基于信号合成幅相特性的卫星导航模拟器伪距测量方法与流程

1.本发明涉及卫星导航伪距测试领域，尤其涉及一种基于信号合成幅相特性的卫星导航模拟器伪距测量方法。


背景技术：

2.全球导航卫星系统(global navigation satellite system，gnss)是一种利用卫星伪距信号测距并实现定位的系统。卫星导航系统具有精度高、覆盖范围广、应用方便等优点，被广泛应用于无人驾驶、智慧交通、智慧农业、灾害监测等领域，未来卫星导航向着高精度，抗干扰、多传感器融合的方向发展。
3.卫星导航模拟器(简称模拟器)是一种模拟仿真导航系统的标准信号源，可以仿真任意时间、任意地点载体状态场景，并可以仿真对流层、电离层、钟差、多径等多种误差模型，是卫星导航系统建设、验证和应用中不可或缺的设备，也是卫星导航终端设计、研发、生产和维护等全过程中必不可少的测试验证和计量检测设备，被广泛应用于高校、科研院所、生产企业和军工领域。
4.模拟器作为导航系统和终端产品验证检测的核心设备，其自身的性能、精度至关重要。伪距是指含有误差的卫星到载体的距离，模拟器通过不同通道仿真不同卫星，控制通道时延乘以光速得到卫星伪距，由于伪距直接关系到定位指标，所以伪距控制精度直接体现了模拟器仿真水平，模拟器伪距控制分辨率越小越精细，伪距控制误差越小越准确。
5.传统的伪距控制精度采用高速采样数字示波器测试，示波器测试单通道卫星信号伪距变化产生的波形时延，乘以光速得到伪距实际变化值，从而计算伪距控制误差。仿真卫星信号可以是bpsk调制信号也可以是单载波信号，bpsk调制信号主要采集翻转点变化时延，单载波信号采集峰值变化时延，但不管哪种信号示波器测量都会存在波形抖动等问题，对厘米级以下高精度伪距测量造成严重影响，测量结果的不确定度很大。
6.现有测量技术具体方法为：模拟器输出的1pps秒脉冲信号作为示波器参考触发信号，仿真输出单颗卫星(通道)信号，示波器记录波形初始位置，改变卫星伪距δd(δd一般为能达到的最小伪距控制分辨率)，使得波形水平移动，记录波形终止位置，示波器测量波形两个位置时延δt，乘以光速得到伪距实际变化量。卫星信号为bpsk调制信号时，记录信号过零翻转点波形位置，实际测量中由于bpsk调制信号的翻转点并非为一个“点”，而是一段幅度起伏的过零曲线，如图3所示，调制信号翻转时间约4ns，且幅度有干扰波动，无法准确找到波形位置记录点，导致测量时延的不确定度为纳秒级，不能测量高精度伪距变化，同时测量信号局限于bpsk调制方式，对其它调制方式不适用。
7.卫星信号为单载波时，记录正弦波峰值电平位置，由于晶振稳定度、各种噪声干扰等因素，示波器显示波形存在抖动，用荧光功能记录单载波抖动，如图4所示，最大水平抖动为52ps，换算成伪距为1.58cm，即使采用加平均方式减少抖动，测量1cm以下伪距变化时不确定度也较大，无法准确测量。
8.综上，受目前伪距测量方法的限制，伪距最小测量能力为1cm，国内模拟器厂家给
出的最小伪距精度为1cm，虽然国外模拟器厂家最小伪距精度可达0.3mm，但国内无法测试证明是否能达到其技术指标。随着卫星导航技术行业应用的深入，导航定位应用需要达到厘米级甚至毫米级，终端接收机高精度定位测试需求迫切。作为测试使用的卫星导航模拟器，需要提供更准确更稳定的仿真测试环境，对模拟器的伪距仿真测试提出了更高要求，传统示波器测量方法不能满足高精度伪距测量需要，所以如何提供一种高精度伪距测量方法成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

9.本发明提供一种基于信号合成幅相特性的卫星导航模拟器伪距测量方法，用以解决高精度伪距测量问题。
10.为了实现上述目的，本发明技术方案提供了方法，包括：选取模拟器导航系统任一频点的单载波信号，测量第一卫星的单星峰值电平；
