北斗公开服务实时信号质量监测系统研究

解　剑，时　磊，罗显志，刘　亮

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，河北 石家庄 050081；3.太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024)



北斗公开服务实时信号质量监测系统研究

解剑1,2，时磊3，罗显志1,2，刘亮1,2

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，河北 石家庄 050081；3.太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024)

导航信号质量的好坏直接决定了导航系统能够提供的导航服务精度。针对现有的导航信号质量监测只能进行事后处理，实时性差、发现问题不及时和监测时间短等问题，基于高速数字信号处理平台，建立了实时的导航信号质量监测系统，实现了导航信号频域、时域、调制域、相关域和测量域的监测分析，并针对北斗导航系统的公开服务开展了相应的信号质量监测。测试结果表明，本系统完成60s信号的信号质量监测，所需时间为60.8s，具有很好的实时性。

实时；北斗；信号质量监测；高速数字信号处理

0　引言

导航信号是导航系统提供服务的关键要素，导航信号出现质量问题将导致不可估量的损失[1]。现阶段的研究表明，导航信号质量对导航系统的服务性能起着决定性的作用。国外的卫星系统在建设或运营过程中都曾发生过卫星载荷发射的导航信号出现质量问题而导致系统服务性能下降[2]。随着卫星导航系统应用的快速发展，高精度导航应用，诸如航空、精准农业和搜救等，对导航系统服务性能提出了更高的要求[3]。

现阶段的导航信号质量监测工作主要采用信号采集设备和事后处理的方式实现[4]。通过采集设备将某一段时间的导航信号存储下来，事后采用软件接收机等信号处理手段对存储的导航信号进行质量评估。受限于采样率、存储空间和数据处理速度等因素，事后处理方式只能对短时间内的导航信号质量进行监测，且受限于数字信号处理速度，处理5s的数据，通常需要几分钟甚至更长的时间，难以达到实时监测。因此，如何在第一时间发现并报告导航卫星载荷的信号质量问题是确保导航系统满足完好性和可用性设计指标的关键。

本文提出一种实时的导航信号质量监测系统体系架构和实现方案，能够实时地对导航信号进行处理，能够快速检测和确认并报告导航卫星的信号质量，解决导航卫星载荷信号质量快速检测和分析评估问题。

1　实时信号质量监测系统模型与架构

实时信号质量监测和分析评估系统包括标校与模拟子系统、下行接收子系统、基带处理与存储回放子系统和分析评估子系统。系统体系架构如图 1所示。

图1　实时信号质量监测系统组成

标校与模拟子系统包括异常信号模拟设备和标校设备，用于产生导航系统正常导航信号、异常导航信号和标校信号，用于系统的测试和标校。

下行接收子系统包括射频开关、耦合器等射频处理单元组成，实现输入信号选择、信号滤波、放大和变频等功能，为基带处理系统提供需要的信号输入。

基带处理与采集存储回放子系统包括A/D采集模块、基带处理模块和存储回放模块。A/D采集模块实现对信号的采样量化；基带处理实现北斗公开服务导航信号的预处理。在采集模式下A/D器件采样量化后的数据经下变频、抽取、滤波后成为零中频数据，该数据通过PCIE高速总线传输到磁盘阵列(或固态存储卡)；在回放模式下将零中频数据从磁盘阵列经PCIE总线和回放通道传输到基带处理模块。基带处理模块采用现场可编程门阵列(FPGA)+数字信号处理芯片(DSP)架构实现，可以很好地利用FPGA强大的并行处理能力和DSP的信号处理能力，有效地提高信号处理速度。

分析评估单元运行在高性能工作站或服务器上，接收基带采集与处理单元预处理后的数据，利用信号质量监测算法，对导航信号质量进行分析评估。由于信号质量监测所需要的数据量较大，计算复杂，监测项目多，简单的计算平台不能够实现信号质量算法的实时处理。本系统分析评估单元选用一台具有多个PCIE插槽的高性能工作站，并集成图像处理器(GraphicsProcessingUnit，GPU)板卡来完成分析评估功能。

2　信号质量监测算法

信号质量监测算法是本系统的关键部分，是信号质量分析评估的核心要素，主要采用现代信号处理方法，并结合导航信号特性进行改进。监测算法主要包括频域监测、时域监测、调制域监测、相关域监测和测量域监测等方法。

2.1频域监测

频域监测主要进行导航信号、射频信号的功率谱和信号功率监测，利用Welch谱估计[6]的方法，对导航信号的功率谱和信道功率进行估计，分析信号功率谱包络是否满足设计要求，是否存在异常谱线；通过对导航信号信道功率的长时间统计，观察信号功率是否满足卫星发射信号的有效全向辐射功率(EffectiveIsotropicRadiatedPower，EIRP)设计要求。

