卫星导航信号评估系统设计及信号性能评估

卢晓春，贺成艳，王雪，饶永南，康立，石慧慧



卫星导航信号评估系统设计及信号性能评估

卢晓春1,2，贺成艳1,2，王雪1,2，饶永南1,2，康立1,2,3，石慧慧1,2

（1. 中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2. 中国科学院 精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049）

卫星导航信号是卫星导航系统与接收机的唯一接口，可以说，信号的性能直接决定了整个GNSS（全球导航卫星系统）的性能。进行GNSS空间信号性能评估，能够对在轨可视卫星进行实时监测评估及故障分析，是保障GNSS的服务性能的有效手段和重要支撑。首先详细介绍了隶属于中国科学院国家授时中心的昊平观测站（HRO）的结构特点及性能指标，然后在此基础上，给出了利用HRO进行GNSS信号性能监测评估的主要方法及部分典型性分析结果。

GNSS；信号性能；监测评估；昊平观测站

0 引言

卫星导航从基础研究领域（天文学、力学、物理学和地球动力学等）到工程技术领域（信息传递、深空探测、空间飞行器、时间传递和测速授时等），以及关系国民经济建设和国家安全的诸多重要部门和领域（海事、交通、救援、精准农业、地震监测和电子通讯等）等各个方面，均占据重要地位，发挥着重要作用。可以说，卫星导航技术是各种基础理论、最新科技成果、国家科技水平和综合实力的集中体现。

全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）是全球所有用于PNT（position，navigation and time）服务的星基系统的总称，以其高精度、实时性、不受气候和地域等条件限制的特点，已发展成为在陆地交通、航海和航空中的通用导航工具，成为应用最广泛的导航技术。据专家估计，到2020年全世界卫星导航应用市场将达3500亿美元的规模[1]。随着全球导航卫星系统的发展及其在海、陆、空、天各领域的广泛应用，用户对高精度和高完好性导航定位服务的需求不断增长，从而对卫星导航系统也提出了更高的要求。因此，现代化卫星导航系统的设计与建设，需要更加紧密围绕着高精度和高完好性导航定位服务这两个目标来完成[2]。

而导航信号又是卫星导航系统中最重要的组成部分，是卫星、地面运控以及用户之间协调工作的纽带。导航信号的正确与否及性能优劣，同系统的高精度服务和完好性紧密相关，直接关系到导航系统的定位、测速和授时（position，velocity and time，PVT）基本功能、关键性能和关键指标的实现。尽管在设计过程中非常重视GNSS的可靠性，但卫星导航信号的畸变问题仍难以避免，畸变严重时可能会对用户（尤其是高精度用户）造成灾难性后果。因此，对卫星导航系统的信号性能进行监测评估，是确保用户获得高精度、高可靠性服务的重要手段。

根据公开文献，比较有代表性的GNSS信号畸变或异常案例列举如下：

① 美国GPS PRN-19卫星于1989年10月21日成功发射，同年11月14日宣布正式运行。然而，在轨运行8个月之后，L1信号功率谱出现10 dB左右的载波泄漏及谱不对称现象。但是没有人及时发现该问题。直到1993年3月，美国联邦航空管理局（federal aviation administration，FAA）利用差分导航实现辅助着陆时发现，C/A码与P码严重不同步，约有6 m的偏离；当PRN-19参与L1 C/A差分解算时，就会产生3~8 m的定位偏差。事后经过对GPS PRN-19卫星信号监测评估，进行一系列修正后，才使得最终定位偏差降低至不到25 cm，RF谱中无载波泄漏和不对称现象发生[3]。

② GPS SVN-49卫星于2009年发射，发射不久即受广泛关注：不仅因为是第一颗发射L5信号的卫星，更是因为利用德国宇航研究院（DLR）的30m信号监测评估系统发现，该卫星发射的信号中含有L1和L2多径信号。这种信号异常在高仰角处更明显，较高仰角处的信号星座图出现畸变。经问题分析排查，发现这种异常是由L5有效载荷连接部分的辅助天线接口处产生内在的L1/L2多径信号所致[4]。

