北斗系统新体制信号质量监测指标及测试方法
徐成涛1，林红磊1，唐小妹1，王飞雪1
(国防科技大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙，410073)
摘要：卫星信号质量监测通常采用通用标准仪器、监测接收机和离线数据3种方式。对于新信号体制下的卫星导航信号，前2种方法存在分析指标不全、适应性较低等问题。在总结归纳传统卫星信号质量监测指标的基础上，重点对质量监测指标与信号伪距、载波相位、电文符号的关系进行理论分析与仿真计算，指标参数主要涵盖相关损失、相关峰、IQ正交性、载波伪码相干性等。最后，以离线数据分析的方法建立基于软件接收机的信号质量监测分析系统，并对北斗二号二期体制的试验信号进行质量分析测试。结果表明：该评估方法合理有效，可为提供北斗卫星全球体制的设计提供验证平台。
关键词：新信号体制；信号质量；BOC调制；监测指标最小集；BDS
中图分类号：TP967.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)03-0774-09
Signal quality monitoring parameters and measurement methods of Beidou system with new signal pattern
XU Chengtao1, LIN Honglei1, TANG Xiaomei1, WANG Feixue1
(School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract: Common standard instruments, monitoring receiver and offline data analysis are generally three basic methods in signal quality monitoring, while the former two are considered to be less comprehensive and inflexible when dealing with new signal patterns. The relationship between monitoring parameters and receiver parameters like pseudo range, carrier phase and navigation data based on the conclusion of traditional signal quality monitoring parameters was analyzed. Among them, the parameters like correlation loss, correlation peak, IQ-quadrature and carrier-code coherence are emphasized. Meanwhile, the performance under new signal pattern is taken into consideration. Accordingly, the method of offline data analysis under new signal pattern is given and the minimum set of signal quality monitoring is presented considering new signal pattern. Lastly, a signal quality test of Beidou Ⅱ global system is taken based on this set by employing the offline data analysis, and the results prove the effectiveness of this set.
Key words: new signal pattern; signal quality; BOC modulation; minimum set of monitoring; BDS
