CN110531381A - 一种gnss信号可用性与完好性监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GNSS信号可用性与完好性监测***，包括信号接收模块、下变频模块、中频信号处理模块、卫星信号可用性与完好性监测模块和数据存储及可视化模块，所述信号接收模块将接收的多频点卫星导航信号传输至所述下变频模块，所述多频点卫星导航信号经所述下变频模块数模转换处理后到中频数字信号并传输给所述中频信号处理模块，经过所述中频信号处理模块处理编码后的所述数据传输至所述卫星信号可用性与完好性监测模块进行监测评估并给出结果，最后所述数据传输到所述数据存储及可视化模块进行存储或展现，可准确反映出该***卫星信号的可用性与完好性。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，尤其涉及一种GNSS信号可用性与完好性监测***。
背景技术
随着导航定位服务对人们生活的影响日益加深，在导航应用市场方面，目前仍是美国的GPS导航定位***占据了大部分市场份额，我国北斗导航定位***想要在和这些卫星导航***的竞争中取胜，就要重视卫星信号的质量问题，目前的卫星信号监测***中，不能全面准确地反映出该***卫星信号的可用性与完好性。
发明内容
本发明提供一种GNSS信号可用性与完好性监测***，可准确反映出该***卫星信号的可用性与完好性。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种GNSS信号可用性与完好性监测***，包括信号接收模块、下变频模块、中频信号处理模块、卫星信号可用性与完好性监测模块和数据存储及可视化模块，所述信号接收模块、所述下变频模块、所述中频信号处理模块、所述卫星信号可用性和所述完好性监测模块和数据存储及可视化模块依次电性连接，其中：
所述信号接收模块，用于接收多频点卫星导航信号并将所述多频点卫星导航信号传输至所述下变频模块；
所述下变频模块，用于接收所述信号接收模块传输的所述多频点卫星导航信号，通过数模转换处理得到中频数字信号，将所述中频数字信号传输至所述中频信号处理模块；
所述中频信号处理模块，用于接收所述下变频模块传输的所述中频数字信号，经过对所述中频数字信号的捕获、跟踪、电文解调和原始观测量数据计算的处理后进行编码，然后将编码后的所述数据传输至所述卫星信号可用性与完好性监测模块；
所述卫星信号可用性与完好性监测模块，用于接收所述中频信号处理模块传输的数据，从时域、频域、调制域和测量域对所述数据进行监测评估，将结果传输至所述数据存储及可视化模块；
所述数据存储及可视化模块，用于将所述卫星信号可用性与完好性监测模块的所述结果进行存储和展现。
可选的，所述中频信号处理模块包括FPGA(Field Programmable Gate Array)芯片和DSP(Digital Signal Processing)芯片，所述FPGA芯片和所述DSP芯片电性连接，其中：
所述FPGA芯片，用于对所述中频数字信号的捕获、跟踪和电文调节调解，向所述DSP芯片提供中断信号；
所述DSP芯片，利用所述中断信号实现精准的计时，并以此为节拍定时与所述FPGA芯片进行数据交互、捕获控制、跟踪控制、电文解调与原始观测量的计算，将所述计算结果传输至所述卫星信号可用性与完好性监测模块。
可选的，所述原始观测量数据包括载波剥离之后伪码剥离之前的I/Q支路数据、多普勒频移数据、伪距数据、载波相位数据、伪码相位数据、载噪比数据或导航电文数据中的一种或多种。
可选的，所述卫星信号可用性与完好性监测模块包括伪码符号异常评估单元和等效全向辐射功率计算单元，
所述伪码符号异常评估单元，用于将所述I/Q支路数据进行单码片的累加和比特量化后得到的伪码符号的估算值与设定的正常状态下的扩频码符号阈值进行比较，得出结果；
所述等效全向辐射功率计算单元，用于在连续一段时间内，通过接收功率、发射天线增益、信号波长和收发天线的间距之间的一定关系计算得到的等效全向辐射功率，将所述等效全向辐射功率传输至所述数据存储及可视化模块上以图像化显示出来。
可选的，所述卫星信号可用性与完好性监测模块包括误差矢量幅度值测量单元和载噪比评估单元，
