通道非理想特性对导航信号相关峰的影响分析

通道非理想特性对导航信号相关峰的影响分析

曾威,李柏渝,刘文祥,欧钢

(国防科学技术大学电子科学与工程学院卫星导航定位技术工程研究中心，长沙 410073)

摘要：卫星导航信号质量直接影响导航系统的各项性能指标,因此信号质量评估是卫星导航系统设计和运行控制过程中的重要环节。接收射频通道幅频特性和相频特性会对信号质量的评估产生影响。本文主要针对导航信号相关峰等评估方法,建立射频通道的非理想模型,分析通道不同频率特性对GNSS信号相关峰的影响。仿真结果表明：通道的非理想特性会对导航信号产生较大的影响。

关键词：导航信号质量;射频通道;非理想特性;相关峰;滤波器

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.013

中图分类号：P228.4

文献标志码：A

文章编号：1008-9268(2015)05-0071-06

收稿日期：2015-05-26

作者简介

Abstract:GNSS (Global Navigation Satellite System) signal is likely to be affected in the process of producing, transmitting, spreading and receiving. In view of the non-ideal characteristic of RF-channel, the GNSS signal quality monitoring and assessment can be carried out and the abnormal of the frond-end can be found and warned. In this regard, there is no comprehensive system research results at home and abroad at present. So it can’t effectively evaluate the influence of non-ideal characteristic of channel on the quality of navigation signal. This paper establishes the non-ideal model of the RF-channel, and analyses the impact of the different frequency characteristics on GNSS signal correlation peak by a navigation signal correlation peak assessment method. The simulation results show that the non-ideal characteristic of channel can cause a large effect on.

0引言

GNSS系统中,导航信号作为卫星、地面运控以及用户之间协调工作的纽带,其优劣将直接关系到GNSS定位、授时和测速等基本功能,并反映卫星有效载荷的工作状态及电性能指标。开展GNSS信号监测评估,可以及时准确发现异常并快速告警,确保用户可靠使用。

导航信号质量监测评估通常利用高增益天线和高速数据采集设备对单频点卫星下行信号进行接收采集,以离线数据分析的方法对解调后的I/Q支路基带信号进行分析,评估眼图、星座图和相关峰曲线等参数[1]。随着导航信号现代化,信号调制方式和复用方法越来越复杂,传统的眼图、星座图已经不能充分描述信号质量,而相关峰作为评估导航信号的重要参数将变得尤为重要。信号质量监测评估主要是对信号本身性能及各项指标的综合测量,但其结果通常受到发射和接收通道特性、干扰和多径等因素的影响。怎样有效地评估导航信号质量,建立准确的通道非理想模型,是一个非常重要的课题，以往的文献少有对此问题进行分析。

本文首先对相关峰评估方法[2]进行了介绍,采用相关损耗和S曲线评估通道功率变化和测距误差,然后在许晓勇等人[3]的导航接收机高精度等效低通分析模型基础上,建立基带信号接收通道非理想的简化模型,分析不同频率特性对导航信号相关峰的影响,最后利用北斗BPSK(2)信号仿真验证在不同情况下的相关峰评估,并给出具体的结论分析。

1导航信号相关峰及通道非理想建模

1.1　相关函数

相关函数的异常和变形直接体现接收导航信号的失真[4]。利用相关函数曲线,可以评估由信道带限和失真等因素引起的相关功率损耗及其对导航性能的影响。根据导航信号跟踪复现本地载波,对射频信号进行载波剥离和多普勒去除,得到I/Q两路正交的基带信号,计算其与本地参考码的归一化互相关,相关函数定义为

CCF(sout,sin,τ)=

(1)

式中: Sout(t)是实测卫星基带信号; Sin(t)为理想的非失真本地参考信号;相关积分时间T通常对应参考信号的一个码周期。输入参考信号的自相关函数为理想的相关峰形

ACF(τ)=CCF(sin,sin,τ).

(2)

联系人： 曾威E-mail: 464115809@qq.com

1.2　相关峰参数评估

相关峰的评估目的是将实测相关函数与理想相关函数进行对比,通过对实测相关曲线的相关损耗、S曲线偏差、相关峰对称性和中心距等参数的分析,评估相关函数畸变,分析接收信号对测距性能的影响。相关损耗和S曲线偏差都是基于功率归一化的相关函数(CCF)。相关损耗反映了相关器中接收信号的失真损耗,定义为

(3)

S曲线是跟踪环路中常用的超前减滞后相关值的鉴相曲线,其过零点偏移即为S曲线偏差,是衡量导航测距误差的常用指标。S曲线可表示为

(4)

其中信号锁定点τ(δ)满足:

SC(τ(δ),δ)=0.

