在线时延测试与设备性能监测系统的设计与实现＊

张 婷，李洪力，栗 靖，刘安斐

（北京卫星导航中心，北京100094）

0 引 言

在使用GEO卫星组网的某卫星导航地面应用系统中，由于设备带来的延迟称为设备时延。伴随着器件的老化、设备的更换等，系统的时延有可能随时间发生漂移，为保证系统的精度有必要定期进行时延测试，以便有较大变化时能及时修改系统的时延。以往必须停系统才能进行信号发射与接收的时延测试，所以有必要研究在系统不中断条件下进行时延测试的方法，解决时延测试必须停系统的难题。

同时在系统运行中存在标校机跳大数现象，跳大数可能是标校机自身引起的，也可能是信号处理单元引起的，很难确定是哪个设备的原因，为此有必要实时监视系统的跳大数情况，进而判断是哪个设备引起的，为跳大数的消除提供参考依据。

针对上述时延测试和设备性能监视的需要，提出了一种在线时延测试与设备性能监视系统设计方案，不仅可以进行时延的在线测试，同时能监测整个系统的测距性能及各标校机的运行状况，实时监视各信号处理单元的工作状况，实现系统在出现测距跳大数时及时报警并指出故障信号处理单元号及入站波束，为判断出跳大数的原因提供依据。从而进一步提高了系统的可靠性、稳定性和定位精度，减少了系统误差，解决了卫星导航地面应用系统设备时延变化标定的重要问题。

1 卫星导航系统工作原理

卫星导航系统主要由地面应用系统、空间段卫星和地面用户端组成[1]，如图1所示。出站链路是地面应用系统发射出站信号经天线发射向卫星，入站链路是地面用户天线接收经卫星转发的用户入站信号。

图1 卫星导航系统组成图

2 系统方案设计与实现

2.1 方案设计

在线时延测试与设备性能监视系统主要完成对卫星导航地面应用系统信号收发分系统双向时延的在线测试、信号处理单元和标校机的性能监视等，在线时延测试与设备性能监视系统的设备组成原理图如图2所示。

图2 在线时延测试与设备性能监视系统组成原理图

在线时延测试方法和以前时延测试方法基本相同，即利用C／C转发器将系统设备联成环路，通过计算可以得出信号发射与接收的时间延迟。

时延发射终端产生入站格式信号，时延发射终端输出信号与发射终端1、发射终端2、发射终端3、发射终端4的输出信号合路后共用中频电缆送往发射链路，经过高功放耦合口耦合输出，再经过C／C转发器变频放大后与天线接收的入站信号合路进入接收信道，通过接收终端连接到在线时延测试与设备性能监视平台的监视计算机上，根据接收到的数据进行时延测试，同时显示标校机入站信息，当出现跳大数时自动报警，达到监视信号处理单元和标校机性能的效果。

2.2 系统的组成与实现

在线时延测试与设备性能监视系统由时延发射终端、C／C转发器、信号源、合路器、低耗电缆、数据采集卡和监视计算机等组成。时延测试与设备性能监视软件包括时延测试和设备性能监视两个部分，运行界面如图3所示。

时延测试部分可在线统计接收数据帧数、测试时延值、计算时延值（根据测试设备连接情况，设置修正值）、均值和方差。设备性能监视部分实时显示标校机入站信息、跳大数报警信息、重点监测信息等，同时软件具有数据记录功能。

图3 时延测试与设备性能监视软件运行界面

3 关键技术实现

在总体技术方案实施过程中，采用了大量的先进技术，包括精确一致的时延测试技术、设备时延的在线测试与标校技术、优化的时延测试频度控制策略和优化的功率控制技术等。

3.1 精确一致的时延测试技术

时延发射终端编码模块与扩频调制模块按入站帧格式设计，测距信号产生器按入站信号格式编码，时延发射终端输出信号衰减可调，通过天线转发给用户机的出站信号大于时延测试信号，且二者之间码不相关，对用户机的正常接收影响较小，不会影响系统的正常运行。经过时频改造，在时频信号保持同步的前提下，给时延发射终端提供一套时频信号，时延发射终端的时频信号与发射终端的时频信号同步。机箱内部设计与发射终端基本一致，输出信号与发射终端合路后共用中频电缆。时延发射终端所测的时延经过处理与实际发射终端一致[2]。