所述误差矢量幅度值测量单元，用于将所述伪码数据再进行扩频调制和载波调制，重新复现卫星发射端信号，然后将该码矢量信号与接收的矢量信号作差，再做统计平均，得到误差矢量幅度值；
所述载噪比评估单元，用于通过连续观测信号所述载噪比，比较与阈值的关系，将所述等效全向辐射功率传输至所述数据存储及可视化模块上以图像化显示出来。
可选的，所述卫星信号可用性与完好性监测模块包括伪距合理性评估单元和码载偏离度监测单元，
所述伪距合理性评估单元，用于通过对一段时间内的伪距观测数据进行多项式拟合、平滑，使与原始数据具有最小拟合差，对伪距观测量的拟合残差进行分析，得出结果；
所述码载偏离度监测单元，用于将相邻两个历元间隔时间内的伪码相位和载波相位观测量的增量利用几移动平均法计算后的结果即码载偏离度值与门限值相比较，得出结果。
可选的，所述卫星信号可用性与完好性监测模块包括卫星健康标志位监测单元和导航电文质量监测单元，
所述卫星健康标志位监测单元，用于直接读取所述导航电文中的健康字信息，统计卫星健康状态并写入文件中；
所述导航电文质量监测单元，用于根据所述导航电文对用户的实际作用，借鉴通用数据质量标准和空间数据质量标准模型，采用质量树描述电文质量模型。
可选的，所述数据存储及可视化模块包括FLASH存储芯片和上位机，其中：
所述FLASH存储芯片，用于存储由所述卫星信号可用性与完好性监测模块传输的的所述结果；
所述上位机，用于将所述卫星信号可用性与完好性监测模块传输的的所述结果以图形化展现出来。
可选的，所述多频点卫星导航信号包括全球定位***信号和北斗卫星信号，其标称频率分别为GPS L1频点1575.42MHz和BD B1频点1561.098MHz。
本发明实施例提供一种GNSS信号可用性与完好性监测***，包括信号接收模块、下变频模块、中频信号处理模块、卫星信号可用性与完好性监测模块和数据存储及可视化模块，通过该信号接收模块将接收的多频点卫星导航信号传输至该下变频模块，该数据经该下变频模块数模转换处理后到该中频数字信号并传输给该中频信号处理模块，经过该中频信号处理模块处理编码后的所述数据传输至该卫星信号可用性与完好性监测模块进行监测评估并得到评估结果，最后将所述结果传输到该数据存储及可视化模块中进行存储和展现，可准确反映出该***卫星信号的可用性与完好性。
附图说明
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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
图1是本发明实施例提供的GNSS信号可用性与完好性监测***的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的卫星信号可用性与完好性监测模块的结构示意图。
101-信号接收模块、102-下变频模块、103-中频信号处理模块、1031-FPGA芯片、1032-DSP芯片、104-卫星信号可用性与完好性监测模块、105-数据存储及可视化模块、1051-FLASH存储芯片、1052-上位机、1041-伪码符号异常评估单元、1042-等效全向辐射功率计算单元、1043-误差矢量幅度值测量单元、1044-载噪比评估单元、1045-伪距合理性评估单元、1046-码载偏离度监测单元、1047-卫星健康标志位监测单元、1048-导航电文质量监测单元。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动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。
参见图1，是本发明实施例提供的一种GNSS信号可用性与完好性监测***示意图，本发明实施例中所描述的的GNSS信号可用性与完好性监测***，包括信号接收模块101、下变频模块102、中频信号处理模块103、卫星信号可用性与完好性监测模块104和数据存储及可视化模块105，所述信号接收模块101、所述下变频模块102、所述中频信号处理模块103、所述卫星信号可用性和所述完好性监测模块104和数据存储及可视化模块105依次电性连接，
所述信号接收模块101，用于接收多频点卫星导航信号，并将所述多频点卫星导航信号传输至所述下变频模块102；
所述下变频模块102，用于接收所述信号接收模块101传输的所述多频点卫星导航信号，通过数模转换处理得到中频数字信号，将所述中频数字信号传输至所述中频信号处理模块103；
