一种基于监测接收机的导航信号相关损失评估系统与方法

摘要

一种基于监测接收机的导航信号相关损失评估系统与方法，系统中的理想导航信号模拟模块模拟理想导航信号，与输入的原始导航信号一起通过信号选择后进入通用信号跟踪模块；通用信号跟踪模块对选择后的一路导航信号进行跟踪，产生I路和Q路的即时相关支路的积分清零的输出结果；平方累加模块一对选择后的导航信号进行平方运算后累加，得到导航信号的原始功率；平方累加模块二用于将本地理想载波信号平方运算后累加，得到载波功率；相关损失计算模块根据接收I路和Q路的即时相关支路的积分清零的输出结果、导航信号的原始功率、载波功率，计算相关损失粗略结果；相关损失校正模块利用接收的相关损失粗略结果进行校正，产生最终的相关损失评估结果。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航技术，特别涉及一种卫星导航信号关键性能指标—— 相关损失的评估系统与方法。

背景技术

在导航卫星有效载荷的研制过程中，需要对各项性能指标进行测试，其中， 相关损失是卫星导航有效载荷的关键指标之一，它衡量导航信号总功率中有效 功率(即相关功率)所占比重。

传统的评估方法是在低噪声条件下，对信号进行高速宽带数字采样，尽可 能保留信号带宽内所有信息，再利用理想信号对其进行时域全相关，获得实际 相关值，对比理想信号自相关，即可得到相关损失。该方法存在如下缺点：

(1)操作步骤繁琐，由于是开环采集，采集仪器需要同源，对仪器带宽、 采样速率、精度要求较高；

(2)信号质量分析程序设计复杂；

(3)由于数据量过大，无法对相关损失进行连续、实时监测；

(4)该方法是从整体信号角度进行衡量，与实际接收机的单路、闭环跟踪 方法存在差异，无法准确表征信号的接收性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种基于监测接收机的导航信号相关损失 的评估系统与方法，弥补现有相关损失评估方法实现复杂、操作步骤繁琐的缺 点，该方法评估精度高、操作简单、实时性好，可以对导航信号的相关损失进 行连续、实时监测。

本发明的技术解决方案是：一种基于监测接收机的导航信号相关损失评估 系统，包括通用信号跟踪模块、理想导航信号模拟模块、平方累加模块一、平 方累加模块二、相关损失计算模块和相关损失校正模块；

理想导航信号模拟模块，用于模拟理想导航信号，与输入的射频/中频导航 信号即原始导航信号一起通过信号选择先后进入通用信号跟踪模块；

通用信号跟踪模块，对经过信号选择后的一路导航信号进行跟踪，产生I 路和Q路的即时相关支路的积分清零的输出结果，并发送至相关损失计算模块；

平方累加模块一，对经过信号选择后的那路导航信号进行平方运算后累加， 得到导航信号的原始功率，并将原始功率发送至相关损失计算模块；

平方累加模块二：用于将本地理想载波信号进行平方运算后累加，得到载 波功率，并将载波功率发送至相关损失计算模块；

相关损失计算模块：根据接收I路和Q路的即时相关支路的积分清零的输 出结果、导航信号的原始功率、载波功率，计算相关损失粗略结果，并将相关 损失粗略结果发送至相关损失校正模块；

相关损失校正模块：利用接收的相关损失粗略结果进行校正，产生最终的 相关损失评估结果。

所述的相关损失计算模块实现过程如下：

(1)将接收的相应导航信号的I路和Q路的即时相关支路的积分清零的输 出结果Ip和Qp平方求和，得到相应导航信号的一个信号分量的相关功率Ep， 计算其分贝表示Ep[dB]，当信号中包含多个信号分量时，将各个信号分量的相 关功率求和得到∑Ep，计算其分贝表示得到导航信号总的相关功率∑Ep[dB]；

(2)计算瞬时信号功率积分的积分时间长度和跟踪环路中的积分清零时间 之比Cp，计算其分贝表示Cp[dB]；

(3)根据信号的调制方式，计算理想导航信号中的互调分量所占的百分比 1-Hp，计算总有用信号Hp所占百分比的分贝表示Hp[dB]；

(4)根据信号的调制方式，计算理想导航信号中各个信号分量的功率配比， 并计算要计算相关损失的信号分量和总的有用信号之比Pp，计算其分贝表示 Pp[dB]；

(5)当经过信号选择后的信号为原始导航信号且仅计算其中某一路信号分 量的相关损失时，原始导航信号的相关损失的粗略结果为CL_Comp_Orig[dB]＝ Sp[dB]-Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]-Pp[dB]；当信号中包含多个信号分 量时，原始导航信号的合路相关损失的粗略结果为CL_Sum_Orig[dB]＝Sp[dB]- ∑Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]；