(1)

式中，

是归一化因子，保证得到的谱是渐进无偏估计；d2(n)为所用的加窗函数。对L分段周期图进行平均，可以得到整个信号的功率谱估计为：

(2)

2.2时域监测

导航信号产生过程主要可以分为数字阶段和模拟阶段，信号产生过程中异常现象大致可以分为数字信号异常(TMA)、模拟信号异常(TMB)和数字与模拟异常(TMC)等几种异常现象。这些异常可以通过在高信噪比条件下对恢复出的时域波形进行监测。大口径天线的高增益提供了较高的信噪比，从而使导航信号在时域可见。时域监测主要通过信号处理技术将接收到的信号的时域波形恢复出来，分析其码片波形的上升沿和下降沿是否存在延迟或超前现象，以及延迟或超前的程度。通过把时域波形在同一个坐标系中重绘，并进行统计，可以得到眼图和眼图过零点分布。通过对眼图和眼图过零点分布的分析可以得出导航信号的上升沿和下降沿与设计要求的差异，验证信号是否存在异常。

2.3调制域监测

导航信号测距精度受到信号载噪比的影响，载噪比越低，测距误差越大。载噪比和信噪比之间存在确定性关系，C/N0=SNR×Bn。对于正交相移键控(QPSK)等调制信号而言，信噪比的高低决定了调制性能的好坏，在矢量信号分析中通常用矢量幅度误差(EVM)来描述调制性能。EVM与信噪比的关系为：

(3)

本系统通过对导航信号的解扩、解调，可以实现北斗导航系统播发的各种公开服务信号的星座图，并对信号的EVM进行估计，评估导航信号质量。

2.4相关域监测

2.4.1相关峰监测

相关性能是导航信号最重要的性能，是地面设备能够实现导航信号接收处理的关键因素[7]。相关峰测试主要采用多相关器技术，在信号跟踪过程中复现信号的自相关峰。本系统采用多相关的处理的方法，在跟踪环路中设置多组相关器。多相关的监测接收机是附加N路相关器通道，每路通道的相关器与即时通道相关器保持固定的码片间距。从而监测通道可以输出接收信号与本地信号不同码片间距的相关值，通过判断相关峰的对称性与平滑性来判断信号是否出现异常。

2.4.2相关损耗监测

相关耗损是衡量导航信号相关性能的一个重要的指标[4]，导航信号空间信号接口控制文档中对每种信号的相关耗损都进行了规定。导航信号的相关损耗主要由2个原因导致：① 同一载频上复用了多个信号分量；② 由于信道带宽限制和失真导致。

下面对相关损耗的定义进行阐述。导航信号相关函数的计算公式为：对接收的数字信号进行多普勒去除，得到基带信号分量，计算其与本地理想码序列参考信号的归一化互相关，如下式：

(4)

式中，SBB-PreProc表示累加平均处理后的基带信号；参考信号SRef表示本地接收机产生的理想基带复制码信号；积分时间Tp通常对应参考信号的主码周期。

相关损耗指在相关处理中有用信号功率相对于所接收信号的全部可用功率的损耗，由下式计算：

(5)

(6)

2.5测量域监测

测量域监测主要利用基带处理模块对导航信号接收得到的测量信息进行监测，导航信号的测量性能是导航服务性能的直接体现。测量域监测主要分为伪距测量值和载波相位测量值方面的监测，导航信号通常包含多个信号分量，通过对多个信号分量测量值的组合监测可以对导航信号的测量域性能进行全方位的监测[8]。测量域监测项目具体可分为以下几个方面。

2.5.1一致性监测

一致性监测主要包括码相位一致性和载波相位一致性的监测。目前的导航应用中，经常会用到不同信号分量和不同频点之间的测量信号来实现组合定位，因此不同信号分量之间的测量值应该满足一定要求。接口控制文件中也对不同信号分量之间的码相位一致性和载波相位关系都进行了规定。一致性监测主要针对导航信号的伪距测量值和载波相位测量值进行监测，判断导航信号一致性是否满足要求。

2.5.2测距码正确性监测

测距码的相关性是导航接收设备能够对导航信号进行接收处理，实现测量的关键因素。通常测距码的相关性能好坏直接影响导航接收设备的测量性能。本系统一方面通过对接收信号的捕获跟踪处理，从导航信号中提取出测距码，另一方面在本地根据测距码的生成式生成正确的测距码，最后将二者进行比对，验证导航信号播发的测距码是否正确。