卫星导航信号体制正向着多频段、多服务、多调制方式的方向发展，出现了新型的导航信号调制方式(BOC和MBOC等)和复用方式(CASM和Interplex)[1]，在提升综合导航性能的同时，也给信号质量的监测带来了新的挑战。卫星信号质量监测通常采用通用标准仪器、监测接收机和离线数据3种方式[2-9]。GNSS导航信号质量监测与评估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。导航信号质量监测与评估尽管主要是对导航系统导航信号本身性能及各项指标的综合测量，但其结果也与用户的实际应用性能息息相关，因此其在导航系统的试验评估、在轨监测和体制设计等方面具有重要的意义[10]。目前，国外的导航信号质量监测设备，主要包括3种类型：(1) 基于接收机相关输出的信号质量监测；(2) 基于高增益天线射频输出的信号质量监测；(3)基于接收机相关输出和高增益天线射频输出联合处理的信号质量监测[11]。基于接收机相关输出的信号质量监测是对传统接收机进行改进，增加信号质量监测功能。基于高增益天线射频输出的信号质量监测，可以获得高增益接收信号，天线射频输出不需要解扩就可以直接获取码片和导航数据，利用标准测量仪器可以对信号质量进行一些分析。新信号体制下的卫星导航信号，在信号层面具有以下几个特点：复用效率提高，同一频点往往调制了3个支路以上的信号；调制方式更复杂，广泛采用副载波调制信号(BOC信号等)；信号带宽增大，如Galileo的AltBOC(Alternative BOC)信号的主瓣带宽达到71 MHz[12]，远远大于GPS的L1CA信号；采用导频支路、次级码等新的信号格式。因此在新体制下，前述信号质量监测方法都存在一些问题。首先，通用标准仪器分析方式要求信号有较高的载噪比，因此该方法必须使用高增益天线或者使用有线测试方法。前者的系统建设代价高昂，后者适用范围受限。更重要的是，对于采用复杂的调制方式的信号，如AltBOC等，已不具有可用性；若采用监测接收机分析的方式，其工作性能稳定，结果可信度高，可输出测距定位结果，但是其硬件平台搭建周期较长，系统调整不灵活、难以涵盖全部的信号分析指标。综合来看，采用软件接收机方式的信号质量监测与评估手段在现代化导航信号体制尚未完全确立的情况下具有适应性高、代价小、指标分析较全面的优势。此外，随着导航信号现代化，信号的调制方式和复用方法越来越复杂，传统的眼图、星座图等已经不能充分描述信号的质量，因此如何对新信号体制下的信号质量进行评估及其评估方法是目前信号质量监测评估的重要课题之一。本文作者在软件接收机的实现基础上对此展开研究。指标参数主要包括相关损失、相关峰、IQ正交性、载波伪码相干性等。在此基础上给出了新体制下信号质量的离线分析方法。
1 信号质量监测指标
用户对导航系统的性能要求主要集中在4个方面：精度、完好性、连续性和可用性[13]。而精度是其他各项性能的基础，而精度性能与卫星发送信号质量密切相关。
卫星信号监测是对信号质量的评估手段，其与导航性能的内在联系值得我们深入研究。目前信号质量监测考虑的指标包括频域、调制域、相关域、测距域和时域等几个方面[14]。
1.1 频域
频域分析主要是对扩频信号和单载波信号的功率谱分析，用于监测扩频信号和单载波信号的频谱是否存在异常。频域分析的项目主要包括功率谱曲线、功率、带内谐杂波、带外抑制等。功率谱曲线作为信号频谱特性观察的主要手段，可以反映出信号的基本情况，通过带内谐杂波和带外抑制2个定量指标的分析可进一步评估出对信号受到的无意或人工干扰情况。无线电导航信号的功率由于空间传播的原因，功率较小，因此功率的微弱变化对用户的接收将造成很大影响，通过功率监测可以反映出信号功率的变化情况。
频域分析主要基于对功率谱的估计，功率谱估计方法可以分为经典谱估计和现代谱估计2类。新体制导航信号由于带宽增大，对采样率要求较高。对于高采样信号的功率谱估计，采用经典谱估计方法直接对采样信号估计即可。图1所示为信号功率谱估计结果。
图1 信号功率谱估计结果
Fig. 1 Result of signal power density function estimation
1.2 调制域
调制域主要分析I/Q基带信号相位和幅度的相对关系。调制域分析的基本方法主要围绕星座图展开。
星座图可以直观地反映卫星I/Q支路基带信号的分布情况，对了解信号的调制方式和调制质量有重要作用，通可以判断I/Q支路基带信号的幅度和相位关系，并实现对信号调制质量的定性评估。
其中，传统指标I/Q增益不平衡反映了I/Q支路的幅度值和真实值之间的差异，可能会导致某个支路的信号功率低于理论值。对于新体制信号，星座图点数增加，且各支路相对功率比不再是1:1。而星座图上的各个点是由多路信号复合形成的，因此信号间功率配比的异常也难以直接从星座图上观察得到。因此，该指标可以用信号功率比代替。而另一项传统指标I/Q正交性反映了I/Q支路信号的载波相位差，当I/Q支路非严格正交时，会降低信号的等效载噪比。该参数会直接影响到用户的定位精度。对于新体制信号，复用了多路信号，信号间的载波相位已不能用I/Q支路的相位差来表示，因此IQ正交性指标可用信号载波相位一致性代替。