当经过信号选择后的信号为理想导航信号且仅计算其中某一路信号分量的 相关损失时，理想导航信号相关损失的粗略结果为CL_Comp_Ideal[dB]＝Sp[dB] -∑Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]-Pp[dB]；当信号中包含多个信号分量时， 理想导航信号的合路相关损失的粗略结果为CL_Sum_Ideal[dB]＝Sp[dB]- ∑Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]；

上述Sp[dB]为相应导航信号的原始功率的分贝表示；

Qp[dB]为相应导航信号的载波功率的分贝表示；

所述的相关损失校正模块实现方法如下：

当只含有一路信号分量时，相关损失最终的评估结果为CL_Comp_Loss[dB] ＝CL_Comp_Orig[dB]-CL_Comp_Ideal[dB]；当含有多路信号分量时，相关损 失最终的评估结果为CL_Sum_Loss[dB]＝CL_Sum_Orig[dB]-CL_Sum_Ideal [dB]。

一种基于监测接收机的导航信号相关损失评估方法，步骤如下：

第一步，对导航信号包括原始导航信号和理想导航信号分别进行如下处理：

(1.1)对导航信号进行采样，得到数字导航信号，对数字导航信号的每个 采样点进行平方，得到瞬时信号功率；

(1.2)对瞬时信号功率进行累加，累加时间长度为信号中所有信号分量的 伪码周期的最小公倍数，得到导航信号的原始功率Sp，计算其分贝表示Sp[dB]；

(1.3)对导航信号进行捕获跟踪，得到I路和Q路的即时相关支路的积分 清零的输出结果Ip和Qp，并对其进行平方求和，得到导航信号的一路信号分 量的相关功率Ep，计算其分贝表示Ep[dB]；当信号中含有多路信号分量时， 将各个信号分量的相关功率求和得到∑Ep，计算其分贝表示得到导航信号总的 相关功率∑Ep[dB]；

(1.4)对本地理想载波信号进行平方累加，得到理想载波信号的原始功率 Qp，计算其分贝表示Qp[dB]；

(1.5)计算瞬时信号功率积分的积分时间长度和跟踪环路中的积分清零时 间之比Cp，计算其分贝表示Cp[dB]；

(1.6)根据信号的调制方式，计算理想导航信号中的互调分量所占的百分 比1-Hp，计算总有用信号Hp所占百分比的分贝表示Hp[dB]；

(1.7)根据信号的调制方式，计算理想导航信号中各个信号分量的功率配 比，并计算要计算相关损失的信号分量和总的有用信号之比Pp，计算其分贝表 示Pp[dB]；

(1.8)计算导航信号中的相关损失的粗略结果；

第二步，将原始导航信号和理想导航信号的原始相关损失求差，得到相关 损失的最终评估结果，当只含有一路信号分量时，为CL_Comp_Orig[dB]- CL_Comp_Ideal[dB]；当含有多路信号分量时，为CL_Sum_Orig[dB]- CL_Sum_Ideal[dB]

所述步骤(1.4)中累加时间长度为导航信号中所有信号分量的伪码周期的 最小公倍数。

所述步骤(1.8)中的相关损失的粗略结果计算方法为：

当经过信号选择后的信号为原始导航信号且仅计算其中某一路信号分量的 相关损失时，原始导航信号的相关损失的粗略结果为CL_Comp_Orig[dB]＝ Sp[dB]-Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]-Pp[dB]；当信号中包含多个信号分 量时，原始导航信号的合路相关损失的粗略结果为CL_Sum_Orig[dB]＝Sp[dB]- ∑Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]；

当经过信号选择后的信号为理想导航信号且仅计算其中某一路信号分量的 相关损失时，理想导航信号相关损失的粗略结果为CL_Comp_Ideal[dB]＝Sp[dB] -∑Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]-Pp[dB]；当信号中包含多个信号分量时， 理想导航信号的合路相关损失的粗略结果为CL_Sum_Ideal[dB]＝Sp[dB]- ∑Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)该系统测试操作简便，无需繁琐的信号高速采集设备和繁琐的后处理 步骤；

