量，τ表示相关时延，Tp表示实际基带信号srec的时长，s0*(t-τ)表示对理想基带信号s0由时间变量t和相关时延τ共同确定的变量所执行的共轭运算，CCF(τ)表示实际基带信号srec与理想基带信号s0之间的互相关序列CCF由相关时延τ而确定的变量；
    (5)利用步骤(4)所构建的相关函数，相应计算得出与带内杂散、相关损耗相关的质量评估指标，由此实现射频信号的质量评估过程。
    作为进一步优选地，对于所述计算带内杂散和相关损耗的操作，优选分别按照以下公式计算得出：
    rST[dBc]=10×log10(1-max(|CCF(τ)|2))
    其中，rST[dBc]表示带内杂散的dB值，CCF(τ)表示实际基带信号与理想基带信号之间的互相关序列由相关时延τ而确定的变量；
    LCCF[dB]=20×log10(max(|CCF(τ)|2))
    其中，LCCF[dB]表示相关损耗的dB值，CCF(τ)表示实际基带信号与理想基带信号之间的互相关序列由相关时延τ而确定的变量。
    作为进一步优选地，在步骤(5)中，优选还包括定量评估伪码测距误差和码跟踪性能的操作，该操作具体如下：
    对于伪码测距误差指标，首先根据所述理想基带信号与实际基带信号的相关主峰，计算出相应的鉴别函数，然后对该鉴别函数的过零点偏移执行线性拟合，相应所获得的数据即可用来反映伪码测距误差；
    对于码跟踪性能指标，首先根据所述理想基带信号和实际基带信号的相关主峰，分别计算出相应的鉴别函数，然后分别对两个鉴别函数的过零点斜率执行线性拟合，相应所获得的斜率比值即可用来反映码跟踪性能。
    作为进一步优选地，在步骤(5)中，优选还包括计算信号分量相位差和信号分量幅度差两项质量评估指标的操作，并且优选分别按照以下公式计算得出：
    Δθi=θit-θi
    其中，Δθi表示实际基带信号的第i个信号分量的相位差，θit表示实际基带信号与理想基带信号第i个信号分量之间的互相关序列中，其最大模值点的相角，θi表示理想基带信号第i个信号分量的载波相位设计值；
    Δpi[dB]=10×log10(pitpi)]]>
    其中，Δpi[dB]表示实际基带信号的第i个信号分量的幅度差的dB值，pi表示实际基带信号的第i个信号分量占总功率比例的设计值，pit表示实际基带信号的第i个信号分量占总功率比例的实际值。
    作为进一步优选地，在步骤(5)中，优选还包括计算信号分量码相位一致性和频点码相位一致性两项质量评估指标的操作，并且优选分别按照以下公式计算得出：
    Δεi，分量=εi，分量-ε0
    其中，Δεi，分量表示实际基带信号的第i个信号分量的码相位偏差，εi，分量表示该第i个信号分量的鉴别函数过零点偏移值，ε0表示基准信号分量的鉴别函数过零点偏移值；
    Δεi，频点=εi，频点-ε1
    其中，Δεi，频点表示实际基带信号的第i个频点的码相位偏差，εi，频点表示该第i个频点的合路信号的鉴别函数过零点偏移值，ε1表示基准频点合路信号的鉴别函数过零点偏移值。
    作为进一步优选地，在步骤(5)中，优选还包括将信号功率谱、频谱失真、星座图、误差矢量幅度、载波泄漏等一系列指标纳入质量评估的操作。
    总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下方面的技术优点：
    1、由于直接从射频采样信号，可避免硬件模拟变频通道给信号带来的 失真，能够多频点采样信号，同时评估通道间相位一致性；
    2、在本发明中没有使用眼图评估，而是根据相关主峰来构建相应的鉴别函数，进而拟合出该鉴别函数的过零点偏移和过零点斜率失真，以此方式能够定量、精确评估得出伪码测距误差和码跟踪性能指标；
    3、提出了分量相位差和分量幅度差两项评估指标并对其计算方式进行了研究，测试表明，此方式更加适用于目前GNSS中含3路以上信号分量的复合信号的质量评估；此外，提出了信号分量码相位一致性和频点码相位一致性两项评估指标，相应得以准确评估通道间相位一致性；
    4、按照本发明的质量评估方式便于操控，并且能够进一步明确信号质量指标与信号捕获、跟踪以及解调性能之间的关系，因而尤其适用于卫星导航系统的射频信号质量评估用途。
    附图说明
    图1是按照本发明优选所构建的射频信号质量评估方法的工艺流程示意图。
    具体实施方式
    为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