虽然国内外对信号的监测任务早已开展：例如自1997年始，美国斯坦福大学相关研究部门已借助一个47 m的天线系统，长期负责监测评估GPS所有在轨卫星L波段信号[5-7]，针对GPS信号功率、码延时、频率及卫星星座特性进行实时分析与性能评估；德国宇航研究院DLR借助2005年建立的30m接收天线和BaySEF测试终端长期监测评估Galileo试验卫星，曾发现GPS和GALIELO卫星的一些信号异常问题，如：GIOVE-B在L1频段BOCc（15，2.5）功率谱有至少1 dB的明显不对称，GPS SVN49的L1信号的星座图在较高仰角处信号出现畸变等。另外，美国俄亥俄大学、日本电子导航研究所（ENRI）、英国奇尔波顿天文台、欧洲空间局（ESA）、意大利Thales Alenia Space等大学及科研机构，也都构建了各自的信号监测系统，采用高增益天线及全向天线相结合的方式，进行信号质量监测与评估[8-11]。国内的中国科学院国家授时中心、卫星导航定位总站、中国电子科技集团54所、北京航空航天大学、华中科技大学等，也正在进行信号质量监测评估工作[12-14]。但研究发现，国内外对信号质量评估都仅停留在被动地实时信号监测方面，仅通过对数据的离线采集与分析，来判断卫星导航信号是否存在畸变。若出现畸变，则再进一步分析导致该畸变的可能原因，然后进行相应修正。这种做法实时性差，当信号异常出现时，用户无任何相关先验知识或备用方案来应对，并且异常分析和修正时间较长，严重影响了卫星导航系统的定位、导航和测速授时性能。

此外，进行卫星导航系统性能监测除了开展信号质量评估方法和技术研究外，还需要在评估系统的建设和性能优化方面投入更多的研究。目前GPS和Galileo都建设了各自的空间信号质量监测评估平台，能够对GNSS尤其是GPS和Galileo系统的在轨卫星信号进行监测分析。为了在GNSS系统的推广、应用和竞争中做到知己知彼，北斗系统也积极地进行GNSS空间信号质量评估技术的研究和相应观测手段的建设。GNSS空间信号质量评估系统能够为卫星导航技术的研究提供高性能的测试测量平台，是深入研究空间信号质量评估技术的有效手段，是开展国际GNSS信号联测的重要平台。隶属于中国科学院国家授时中心的昊平观测站以“国内领先，世界一流”为建设宗旨，在国内首次开展以大口径天线为基础的空间信号质量评估系统的整体设计和建设工作。经过近两年的不懈努力，目前该系统已正式提供GNSS观测服务，作为第三方评估手段，配合大系统进行GNSS在轨可视卫星的观测和数据采集分析，及时发现信号各种异常，并及时准确地给出故障排查的原因分析[15]。

本文首先介绍国家授时中心昊平观测站的系统组成和结构特点，然后给出系统的功能性能指标及实测结果，在此基础上，给出利用该观测站进行GNSS信号性能监测评估的部分典型性分析结果。

1 GNSS监测评估系统设计与性能分析

GNSS监测评估系统是开展卫星导航系统性能监测评估工作的重要平台和载体。系统的设计以高精度时频信号为基准，利用可信的信号接收设备，将空间电磁波能量转换成电信号，用精密测量测试设备，为信号质量评估提供能够真实反映接收信号各类状态的原始测量数据。

1.1 系统整体结构设计

隶属于中国科学院国家授时中心的昊平观测站GNSS信号监测评估系统（以下简称HRO）的系统结构简要框图如图1所示。整个系统以高精度的40m大口径天线及接收传输设备为核心，主要由6大部分组成：多星预观测单元、单星精细质量观测单元、干扰分析单元、数据与监控单元、评估单元、时频单元。