11.测量所述第一卫星和第二卫星的信号，测试合成峰值电平；将所述合成峰值电平与所述单星峰值电平比较，判断合成信号幅度增加值是否为6.02db，若是则两卫星的信号幅度和相位相同；
12.改变两路卫星信号中任一卫星的伪距，第二次测试合成峰值电平，将此次合成峰值电平与所述单星峰值电平比较后得到差值，根据所述差值获取两卫星信号之间的实际伪距，从而得到模拟器伪距控制精度。
13.作为上述技术方案的优选，较佳的，将此次合成峰值电平与所述单星峰值电平比较后得到差值，包括：
14.将第二次测量得到的合成峰值电平与所述单星峰值电平进行比较后，得到合成信号幅度对数变化值l(θ)，幅度与相位的关系为：
[0015][0016]
根据所述合成信号幅度对数变化值l(θ)获取相位差θ：
[0017][0018]
作为上述技术方案的优选，较佳的，根据所述合成信号幅度对数变化值计算时延δt后，根据时延得到所述实际伪距δd：
[0019][0020]
δd＝δt
×
c。
[0021]
作为上述技术方案的优选，较佳的，改变卫星的伪距，包括：直接一次跳变改变卫星的伪距值，或，设置固定伪距变化速率(简称伪距率)和持续时间，通过计算得到伪距持续变化时间后的累计伪距变化值。
[0022]
本发明技术方案提供了一种基于信号合成幅相特性的卫星导航模拟器伪距测量方法，在频域通过测量信号合成后幅度变化，计算信号相位差，进而得到信号时延，最终实现高精度伪距测量。本方法通过时域测量变成频域测量，减少了信号时域抖动对测量结果的影响，同时测量的是信号峰值电平的相对变化，信号中的固有噪声成分抵消，从而减少了
噪声影响，大大提高了测量精度。
[0023]
本发明的优点是：
[0024]
(1)频谱仪测量单载波信号峰值功率电平，信号抖动小，测量数值稳定。
[0025]
(2)用于计算的是功率电平差值，单次测量时噪声、参数设置等影响量做差后相互抵消，伪距变化引起的幅度变化值可以准确测量。
[0026]
(3)测量不受频点卫星调制方式影响，测量单载波信号，应用范围广。
[0027]
(4)利用本发明测量模拟器伪距控制精度，单次伪距变化实施验证能达到3mm，比原有1cm精度提高3倍；采用伪距率和特征点测量伪距累计变化，实施验证能达到0.3mm，比原方法提高30倍。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1为本发明提供的基于信号合成幅相特性的卫星导航模拟器伪距测量方法的系统连接图。
[0030]
图2为本发明的基于信号合成幅相特性的卫星导航模拟器伪距测量方法实施例的流程图一。
[0031]
图2a为本发明的基于信号合成幅相特性的卫星导航模拟器伪距测量方法实施例的流程图二。
[0032]
图3为现有技术测量卫星bpsk信号过零点的局部放大图。
[0033]
图4为现有技术示波器荧光记录单星单载波抖动图
[0034]
图5为本发明技术方案在实施中测量的单星信号峰值电平图。
[0035]
图6为测量伪距相同双星合成信号的峰值电平图。
[0036]
图7为测量改变单颗星伪距3mm后合成信号的峰值电平图。
[0037]
图8为测量单颗星伪距变化3cm后合成信号峰值电平图。
[0038]
图9为测量单星改变半周期伪距后合成信号幅度电平图。
[0039]
图10为断开模拟器输出后端口幅度电平图。
[0040]
图11为卫星以0.0003m/s伪距率变化原始数据图。
[0041]
图12为卫星以0.0003m/s伪距率变化半周期曲线图。
[0042]
图13为伪距变化曲线上任意选取10点曲线图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
系统连接如图1，卫星导航模拟器大信号输出端连接频谱分析仪，模拟器晶振外输
出连接频谱分析仪晶振外输入。
[0045]
图2、图2a为本发明实施例提供的流程示意图，如图2所示：
