專利名稱：一種采用多通道并行相關(guān)峰采樣監(jiān)測信號質(zhì)量的方法
一種采用多通道并行相關(guān)峰采樣監(jiān)測信號質(zhì)量的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，具體地說，是指一種應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號質(zhì)量監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
對于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來說，完好性是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或某項運(yùn)行參數(shù)偏差過大或由于系統(tǒng)多項因素的綜合影響，而使系統(tǒng)提供的定位結(jié)果超過規(guī)定限值時，系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)并及時通告用戶的能力。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)本身能進(jìn)行一定程度的完好性監(jiān)測，但告警時間太長(通常需幾個小時)，完好性信息單一，不能適應(yīng)大多數(shù)用戶的需求。現(xiàn)階段主要通過外部地面監(jiān)測的方法對完好性進(jìn)行增強(qiáng)，典型系統(tǒng)是美國的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(Wide Area Augmentation System，簡稱 WAAS)和局域增強(qiáng)系統(tǒng)(Local Area Augmentation System，簡稱 LAAS)，同時 GPS和Galileo系統(tǒng)也通過其地面測控體系給出各自的完好性信息。
從目前LAAS和WAAS系統(tǒng)的實驗運(yùn)行結(jié)果來看，其自身不可避免的存在一定的局限性，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，運(yùn)行維護(hù)成本高昂，更重要的是這兩種系統(tǒng)為了保證完好性性能， 實際上都附加了大量的新的組成部分，這一方面使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)急劇復(fù)雜，另一方面，告警時間(TTA)是衡量完好性監(jiān)測能力的重要指標(biāo)，根據(jù)ICAO(國際民用航空組織)的標(biāo)準(zhǔn)，這一時間通常不得超過6秒，而現(xiàn)有的地面監(jiān)測體系對于衛(wèi)星故障的監(jiān)測過程環(huán)節(jié)眾多，整個過程耗時很長，很難滿足告警時間要求，這也意味著地面監(jiān)測體系往往難以及時的發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的衛(wèi)星故障并加以及時的響應(yīng)。
所以，如果能夠在衛(wèi)星段對于衛(wèi)星本身的工作狀態(tài)進(jìn)行直接的監(jiān)控，就可能極大的縮短告警時間，從而保證故障檢測的及時性和有效性。直接在衛(wèi)星上進(jìn)行故障監(jiān)測的技術(shù)稱為SAIM(Satellite Autonomous Integrity Monitor，中文名稱衛(wèi)星自主完好性檢測)技術(shù)。SAIM技術(shù)作為地面完好性監(jiān)測手段的重要技術(shù)補(bǔ)充，可以改善故障檢測效果，有效縮短告警時間，有助于從根本上提高完好性性能。