图1 昊平观测站的GNSS信号监测评估系统结构框图

大口径天线主要完成对来自空间目标的微波信号的接收，采用主副反射面修正型卡塞格伦天线，GNSS卫星的下行信号经主反射面反射后，再经副反射面反射汇聚到位于焦点位置的馈源喇叭，传输到LNA（低噪声放大器）。大口径天线主要由天线主反射面、副反射面、L频段馈源、S频段馈源和其他微波功能组件组成，并具备C，X频段的扩展能力。HRO时间与UTC（NTSC）的同步主要由高精度铯原子钟提供标准的1PPS及10MHz信号，利用国家授时中心远程时间配送手段来完成。而系统的信号处理则由评估单元来完成，考虑到多通道同步数据采集设备的海量数据生成能力，评估软件工作繁重，系统设计集群计算平台搭载评估软件实行并行计算，以此来大大提高系统效率。该系统包含完善的多样化本地监测系统、远程登录及展示系统，能够完成无人值守的自动化日常观测任务及数据分析任务。同时该系统拥有较好的辅助保障设施，包括防雷、供电及供暖等，为了减小地面接收系统的电磁环境和气象环境的影响，HRO有专门的高精度干扰对消系统及气象监测记录系统，以最大程度减小地面接收系统引入的各类信号评估误差，更加真实地反映星上信号的特性。

昊平观测站位于陕西省商洛市昊平村，如图2所示。距离西安市区的直线距离约为80 km，天线周边群山环绕，一方面可以保证天线抗大风等自然灾害，另一方面也可遮挡一些低俯仰角的电磁干扰，保证了该系统较为纯净的电磁环境。

图2 昊平观测站整体俯瞰图

1.2 系统性能

GNSS空间信号质量评估是通过采集GNSS卫星空间信号质量有关数据，实现对GNSS卫星出口处导航信号质量的多角度、多层次和全方位的监测评估。为了更好地完成监测评估任务，使得监测评估结果精度更高、更加可信，要求GNSS空间信号质量监测评估系统主要具备如下功能：① 多频段高增益；② 圆锥旋转换馈；③ 多种跟踪方式；④ 高稳定射频通道；⑤ 高精度测量设备；⑥ 高精度时间基准；⑦ 高精度多环路系统校准；⑧ 智能化多模式工作流程；⑨ 高速并行数据处理；⑩ 纯净电磁环境。该系统主要性能指标示于表1。

表1 昊平观测站主要性能指标列表

1.3 系统关键指标测试结果

1.3.1 天线增益测试

目前，导航卫星信号接收大口径天线增益的测量，主要有射电星法、同步轨道卫星（含SBAS载荷）信标测量法和标校塔等方法，其中射电星法以其高精度易实现等特点被广泛采用。本文主要给出射电星法HRO 40 m天线L波段增益测试结果。

表2 射电星法L频段增益测试记录

表2所示为利用射电星法测量大口径天线L频段增益的测试记录。射电星法可以完成L频段内天线各个工作频点的增益。测试结果表明，天线增益满足指标要求。频率越高，大口径天线的增益越大。

1.3.2 天线噪声温度测试

天线噪声温度测量一般采用Y因子法。噪温测量结果如图3所示，其中1.546 32 GHz频点为卫星信标频率，在不同的俯仰角测得的噪声温度均高于相邻频率点的测量值。天线40°俯仰角时噪声温度最小，10°俯仰角最差，此时天线受地面噪声影响最大。天线俯仰角在40°和90°时的噪声温度变化趋势最小在10 K左右。

图3 天线噪声曲线

1.3.3 通道频率准确性

接收通道频率准确性的测试方法是，利用标准矢量信号源在1575.42，1191.795和1 278.75 MHz工作频段内产生单载波信号，注入接收通道之后，用信号分析仪（频谱仪）进行验证。矢量信号源、信号分析仪等设备均为计量后而且在有效期内的高稳定度高精度设备。

评估系统L频段导航频点频率测试结果示于表3。测试结果表明，利用标准矢量信号源产生的单载波信号通过射频通道后，输出频率与输入频率一致。测量频率的准确度如表3所示：L1频段优于6.35×10-12，E5频段优于8.39×10-12，L2频段优于8.15×10-12，E6频段优于7.82×10-12。

