專利名稱：一種采用多通道并行相關峰采樣監測信號質量的方法
一種采用多通道并行相關峰采樣監測信號質量的方法技術領域
本發明屬于衛星導航領域，具體地說，是指一種應用于衛星導航系統的信號質量監測方法。
背景技術：
對于衛星導航系統來說，完好性是指當系統出現故障或某項運行參數偏差過大或由于系統多項因素的綜合影響，而使系統提供的定位結果超過規定限值時，系統及時發現并及時通告用戶的能力。
衛星導航系統本身能進行一定程度的完好性監測，但告警時間太長(通常需幾個小時)，完好性信息單一，不能適應大多數用戶的需求。現階段主要通過外部地面監測的方法對完好性進行增強，典型系統是美國的廣域增強系統(Wide Area Augmentation System，簡稱 WAAS)和局域增強系統(Local Area Augmentation System，簡稱 LAAS)，同時 GPS和Galileo系統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系統的實驗運行結果來看，其自身不可避免的存在一定的局限性，如系統結構龐大，運行維護成本高昂，更重要的是這兩種系統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，這一方面使得系統的結構急劇復雜，另一方面，告警時間(TTA)是衡量完好性監測能力的重要指標，根據ICAO(國際民用航空組織)的標準，這一時間通常不得超過6秒，而現有的地面監測體系對于衛星故障的監測過程環節眾多，整個過程耗時很長，很難滿足告警時間要求，這也意味著地面監測體系往往難以及時的發現衛星導航系統中的衛星故障并加以及時的響應。
所以，如果能夠在衛星段對于衛星本身的工作狀態進行直接的監控，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。直接在衛星上進行故障監測的技術稱為SAIM(Satellite Autonomous Integrity Monitor，中文名稱衛星自主完好性檢測)技術。SAIM技術作為地面完好性監測手段的重要技術補充，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，共發生過兩次重大的衛星故障事件。1993年SV19號衛星發生故障， 定位誤差增了 2到8米，利茲大學測量發現，在SV19號衛星信號功率譜主瓣的中心處出現一個IldB的尖峰；2009年4月SVN49號發生異常，其偽距誤差隨著衛星仰角的增大而增大， 當衛星仰角大于60度時，偽距誤差大約為4米。鑒于類似異常事件就引發了對衛星段故障監測的研究。
在實際衛星信號質量監測過程中可以假設如果能夠精確地知道衛星信號的結構以及其相關峰的形狀，便可以利用相關峰的形變來監測衛星信號的異常與否，借助異常模型判定信號質量好壞。因此恢復實際相關峰的方法成為監測技術的基礎。
根據接收機原理，在通過接收機I路和Q路去除載波后，要通過對本地產生的C/A 碼和接收到的信號進行相關運算來進行碼對齊，接收機通過移動本地產生的C/A碼和接收信號的時間關系來取得相關值的最大值(即主峰的峰頂)，但是在實際中由于衛星，環境和噪聲等原因，可能使相關峰形狀產生畸變。因此可以通過相關峰的形變程度來監測信號異常與否。通過接收機對相關峰的監測來實現完好性需求。要想滿足這一需求必須解決兩個問題1，相關峰的獲取；2，實時監視相關峰的異常。