(5)

τ(δ)与真实零点的偏移就是测距误差。

1.3　非理想通道建模

GNSS导航信号质量不仅与卫星信号状态和传播路径有关,也可能会受到通道特性的影响。射频前端是导航接收信号链路中的一个重要组成部分,通过天线接收卫星导航信号,依次经前置放大器、下变频器和A/D转换器变成数字中频信号。基带数字信号处理模块对射频前端输出信号进行处理,实现捕获与跟踪,得到基带信号[5]。信号质量评估模块对剥离载波的基带信号进行分析,根据分析结果达到评估目的。导航信号质量监测评估功能流程如图1所示。

图1　导航信号质量监测评估功能模块

在射频前端的处理过程中,信道滤波、放大、下变频等会对导航信号产生作用,进而影响信号质量的后续评估。简化信号处理过程,建立一般的通道传输模型[6],刻画非理想特性对信号相关峰评估的影响。通道非理想特性模型建立如图2所示。

图2　非理想通道模型

理想输入信号Sin(t),通过非理想通道,得到失真输出结果Sout(t),再与理想信号进行相关。这里主要关注由滤波器带限、幅度特性和相位特性等引起的失真,对应不同的通道频率响应H(f),所以得到输出信号的傅立叶变换为

Sout(f)=H(f)·Sin(f).

(6)

具体的通道特性分析将在下文中分别展开,单独考虑每一特性对相关峰评估的影响,可以得到一般化的结论。

2通道非理想对导航信号相关峰的影响

2.1　总述

导航信号质量分析是在数字基带进行的,其假设条件是通道带内具有理想的频率响应,且各通道间的幅相特性一致。但是射频前端、AD 转换器等模拟器件实现时的各种误差、制造公差、温度及环境特性都会导致通道特性非理想。本章主要通过理论分析得出通道内幅度波动大小、相位波动大小对导航信号相关峰的影响,反映信号的功率损耗和测距偏差的性能,对导航信号质量监测分析系统的通道设计具有一定的参考意义。

2.2　非理想特性对相关峰的影响分析

理想情况下,通道为一个全通的线性相位滤波器,通带内|H(f)| ≡1,有一个为常数的群时延τ0,信号经过通道后仅在时间上有一个延迟,不会引起信号失真,也不会对信号质量产生影响。但在实际应用中,理想的恒幅度线性相位滤波器一般并不能保证,滤波器的幅度和相位响应是关于f的函数,通带内有一定的波动,导航信号经过滤波器之后产生失真,影响信号质量的评估。

2.2.1滤波器带限影响分析

滤波器带限是指信号经过滤波器通道后有效频带外的滤波作用,假设单边带带宽Δf/2,表达式为

(7)

式中,H(f)的单位冲激响应为sinc函数,所以卫星信号经过接收通道,将引起码片边缘类似于sinc函数的变形,这种振荡称为振铃效应,如图3所示。

图3　振铃效应的码片边缘曲线

得到信号输出和相关函数分别为

sout(t)=h(t)*sin(t),

(8)

(9)

信号通道对相关函数的影响核心模型为三角波形经过滤波器h(t)。三角波的傅立叶变换为sinc2函数,其能量主要集中在频率范围为±1/Tc之间的主瓣之内,旁瓣的能量迅速衰减。得到相关

图4　滤波器带限对相关峰的展宽

曲线的形状主要由H(f)在±1/Tc之间的特性决定,高频分量仅对结果进行细节上的微小调整。所以带限作用得到的结果为sinc2函数滤掉高频的部分,对应相关峰波形顶峰尖锐处被展宽,如图4所示。同时,因为h(t)为实数,不影响CCF的对称性,不会造成S曲线的偏移。

2.2.2幅度起伏影响分析

通常情况,信道幅度不可能恒为1,正弦波动的频率响应可以反映这种特点

(10)

式中： α是根据起伏峰峰值A(dB)得到的,α=(1-10-A/20)/2; 波动周期为Δf; 相对补偿相位为φ0,如图5所示。

图5　幅度波动频率响应

通道输出失真信号

Sout(t) =F-1[H(f)Sin(f)]

Δt)-e-iφ0sin(t-Δt)),

(11)

式中,Δt=1/Δf,输出结果受到幅度正弦波动的影响,由输入信号在时间上的超前和滞后量叠加。所以相关函数和相关损耗分别为

(12)

CL =-20log10[|CCF(0)|]

=-20log10[ (1-a)+aACF(Δt)sin(φ0)/[ [(1-a)2+a2/2]+2a(1-a)ACF(Δt)sin(φ0)-

a2/2·ACF(2Δt)cos(2φ0)]1/2.

(13)

由上式可以得出:三个参数都可能会影响相关函数曲线,特别当φ0=90°,270°,CCF(τ)=CCF(-τ),即保持对称性,不影响S曲线频移;幅度起伏越大,对信号质量的影响也越大。

2.2.3相位起伏影响分析

当通道内存在相位起伏,假设为正弦波动,频率响应可设为

(14)

式中: b为波动幅度; 周期为Δf; 补偿相位为φ0,如图6所示。

图6　相位波动频率响应

输出结果为

sout(t) =F-1[H(f)Sin(f)]=J0(b)sin(t)+

(15)

式中,Jn为n阶第一类贝塞尔函数展开式。同幅度波动一样,相位波动结果也是由输入信号时间上的超前和滞后量叠加,阶数无穷。对应相关函数为

(16)

相关函数由一系列权重Jn(b),相位因子exp(-inφ0),时延nΔt的自相关函数叠加。只有当φ0=90°,270°时曲线左右对称,相位波动幅度越大信号失真越严重。