表3 评估系统L频段导航频点频率测试

1.3.4 通道增益稳定性

增益稳定性的测试方法是，在工作频段内由矢量信号源产生一个单载波信号，经功分器一路送到功率计作为参考，测量值记为；另一路经可变衰减器，被测通道，再到功率计，测量值记为，待测的接收通道增益稳定度（为取样次数）。

实际测试结果如表4所示。结果表明L1，E5和E6的增益稳定性约为0.09 dB，L2约为0.08 dB，整个接收通道的增益稳定性优于0.1 dB。

表4 增益稳定性测试

在卫星发射扩频调制信号状态下，利用大口径天线的连续跟踪能力，长时间跟踪某颗可见卫星，频谱分析仪同步测量接收信号的设计带宽内信号功率（每秒一次）。利用40 m大口径天线及高精度测试设备测量下行信号功率结果，信号经过天线、低噪放、射频传输通道直接接入频谱仪实现信号的功率、功率谱观测，信号经过200 MHz带宽滤波、放大后接入示波器实现信号波形的实时观测。统计分析信号功率变化范围及稳定性。

图4是北斗某试验卫星在天线俯仰从30.48°~52.36°~38.20°的整个观测弧段内，下行信号地面接收功率测试结果。其中深色线表示原始测量数据，浅色线表示平滑后的结果。从测试结果可以看出：在卫星的整个观测弧段内，地面接收功率测试数据曲线平滑，原始测量数据抖动范围很小。这一方面验证了HRO接收通道的高稳定性接收能力，以及地面纯净的电磁环境特性；另一方面，也反映了该颗卫星EIRP稳定性较好，在整个观测弧段未出现功率的明显波动。

图4 BDS卫星L频段下行某信号地面接收功率值和天线俯仰角度（30.48°~52.36°~38.20°）

1.3.5 通道平坦度

该指标主要测试接收通道幅频响应的平坦度，当前最直观的测试方法是采用矢量网络分析仪进行测试。在完成矢量网络分析仪的自校准的基础上，实现对被测通道进行S21参数幅频响应测试。在矢量网络分析仪中设置Mark测试点，测量接收通道增益，取通道内的增益最大值和增益最小值，则接收通道增益波动范围。由于各频段的接收通道带宽不一致，归一化到50 MHz带宽，后计算50 MHz带宽增益变化范围，。

表5 通道增益平坦度测试

图5 L1及L2频段增益曲线

图6 L3及B3频段增益曲线

1.3.6 时延特性

主要测试RF和IF接收通道群时延特性，以及绝对时延随时间变化。当前，最直观的测试方法是采用射频和射频/中频变频能力的矢量网络分析仪。测试采用Agilent N5242A，其精度优于0.1ns。

首先矢量网络分析仪完成L频段频率范围内的自校准，校准频率范围1 100～1 750 MHz，然后将射频通道与矢量网络分析仪两个端口进行连接，进行矢量网络分析仪S21参数的时延特性测量。分别设置L1，E5和L2，E6频段各自的测量频率范围即通道带宽，取频率范围内的最大时延值和最小时延值，则群时延波动，图7和8分别给出了L1，E5和L2，E6频段的群时延测量曲线。

图7 L1，E5频段时延曲线

图8 L2，E6频段时延曲线

表6给出了连续24h测试时间段内群时延测试的参数和结果，L1，E5和L2，E6频段群时延波动分别为0.63 ns，0.32 ns和0.50 ns，0.16ns。为了比较各频段的群时延波动，对群时延波动值进行归一化处理，定义群时延波动变化率为通道带宽内每兆赫兹的时延波动，通道带宽为，则，其中L1频段波动最大，波动变化率也最大，E6频段群时延波动及波动变化率最小。

表6 群时延特性测试

2 GNSS信号性能监测评估方法及结果

2.1 GNSS射频信号功率谱测试方法及结果

卫星导航信号频域的分析，主要是通过分析接收到的不同调制信号的功率谱及其包络，比较其与理想信号之间的差异，测量功率谱包络主瓣零点宽度、信号带宽以及中心频率等，综合考察信号频谱失真程度。表7给出了BDS区域系统、GPS系统和Galileo系统各频段信号调制特性。