如圖1所示，El, Ll ；E2, L2 ；E3, L3 ；分別為三對超前滯后采樣點，每對采樣點之間的碼片間隔保持1個碼片間隔不變，每對的區別只是在于其即時碼相位的碼片位置不同， E2，L2相當于其即時碼位置相對于標準的El，Ll來說左移了一定間隔，同理E3，L3相當于右移了一定間隔。現有設計較為成熟的星載接收機并不是專門用于信號質量監測的，而現有的多點采樣技術都采用窄相關技術，窄相關技術的相關器間距一般可以小到1/10甚至是1/16碼片，而常規的接收機為1/2碼片，常規接收機的超前滯后相關器通常工作在自相關函數主峰左右兩邊最陡峭的部分，如圖1中的E1，Li，此時碼環具有很高的敏感性，正好可以被監測相關峰對稱性，平滑性所利用。當碼環采用窄相關技術時，超前滯后相關器的相位工作點會在比較平滑的自相關函數頂峰附近，在實際中對復制的C/A碼相位的一點調制并不能引起這些相關器輸出的明顯變化，即碼環敏感性降低。而為了解決窄相關技術中碼環敏感性低的問題，相應接收機必須配以較寬的射頻前端帶寬和相應較高的A/D (模擬/數字)轉換器采樣頻率，同時射頻前端的各級濾波器的要求也相應的提高，這些改變帶來的經濟投入是相當高的。發明內容
本發明針對現有衛星信號質量監測中，采用窄相關技術進行相關峰多點采樣時， 碼環敏感性低、要增加經濟投入的問題，提出了一種采用多通道并行相關峰采樣監測信號質量的方法。
本發明提供的方法包括步驟
步驟一、根據用戶實際的監測任務需求，基于采樣頻率和參與采樣的接收機的通道數確定采樣點的數目；
步驟二、采用多通道并行相關峰采樣法對要監測的衛星S獲取相關峰采樣值；
步驟三、根據所監測的衛星信號特點，對獲取的相關峰采樣值進行擬合處理，并獲取兩兩對稱采樣點的檢測統計量；
步驟四、根據兩兩對稱采樣點的檢測統計量，采用加權差值法對信號的相關峰質量進行實時地監測。
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通道對衛星S進行穩定跟蹤，此時該接收機通道的超前、滯后累加功率值相等；
步驟2. 2，對衛星實現穩定跟蹤的接收機通道將相應的即時碼相位值傳送給其它參與采樣的接收機通道，使得其它參與采樣的接收機通道都實現對衛星S的信號的穩定跟蹤；
步驟2. 3，保持前后相關器間距不變，各個參與采樣的接收機通道控制本地即時碼的碼相位值依次進行等間隔地移動；
步驟2. 4，各個參與采樣的接收機通道對本地即時碼移位后對應的相關峰采樣點進行采樣，獲取相關峰采樣值在預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。
本發明提供的方法有以下優點和積極效果
1.保持經典接收機的相關器間距設計不變，避免了窄相關必須涉及的射頻前端帶寬以及ADC采樣頻率調整，無需改變硬件設施，節約了成本；
2.只需要針對一顆衛星信號做考慮，所有通道都針對這顆衛星信號進行設置，多個通道同時采樣，用空間換取了時間優勢，提高了采樣率；
3.在實際應用中對已有的商用接收機做比較少的軟件修改即可實現，實現簡單， 易操作；
4.采用加權差值法能夠充分利用多通道獲得的多個采樣點。
圖1是本發明背景技術中對超前滯后采樣點的說明示意圖2是本發明監測信號質量方法的整體步驟流程圖3是本發明監測信號質量方法中采樣信號后的處理流程圖4是本發明實施例中得到的兩兩采樣點折線相連曲線圖5是對圖4進行擬合后的相關峰曲線；具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
本發明是一種應用于衛星導航系統的監測衛星信號質量的方法，首先進行多通道并行相關峰采樣，過程如圖1所示，然后利用采樣數據采用加權差值法對相關峰進行實時監測，實現對信號質量的監測。具體步驟說明如下。
步驟一根據用戶實際的監測任務需求，基于采樣頻率和接收機通道數確定采樣點數目。