到目前為止，共發(fā)生過兩次重大的衛(wèi)星故障事件。1993年SV19號衛(wèi)星發(fā)生故障， 定位誤差增了 2到8米，利茲大學(xué)測量發(fā)現(xiàn)，在SV19號衛(wèi)星信號功率譜主瓣的中心處出現(xiàn)一個IldB的尖峰；2009年4月SVN49號發(fā)生異常，其偽距誤差隨著衛(wèi)星仰角的增大而增大， 當(dāng)衛(wèi)星仰角大于60度時，偽距誤差大約為4米。鑒于類似異常事件就引發(fā)了對衛(wèi)星段故障監(jiān)測的研究。
在實際衛(wèi)星信號質(zhì)量監(jiān)測過程中可以假設(shè)如果能夠精確地知道衛(wèi)星信號的結(jié)構(gòu)以及其相關(guān)峰的形狀，便可以利用相關(guān)峰的形變來監(jiān)測衛(wèi)星信號的異常與否，借助異常模型判定信號質(zhì)量好壞。因此恢復(fù)實際相關(guān)峰的方法成為監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)。
根據(jù)接收機(jī)原理，在通過接收機(jī)I路和Q路去除載波后，要通過對本地產(chǎn)生的C/A 碼和接收到的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算來進(jìn)行碼對齊，接收機(jī)通過移動本地產(chǎn)生的C/A碼和接收信號的時間關(guān)系來取得相關(guān)值的最大值(即主峰的峰頂)，但是在實際中由于衛(wèi)星，環(huán)境和噪聲等原因，可能使相關(guān)峰形狀產(chǎn)生畸變。因此可以通過相關(guān)峰的形變程度來監(jiān)測信號異常與否。通過接收機(jī)對相關(guān)峰的監(jiān)測來實現(xiàn)完好性需求。要想滿足這一需求必須解決兩個問題1，相關(guān)峰的獲?。?，實時監(jiān)視相關(guān)峰的異常。
如圖1所示，El, Ll ；E2, L2 ；E3, L3 ；分別為三對超前滯后采樣點(diǎn)，每對采樣點(diǎn)之間的碼片間隔保持1個碼片間隔不變，每對的區(qū)別只是在于其即時碼相位的碼片位置不同， E2，L2相當(dāng)于其即時碼位置相對于標(biāo)準(zhǔn)的El，Ll來說左移了一定間隔，同理E3，L3相當(dāng)于右移了一定間隔?，F(xiàn)有設(shè)計較為成熟的星載接收機(jī)并不是專門用于信號質(zhì)量監(jiān)測的，而現(xiàn)有的多點(diǎn)采樣技術(shù)都采用窄相關(guān)技術(shù)，窄相關(guān)技術(shù)的相關(guān)器間距一般可以小到1/10甚至是1/16碼片，而常規(guī)的接收機(jī)為1/2碼片，常規(guī)接收機(jī)的超前滯后相關(guān)器通常工作在自相關(guān)函數(shù)主峰左右兩邊最陡峭的部分，如圖1中的E1，Li，此時碼環(huán)具有很高的敏感性，正好可以被監(jiān)測相關(guān)峰對稱性，平滑性所利用。當(dāng)碼環(huán)采用窄相關(guān)技術(shù)時，超前滯后相關(guān)器的相位工作點(diǎn)會在比較平滑的自相關(guān)函數(shù)頂峰附近，在實際中對復(fù)制的C/A碼相位的一點(diǎn)調(diào)制并不能引起這些相關(guān)器輸出的明顯變化，即碼環(huán)敏感性降低。而為了解決窄相關(guān)技術(shù)中碼環(huán)敏感性低的問題，相應(yīng)接收機(jī)必須配以較寬的射頻前端帶寬和相應(yīng)較高的A/D (模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)換器采樣頻率，同時射頻前端的各級濾波器的要求也相應(yīng)的提高，這些改變帶來的經(jīng)濟(jì)投入是相當(dāng)高的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有衛(wèi)星信號質(zhì)量監(jiān)測中，采用窄相關(guān)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)峰多點(diǎn)采樣時， 碼環(huán)敏感性低、要增加經(jīng)濟(jì)投入的問題，提出了一種采用多通道并行相關(guān)峰采樣監(jiān)測信號質(zhì)量的方法。