(2)该方法实现简单，仅需要在跟踪环路的基础上额外增加很少的功能部 分即可完成相关损失性能的评估；

(3)该方法实时性好，可实现导航信号相关损失性能指标的实时监测。

附图说明

图1为本发明公开的基于监测接收机的导航信号相关损失评估系统的结构 框图；

图2为本发明公开的基于监测接收机的导航信号相关损失评估方法的流程 图。

具体实施方式

一种基于监测接收机的导航信号相关损失评估系统，包括通用信号跟踪模 块、理想导航信号模拟模块、平方累加模块一、平方累加模块二、相关损失计 算模块和相关损失校正模块；

理想导航信号模拟模块，用于模拟理想导航信号，与输入的射频/中频导航 信号即原始导航信号一起通过信号选择先后进入通用信号跟踪模块；

通用信号跟踪模块，对经过信号选择后的一路导航信号进行跟踪，产生I 路和Q路的即时相关支路的积分清零的输出结果，并发送至相关损失计算模块；

平方累加模块一，对经过信号选择后的那路导航信号进行平方运算后累加， 得到导航信号的原始功率，并将原始功率发送至相关损失计算模块；

平方累加模块二：用于将本地理想载波信号进行平方运算后累加，得到载 波功率，并将载波功率发送至相关损失计算模块；

相关损失计算模块：根据接收I路和Q路的即时相关支路的积分清零的输 出结果、导航信号的原始功率、载波功率，计算相关损失粗略结果，并将相关 损失粗略结果发送至相关损失校正模块；所述的相关损失计算模块实现过程如 下：

(1)将接收的相应导航信号的I路和Q路的即时相关支路的积分清零的输 出结果Ip和Qp平方求和，得到相应导航信号的一个信号分量的相关功率Ep， 计算其分贝表示Ep[dB]，当信号中包含多个信号分量时，将各个信号分量的相 关功率求和得到∑Ep，计算其分贝表示得到导航信号总的相关功率∑Ep[dB]；

(2)计算瞬时信号功率积分的积分时间长度和跟踪环路中的积分清零时间 之比Cp，计算其分贝表示Cp[dB]；

(3)根据信号的调制方式，计算理想导航信号中的互调分量所占的百分比 1-Hp，计算总有用信号Hp所占百分比的分贝表示Hp[dB]；

(4)根据信号的调制方式，计算理想导航信号中各个信号分量的功率配比， 并计算要计算相关损失的信号分量和总的有用信号之比Pp，计算其分贝表示 Pp[dB]；

(5)当经过信号选择后的信号为原始导航信号且仅计算其中某一路信号分 量的相关损失时，原始导航信号的相关损失的粗略结果为CL_Comp_Orig[dB]＝ Sp[dB]-Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]-Pp[dB]；当信号中包含多个信号分 量时，原始导航信号的合路相关损失的粗略结果为CL_Sum_Orig[dB]＝Sp[dB]- ∑Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]；

当经过信号选择后的信号为理想导航信号且仅计算其中某一路信号分量的 相关损失时，理想导航信号相关损失的粗略结果为CL_Comp_Ideal[dB]＝Sp[dB] -∑Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]-Pp[dB]；当信号中包含多个信号分量时， 理想导航信号的合路相关损失的粗略结果为CL_Sum_Ideal[dB]＝Sp[dB]- ∑Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]；

上述Sp[dB]为相应导航信号的原始功率的分贝表示；

Qp[dB]为相应导航信号的载波功率的分贝表示；

(6)相关损失最终的评估结果为CL_Comp_Loss[dB]＝CL_Comp_Orig[dB] -CL_Comp_Ideal[dB]；当含有多路信号分量时，相关损失最终的评估结果为 CL_Sum_Loss[dB]＝CL_Sum_Orig[dB]-CL_Sum_Ideal[dB]。

相关损失校正模块：利用接收的相关损失粗略结果进行校正，产生最终的 相关损失评估结果。

实施例

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参考附图并以 AltBoc(15,10)为例，对本发明进一步详细说明。

(1)模数转换器(ADC)对经过天线接收、放大、滤波等步骤的 AltBoc(15,10)导航信号进行采样，得到的数字导航信号；

(2)在FPGA中，对AltBoc(15,10)的数字导航信号的每个采样点进行平 方，得到瞬时信号功率；

(3)对瞬时信号功率进行累加，累加时间长度为信号中所有信号分量的伪 码周期的最小公倍数，AltBoc(15,10)中所有信号分量的伪码周期均为 1ms，故累加时间长度设置为1ms，得到导航信号的原始功率Sp， 计算其分贝表示Sp[dB]＝31.5dB；