所述中频信号处理模块103，用于接收所述下变频模块102传输的所述信号，经过对所述信号的捕获、跟踪、电文解调和原始观测量数据计算的处理后进行编码，然后将编码后的所述数据传输至所述卫星信号可用性与完好性监测模块104；
所述卫星信号可用性与完好性监测模块104，用于接收所述中频信号处理模块103传输的数据，从时域、频域、调制域和测量域对所述数据进行监测评估，将结果传输至所述数据存储及可视化模块105；
所述数据存储及可视化模块105，用于将所述卫星信号可用性与完好性监测模块的所述结果进行存储和展现。
具体的，所述信号接收模块101将接收到的多频点卫星导航信号传输至所述下变频模块102，该多频点卫星导航信号为模拟中频信号，经过所述下变频模块102的放大、混频、滤波和数模转换后得到中频数字信号并传输至所述中频信号处理模块103，接收到该中频数字信号后，所述中频信号处理模块103对该信号进行捕获、跟踪、电文解调和原始观测量数据计算的处理后进行编码，然后通过所述卫星信号可用性与完好性监测模块104对所述编码后数据从时域、频域、调制域和测量域进行监测评估并得出准确结果，最后通过所述数据存储及可视化模块105对该卫星信号可用性与完好性监测模块104得到的结果进行存储和以图形化展现出来，可准确反映出该***卫星信号的可用性与完好性。
其中，参见图1，中频信号处理模块包括FPGA芯片1031和DSP芯片1032，所述FPGA芯片1031和所述DSP芯片1032电性连接。
具体的，所述FPGA芯片1031，用于对所述信号的捕获、跟踪和电文调节调解并缓存起来，同时向所述DSP芯片1032提供中断信号；
所述DSP芯片1032，利用所述中断信号实现精准的计时，读取所述FPGA芯片1031缓存的数据，并以此为节拍定时与所述FPGA芯片1031进行数据交互、捕获控制、跟踪控制、电文解调与原始观测量的计算，将所述计算结果传输至所述卫星信号可用性与完好性监测模块104。
其中，所述原始观测量数据包括载波剥离之后伪码剥离之前的I/Q支路数据、多普勒频移数据、伪距数据、载波相位数据、伪码相位数据、载噪比数据或导航电文数据中的一种或多种。
参见图2，所述卫星信号可用性与完好性监测模块104包括伪码符号异常评估单元1041和等效全向辐射功率计算单元1042。
具体的，所述伪码符号异常评估单元1041首先对解调后的I/Q两路扩频码进行单码片的累加，然后进行1bit的量化，得到每比特的量化值，该值即为伪码符号的估计值。最后和设定的正常状态下的扩频码符号阈值进行比较，就能够判断每个扩频码符号是否发生了异常。
所述等效全向辐射功率(EIRP)计算单元1042，目的是由地面接收功率的波动情况评估卫星载荷发射功率稳定性，其中卫星信号的EIRP与地面设备接收功率相一致。本算法利用电磁波大气衰减模型，计算卫星信号发射时的EIRP，卫星发射天线EIRP的计算公式为：
EIRP(dBW)＝Pr(dBW)-Gr(dB)+(4πR/λ)2 (1)
式中，Pr为接收功率，Gt为发射天线增益，λ为信号波长，R为收发天线之间的距离。
对卫星EIRP稳定度进行评估需要连续测量一段时间的EIRP，本***采用1分钟输出一次EIRP值，将测量值输送至该数据存储及可视化模块105的上位机1052进行图形化统计处理。
参见图2，所述卫星信号可用性与完好性监测模块104包括误差矢量幅度值测量单元1043和载噪比评估单元1044。
具体的，所述误差矢量幅度(EVM)值测量单元1043，EVM可以反映出卫星信号幅度和相位上的误差，EVM越小，表示信号受到的噪声干扰越小，测试信号与理想信号越接近。将所述中频信号处理模块103得到伪码再进行扩频调制和载波调制，重新复现卫星发射端信号，然后将该码矢量信号与接收的矢量信号作差，再做统计平均，即得EVM。计算公式为：
式中，Ii-Iref和Qi-Qref为实际测试得到的卫星信号I/Q支路采样点与理想情况的I/Q支路采样点的误差，N为总采样点数，Smax为理想信号矢量图最远状态的矢量幅度。
所述载噪比评估单元1044，通过连续观测信号载噪比，比较与阈值的关系，分析载噪比的连续性和稳定性，评估信号功率是否异常。载噪比监测采用平滑处理后的载噪比作为监测统计量，进行统计分析，具体的方法如下：