本發(fā)明提供的方法包括步驟
步驟一、根據(jù)用戶實際的監(jiān)測任務(wù)需求，基于采樣頻率和參與采樣的接收機(jī)的通道數(shù)確定采樣點(diǎn)的數(shù)目；
步驟二、采用多通道并行相關(guān)峰采樣法對要監(jiān)測的衛(wèi)星S獲取相關(guān)峰采樣值；
步驟三、根據(jù)所監(jiān)測的衛(wèi)星信號特點(diǎn)，對獲取的相關(guān)峰采樣值進(jìn)行擬合處理，并獲取兩兩對稱采樣點(diǎn)的檢測統(tǒng)計量；
步驟四、根據(jù)兩兩對稱采樣點(diǎn)的檢測統(tǒng)計量，采用加權(quán)差值法對信號的相關(guān)峰質(zhì)量進(jìn)行實時地監(jiān)測。
所述的步驟二包括如下步驟
步驟2. 1，首先利用一個接收機(jī)通道對衛(wèi)星S進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，此時該接收機(jī)通道的超前、滯后累加功率值相等；
步驟2. 2，對衛(wèi)星實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤的接收機(jī)通道將相應(yīng)的即時碼相位值傳送給其它參與采樣的接收機(jī)通道，使得其它參與采樣的接收機(jī)通道都實現(xiàn)對衛(wèi)星S的信號的穩(wěn)定跟蹤；
步驟2. 3，保持前后相關(guān)器間距不變，各個參與采樣的接收機(jī)通道控制本地即時碼的碼相位值依次進(jìn)行等間隔地移動；
步驟2. 4，各個參與采樣的接收機(jī)通道對本地即時碼移位后對應(yīng)的相關(guān)峰采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，獲取相關(guān)峰采樣值在預(yù)檢測積分時間下的超前碼的累加均值的功率值、即時碼的累加均值的功率值和滯后碼的累加均值的功率值。
本發(fā)明提供的方法有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果
1.保持經(jīng)典接收機(jī)的相關(guān)器間距設(shè)計不變，避免了窄相關(guān)必須涉及的射頻前端帶寬以及ADC采樣頻率調(diào)整，無需改變硬件設(shè)施，節(jié)約了成本；
2.只需要針對一顆衛(wèi)星信號做考慮，所有通道都針對這顆衛(wèi)星信號進(jìn)行設(shè)置，多個通道同時采樣，用空間換取了時間優(yōu)勢，提高了采樣率；
3.在實際應(yīng)用中對已有的商用接收機(jī)做比較少的軟件修改即可實現(xiàn)，實現(xiàn)簡單， 易操作；
4.采用加權(quán)差值法能夠充分利用多通道獲得的多個采樣點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明背景技術(shù)中對超前滯后采樣點(diǎn)的說明示意圖2是本發(fā)明監(jiān)測信號質(zhì)量方法的整體步驟流程圖3是本發(fā)明監(jiān)測信號質(zhì)量方法中采樣信號后的處理流程圖4是本發(fā)明實施例中得到的兩兩采樣點(diǎn)折線相連曲線圖5是對圖4進(jìn)行擬合后的相關(guān)峰曲線；具體實施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明是一種應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的監(jiān)測衛(wèi)星信號質(zhì)量的方法，首先進(jìn)行多通道并行相關(guān)峰采樣，過程如圖1所示，然后利用采樣數(shù)據(jù)采用加權(quán)差值法對相關(guān)峰進(jìn)行實時監(jiān)測，實現(xiàn)對信號質(zhì)量的監(jiān)測。具體步驟說明如下。
步驟一根據(jù)用戶實際的監(jiān)測任務(wù)需求，基于采樣頻率和接收機(jī)通道數(shù)確定采樣點(diǎn)數(shù)目。