[0046]
步骤101、设置卫星导航模拟器的初始状态。
[0047]
包括，设置模拟器选取任意导航系统任一频点信号，卫星为地区同步轨道卫星，载体场景设置为静态场景，卫星和载体伪距固定，关闭调制使信号输出单载波信号。
[0048]
步骤102、测量第一卫星的单星峰值电平p0。
[0049]
步骤103、测量第一、第二卫星合成信号峰值电平p1。
[0050]
第二卫星与第一卫星具有相同设置，频谱分析仪测量合成信号峰值电平p1，若双路初始合成信号p1比单路信号p0增加6.02db，说明两信号幅度和相位相同，信号时延为0；否则调整信号使时延为0。
[0051]
步骤104、调整双路信号中任一卫星伪距。
[0052]
具体的，使第一或第二卫星伪距变化距离d。
[0053]
步骤105、测量伪距调整后双星合成信号峰值电平p2。
[0054]
步骤106、计算双星伪距差合成信号峰值电平与单星峰值电平之差δp。
[0055][0056]
其中，l(θ)为叠加信号后，合成信号幅度对数变化值。
[0057]
详细说明步骤106的原理：在一个正弦波信号上叠加一个存在相位差的同频等幅度信号，相位差和幅度变化有对应关系。
[0058]
具体的，理想正弦波信号表示为：
[0059]
两路相同频率、幅度的正弦波信号，相位差为θ，合成信号为：
[0060][0061]
合成信号频率没有改变，幅度是相位差θ的余弦函数。
[0062][0063]
步骤107、根据信号合成幅相特性，通过幅度差得到相位差θ。
[0064][0065][0066][0067]
步骤108、根据相位差获取时延δt并得到实际调整伪距值。
[0068]
具体的，信号相位与周期存在对应关系：
[0069]
其中，t为周期，δt为时延，为相位差。
[0070]
所以
[0071]
δd＝δt
×
c。
[0072]
其中，δt-存在伪距差的两路信号的时延，c为光速，299792458m/s。
[0073]
本发明技术方案还能够解决毫米级以下伪距变化测量的问题，具体的步骤104中
也可以通过调整伪距变化率和持续时间实现对伪距变化的控制。
[0074]
由于伪距变化测量同样受到能准确测量的功率分辨力的限制，单次改变伪距直接测量能达到的最小伪距变化约为3mm，更小单位的伪距变化很难单次直接测量(例如0.3mm)。可以采用设置伪距变化率的方式，实现在一定时间下累计伪距变化量，来解决毫米级及以下伪距变化测量问题。
[0075]
详细的，伪距率是指单位时间内伪距变化，乘以持续时间得到累计伪距变化值，如果已知持续时间后的累计伪距变化值测量准确，证明每秒的伪距变化也准确。再依据两路正弦波信号合成幅相特性分析，如果把其中一路信号按固定伪距率连续变化，合成信号相位差经历由0
°
到360
°
变化，信号幅度会经历最大变为0，再变为最大的过程。当相位差变化180
°
，合成信号幅度为0时，应该与断开信号输出状态相同，选取此特殊点方便快速测量。
[0076]
设其中一颗卫星以需要测量的伪距率变化半周期对应伪距，如果运行结束测量信号输出为0，则说明信号相位差为180
°
，具体方案为：
[0077]
验证双星初始状态与上述方案相同(相当于步骤101-103)。根据导航频点信号周期，计算出半周期时间对应的伪距。本实施例在执行步骤104时为：设置一颗卫星以固定伪距率变化信号半周期对应的伪距。频谱分析仪测量此时双星伪距差合成信号幅度电平p4。断开模拟器仿真输出(输出信号应为0)，频谱仪测量幅度电平为p5，如果p4＝p5，则说明合成信号0，模拟器伪距率控制是准确的。同时记录模拟器运行过程中卫星伪距值，监测伪距变化过程。
[0078]
现结合具体使用场景对本发明提供的伪距测量方法进行说明。
[0079]
利用合成信号幅相特性测量单次伪距控制实例验证：
[0080]