3.2 时延测试频度控制策略

为了减小对系统工作的影响，测距信号发射频度连续可调，可以选择按每1／4帧／s、1帧／s、16帧／s或32帧／s的频度发射。在对系统时延进行长期观测时，可采用较低的测试频度如每1／4帧／s或1帧／s；为得到系统实时时延，需要定期进行系统时延测试时，可选择用户数量相对较少时间如晚上12点以后进行测试，测试频度可以较高，选为16帧／s或32帧／s。按时延统计中每个信号处理单元统计500组数据为例：发射频度为1帧／s，系统需要11h10min；发射频度为32帧／s时则需要时间21.5min.测试时间间隔可根据工作需要选定为每周或每月进行一次时延测试，测试时间选择为晚上零点以后，当进行长期时延观测时，选择每1／4帧／s的测试频度。为保持测试时间基准的随机性，要求发射帧时基可调。

3.3 优化的电平估算技术

1）理论分析

根据卫星通信线路的总载噪比公式（C／N）－1＝∑（C／NK）－1，可推算出：当测试信号载噪比C／N0＝25dBHz，同时为了保证测试信号对出站信号影响较小，此时设定测试信号电平比出站信号电平低8～10dB，通过C／C转发器转发后进入接收信道的出站信号的载噪比C／N0＝35dBHz，出站信号作为大信号对测试信号（小信号）产生的影响约为0.7dB，则测试信号的实际入站信号载噪比C／N0＝24.3dBHz；另外，考虑到出站信号对所有入站信号的影响，假设所有入站信号的中频电平为0 dBm且所有入站信号的总载噪比为C／N0＝27 dBHz，根据上述公式可以得出：出站信号对入站信号的影响约为0.6dB；由于测试信号比出站信号电平低8～10dB，根据信号功率的分配，测试信号对出站信号的影响约为0.2dB，再加上测试信号与出站信号的码结构不一样，测试信号对出站信号的影响较小[3]。

2）试验数据

根据理论分析，通过试验来测试发时延测试信号对标校机和广播信息接收机接收信号电平的影响。对出站影响测试的原理如图4所示，对入站影响的测试原理如图5所示。

时延测试单载波信号在频谱仪上标定为：－27 dBm，实际临界可工作在－33dBm电平下，此时接收载噪比工作门限测试结果如表1所示。

通过实验得出以下结论：

1）时延测试信号对出站信号的影响：时延测试信号在小于出站信号4dB中频合路发出后，基本不影响出站信号的正常接收，出站功率和标校机响应电平基本不变；

2）出站信号对入站信号的影响：时延测试信号在小于出站信号7dB时，接收终端仍可以正常接收时延信号则表明出站信号对入站信号的影响较小；

表1 接收载噪比工作在门限测试结果

3）出站信号对时延测试信号的影响：时延测试信号在小于出站信号10dB时，由于出站信号对时延信号的干扰过大，已无法解调。

3.4 对标校机、用户机和信号处理单元伪距观测异常的监测技术

针对标校机时常有跳大数的情况出现的问题，数据处理只能对异常的伪距值进行丢弃处理，影响了大系统的定位精度。平台完成之后，能很好地分离两种跳数的可能性，并能够定位在哪个频点的解调单元和哪台标校机，从而解决了哪部分在跳数的问题，为进一步解决各自设备的跳数问题提供了依据。

通过软件模块化设计，提升了原先设备性能监视的功能，能够进行指定用户机测距及时延稳定性测试。

4 结 论

此平台实时监测标校机和处理单元的性能，不仅能监测标校机的入站情况，还能监测跳大数信息，通过该信息来判断是标校机跳大数还是信号处理单元跳大数，同时也可判断标校机是否跳波束。在长电文通信试验中，针对系统不能进行长电文通信，根据用户需要，对在线时延测试与设备性能监视平台进行调整记录入站长电文，为分析问题提供参考。此外还记录标校机的时差波束、时差等信息，验证单向时延的正确性。

总之，在线时延测试与设备性能监视系统对监视系统运行中设备时延的变化起到了重要的作用，还可实现跳大数监视、用户机时延稳定性测试、测试终端信号格式的修改等为系统的相关监视、测试提供了简单可行的手段。该平台为系统提供精确定位提供了必要的数据，为卫星导航地面应用系统的稳定运行奠定了扎实基础。

[1]谭述森.卫星导航定位工程[M].北京：国防工业出版社，2010.

[2]吴延忠，李贵琦.地球同步卫星定位[M].北京：解放军出版社，1992.

[3]谭述森.RDSS导航定位工程[M].北京：国防工业出版社，2011.