采樣頻率決定了兩兩采樣點(diǎn)之間的間隔，接收機(jī)的通道數(shù)則限定了最終獲得的采樣點(diǎn)數(shù)。對于不同的需求，可以變化通道分配和采樣點(diǎn)的選取來滿足相關(guān)峰采樣的要求。在此舉一例說明，對于GPS Ll信號來說，假設(shè)接收機(jī)采用了 16.368MHz的A/D(模擬/數(shù)字， Analog/Digital)轉(zhuǎn)換器，由于C/A碼的碼速率為1. 023MHz，因此采樣點(diǎn)間隔的下限是1/16 碼片，現(xiàn)有普通商用接收機(jī)通道數(shù)為12，如果所有通道全部用于對同一顆衛(wèi)星信號采樣，則采樣點(diǎn)數(shù)最多可達(dá)36個，最小采樣間隔是1/16碼片。在具體應(yīng)用中可以根據(jù)實際需求縮短采樣間隔，靈活改變采樣點(diǎn)位置，減少采樣點(diǎn)數(shù)，如采樣間隔為1/8碼片、1/4碼片等，采樣點(diǎn)的位置分別是-0. 075、-0. 05、-0. 025,0,0. 025,0. 05,0. 075,0. 1 (碼偏移量)等?？紤]到采用同時刻的觀測量來最大限度地減少噪聲誤差，并且希望兼顧衛(wèi)星跟蹤和相關(guān)峰恢復(fù)的時間，可以采用若干通道跟蹤，其余通道用于采樣的方式，下面所述的各接收機(jī)通道指用于采樣的通道。對于P碼的恢復(fù)和更高頻率的采樣點(diǎn)選擇，可以通過提高AD頻率來實現(xiàn)， 類比上述例子來確定采樣點(diǎn)數(shù)目。
步驟二 對于要監(jiān)測的一顆衛(wèi)星應(yīng)用多通道并行相關(guān)峰采樣法獲取相關(guān)峰采樣值；
步驟2. 1，對于某一顆衛(wèi)星S的信號，首先利用一個接收機(jī)通道完成對衛(wèi)星S的穩(wěn)定跟蹤，此時該接收機(jī)通道的超前、滯后累加功率值相等。本發(fā)明方法是在衛(wèi)星段實現(xiàn)信號監(jiān)測的任務(wù)，在每個衛(wèi)星上單獨(dú)裝配監(jiān)測型接收機(jī)，一般為了排除接收機(jī)自身的影響會裝配三臺監(jiān)測型接收機(jī)進(jìn)行一致性校驗，所述的接收機(jī)通道接收若干衛(wèi)星的信號，但是接收到衛(wèi)星S的信號功率肯定大大強(qiáng)于別的衛(wèi)星信號功率，所以可以近似認(rèn)為該接收機(jī)只處理衛(wèi)星S上的信號。
步驟2. 2，實現(xiàn)對衛(wèi)星S穩(wěn)定跟蹤的接收機(jī)通道將相應(yīng)的即時碼相位值傳送給其它接收機(jī)通道，幫助其它接收機(jī)通道實現(xiàn)對于衛(wèi)星S信號的穩(wěn)定跟蹤。
步驟2. 3，在此基礎(chǔ)上，各個接收機(jī)通道，保持前后相關(guān)器間距不變，通過控制本地即時碼的碼相位值，使各接收機(jī)通道的即時碼依次進(jìn)行等間隔地移動，移動間隔即采樣間隔，參考采樣頻率將各自的即時碼向左或向右滑動。
步驟2. 4，各接收機(jī)通道對得到的即時碼對應(yīng)移位后的相關(guān)峰采樣點(diǎn)，分別讀取各個通道預(yù)檢測積分時間下的超前、即時和滯后碼的累加均值的功率值，這樣每個采樣通道均得到三個采樣值。
圖2為得到相關(guān)峰采樣值后步驟三和步驟四處理過程示意圖，具體如下。
步驟三根據(jù)所監(jiān)測的衛(wèi)星信號特點(diǎn)，選擇合適的擬合方式對接收機(jī)獲取的相關(guān)峰采樣值進(jìn)行擬合處理，同時獲取多組兩兩對稱采樣點(diǎn)的檢測統(tǒng)計量。