其中，C/N0,n(k)表示k时刻接收机接收到卫星n的信号载噪比，将平滑后的载噪比C/N0_avg,n(k)与门限值比较，若小于门限值，则标记该颗卫星功率过小。
参见图2，所述卫星信号可用性与完好性监测模块104包括伪距合理性评估单元1045和码载偏离度监测单元1046。
具体的，伪距合理性评估单元1045，通过对所述中频信号处理模块103输入的伪距观测量进行计算，分析其波动性。具体计算方法为，先取一段时间内的伪距观测数据，对数据进行多项式拟合，然后对数据进行平滑，使得曲线与原始数据具有最小拟合差，通过对伪距观测量的拟合残差进行分析，根据残差的变化范围，来判断伪距观测量的稳定性。
码载偏离度监测单元1046，用于计算所述中频信号处理模块103中输入的相邻两个历元间的伪码相位和载波相位观测量的增量，可定义z(k)表示伪距观测值ρ(k)与载波相位观测值φ(k)之差：
z(k)＝ρ(k)-φ(k)
＝2Ι(k)+ερ(k)-εφ(k)-λ×N (4)
假设观测时段内，用户接收机没有发生失锁和整周跳变现象，则整周模糊度N值保持不变，同时令δε(k)＝ερ(k)-εφ(k)，则有：
式中，表示估计得到的电离层延时速率，Ts为相邻两个历元间隔时间。由于观测噪声、多路径等误差属于高频噪声，所以利用几移动平均法对dz(k)中的高频分量进行滤除，结果即为低频的电离层延时速率，也即码载偏离度。最后将计算出的码载偏离度值和门限值相比较，判断其是否超出正常范围。
参见图2，所述卫星信号可用性与完好性监测模块104包括伪距合理性评估单元1045和码载偏离度监测单元1046。
具体的，卫星健康标志位监测单元1047，用于直接读取所述中频信号处理模块103中计算出的导航电文中的健康字信息，获得卫星的工作状态。一般卫星的健康状态分为两种，一种是健康，一种是不健康。当卫星健康时，健康字信息标识为0，不健康时标识为1。然后，统计的卫星健康状态，最后将GNSS卫星的健康状态写入文件，以便后续模块进行评估。
导航电文质量监测单元1048，导航电文质量监测单元1048的建模方法：根据GNSS导航电文对用户的实际作用，借鉴了通用数据质量标准和空间数据质量标准模型，采用质量树描述电文质量模型。从电文完整性、电文一致性、电文正确性以及电文时效性等四个方面描述电文质量。
参见图1，所述数据存储及可视化模块105包括FLASH存储芯片1051和上位机1052，所述FLASH存储芯片1051和所述上位机1052电性连接。
具体的，所述FLASH存储芯片1051，用于存储由所述卫星信号可用性与完好性监测模块104传输的的所述结果；
所述上位机1052，用于将所述卫星信号可用性与完好性监测模块104传输的所述结果以图形化展现出来。
其中，所述多频点卫星导航信号包括全球定位***信号和北斗卫星信号，其标称频率分别为GPS L1频点1575.42MHz和BD B1频点1561.098MHz。
本发明实施例通过将信号接收模块接收的多频段卫星信号传输至下变频模块，该下变频模块把该多频段卫星信号转换为中频数字信号后传输给中频信号处理模块，该中频信号处理模块对该中频数字信号进行处理编码后传输至该卫星信号可用性与完好性监测模块，该卫星信号可用性与完好性监测模块对该数据从时域、频域、调制域和测量域进行监测评估，并实时给出该卫星信号的可用性和完好性评估结果，该结果通过数据存储及可视化模块显示处理，并存储到该模块中，可准确反映出该***卫星信号的可用性与完好性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种GNSS信号可用性与完好性监测***，其特征在于，所述GNSS信号可用性与完好性监测***包括信号接收模块、下变频模块、中频信号处理模块、卫星信号可用性与完好性监测模块和数据存储及可视化模块，所述信号接收模块、所述下变频模块、所述中频信号处理模块、所述卫星信号可用性和所述完好性监测模块和所述数据存储及可视化模块依次电性连接，其中：
所述信号接收模块，用于接收多频点卫星导航信号，并将所述多频点卫星导航信号传输至所述下变频模块；
所述下变频模块，用于接收所述信号接收模块传输的所述多频点卫星导航信号，通过数模转换处理得到中频数字信号，将所述中频数字信号传输至所述中频信号处理模块；