表7 GNSS信号调制特点

2.1.1 北斗区域系统信号功率谱

以北斗区域系统GEO5卫星为例，图9给出了该颗卫星B1/B2/B3 3个频段信号功率谱特性监测结果。

通过对北斗各颗卫星的长期监测结果来看，B1和B2频段信号功率谱线与理想谱线拟合度较好，主瓣谱线包络较平滑，对称性较好，信号功率谱正常。但部分卫星B3频段信号中心频点有较高的能量分布，在观测过程，频谱仪参数设置为RBW：3 kHz；VBW：3 kHz条件下，GEO-1，GEO-3，GEO-4，GEO-5，GEO-6，IGSO-1，IGSO-4，MEO-4和MEO-5卫星中心频点处都有轻微载波泄漏现象，但泄漏能量一般约为1~2dB，最高不超过5 dB，这种程度的轻微载波泄漏对用户造成影响甚微，几乎可以忽略。在同样的观测条件下，IGSO-2，IGSO-3，IGSO-5，MEO-3和MEO6功率谱正常。

（a） B1频段               （b） B2频段

（c） B3频段

图9 北斗区域系统GEO5卫星信号功率谱

2.1.2 Galileo系统信号功率谱

图10给出了Galileo系统信号E1/E5/E6 3个频段信号功率谱。

从对Galileo卫星信号的长期监测结果来看，发现Galileo GIOVE-B卫星的E5信号AltBOC功率谱两侧不对称，高频端峰值低于低频端约1 dB。其他卫星各频点信号功率谱正常，未见明显畸变。

（a） E1频段               （b） E5频段

（c） E6频段

图10 Galileo系统信号功率谱

2.1.3 GPS系统信号功率谱

图11给出了GPS系统IIRM-8卫星L1/L2/L5 3个频段信号功率谱。

从对GPS卫星信号的长期监测结果来看，各颗L1和L2频段信号功率谱正常，未见明显畸变。但在L5频段，从信号频谱来看，在主瓣和旁瓣零点位置出现以中心频点为中心左右对称的周期性高能量分布，说明L5信号的测距码有数字畸变现象，该现象称为码频泄漏。

（a） L1频段               （b） L2频段

（c） L5频段

图11 GPS系统IIRM-8卫星信号功率谱

2.2 GNSS信号地面接收功率测试方法及结果

地面接收功率测试方法主要是利用昊平观测站40m大口径天线及接收通道接收GNSS射频信号，信号经过天线、低噪放、射频传输通道直接接入频谱仪实现信号的通道功率和功率谱观测，然后根据通道功率测试结果反推到地面接收天线口面的信号接收功率。

表8给出了2015年1月至12月，利用昊平观测站测得的BDS信号地面接收功率测试评估统计结果。

表8 BDS各颗卫星B1I信号接收功率评估结果（指标：大于-163dBW）

2.3 GNSS信号调制性能分析方法及结果

导航系统一般采用扩频体制，不同支路之间的伪码近似认为相互正交，对于普通用户来说，/正交性的影响可以忽略。但对于高端接收机来说，为了提高跟踪精度和改善接收灵敏度，一般需要在/测距码相互正交的前提下，进行联合载波跟踪。若存在正交误差，则会带来载波相位跟踪偏差，影响高精度定位性能。同样地，对于联合/进行伪码跟踪的接收机来说，这种/正交误差将会降低伪码跟踪精度[16-18]。

①/幅度不平衡度

若实测/支路信号幅度与理想信号的幅度有偏差，则称为/幅度偏差。常用/幅度不平衡度来表示：

② 幅度误差和相位误差

。 （3）

③ EVM值

EVM（error vector magnitude）是指，在给定时刻理想无误差信号与实际接收信号间的向量差。由于每个符合变化时EVM值也在不断变化，所以通常将EVM之定义为误差向量在一段时间内的RMS（root mean square）值。计算公式为：