3仿真结果与分析

3.1　带限影响

滤波器带限振铃效应使得载波剥离后测距码片边缘产生波动,这些变化将使信号相关峰尖锐处被展宽,相关峰增益降低,并且滤波器带宽不同，相关峰形状也相应地变化。考虑不同滤波器带宽对BPSK(2)导航信号相关峰形状的影响,相关峰对比结果如图7,相关损耗变化如图8所示。

由图7和图8可知,无限带宽即不经过滤波处理,本地恢复的信号同接收信号的相关峰接近理论值,保持对称且尖锐,无相关损耗。而信号经过带限滤波器后,由于高频分量被滤除,导致相关峰被平滑,随着滤波带宽的减小,该现象变得更加显著,相关损耗增大。4.026 M带宽的北斗B1信号在滤波器带宽为5～75 M变化时相关损耗不会超过0.35 dB.滤波器带宽虽然不会使得测距偏差变大,但是增大了复原信号与接受信号之间的矢量误差。在实测情况下,导航信号中必然混入各种各样的干扰信号以及噪声,必须考虑适当的滤波器带宽以滤除其他信号。

图7　不同滤波器带宽下相关峰对比

图8　滤波器双边带宽对相关损耗的影响

3.2　幅相波动影响

根据2.2节信道幅度和相位起伏波动分析模型,幅度起伏和相位起伏对信号质量的影响都是不可忽略的。仿真条件下,得到测距偏差随波动幅度变化的情况如图9所示,测距偏差是在相关间隔为0.5个码片下得到的,波动周期Δf设为15 MHz.

图9　S曲线偏差随波动幅度的变化

从图上可以看到,幅度起伏波动对测距偏差的影响非常小,不会随着起伏峰峰值的增大而变化,总体保持在一个小幅偏差变化的状态。而对于相位幅度变化的情况就要相对复杂一些,测距偏差受到的影响较大,当相位幅度b在0～30°内变化时,测距偏差大幅增大;当b在30～60°内变化,测距偏差又缓慢减小。

当对比设置射频通道内幅度起伏峰峰值A=4 dB和相位起伏幅度b=30°,比较这两种特定情况下的相关峰结果,如图10所示,同时其评估参数如表1所示。

图10　两种情况下的相关峰对比

相关损耗/dB峰尖所在位置/chipS曲线偏差0.20.5理想通道0000A=4dB4.123300.00630.0051b=30°0.38470.10.70010.4829

图10和表1反映了两种特定情况下的相关峰状态:幅度起伏波动使得相关峰尖锐性不如理想信道,但还是很好地保持了峰形,有一定的相关损耗,但不同于滤波器带限带来的展宽效应,北京这种情况称之为“矮峰”效应;相位起伏波动的情况会使相关峰峰尖偏移,不能够保持其尖锐性,同时也会造成伪距定位的测距偏差,称这种情况为“偏峰”效应。

4结束语

本文介绍了导航信号相关峰评估的方法,在现有分析模型的基础上,建立射频前端的通道非理想模型,分析通道幅相特性等因素对导航信号相关峰的影响。利用射频通道的非理想特性评估仿真信号质量,结果表明：滤波器带限会使相关峰具有展宽效应,幅度起伏带来相关损耗增大的矮峰效应,相位的起伏也会引起相关峰的偏移,即为文中提到的偏峰。本文研究成果可为GNSS导航信号质量监测平台射频通道的设计提供参考,在监测到信号异常的同时,也能为快速排查问题提供数据和参考。

参考文献

[1] 卢晓春, 周鸿伟. GNSS空间信号质量分析方法研究[J]. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2010, 40(5):528-533.

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[3] 许晓勇. 卫星导航接收机高精度建模、分析及优化设计研究[D]. 长沙: 国防科技大学, 2008.

[4] SOELLNER M, KURZHALS C, HECHENBLAIKNER G,etal. GNSS offline signal quality assessment[C].//ION GNSS 21st. International Technical Meeting of the Satellite Division, Savannah, GA, 2008.

[5] 谢钢. GPS原理与接收机设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2009.

[6] SOELLNER M. The impact of linear and nonlinear signal distortions on Galileo code tracking accuracy[C].//ION GNSS, Portland Oregon, 2002.

曾威(1990-),男,四川隆昌人,硕士生,主要研究方向为卫星导航信息处理技术。

李柏渝(1982-),男,重庆人,讲师,主要研究方向为星基导航与定位技术。

刘文祥(1982-),男,江西宜春人,主要研究方向为星基导航与定位技术。

欧钢(1969-),男,湖南株洲人,教授,主要研究方向为星基导航与定位技术。

Impact of Non-Ideal Channel Characteristic on

Correlation Peak of Navigation Signal

ZENG Wei,LI Baiyu,LIU Wenxiang,OU Gang

(SatelliteNavigationandPositioningR&DCenter,SchoolofElectronicScienceand

Engineering,NationalUniversityofDefenseandTechnology,Changsha410073,China)

Key words: GNSS signal quality; RF-channel; non-ideal characteristic; correlation peak; filter