采樣頻率決定了兩兩采樣點之間的間隔，接收機的通道數則限定了最終獲得的采樣點數。對于不同的需求，可以變化通道分配和采樣點的選取來滿足相關峰采樣的要求。在此舉一例說明，對于GPS Ll信號來說，假設接收機采用了 16.368MHz的A/D(模擬/數字， Analog/Digital)轉換器，由于C/A碼的碼速率為1. 023MHz，因此采樣點間隔的下限是1/16 碼片，現有普通商用接收機通道數為12，如果所有通道全部用于對同一顆衛星信號采樣，則采樣點數最多可達36個，最小采樣間隔是1/16碼片。在具體應用中可以根據實際需求縮短采樣間隔，靈活改變采樣點位置，減少采樣點數，如采樣間隔為1/8碼片、1/4碼片等，采樣點的位置分別是-0. 075、-0. 05、-0. 025,0,0. 025,0. 05,0. 075,0. 1 (碼偏移量)等。考慮到采用同時刻的觀測量來最大限度地減少噪聲誤差，并且希望兼顧衛星跟蹤和相關峰恢復的時間，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通道指用于采樣的通道。對于P碼的恢復和更高頻率的采樣點選擇，可以通過提高AD頻率來實現， 類比上述例子來確定采樣點數目。
步驟二 對于要監測的一顆衛星應用多通道并行相關峰采樣法獲取相關峰采樣值；
步驟2. 1，對于某一顆衛星S的信號，首先利用一個接收機通道完成對衛星S的穩定跟蹤，此時該接收機通道的超前、滯后累加功率值相等。本發明方法是在衛星段實現信號監測的任務，在每個衛星上單獨裝配監測型接收機，一般為了排除接收機自身的影響會裝配三臺監測型接收機進行一致性校驗，所述的接收機通道接收若干衛星的信號，但是接收到衛星S的信號功率肯定大大強于別的衛星信號功率，所以可以近似認為該接收機只處理衛星S上的信號。
步驟2. 2，實現對衛星S穩定跟蹤的接收機通道將相應的即時碼相位值傳送給其它接收機通道，幫助其它接收機通道實現對于衛星S信號的穩定跟蹤。
步驟2. 3，在此基礎上，各個接收機通道，保持前后相關器間距不變，通過控制本地即時碼的碼相位值，使各接收機通道的即時碼依次進行等間隔地移動，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，各接收機通道對得到的即時碼對應移位后的相關峰采樣點，分別讀取各個通道預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。
步驟三根據所監測的衛星信號特點，選擇合適的擬合方式對接收機獲取的相關峰采樣值進行擬合處理，同時獲取多組兩兩對稱采樣點的檢測統計量。
首先對接收機給出的相關峰采樣值進行幅度歸一化處理，具體是采樣值除以相關函數的最大值得到。然后對歸一化的采樣值進行擬合，減小通道時間相關性的差異，繪制出相關峰曲線。由于本發明方法可以適用于BPSK(Binary Phase Shift Keying，中文名稱 雙相移相鍵控)調制，BOC(Binary-Offset-Carrier，中文名稱二進制偏移載波)調制的導航信號質量監測中。在實際監測處理過程中，根據信號特點選擇適當的擬合方式，給出更符合實際的相關峰曲線。對具體的擬合方式沒有特殊要求，在實際應用中權衡選擇適合信號特點，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，理想相關峰主峰是規則的三角形尖峰，而在現實中為了限制噪聲和干擾，接收機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，導致接收機碼環實際輸出的非相干積分幅值所形成的C/A碼相關函數主峰不再呈有棱有角的三角形，相關函數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峰曲線，如圖5所示。
步驟一、二的目的正是為了獲取相關函數曲線的更多信息，讓接收機復制出盡可能多的不同延時的偽碼，經相關運算后得到相關函數曲線上的更多采樣點。而步驟三中的采樣點擬合是為了盡可能排除噪聲以及接收機自身問題帶來的采樣信息失真，更為真實的還原衛星信號信息。把握的原則是選用的擬合方式不會對衛星信號質量判定造成影響。