只通过星座图的监测方式对信号调制质量评估仍不充分，目前调制域信号分析监测项目还包括相位失真、幅度失真、误差矢量幅度、载波抑制几方面。通过矢量图可计算得到上述指标。这些监测项目的关系如图2所示。
图2 部分调制域指标示意图
Fig. 2 Schematic diagram of some modulation parameters
理想的卫星导航信号是恒包络调制，发射信号在星空图的固定几个点上转换。由于滤波，发射信号包络不再恒定，功放的非线性不仅使信号包络进一步变化，而且使信号在不同时刻产生不同的相移，引起发射信号的星座点发散。
误差矢量幅度(EVM)定义为观测信号与理想信号之差，其表达式为：
(1)
其中：Iref和Qref分别表示理想信号I/Q支路的幅度；Imeas，Qmeas分别表示观测信号I/Q支路的幅度。
幅度误差指的是观测矢量与理想信号幅度的差别，其表达式为：
(2)
相位误差指的是观测矢量与理想信号相位的差别，其表达式为：
(3)
其中：
为理论相位。
这3个参数都可以通过对多个观测矢量取平均的方法来降低观测噪声的影响。
幅度失真、相位失真和EVM这些指标的估计对于通信中的接收机的信号判决错误概率有一定联系，在导航接收机中可以体现为与误比特率的关系。其与测距性能没有直接关系，而新体制下星座图更加复杂，甚至可能出现星座图旋转的情况，无法用通用仪器测量，也增加了质量监测实现的复杂度。因此在新体制下，调制域指标的监测意义值得仔细考虑。图3所示为一种新体制信号的星座图测试结果。
图3 一种新体制信号的星座图测试结果
Fig. 3 Constellation graph of a signal in developing navigation system
1.3 时域
目前对传统导航信号的时域分析主要是沿用通信系统的分析方法，主要包括眼图、扩频码符号、电文符号。
眼图可以反映调制品质、信号非理想性以及信号失真，同时可以观察出码间串扰和噪声的影响。
在新体制下，存在多电平的卫星导航信号，如TM-BPSK，AltBOC等，此时眼图的形状已经不规则，对信号品质评估的意义进一步减小。图4所示为一种新体制信号的眼图测试结果。
图4 一种新体制信号的眼图测试结果
Fig.4 Eye graph of a signal in developing navigation system
扩频码符号和电文符号是对播发信号对应观测量的监测结果，信号扩频码符号的误码将直接影响用户接受终端的捕获和跟踪结果，电文符号的误码决定了位同步错误概率，进而影响了帧同步乃至之后的电文解调解析功能，因此高误比特率下接收机将难以提取出卫星星历等参数，推迟了接收机定位时间。
新信号体制下，调制方式复杂性增大，星座点增多，对信号恒包络特性要求增强，因此可以考虑增加对信号包络峰均比的监测。包络峰均比是度量信号的包络起伏程度的一个指标，其对数表达式为10lg N，单位dB，其中N为包络峰值与均值的比值。
新体制下导航信号的复用方式全部是恒包络方式，即可用以下公式表示：
(4)
其中：θi为调制的相位相比于频率ω是个慢变的量；A为包络幅值。理想情况下A应该是一个恒定的值，以减少功放带来的失真。对调制信号，包络峰均比为
(5)
式中：xpp为时域信号波形的峰值；
为有效值。
包络峰均比的计算方法如图5所示。
图5 包络峰均比计算示意图
Fig.5 Schematic diagram of peak to average of signal envelop calculation
1.4 相关域
相关峰为信号质量监测最重要的参数，直接决定了用户的测距精度。相关域分析以相关峰为重心，围绕相关峰曲线特性进行分析，主要有S曲线、Toffset和相关损失。衡量相关峰曲线形变的参数包括相关损耗和S曲线偏差[15]。图6所示为一种新体制信号的相关峰测试结果。
图6 一种新体制信号的相关峰测试结果
Fig. 6 ACF of a signal in developing navigation system
相关损耗反映的是相关峰峰值相对于理想情况的降低。鉴别曲线偏差反映的是相关峰左右对称性，决定了伪距测量误差。相关曲线形状对于接收机的定位精度有着重要的作用，相关峰的理想峰值点位置与跟踪环路输出位置之差决定了码环的输出误差。
相关曲线计算模块需要对M个相关值数据曲线进行累加，以提高信号能量，由于相关值上调制有电文和二级码，所有相关值使用即时I支路相关值的符号位消除符号调制的影响，具体表达式为：