2.3.1 北斗区域系统信号调制性能评估结果

以QPSK调制方式为主的北斗区域系统信号为例，图12给出了IGSO-3卫星B1频点BPSK（2）实测信号星座图分析结果。图12的左上图给出的是从幅度上展示信号调制特性，可以看出实测信号散点比较集中地分布于理想点周围，星座图较端正；左下图给出的是从相位上展示信号调制特性，理想点应该分别位于45°，135°，225°，315°的极坐标点，实测信号较集中地分布于理想坐标点附近；右上图是星座图三维图，和轴分别表示同向分量和正交分量，轴是坐标点累计频高，可以看出在理想点周围点数分布最集中；右下图是右上图的二维星座云图，颜色越深表示点数越多，分布越集中。统计结果显示，星座图散点最集中的4个点的相位分别为：45.008 32°，135.486 31°，225.008 33°，315.486 31°。

图12 北斗信号星座散点图

图13给出了2015年对北斗区域各颗卫星信号调制特性的统计分析结果。

图13 2015年1至12月份各颗卫星相位误差统计均值

2.3.2 Galileo信号调制性能评估结果

下面以Galileo E1 CBOC（6，1，1/11）调制信号为例，给出该星实测信号星座图分析结果。图14中用符号“+”标注的点，表示理想信号星座点。图中的颜色越深，则表示信号叠加的点数越多。

从分析结果来看，接收信号仍是恒包络的，实测信号星座点基本上较集中地分布于理想点周围，各星座点间的转化轨迹也基本正常，未发现有明显畸变现象。理想信号星座图的8个相位的角度分别是：1=23.664 5°，2=73.163 8°，3=106.836 2°，4=156.335 5°，5=203.664 5°，6=253.163 8°，7=286.836 2°，8=336.335 5°，统计得出的实测信号星座图各点相位分别为1=23.038 7°，2=74.001 2°，3=106.659 2°，4=155.891 9°，5=203.018 2°，6=253.859 4°，7=286.720 6°，8=335.765 9°。对采集的1 s数据计算实测信号各相位与理想相位的相位差统计均值为0.301 6°。另外，从图14中还可以看出，解调信号星座图相位翻转迹线正常，无异常跳变或中断现象，可以判断接收信号调制性能良好，未出现畸变现象。

图14 Galileo信号星座图分析结果

2.4 GNSS信号测距码时域特性分析结果

卫星导航基带信号的时域波形，能够真实反映信号码片在发射、传输和接收过程中的通道特性。图15给出了码片赋形特点分析示意图。图中虚线表示理想标准信号码片波形，实线表示畸变信号码片波形。很明显，畸变信号波形的幅度有较大程度的失真，不仅不是个常数，而且还有较大的波形抖动，称为模拟畸变，图中“delta”代表抖动幅度变化情况，“fd”表示幅度抖动的频率。从图中还可以看出，码片波形的相位翻转点与理想波形也有稍微的不一致，实测卫星导航信号有可能达到几十纳秒的延迟或提前。通过统计码片点数，还可估计接收信号码片速率及码片的数字畸变。从图中我们还可看出，每个码片波形的前、后沿不一致，如图中A处和B处，这种现象一般是由信道的滤波特性造成的，而接收端滤波器的影响可能性更大一些。

图15 码片赋形特性评估示意图

测距码质量评估参数主要包括测距码的波长、波形、速率、正确性和互相关性，以及二次码的波形特点。主要目的是通过恢复各频点各支路信号的码片波形，构建眼图，分析码片波形的失真度，反演信道传输特性，并采用相应指标加以度量。

以北斗MEO-3 B1频点信号为例，解调出的信号测距码进行500周期的累加后，信号眼图分析结果如图16所示，其中左图是累加后的眼图，从左图中可以看出，码片翻转时有过冲，但码片幅值并未出现不规则畸变现象，眼图张开度较大而且比较端正，迹线细而且清晰，每组码片过零点基本重合，眼图性能良好；右图给出的是眼图三维立体图，从中可以看出每组码片重叠性较好，码片波形比较稳定，没有出现明显跳变或抖动。