對接收機給出的GNSS信號相關峰采樣值Im, n,±。ffsrt進行幅度歸一化。其GPS Ll 信號采樣結果折線相關函數如圖4所示。由于天線位置、增益、類型不同，GPS信號的功率不同，從而導致不同接收機對同一衛星的采樣值幅度不一樣，所以對采樣值用下面的式子進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為接收機編號；η為編號為m的接收機跟蹤的PRN = η的衛星，PRN是偽隨機噪聲碼(Pseudo Random Noise Code)的縮寫；offset為相關峰采樣值的橫坐標；In ,m,n, ±offset(t)表示t時刻幅度歸一化后的相關值；Im,n,pMpt(t)表示接收信號擴頻偽隨機碼和本地產生的擴頻偽隨機碼完全對齊時的相關值。
步驟四根據兩兩對稱采樣點的檢測統計量，采用加權差值法對信號的相關峰質量進行實時地監測。
步驟4. 1，計算兩兩對稱采樣點的差值，利用相關峰對稱位置上采樣值的差值來監測相關峰的對稱性；
權利要求
1.一種采用多通道并行相關峰采樣監測信號質量的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一、根據用戶實際的監測任務需求，基于采樣頻率和參與采樣的接收機的通道數確定采樣點的數目；步驟二、采用多通道并行相關峰采樣法對要監測的衛星S獲取相關峰采樣值，具體是 步驟2. 1，首先利用一個接收機通道對衛星S進行穩定跟蹤，此時該接收機通道的超前、滯后累加功率值相等；步驟2. 2，對衛星實現穩定跟蹤的接收機通道將相應的即時碼相位值傳送給其它參與采樣的接收機通道，使得其它參與采樣的接收機通道都實現對衛星S的信號的穩定跟蹤；步驟2. 3，保持前后相關器間距不變，各個參與采樣的接收機通道控制本地即時碼的碼相位值依次進行等間隔地移動；步驟2. 4，各個參與采樣的接收機通道對本地即時碼移位后對應的相關峰采樣點進行采樣，獲取相關峰采樣值在預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、根據所監測的衛星信號特點，對獲取的相關峰采樣值進行擬合處理，并獲取兩兩對稱采樣點的檢測統計量；步驟四、根據兩兩對稱采樣點的檢測統計量，采用加權差值法對信號的相關峰質量進行實時地監測。
2.根據權利要求1所述的一種采用多通道并行相關峰采樣監測信號質量的方法，其特征在于，所述的步驟三在對相關峰采樣值進行擬合處理之前，要對相關峰采
3.根據權利要求1所述的一種采用多通道并行相關峰采樣監測信號質量的方法，其特征在于，所述的步驟四具體是步驟4. 1，計算接收機得到的t時刻的一對對稱采樣點的差值difm,n,。ffsrt(t)di f"m，η, offset (t)^nor, m, η, offset (t) ^nor, m, η, -offset (t)；其中，offset為相關峰采樣值的橫坐標，In ,m,n,。ffset(t)與I n,_。ffset(t)表示經過幅度歸一化處理后的一對對稱位置的相關峰采樣值；利用對稱位置的相關峰采樣值的差值來監測相關峰的對稱性；步驟4. 2，對接收機得到的k個相關峰差值進行加權組合，得到檢測統計量Xm,n,k
全文摘要
本發明提出一種采用多通道并行相關峰采樣監測信號質量的方法，屬于衛星導航領域，該方法首先根據用戶實際的監測任務需求，基于采樣頻率和接收機的通道數確定采樣點的數目，然后采用多通道并行相關峰采樣法對要監測的衛星檢測，獲取相關峰采樣值，并對獲取的相關峰采樣值進行擬合處理，同時獲取兩兩對稱采樣點的檢測統計量，根據兩兩對稱采樣點的檢測統計量，采用加權差值法對信號的相關峰質量進行實時地監測。本發明方法無需改變硬件設施，適用于衛星段，只需針對一顆衛星信號檢測，所用通道都針對這顆衛星信號進行設置，多個通道采樣，用空間換取時間優勢，提高了采樣率，實現了對衛星信號質量的檢測，并節約了成本。
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 優先權日2011年11月8日
發明者劉岱, 李銳, 郝小麗 申請人:北京航空航天大學