(4)AltBoc(15,10)导航信号中含有4路信号分量的调制方式，可认为是4 路BPSK(10)信号，利用通用的接收跟踪方法对导航信号中的每一路 BPSK(10)信号分别进行跟踪；通用接收跟踪方法：从捕获阶段获得 的导航信号的载波频率和伪码相位的粗略估计值出发，复现载波信号 和伪码信号，利用载波环鉴别器计算复现载波和导航信号的载波相位 差，反馈给载波NCO生成校正后的载波信号，通过以闭环反馈的形 式周期性连续运行，可以逐步达到锁定状态，实现稳定接收；和载波 跟踪类似，复现伪码信号后，利用码环鉴别器计算复现伪码和导航信 号的伪码相位差，反馈给伪码NCO和伪码生成器生成校正后的伪码 信号，通过以闭环反馈的形式周期性连续运行，可以逐步达到锁定状 态，实现稳定接收。

(5)计算跟踪环路中I路和Q路的即时相关支路的积分清零的输出结果Ip 和Qp之比的平方，采用分贝表示[Ip/Qp]2[dB]，启动运行一段时间后， 通过相关峰值来判断跟踪环路是否处于锁定状态，当每一路BPSK(10) 信号的[Ip/Qp]²均大于55dB，可以认为4个跟踪环路都进入锁定状态； 将监测接收机跟踪环路中，I路和Q路的即时相关支路的积分清零的 输出结果Ip和Qp平方求和，得到导航信号的该信号分量的相关功率 Ep，计算其分贝表示Ep[dB]＝22.6dB；

(6)在监测接收机中，对采样得到的数字导航信号中的各路信号分量分别 进行跟踪，计算每一个信号分量的相关功率，将各个信号分量的相关 功率求和，得到导航信号总的相关功率∑Ep[dB]＝28.5dB；

(7)对本地理想载波信号进行平方累加，累加时间长度为信号中所有信号 分量的伪码周期的最小公倍数，得到理想载波信号的原始功率Qp， 计算其分贝表示Qp[dB]＝0.8dB；

(8)计算瞬时AltBoc(15,10)信号功率积分的积分时间长度1ms和跟踪环 路中的积分清零时间1ms之比Cp，计算其分贝表示Cp[dB]＝0dB；

(9)根据信号的调制方式，计算AltBoc(15,10)信号中的互调分量所占的百 分比1-Hp，计算Hp的分贝表示Hp[dB]＝0.9dB；

(10)根据AltBoc(15,10)信号的调制方式，计算理想导航信号中各个信 号分量的功率配比Ad:Ap:Bd:Bp＝1:1:1:1，并计算总的有用信号和要 计算的相关损失的信号分量之比，Pp＝4:1，计算其分贝表示Pp[dB]＝ 6dB；

(11)计算AltBoc(15,10)信号中该信号分量的原始相关损失:

CL_Comp_Orig[dB]＝Sp[dB]-Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]- Pp[dB]

＝31.5dB–22.6dB–0.8dB–0dB–0.9dB–6dB

＝1.2dB

(12)AltBoc(15,10)信号中含有多个信号分量，计算合路信号的原始相 关损失：

CL_Sum_Orig[dB]＝Sp[dB]-∑Ep[dB]-Qp[dB]-Cp[dB]-Hp[dB]

＝31.5dB–28.5dB–0.8dB–0dB–0.9dB

＝1.3dB

(13)在FPGA中，根据信号格式模拟理想导航信号，代替ADC采样 得到的数字中频导航信号，重复步骤(2)～(11)，得到理想导航信 号的该信号分量的原始相关损失CL_Comp_Ideal[dB]＝0.8dB，如果 该导航信号中含有多个信号分量，计算合路理想AltBoc(15,10)导航信 号的原始相关损失CL_Sum_Ideal[dB]＝0.8dB；

(14)利用理想导航信号的原始相关损失校正ADC采样得到的数字中 频导航信号的原始相关损失，得到导航信号中该信号分量最终的相关 损失:

CL_Comp_Loss[dB]＝CL_Comp_Orig[dB]-CL_Comp_Ideal[dB]

＝1.2dB–0.8dB

＝0.4dB

(15)如果该导航信号中含有多个信号分量，计算合路导航信号最终的 相关损失:

CL_Sum_Loss[dB]＝CL_Sum_Orig[dB]-CL_Sum_Ideal[dB]

＝1.3dB–0.8dB

＝0.5dB

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。