卫星导航信号质量监测系统及应用

卫星导航信号质量监测系统及应用

王宏兵1,2,刘昌洁1

(1.北京5136信箱,北京100094;2.南开大学信息技术科学学院,天津30071)

摘 要:卫星导航信号质量监测是卫星导航系统设计和运行过程中的重要环节。在介绍国外已建立并运行的卫星导航信号监测系统组成和任务的基础上,从导航信号结构组成入手,阐述了导航信号质量监测的主要内容、系统的设备组成、工作模式,并介绍了该系统在导航信号质量监测中的实际应用。

关键词:卫星导航;导航信号;信号质量;监测

中图分类号:P228 文献标志码:A 文章编号:1008-9268(2009)06-0060-04

0引 言

卫星导航信号质量监测是卫星导航系统设计

和运行过程中的重要环节。可以为卫星导航系统的信号设计以及关键技术在轨试验验证提供手段及支撑,同时可以监测其他卫星导航系统,为自身的科学研究和应用提供参考。在GPS和欧洲伽利略等导航系统的建设过程中,美国与欧盟都建设了配套的导航信号监测与分析评估环境,除对自己的卫星导航系统信号进行监测和试验验证外,还积极监测其他国家的卫星导航系统。

图1 美国斯坦福卫星导航信号监测系统

1 国外导航信号监测系统

1)斯坦福GNSS卫星信号监测系统

美国斯坦福大学很早就成立了一个GPS导航实验室(GPSLab),致力于导航信号体制的研究与监测技术,并建立了一个卫星导航信号监测系统,称为斯坦福GNSS监测站(SGMS),其系统组成如图1所示。该系统由1.8m可控天线、带通滤波器、低噪声放大器、矢量信号分析仪、卫星跟踪软件和数据处理设施组成。

该系统可以对空中任意导航星L频段信号进行监测,一方面可以及时发现GPS卫星信号的异常及不足,另一方面可以对其它卫星导航系统的信号进行监测,例如Galileo、Compass系统等,从而可以分析这些信号的特点,更好地进行信号体制研究。

2)英国齐尔伯顿信号监测系统

英国齐尔伯顿信号监测系统是为了配合GIO

-*收稿日期:

VEA/B在轨测试而建立起来的信号监测系统,主

要依托英国Chilbolton天文台的相关设施组建。系统组成如图2

所示。

图2 英国Chilbolton卫星导航信号监测系统

英国齐尔拍顿信号监测系统是Galileo卫星在轨测试的一部分,主要完成对卫星发射的导航信号的各项性能进行评估,是在轨测试内容的有效补充。通过该信号监测系统可以全面地分析Galileo信号的质量,同时也可以分析GPS卫星信号的特

2009-10-26

性。

3)荷兰Noordwijk信号监测环境

为了准备和全力支持空间信号(SIS)试验活动,欧洲航天研究技术中心(ESTEC)导航实验室已建成一套专用的测试环境,即荷兰Noordwijk信号监测环境。Galileo空间信号试验活动的测试内容包括:码片形状、转换及速率;码与码之间、码与数据之间的一致性;导频与数据相位正交性;相关函数的形状;多普勒效应;C/N0特征;码跟踪误差特征;载波跟踪误差特征;自相关函数形状分析;失锁的阈值特征;BER/SER/FER特征;多径误差特征;系统间(与GPS)干扰特征等。系统组成如图3

所示。

图4 意大利NavCom信号监测系统

2 导航信号质量监测主要内容

卫星导航信号多利用L波段,采用CDMA扩频信号体制,以GPS为例,导航信号主要由L波段载波、测距码和信息码三部分构成。分为L1(1575MHz)和L2(1227MHz)两个频点。测距码分为两种分别对应两种服务,SPS码称为粗/捕获码(C/A码),PPS码称为精密码,或P(Y)码。信息码为50bit/秒的二进制码。表达式如下[1]:sL1(t)=

(k)(k)

Pcx

(k)

(t)D

(k)