    图1是按照本发明优选所构建的射频信号质量评估方法的工艺流程示意图。如图1中所示，该射频信号质量评估方法主要包括下列步骤：
    步骤一
    对卫星有效载荷的射频信号执行采样以获得中频信号，然后对该中频信号执行滤波处理。
    具体而言，首先获取星上载荷射频采样的待评估卫星信号，例如截取 两个码周期的信号；根据射频信号的中心频率和采样率计算出采样信号的中频频率，将射频采样的信号例如通过理想砖状滤波器，得到待评估的中频信号。然后，根据待评估信号的信号体制，生成一个码周期的理想基带合路信号和各支路信号分量。
    步骤二
    对执行滤波处理后的中频信号执行下变频，由此获得对应的实际基带信号。
    步骤三
    基于步骤二所获得的实际待评估基带信号及其信号体制，生成相同采样率、一个码周期长度的理想基带信号各支路的信号分量；接着，利用所述实际基带信号和所述理想基带信号各支路的信号分量，将用于评估实际基带信号的理想基带信号予以复现。
    步骤四
    为待评估的实际基带信号与理想基带信号之间构建如下所示的相关函数，并将其用于后续的多个评估指标的计算过程：
    CCF(τ)=∫0Tpsrec(t)s0*(t-τ)dt∫0Tp|srec(t)|2dt∫0Tp|s0(t)|2dt]]>
    其中，srec(t)表示实际基带信号srec由时间变量t而确定的变量，s0(t)表示理想基带信号s0由时间变量t而确定的变量，t表示时间变量，τ表示相关时延，Tp表示实际基带信号srec的时长，s0*(t-τ)表示对理想基带信号s0由时间变量t和相关时延τ共同确定的变量所执行的共轭运算，CCF(τ)表示实际基带信号srec与理想基带信号s0之间的互相关序列CCF由相关时延τ而确定的变量；
    步骤五
    利用以上所构建的相关函数，相应计算得出与带内杂散、相关损耗相关的质量评估指标，由此实现射频信号的质量评估过程。
    按照本发明的一个优选实施方式，对于所述计算带内杂散的操作，优选按照以下公式计算得出：
    rST[dBc]=10×log10(1-max(|CCF(τ)|2))
    其中，rST[dBc]表示带内杂散的dB值，CCF(τ)表示实际基带信号与理想基带信号之间的互相关序列由相关时延τ而确定的变量；
    对于所述计算相关损耗的操作，同样优选按照以下公式计算得出：
    LCCF[dB]=20×log10(max(|CCF(τ)|2))
    其中，LCCF[dB]表示相关损耗的dB值，CCF(τ)表示实际基带信号与理想基带信号之间的互相关序列由相关时延τ而确定的变量
    为了对卫星导航系统的射频信号质量执行更为全面、准确的评估，除了上述的带内杂散、相关损耗等基本指标之外，本发明还重点设计了其他一些相关的质量评估指标，其计算或处理过程分别具体说明如下：
    ·伪码测距误差
    按照本发明的一个优选实施方式，该评估指标优选可以先根据所述理想基带信号的相关主峰，计算出相应的鉴别函数，然后譬如采用线性拟合的方式拟合得出该鉴别函数的过零点偏移量，则导航信号的伪码测距误差为：
    eDB=εb(σ)×c
    式中，eDB为由于信号失真带来的测距偏差，单位为m，εb(σ)为鉴别器过零点偏移量，单位s，c为电磁波传播速率。
    ·码跟踪性能
    按照本发明的一个优选实施方式，该评估指标可以先根据所述理想基带信号和实际基带信号的相关主峰，分别计算出相应的鉴别函数，然后譬如采用线性拟合的方式拟合得出两个鉴别函数的过零点处的斜率，两个斜率之间的比值即可用来反映码跟踪性能。
    ·信号分量相位差
    按照本发明的一个优选实施方式，该评估指标可以按照以下公式计算得出：
    Δθi=θit-θi
    其中，Δθi表示实际基带信号的第i个信号分量的相位差，θit表示实际基带信号与理想基带信号第i个信号分量之间的互相关序列中，其最大模值点的相角，θi表示理想基带信号第i个信号分量的载波相位设计值；
    ·信号分量幅度差
    按照本发明的一个优选实施方式，该评估指标可以按照以下公式计算得出：
    Δpi[dB]=10×log10(pitpi)]]>
    其中，Δpi[dB]表示实际基带信号的第i个信号分量的幅度差的dB值，pi表示实际基带信号的第i个信号分量占总功率比例的设计值，pit表示实际基带信号的第i个信号分量占总功率比例的实际值。
    ·信号分量码相位一致性
    按照本发明的一个优选实施方式，该评估指标可以按照以下公式计算得出：