如图5所示，以gpsl1频点作为测量信号，频率为1.57542ghz，周期约为0.63475ns，关闭所有误差模型，设置卫星与载体伪距固定的静态场景，模拟器输出单星单载波信号，用频谱仪测量信号峰值电平p0为-58.10dbm。
[0081]
增加一颗l1频点的卫星，两颗卫星输出单载波信号合成后，用频谱仪读取信号峰值电平p1为-52.08dbm，如图6所示，电平差为6.02db，说明两颗卫星幅度相位相同，时延为0。
[0082]
调整模拟器改变其中一颗卫星伪距变化3mm，其它不变，实际测量合成信号峰值电平p2＝-52.09dbm，如图7所示。
[0083]
伪距变化3mm后合成信号的峰值电平变化：δp2＝p
2-p0＝6.01db，根据公式计算增加时延δt1为：
[0084][0085]
时延乘以光速得到实际伪距变化δd1：
[0086]
δd1＝δt1×
c＝2.992mm
[0087]
结果表明：模拟器控制伪距变化3mm，通过频谱仪测量信号幅度电平变化，计算得到伪距实际变化为2.992mm，实施结果与原理推导一致。
[0088]
为了验证方法的通用性，再做伪距变化3cm试验。测量方法相同，改变一路卫星伪距3cm，测量合成信号峰值电平p3＝-53.19dbm，如图8所示。
[0089]
伪距变化3cm后合成信号的峰值电平变化：δp3＝p
3-p0＝4.91db
[0090]
计算时延δt2：
[0091][0092]
时延乘以光速得到实际伪距变化δd2：δd2＝δt2×
c＝2.998cm。
[0093]
结果表明，模拟器控制伪距变化3cm，测量信号幅度电平变化，计算得到伪距实际变化为2.998cm，结果再次验证方法可行。
[0094]
综合实施结果表明：用本发明方法测量卫星导航模拟器伪距控制变化可行，原方法测量最小伪距变化为1cm，且不确定度较大，用本发明提出方法直接测量伪距变化可达到3mm，测量精度提高3倍以上，且稳定可靠。
[0095]
进一步的，对于本发明提供的另一种利用伪距率和特征点测量伪距控制实例验证。
[0096]
初始双星状态与上述方法相同，试验测量频点选择gps l1，信号频率1.57542ghz，周期0.63475ns，半周期为0.31738ns，光速299792458m/s，信号移动半周期对应的伪距变化值为：
[0097][0098]
频谱仪扫频宽度span为0hz，扫描时间1s，设置模拟器一颗卫星伪距变化0.095147m，持续时间318s，伪距变化率为0.0003m/s。运行过程中同时记录卫星伪距数据，如图9所示，运行结束后频谱仪测量信号幅度电平，p4＝-90.95dbm。
[0099]
如图10所示，断开模拟器输出，频谱仪设置不变下测量端口幅度电平p5＝-90.95dbm。
[0100]
实施结果表明：1颗卫星以0.0003m/s伪距率改变半周期对应伪距值，合成信号与信号断开后功率相同p4＝p5＝0，证明0.0003m/s伪距控制变化准确。
[0101]
导出模拟器记录卫星伪距原始数据如图11所示，图中第一列为序号，第二列为伪距值，第三列为伪距变化值。图12所示为随着伪距的连续增加计算每秒钟的伪距变化值，呈一条直线变化，放大其中任意10个点得到图13所示内容，伪距以每秒0.3mm间隔均匀变化，说明伪距率中间过程均匀。
[0102]
最终结论：利用双路信号合成幅相特性，通过频谱仪测量信号幅度变化值，可以计算出伪距实际变化值。经试验验证，测量单次伪距变化达3mm，如果通过伪距率和持续时间累计伪距变化的方法，可以测量0.3mm伪距变化。传统方法伪距最高测量能力为1cm，相比传统方法，本方法减少了时域信号抖动对测量结果的影响，且不受被测信号调制方式的限制，伪距测量精度分别提高了3倍和30倍，大大提升了高性能模拟器伪距测量能力。
[0103]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。