L1)+(t)cos(2PfL1t+H

PY1y(k)(t)D(k)(t)sin(2PHfL1t+HL1)

sL2(t)=PY2y(t)D(t)sin(2PfL2t+HL2)

式中:Pc、PY1和PY2分别是L1上C/A码和L1、L2上P(Y)码的信号功率;x(k)和y(k)是卫星号为k的

(k)

C/A码和P(Y)码的码序列;D表示信息码的比特流;fL1和fL2分别对应于L1和L2的载波频率。导航信号质量监测的重点就是对导航信号的组成部分进行性能监测与评估。

载波性能监测主要包括:载波频率准确性、频率稳定性、带内谐波、极化纯度、信号功率、相位噪声、载波跟踪误差等。

测距码性能监测主要包括:码片形状、测距码正确性、码自相关性、码互相关性、码相位一致性、测距码与数据码相干性、测距码与载波相干性、码跟踪误差等。

信息码性能监测主要包括:信息码速率、误码率、误比特率、误帧率等[2]。

其他重要的性能监测:定位精度、授时精度、完好性、连续性、可用性、抗多径能力、抗干扰能力、兼容性、互操作性、电离层误差、对流层误差、卫星天线图覆盖等。

(k)

(k)

图3 荷兰卫星导航信号监测设施

荷兰Noordwijk信号监测环境同时具有接收地面模拟信号与空间真实信号的能力,主要目的是对在不同可控干扰和多径的环境下测试接收机/信号性能,以及对空间Galileo试验星信号的特性进行监测分析。

4)意大利GNSS信号监测设施

该信号监测设施依托意大利NavCom实验室,主要是对导航系统空间导航卫星各信号的监测与接收,完成对码与数据的分析,其组成框图如图4所示。该信号监测系统由一个可控的高增益天线、Galileo用户天线、GPS用户天线、信号适配器、频谱仪、矢量信号分析仪、数据存储设施、测试接收机等组成。主要有实时、后处理及用户测试分析三种工作模式。

NavCom信号监测系统完成的功能与其它几个信号监测设施相似,主要是从用户接收的角度评估导航信号的性能,即包括Galileo系统也包括GPS系统,未来有可能增加对Compass信号的监

测。

/3 导航信号质量监测系统设备组成

3.1 测试设备组成

#

导航信号质量监测设备主要由天线、射频分系统、导航信号实时监测分系统、导航信号处理分系统、数据处理分系统、时频分系统等几部分组成。如图5

所示。

图5 卫星导航信号质量监测设备组成

1)天线

导航信号监测接收天线由L波段全向天线和大口径抛物面定向天线两部分组成。大口径抛物面定向天线主要目的是提高接收信号的载噪比,完成对指定导航卫星的高信噪比接收,完成码信号的质量监测。全向天线可同时接收可视范围内的多颗导航卫星信号。

2)射频分系统

射频分系统由预选滤波器和低噪声放大器等射频设备组成,完成对导航信号的滤波和信号放大。

3)导航信号处理分系统

导航信号处理分系统包括射频采集设备、中频采集设备、导航信号测量单元等几部分,其功能是实现对导航射频信号的实时采集(包括直接射频采集和中频采集)、存储、相关处理、非相关处理、误差测量等[3]。

4)导航信号实时监测分系统

导航信号实时监测分系统由高速示波器、矢量信号分析仪和实时频谱仪等各种通用仪器组成。完成对导航信号模拟分系统输出射频信号的实时捕获、监视、存储,并将结果传送到数据处理分系统。

5)数据处理分系统

数据处理分系统由多台高性能工作站组成,安装导航信号监测分析软件、导航信号性能评估等软

件,主要完成对各类监测设备输出的导航观测信号

和信息进行综合分析及评估。

6)时频分系统

时频分系统由高精度原子钟、频率分配器、脉冲信号分配器、时频信号切换产生器等组成,作为配套设备主要任务是向导航信号质量监测系统提供高精度的时间与频率信号。3.2 工作模式

导航信号质量监测设备主要采用实时接收、处理和离线分析评估两种工作模式。

1)实时接收和 …… 此处隐藏：3125字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……