首先對接收機(jī)給出的相關(guān)峰采樣值進(jìn)行幅度歸一化處理，具體是采樣值除以相關(guān)函數(shù)的最大值得到。然后對歸一化的采樣值進(jìn)行擬合，減小通道時間相關(guān)性的差異，繪制出相關(guān)峰曲線。由于本發(fā)明方法可以適用于BPSK(Binary Phase Shift Keying，中文名稱 雙相移相鍵控)調(diào)制，BOC(Binary-Offset-Carrier，中文名稱二進(jìn)制偏移載波)調(diào)制的導(dǎo)航信號質(zhì)量監(jiān)測中。在實際監(jiān)測處理過程中，根據(jù)信號特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)臄M合方式，給出更符合實際的相關(guān)峰曲線。對具體的擬合方式?jīng)]有特殊要求，在實際應(yīng)用中權(quán)衡選擇適合信號特點(diǎn)，擬合度高，不影響實際信號信息的擬合方式即可。例如，對于研究最為廣泛的GPS Ll 信號來說，理想相關(guān)峰主峰是規(guī)則的三角形尖峰，而在現(xiàn)實中為了限制噪聲和干擾，接收機(jī)采用有限的并非無限的射頻前端帶寬，有限的射頻前端帶寬同時濾除了 C/A碼信號中的高頻成分，導(dǎo)致接收機(jī)碼環(huán)實際輸出的非相干積分幅值所形成的C/A碼相關(guān)函數(shù)主峰不再呈有棱有角的三角形，相關(guān)函數(shù)主峰尖角部分被平滑掉了，而且主峰頂端左右兩邊的斜坡也不再呈直線。例如在處理GPS Ll信號時可以選用平滑仿樣擬合近似代替實際的相關(guān)峰曲線，如圖5所示。
步驟一、二的目的正是為了獲取相關(guān)函數(shù)曲線的更多信息，讓接收機(jī)復(fù)制出盡可能多的不同延時的偽碼，經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后得到相關(guān)函數(shù)曲線上的更多采樣點(diǎn)。而步驟三中的采樣點(diǎn)擬合是為了盡可能排除噪聲以及接收機(jī)自身問題帶來的采樣信息失真，更為真實的還原衛(wèi)星信號信息。把握的原則是選用的擬合方式不會對衛(wèi)星信號質(zhì)量判定造成影響。
對接收機(jī)給出的GNSS信號相關(guān)峰采樣值Im, n,±。ffsrt進(jìn)行幅度歸一化。其GPS Ll 信號采樣結(jié)果折線相關(guān)函數(shù)如圖4所示。由于天線位置、增益、類型不同，GPS信號的功率不同，從而導(dǎo)致不同接收機(jī)對同一衛(wèi)星的采樣值幅度不一樣，所以對采樣值用下面的式子進(jìn)行幅度歸一化處理來減弱信號功率的影響γ_ I m,n,±offset^)/1 \
1 nor,m,η+OjfseAt) = ----V 丄乂m,n,prompt ν )
其中，m為接收機(jī)編號；η為編號為m的接收機(jī)跟蹤的PRN = η的衛(wèi)星，PRN是偽隨機(jī)噪聲碼(Pseudo Random Noise Code)的縮寫；offset為相關(guān)峰采樣值的橫坐標(biāo)；In ,m,n, ±offset(t)表示t時刻幅度歸一化后的相關(guān)值；Im,n,pMpt(t)表示接收信號擴(kuò)頻偽隨機(jī)碼和本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻偽隨機(jī)碼完全對齊時的相關(guān)值。
步驟四根據(jù)兩兩對稱采樣點(diǎn)的檢測統(tǒng)計量，采用加權(quán)差值法對信號的相關(guān)峰質(zhì)量進(jìn)行實時地監(jiān)測。
步驟4. 1，計算兩兩對稱采樣點(diǎn)的差值，利用相關(guān)峰對稱位置上采樣值的差值來監(jiān)測相關(guān)峰的對稱性；
權(quán)利要求
1.一種采用多通道并行相關(guān)峰采樣監(jiān)測信號質(zhì)量的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一、根據(jù)用戶實際的監(jiān)測任務(wù)需求，基于采樣頻率和參與采樣的接收機(jī)的通道數(shù)確定采樣點(diǎn)的數(shù)目；步驟二、采用多通道并行相關(guān)峰采樣法對要監(jiān)測的衛(wèi)星S獲取相關(guān)峰采樣值，具體是 步驟2. 1，首先利用一個接收機(jī)通道對衛(wèi)星S進(jìn)行穩(wěn)定跟蹤，此時該接收機(jī)通道的超前、滯后累加功率值相等；步驟2. 