(6)
(7)
相关峰计算公式为：
(8)
其中：I[k]和Q[k]为第k个历元的相关积分结果。
S曲线偏差对伪距估计的影响为：
(9)
其中：δoffset为S曲线偏差；c为光速。
图7 一种新体制信号的S鉴别曲线测试结果
Fig. 7 S curve of a signal in developing navigation system
相关损失是发射的卫星信号经过射频前端滤波后的接收功率同理想的卫星信号经过同样带宽的理想滤波器由理想接收机所得到的接收功率之差[16]。
(10)
(11)
(12)
式中：TP为相关积分时间，多采用测距码周期；
为接收的基带信号；
为接收机本地产生的标准参考信号，理想情况下
(13)
参考信号取本地复伪码参考信号
(14)
则理想输入信号未经滤波的PCCF为0 dB，在经过前端滤波后略微降低，新体制下同一载频上复用了多个信号分量也会降低理想PCCF。对于实际输入信号
(15)
其中：j(t)代表了残留的二倍频信号和可能的多径信号、干扰信号等；η表示信道限带和失真引起的功率衰减。
则实际输入的PCCF为：
(16)
其中：Pj为j(t)信号与本地信号相关后的平均功率。可见，相关损失衡量了信道对和接收机处理对信号造成的功率衰减即载噪比的降低。对相干超前减滞后环路，设码环带宽Bl=1 Hz，相关器间隔非常小，码环跟踪精度与载噪比的关系如图8所示。
图8 各类信号的码跟踪精度与载噪比关系曲线
Fig. 8 Code tracking precision with respect to carrier noise ratio
跟踪精度与载噪比的关系密切，特别是在低载噪比下，载噪比变化对精度影响很大。
1.5 测距域
除了传统的信号质量监测类别，根据新体制下导航信号的特点，质量监测平台应具备对同频复用信号相对相位关系和频间信号相对相位关系的监测项目。主要包括码相位一致性、载波相位一致性和伪码载波相干性等指标。
在新体制下，卫星信号复用效率提高，一颗卫星可提供多路信号供接收机使用。系统设计上，同一颗卫星同一频点间的不同信号以及不同频点间信号的测距码应保持同步的关系，其相对偏移量即是频内/频间码相位一致性。
(17)
其中：
(code coherence)为i信号和j信号分量的码相位一致性；
为i信号的伪码相位(code phase)。不
同信号间载波相位的相对偏移量即是频内/频间载波相位一致性：
(18)
其中：
(Carrier Coherence)为i信号和j信号分量的在载波相位一致性；
为i信号的载波相位(Carrier Phase)。
信号相位关系相对于理想情况的偏差，会引起单频信号间伪距测量值和载波相位测量值的变化。若参与定位的卫星使用同一信号的测距结果，则此偏差将被归为钟差，对定位没有影响。若参与定位的卫星使用不同信号的测距结果，或考虑不同卫星间相位的不一致性，则伪距和载波相位的偏移将影响定位结果[14]。
在高精度定位技术中，为了提高测量精度，常采用载波相位平滑码伪距测量值的技术来进行测距。码载波相干性反映了码相位与载波相位的一致性，对于载波相位平滑码伪距的精度具有指导意义[17-19]。在理想情况下，接收机测得的同一卫星在同一频率上相邻两个历元的伪距观测量的增量与利用相邻两个历元载波相位测距的增量相等。但是，由于受电离层延迟效应、多路径的影响，或者由于卫星发射源的不理想性，将导致伪距测量值与积分载波相位测量值的不一致性。伪码载波相干性即反映了码相位与载波相位的一致性[17]：
(19)
载波相位平滑码伪距的结果利用了多个历元周期的码与载波相干性进行对伪距的估计。而载波相位和伪码相位的一致性就成了保证平滑测量提高精度的前提。如果二者出现异常的相位差(非固定相差)，将引入测距误差，影响载波相位平滑码伪距测量值结果，从而直接导致定位精度的下降。
根据文献[14]可以得到，码载波相干性的平均偏差对载波平滑伪距的结果存在较大影响，而其变化的方差由于平滑过程，对结果影响并不大。图9所示为码载波相干性的测试结果。
图9 码载波相干性的测试结果
Fig. 9 Test result of code carrier coherence
1.6 其他
在直接扩频测距系统中，发射通道与接收通道的非理想特性将会使扩频信号产生畸变，进而影响测距，这种影响对于窄带信号尚不明显，但对于新体制下的宽带信号如BOC和AltBOC调制，信号通带内的不平坦将严重影响测距结果[20]。
在监测接收机等高精度测量设备中该影响表现尤为突出，群时延是其中一个重要方面。
群时延是对系统的相位特性线性程度的一种度量，考虑一个具有线性相位的系统其频率响应为
，对窄带输入