图16 北斗MEO-3信号眼图二维和三维分析结果图

对单个码片进行分析，如图17所示。从图中可以看出，累加后每个码片的前后沿不一致，如图中跳变点A与C，这很可能是由信道的滤波特性造成的，而接收端滤波器的影响可能大一些；图中的跳变点B处为1-0的过渡或0-1的过渡，这个波动猜想是由星上码片成形滤波或接收端滤波器引起的。累加后所得码片波形的过零点几乎与理想过零点重合，说明接收信号对提取定时信息影响不大，接收信号性能良好，基本无畸变现象。

图17 码片波形分析图

2.5 GNSS信号相关特性分析结果

接收导航卫星信号码片波形的失真，不仅表现在相关输出的幅度衰减上，还会引起相关函数的变形。接收信号失真带来的伪距误差，可以直接体现相关函数的异常。利用相关曲线，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[19-21]。

① 相关曲线波形分析

首先，根据软件接收机跟踪环的输出，对接收的导航卫星信号进行载波剥离，由测得的信道传输特性进行均衡处理，得到实测信号基带波形，计算其与本地参考码的归一化互相关，定义如下式所示：

相关损耗是指在信号设计频带带宽上的实际接收信号功率，与在同样频带带宽上理想相关型接收机中所恢复的信号功率间的差值。理想相关型接收机的输入是理想信号波形，滤波器带宽为信号设计带宽，且该带宽内相位是线性的理想锐截止滤波器。以表示信号功率，表示理想信号功率，表示实际接收信号功率，表示相关损耗，则有以下表达式：

。 （7）

②曲线偏差分析

理想情况下，接收机码环鉴相曲线（曲线）的过零点（即码环的锁定点）应位于码跟踪误差为零处，而实际上由于信道传输失真、多径等的影响会引起码环锁定在相位有偏差的地方。以具有代表性的非相干超前减滞后功率型鉴相器为例，设其相关器的超前—滞后间距为，则其曲线的算式为：

。 （9）

曲线偏差的定义为：

图18至图21分别给出GEO和IGSO卫星的相关曲线及不同相关器间隔下的曲线过零点偏差分析结果。

图18 GEO-1卫星B1I相关函数及S曲线过零点偏差分析结果

图19 GEO-4卫星B1I相关函数及S曲线过零点偏差分析结果

从分析结果来看，两颗GEO卫星曲线过零点偏差分析结果类似：在相关器间隔小于0.2码片时，随着相关器间隔的增大，曲线过零点偏差呈现递增趋势，最大值约为0.3 m；0.2码片~1.0码片间隔范围内，曲线过零点偏差基本稳定，抖动范围约0.1 m。

图20 IGSO-2卫星B1I相关函数及S曲线过零点偏差分析结果

图21 IGSO-4卫星B1I相关函数及S曲线过零点偏差分析结果

从分析结果来看，北斗区域系统两颗IGSO卫星曲线过零点偏差分析情况基本类似：在相关器间隔小于0.5码片时，随着相关器间隔的增大，曲线过零点偏差呈现递增趋势，最大值约为0.6 m；相关器间隔在0.5~0.7码片时，呈现递减趋势；相关器间隔在0.7~1码片时，又呈现递增趋势。

图22是2015年1月至9月，北斗区域可视在轨卫星相关损耗统计分析结果。分析结果表明：在观测时间段内，北斗区域各颗卫星相关损耗较小，满足绝对值小于0.6 dB的指标要求。

图22 2015年1至9月份各颗卫星相关损耗统计结果

2.6 GNSS信号码间相位一致性分析结果

GNSS信号测距码间相位一致性评估，分为同频点不同支路测距码间相位的一致性以及不同频点相同测距码间的相位一致性两个方面。通过对测距码间一致性进行评估，可以评估卫星信号调制和发射过程中测距码间的相对延迟。不同频点测距码间相位一致性评估时，需要对各伪距观测量去除电离层误差，计算公式如下[22-24]：

， （12）

。 （13）

而同频点/支路的载波频率和传输路径相同，所以码伪距受电离层和外界干扰影响基本相同，因此，对于同频点不同支路码伪距观测量的一致性，可以直接通过计算不同码伪距的差值来进行分析。