所述中频信号处理模块，用于接收所述下变频模块传输的所述中频数字信号，经过对所述中频数字信号的捕获、跟踪、电文解调和原始观测量数据计算的处理后进行编码，然后将编码后的所述数据传输至所述卫星信号可用性与完好性监测模块；
所述卫星信号可用性与完好性监测模块，用于接收所述中频信号处理模块传输的数据，从时域、频域、调制域和测量域对所述数据进行监测评估，将结果传输至所述数据存储及可视化模块；
所述数据存储及可视化模块，用于将所述卫星信号可用性与完好性监测模块的所述结果进行存储和展现。
2.如权利要求1所述的GNSS信号可用性与完好性监测***，其特征在于，所述中频信号处理模块包括FPGA芯片和DSP芯片，所述FPGA芯片和所述DSP芯片电性连接，其中：
所述FPGA芯片，用于对所述中频数字信号的捕获、跟踪和电文调节调解，向所述DSP芯片提供中断信号；
所述DSP芯片，利用所述中断信号实现精准的计时，并以此为节拍定时与所述FPGA芯片进行数据交互、捕获控制、跟踪控制、电文解调与原始观测量数据的计算，将计算结果传输至所述卫星信号可用性与完好性监测模块。
3.如权利要求2所述的GNSS信号可用性与完好性监测***，其特征在于，所述原始观测量数据包括载波剥离之后伪码剥离之前的I/Q支路数据、多普勒频移数据、伪距数据、载波相位数据、伪码相位数据、载噪比数据或导航电文数据中的一种或多种。
4.如权利要求3所述的GNSS信号可用性与完好性监测***，其特征在于，所述卫星信号可用性与完好性监测模块包括伪码符号异常评估单元和等效全向辐射功率计算单元；
所述伪码符号异常评估单元，用于将所述I/Q支路数据进行单码片的累加和比特量化后得到的伪码符号的估算值与设定的正常状态下的扩频码符号阈值进行比较，得出结果；
所述等效全向辐射功率计算单元，用于在连续预设时间内，通过接收功率、发射天线增益、信号波长和收发天线的间距之间的关系计算得到的等效全向辐射功率，将所述等效全向辐射功率传输至所述数据存储及可视化模块上以图像化显示出来。
5.如权利要求4所述的GNSS信号可用性与完好性监测***，其特征在于，所述卫星信号可用性与完好性监测模块包括误差矢量幅度值测量单元和载噪比评估单元；
所述误差矢量幅度值测量单元，用于将所述伪码数据再进行扩频调制和载波调制，重新复现卫星发射端信号，然后将该码矢量信号与接收的矢量信号作差，再做统计平均计算，得到误差矢量幅度值；
所述载噪比评估单元，用于通过连续观测信号所述载噪比数据，比较与阈值的关系，将所述等效全向辐射功率传输至所述数据存储及可视化模块上以图像化显示出来。
6.如权利要求3所述的GNSS信号可用性与完好性监测***，其特征在于，所述卫星信号可用性与完好性监测模块包括伪距合理性评估单元和码载偏离度监测单元；
所述伪距合理性评估模块，用于通过对预设段时间内的伪距观测数据进行多项式拟合、平滑，使与原始数据具有最小拟合差，对伪距数据观测量的拟合残差进行分析，得出结果；
所述码载偏离度监测单元，用于将相邻两个历元间隔时间内的伪码相位和载波相位观测量的增量利用几移动平均法计算后的结果即码载偏离度值与门限值相比较，得出结果。
7.如权利要求3所述的GNSS信号可用性与完好性监测***，其特征在于，所述卫星信号可用性与完好性监测模块包括卫星健康标志位监测单元和导航电文质量监测单元；
所述卫星健康标志位监测单元，用于直接读取所述导航电文中的健康字信息，统计卫星健康状态并写入文件中；
所述导航电文质量监测单元，用于根据所述导航电文对用户的实际作用，借鉴通用数据质量标准和空间数据质量标准模型，采用质量树描述电文质量模型。
8.如权利要求1所述的GNSS信号可用性与完好性监测***，其特征在于，所述数据存储及可视化模块包括FLASH存储芯片和上位机，所述FLASH存储芯片和所述上位机电性连接，其中：
所述FLASH存储芯片，用于存储由所述卫星信号可用性与完好性监测模块传输的的所述结果；
所述上位机，用于将所述卫星信号可用性与完好性监测模块传输的的所述结果以图形化展现出来。
9.如权利要求1所述的GNSS信号可用性与完好性监测***，其特征在于，所述多频点卫星导航信号包括全球定位***信号和北斗卫星信号，其标称频率分别为GPS L1频点1575.42MHz和BD B1频点1561.098MHz。
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