2.5.3异常监测

异常监测主要包括伪距测量异常和载波相位测量异常。导航信号发生短暂异常现象，通常会导致接收端测量值出现异常，影响导航系统服务性能，甚至导致严重后果。通过基带处理模块获得的伪距和载波相位信息，结合异常监测算法，对导航信号伪距测量值和载波相位测量值的异常状况进行监测。伪距异常主要通过统计伪距的一阶和二阶变化率来进行监测；载波相位异常监测主要通过统计载波相位的载波阶跃和载波加速度实现。

3　信号质量监测结果

下面利用北斗导航系统的公开服务信号对本系统的监测能力进行验证[9]。采用本系统分别对B1信号的功率谱、眼图、星座图和相关峰进行了分析，如图2、图3、图4和图5所示。分析结果能够很好地反映导航信号的频域、时域、调制域和相关域性能，实现对导航信号质量的监测。

图2　B1信号功率谱

图3　B1信号眼图

图4　B1信号星座图

图5　B1信号相关峰

用采集设备分别采集了5s，30s和1min的数据，采集设备采样率为240MHz，量化位数为16bit，分析带宽80MHz，用传统方法和本系统分别进行导航信号质量进行监测，比较了2种方法完成信号质量监测所需要的时间，如表1所示。

表1　传统方法与本系统方法处理时间对比 (单位：s)

从分析结果可以看出，传统方法处理5s的数据，需要263.8s的时间，随着数据长度的增加，处理所需的时间也增加。而本系统处理数据60s的数据，所用时间为60.8s，处理信号花费的时间基本与数据长度相当，能够在较短时间内实现导航信号的分析评估，相比于传统的信号处理方法而言，具有很好的实时性。此外，由于传统处理方法各监测项目之间采用串行处理方法，随着监测项目的增加，处理所需时间也会增加，而本系统各个监测项目之间采用并行处理模式，增加监测项目对处理所需时间不会产生太大影响。

4　结束语

基于高速数字信号处理平台，利用硬件平台对导航信号进行实时预处理，并采用高性能计算平台对导航信号质量进行分析评估，建立了实时的北斗公开服务导航信号质量监测系统[10]。本文首先介绍了系统采用的导航卫星信号频域、时域、调制域、相关域和测量域等层面的质量监测算法，最后利用本系统开展了相应的信号质量监测工作，对北斗B1导航信号的功率谱、眼图、星座图和相关峰等信号质量进行了分析评估。测试结果表明，本系统处理60 s的数据，需要60.8 s的时间，与数据的时间长度相当。本系统的建立能够实现对导航信号质量的各项指标的长时间连续监测，解决了传统方法只能事后处理，处理速度慢、实时性差、信号处理时间随监测项目增多而增加等问题，在导航系统建设中具有很好的应用前景。

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解剑男，(1986—)，工程师。主要研究方向：卫星导航、导航信号质量监测等。

罗显志男，(1976—)，高级工程师。主要研究方向：卫星导航、导航信号质量监测等。

ResearchofReal-TimeSignalQualityMonitoringofBeiDouOpenService

XIEJian1,2，SHILei3，LUOXian-zhi1,2，LIULiang1,2

(1.State Key Laboratory of Satellite Navigation System and Equipment Technology,Shijiazhuang Hebei 050081，China；2.Satellite Navigation Technology and Equipment Engineering Technology Research Center of Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050081，China；3.College of Information Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024，China)

Thequalityofnavigationsignaldirectlyaffectstheperformanceofthenavigationserviceprovidedbynavigationsystem.Existingsystemsofsignalqualitymonitoringcanonlyperformprocessingexpost，havingsomeproblemsinreal-timeprocessingandmonitoringperiod.Basedonhighspeeddigitalsignalprocessingplatform，weconstituteareal-timesignalqualitymotoringsystemtomonitorthequalityofnavigationsignalinspectrum，time，modulation，correlationandmeasurementdomain.AndwegetsomemonitoringresultsforBeiDouopenservicesignals.Accordingtothetestresults，thissystemusesonly60.8secondstoprocesssignalfor60secondswithhighqualityinreal-timeprocessing.

real-time；BeiDou；signalqualitymonitoring；highspeeddigitalsignalprocessing

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.11

2016-04-29

地理信息工程国家重点实验室开放基金资助项目(SKLGIE2014-M-2-4)。

TP311A

1003-3106(2016)08-0043-04

引用格式：解剑，时磊，罗显志，等.北斗公开服务实时信号质量监测系统研究[J].无线电工程,2016,46(8):43-46，60.