2015年1月至9月份，在昊平观测站对GEO-1，GEO-6，GEO-3，GEO-4，GEO-5，IGSO-1，IGSO-2，IGSO-3，IGSO-4，IGSO-5，MEO-3，MEO-4，MEO-6卫星信号进行较长时间实时监测。图23给出了1月至9月北斗区域系统各颗卫星B1频点B1与B1支路测距码间相位相对一致性统计分析结果。可以看出，观测时间段内，各颗卫星B1/信号测距码间相位相对一致性均方差小于1ns，因此可以判断测距码间相位相对较稳定。

图23 2015年1月至9月份各颗卫星测距码间相位相对一致性统计结果

3 结语

卫星导航以其高精度、全天候、不受气候和地域等条件的限制的特点，目前已广泛应用于航空航天、海事、搜救、交通和精细农业等领域。卫星导航系统的空间信号质量优劣直接关系着系统的高精度服务性能，影响系统的可靠性。然而，导航卫星所发播的空间信号（SIS，signal in space）不可避免地会由于信号生成链路和传播链路的非理想性而引入不同类型或特性的失真（distortion），造成用户正常接收的标称导航信号出现不同程度的失真（nominal signal distortion），从而影响信号的接收性能和对信道的适应能力；更严重的情况下，当硬件链路发生故障或受特殊的环境影响时，会引起导航信号的较大畸变，即产生有害波形（EWF，evil waveform），其后果对于航空导航等涉及生命安全的服务而言可能会造成危害。GNSS空间信号质量评估能够及时为诊断系统故障状态提供服务，在高信噪比条件下信号处理手段更加丰富多样，能够挖掘故障状态的深层次问题，同时作为专职的导航信号评估系统，更能及时深入地进行故障问题的排查和归零，能够切实保障导航系统的高可靠运行。

本文首先介绍了隶属于中科院国家授时中心的昊平观测站40m天线GNSS信号监测评估系统的设计思想及整体架构，然后给出了该系统主要性能指标参数，及40m天线及系统接收通道的测试结果。在此基础上，利用该高精度高可信观测评估系统，给出了北斗区域卫星导航系统、GPS系统、Galileo系统和GLONASS系统的信号功率谱特性、调制特性、测距码时域特性、相关特性及S曲线过零点偏差、信号测距码间相位相对一致性等分析结果。其成果在我国北斗卫星导航系统的信号设计、信号体制验证、性能指标评估、完好性监测、卫星故障快速定位等方面，将发挥非常重要的作用。其成果不仅可以推动我国卫星导航信号体制设计和评估理论的发展，得到准确的信号质量评估结果，还可为系统的维护和管理提供决策支持信息，保证系统的高质量服务，有利于提高北斗卫星导航系统在国际上的影响力，具有重要的应用价值。同时，本文的研究成果也将会在国际领域的合作中产生影响并发挥重要作用。

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Design of GNSS monitoring and assessment system and assessment of GNSS signal-in-space

LU Xiao-chun1,2, HE Cheng-yan1,2, WANG Xue1,2,RAO Yong-nan1,2, KANG Li1,2,3, SHI Hui-hui1,2

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation, Positioning and Timing, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Satellite navigation signal is the sole interface between GNSS (global navigation satellite system) and users. Its performance is of vital importance for GNSS to achieve its high PVT (position, velocity and time) performance. GNSS signal monitoring and assessment system is a high-performance testing & measuring platform for analysis and distortion detection of in-orbit satellites signals.The structural characteristics and performance indicators of Haoping observatory, which belongs to the NTSC (the national time service center, the Chinese academy of sciences), is introduced in detail in the beginning of this paper. And on this basis, some typical GNSS signal monitoring & evaluation methods, along with some analysis results are given.

global navigation satellite system; signal performance; monitoring and assessment; Haoping observatory

TN911.6

A

1674-0637(2016)03-0225-22

10.13875/j.issn.1674-0637.2016-03-0225-22

2016-01-08

国家自然科学基金委重点资助项目（61501430）；中国科学院“西部之光”人才培养计划西部博士资助项目（2013BS25）

卢晓春，女，研究员，主要从事卫星导航和时间同步技术研究。