2，對衛(wèi)星實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤的接收機(jī)通道將相應(yīng)的即時碼相位值傳送給其它參與采樣的接收機(jī)通道，使得其它參與采樣的接收機(jī)通道都實現(xiàn)對衛(wèi)星S的信號的穩(wěn)定跟蹤；步驟2. 3，保持前后相關(guān)器間距不變，各個參與采樣的接收機(jī)通道控制本地即時碼的碼相位值依次進(jìn)行等間隔地移動；步驟2. 4，各個參與采樣的接收機(jī)通道對本地即時碼移位后對應(yīng)的相關(guān)峰采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，獲取相關(guān)峰采樣值在預(yù)檢測積分時間下的超前碼的累加均值的功率值、即時碼的累加均值的功率值和滯后碼的累加均值的功率值；步驟三、根據(jù)所監(jiān)測的衛(wèi)星信號特點(diǎn)，對獲取的相關(guān)峰采樣值進(jìn)行擬合處理，并獲取兩兩對稱采樣點(diǎn)的檢測統(tǒng)計量；步驟四、根據(jù)兩兩對稱采樣點(diǎn)的檢測統(tǒng)計量，采用加權(quán)差值法對信號的相關(guān)峰質(zhì)量進(jìn)行實時地監(jiān)測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用多通道并行相關(guān)峰采樣監(jiān)測信號質(zhì)量的方法，其特征在于，所述的步驟三在對相關(guān)峰采樣值進(jìn)行擬合處理之前，要對相關(guān)峰采
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用多通道并行相關(guān)峰采樣監(jiān)測信號質(zhì)量的方法，其特征在于，所述的步驟四具體是步驟4. 1，計算接收機(jī)得到的t時刻的一對對稱采樣點(diǎn)的差值difm,n,。ffsrt(t)di f"m，η, offset (t)^nor, m, η, offset (t) ^nor, m, η, -offset (t)；其中，offset為相關(guān)峰采樣值的橫坐標(biāo)，In ,m,n,。ffset(t)與I n,_。ffset(t)表示經(jīng)過幅度歸一化處理后的一對對稱位置的相關(guān)峰采樣值；利用對稱位置的相關(guān)峰采樣值的差值來監(jiān)測相關(guān)峰的對稱性；步驟4. 2，對接收機(jī)得到的k個相關(guān)峰差值進(jìn)行加權(quán)組合，得到檢測統(tǒng)計量Xm,n,k
全文摘要
本發(fā)明提出一種采用多通道并行相關(guān)峰采樣監(jiān)測信號質(zhì)量的方法，屬于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，該方法首先根據(jù)用戶實際的監(jiān)測任務(wù)需求，基于采樣頻率和接收機(jī)的通道數(shù)確定采樣點(diǎn)的數(shù)目，然后采用多通道并行相關(guān)峰采樣法對要監(jiān)測的衛(wèi)星檢測，獲取相關(guān)峰采樣值，并對獲取的相關(guān)峰采樣值進(jìn)行擬合處理，同時獲取兩兩對稱采樣點(diǎn)的檢測統(tǒng)計量，根據(jù)兩兩對稱采樣點(diǎn)的檢測統(tǒng)計量，采用加權(quán)差值法對信號的相關(guān)峰質(zhì)量進(jìn)行實時地監(jiān)測。本發(fā)明方法無需改變硬件設(shè)施，適用于衛(wèi)星段，只需針對一顆衛(wèi)星信號檢測，所用通道都針對這顆衛(wèi)星信號進(jìn)行設(shè)置，多個通道采樣，用空間換取時間優(yōu)勢，提高了采樣率，實現(xiàn)了對衛(wèi)星信號質(zhì)量的檢測，并節(jié)約了成本。
文檔編號G01S19/20GK102508263SQ20111035166
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者劉岱, 李銳, 郝小麗 申請人:北京航空航天大學(xué)