，系统的相位效果在
附近可以近似为
。则对x[n]的响应为
(20)
结果在ω0附近的窄带信号x[n]的包络s[n]延迟可由ω0处相位特性斜率的负值给出，此处必须认为是ω的连续函数，记为
。群时延为
(21)
图10所示为新体制下宽带信号群时延波动测试结果。对相关峰相位特性的分析即可得到通道的相位特性。
1.7 小结
通过上面的具体分析，对于新体制下的导航信号提出以下指标集合，这些指标与用户关心的测距和定位精度的关系密切，在计算条件和监测条件受限的情况下应尽量满足对该类指标的观测评估。图11所示为与测距相关的精简指标集合。
图10 新体制下宽带信号群时延波动测试结果
Fig. 10 Test result of group delay variation of a wideband signal
图11 与测距相关的精简指标集合
Fig. 11 Simplified parameters collection related ranging precision
2 监控软件结构
信号质量监测软件通过对中频导航信号采样文件的处理，对监测信号相关指标进行离线的信号质量分析，将信号相关域、调制域、频域、时域、测量域指标分析结果存储并输出至软件界面显示。
监控软件的外部接口为中频或基带采样数据文件，监控软件的内部接口可分为控制与监测面板和信号分析两部分，其中信号分析部分又包括了信号处理和监测指标分析2部分。信号分析部分的结构图如图12所示。
该软件可分析某频点的任意信号分量的信号质量，也可针对某一频点合路信号的质量进行全面分析，测试时软件基本执行流程如下：首先设定相关的接收机参数，用以实现信号的捕获和跟踪等功能；然后读取采样数据，对采样数据中的存在的信号进行捕获，对一个频点的所有可能播发信号，分别尝试捕获，将捕获的结果(如信号载波频率和伪码相位)保存；之后，进行通道的初始化，将捕获到的信号分配至各个通道，进入跟踪模块，跟踪结果储存在环路数据中；最后对跟踪的结果继续处理，计算相关指标并返回结果。
图12 信号质量监测分析平台信号处理部分结构设计图
Fig. 12 Structure of signal quality analysis platform’s signal processing part
3 部分指标计算结果
最后，根据提出的最小指标集，以离线数据分析方法建立了信号质量监测离线分析系统，目前北斗二代信号体制仍处于论证阶段，本文对实验星的某些频点信号进行了质量分析测试，结果表明该指标集及评估方法合理有效。部分结果如表1~3所示。
从表1~3可以看到测试系统的具有较高的精度。运行中的分析界面如图13所示。
表1 码相位一致性测试结果
Table 1 Test results of signal code coherence parameter
表2 载波相位一致性测试结果
Table 2 Test results of signal carrier coherence parameter
表3 相关损失测试结果
Table 3 Test results of correlation loss parameter
图13 信号质量分析软件结果显示界面
Fig.13 Interface results of signal quality analysis software
4 结论
讨论在新信号体制下的卫星导航信号，传统的信号质量监测方法存在的不足，指出以软件接收机为主基础，以高功率天线作为信号采集前端的系统在现阶段具有更强的灵活性和全面性。分析信号质量监测指标与定位精度的关系，在总结归纳传统卫星信号质量监测指标的基础上，重点对质量监测指标与信号伪距、载波相位、电文符号的关系进行了理论分析与仿真验证，指标参数主要涵盖相关损失、相关峰、IQ正交性、载波伪码相干性等。本文作者在此基础上给出部分信号质量指标的分析计算方法，得到在新信号体制下能有效反映卫星导航性能的信号质量监测指标最小集合。根据提出的最小指标集，以离线数据分析方法建立信号质量监测离线分析系统并对北斗二代二期全球体制信号进行质量分析测试，结果表明该指标集及评估方法合理有效。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2013-03-27；修回日期：2013-06-20
基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-08-0144)
通信作者：徐成涛(1987-)，男，湖南长沙人，博士研究生，从事卫星导航定位系统研究；电话：13107318548；E-mail: xct1130@gmail.com