    Δεi,分量=εi，分量-ε0
    其中，△εi,分量表示实际基带信号的第i个信号分量的码相位偏差，εi，分量表示该第i个信号分量的鉴别函数过零点偏移值，ε0表示基准信号分量的鉴别函数过零点偏移值。
    ·频点码相位一致性
    按照本发明的一个优选实施方式，该评估指标可以按照以下公式计算得出：
    Δεi，频点=εi，频点-ε1
    其中，Δεi，频点表示实际基带信号的第i个频点的码相位偏差，εi，频点表示该 第i个频点的合路信号的鉴别函数过零点偏移值，ε1表示基准频点合路信号的鉴别函数过零点偏移值。
    此外，对于按照本发明的射频信号质量评估方式，还包括将信号功率谱、频谱失真、星座图、误差矢量幅度、载波泄漏等一系列指标也纳入到质量评估过程之中，其计算及处理过程分别具体说明如下：
    ．画出信号功率谱
    首先，譬如可以用FFT算法分析实际基带信号srec(t)的傅里叶变换srec(f)，则信号的功率谱相应可画出功率谱，其中，T为采样信号时间长度，在这里为一个码周期长度，Fs为信号采样率。
    此外，还可以提取功率谱包络。根据频域信号乘积的反傅里叶变换计算时域相关，对时域相关作加时间窗处理，时间窗宽度一般取为5个码片宽度(时间窗的大小决定功率谱包络的精细程度，时间窗越宽，功率谱包络曲线越细)，对通过时间窗的时域相关作快速傅里叶变换，得到功率谱包络。
    ·信号频谱失真
    首先，分别计算出实际基带信号和理想基带信号的频谱Srec(f)和Ss(f)，然后可按照下列公式计算出频谱失真，相应画出失真图：
    H(f)=20logSrec(f)/∫flfhSrec(f)Srec*(f)dfSs(f)/∫flfhSs(f)Ss*(f)df]]>
    ·画出星座图
    首先，对理想基带信号和实际基带信号均作幅度归一化处理，将实际基带信号除以它的平均幅度，得到归一化的实际信号，同样的方法可以得到归一化的理想信号；
    然后，在坐标图中，以归一化的实际信号的工支路为横坐标，Q支路为纵坐标，画出实际信号的散点图，设定横纵坐标轴的范围为[Xmin，Xmax，Ymin，Ymax]，Xmin为信号点最小的横坐标，Xmax为信号点最大的横 坐标，Ymin为信号点最小的纵坐标，Ymax为信号点最大的纵坐标；将坐标轴平面分成N*N等面积的方格子，譬如N取100。统计每个方格子内的信号点数，根据点数设定方格子的颜色深度；用同样的方法在同一个坐标图中，画出理想信号点，作对比。
    ·误差矢量幅度
    首先，可以对待评估的实际基带信号和理想基带信号都作归一化处理，并使得归一化处理后信号的平均幅度为1；
    接着，将理想基带信号按照其信号点在坐标图上的分布位置予以编号，，记为Vk=Ik+jQk，然后根据实际基带信号点与这K个理想基带信号点之间的距离，将所有实际基带信号点与理想基带点均属于最接近距离划分为一类，记作：
    {(Irec(m)，Qrec(m))|(Iideal(m)，Qideal(m))=Vk,m=1，2,…，Mk}
    其中，Mk为样本中与信号矢量Vk对应的采样点个数，(Irec(m)，Qrec(m))为实际信号点(Iideal(m)，Qideal(m))为理想信号点；
    最后，按照以下公式来计算待评估信号与信号矢量Vk对应的矢量误差幅度：
    EVMk=(Ireck-Ik)2+(Qreck-Qk)2]]>
    其中，(Ireck，Qreck)为分为第k类的实际信号点，即理想信号矢量Vk对应的实际信号点。
    ·载波泄漏
    载波泄漏的计算公式如下，其中G(f)为步骤6)中计算的信号功率谱，fc为载波频率(单位Hz)，[fl，fh]为规定频带的频率范围：
    Lc=10×log10(∫fc-1fc+1G(f)df∫flfhG(f)df)]]>
    上述信号功率谱、频谱失真、星座图、误差矢量幅度、载波泄漏等一系列指标的基本计算及处理公式属于本领域的公知常识且为本领域的技术 人员所熟知，因此在此不再赘述。
    本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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    一种 用于 卫星 导航系统 射频 信号 质量 评估 方法
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