CN114879229A - 一种适用于gbas***的卫星导航信号畸变检测方法 - Google Patents

一种适用于gbas***的卫星导航信号畸变检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法，针对机场GBAS***监测卫星导航信号的场景，首先利用GBAS地面参考接收机完成卫星导航信号的接收，将卫星导航数字化信号进行载波多普勒剥离，利用本地伪码判决得到每个积分周期的导航电文符号，实现对多个积分周期的剥离电文后零中频基带信号累加，利用累加后的零中频基带信号完成相关曲线计算，再将相关曲线进行不同采样长度延迟的循环移位处理，与未移位的相关曲线相减，提取相减结果中相关峰值所在区域的序列并进行拟合求根，最终通过比较判决完成监测信号畸变的检测告警。本发明可快速检测影响定位服务的卫星导航信号畸变，提升了机场GBAS***的应用安全，保证了高精度高可信陆基增强引导。

Description

一种适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法
技术领域
本发明涉及卫星导航信号质量监测评估技术领域，具体为一种适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法。
背景技术
GBAS(Ground Based Augmentation System，地基增强***)，最早由国际民航组织提出，从现有陆基导航***过渡到星基导航***，通过卫星导航差分定位提升定位导航精度，并增加了一系列完好性监视算法，提高***完好性、可用性、连续性的指标，使机场覆盖空域范围内的配置相应机载设备的飞机获得到达I类精密进近(CAT-I)甚至更高标准的精密进近、着陆引导服务。
GBAS***中最重要的设施就是地面参考站，主要完成对所在区域可见的导航卫星信号的监测接收，并形成差分信息播发给卫星。然而由于导航卫星信号在生成过程中，可能会由于链路器件受环境变化和元器件非线性影响，将产生频率色散、时延缓变、频率/通道一致性失真，导致真实信号的多维度属性分析结果模糊化，严重影响地面参考站生成差分信息的质量，给进近引导定位带来很大的风险。
因此本专利发明一种适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法，可以有效的快速监测导航卫星信号畸变并及时告警，保障机载用户的定位精度和完好性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法。本方法主要针对机场GBAS***监测卫星导航信号的场景，快速检测影响定位服务的卫星导航信号畸变，提升了机场GBAS***的应用安全，保证了高精度高可信陆基增强引导。具体方案如下：
一种适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法，包括以下步骤：
步骤1：利用GBAS地面参考接收机完成卫星导航信号的接收，并将通过AD芯片的数字化信号进行载波多普勒剥离，得到零中频基带信号；
步骤2：将每个积分周期的零中频基带信号和本地伪码作相乘求和，判决得到每个积分周期的导航电文符号，并根据符号正负剥离零中频基带信号中的导航电文，并对剥离电文后多个积分周期的零中频基带信号进行累加；
步骤3：将累加后的零中频基带信号与本地伪码作相关运算，得到相关曲线，并对相关曲线进行内插扩充处理；
步骤4：将内插扩充处理发相关曲线进行不同采样长度延迟的循环移位处理，并与移位前的相关曲线相减，提取相减结果中相关峰值所在区域的序列，并对该区域进行拟合，计算拟合方程的根；
步骤5：选取所有不同采样长度延迟下的拟合方程根结果最大值，如果最大值大于设定阈值，则GBAS***完成该时刻监测信号畸变的检测告警。
进一步的，所述步骤1中：
GBAS地面参考接收机AD芯片原始采样的数字化信号为A(n)，剥离载波后的零中频基带信号为：
Figure BDA0003661992420000021
其中，fc为信号中心频率，fd为接收机估计信号多普勒频率，
Figure BDA0003661992420000022
为接收机估计载波相位，fs为信号采样率，n为信号周期数，exp[]表示以自然常数e为底的指数运算。
更进一步的，所述步骤2具体包括步骤：
步骤2.1：选取剥离载波后的零中频基带信号B(n)的一个积分周期和本地伪码C(n)作相乘求和，并计算判决得到每个积分周期的导航电文符号：
Figure BDA0003661992420000023
其中，N为一个积分周期的信号序列长度，M为当前接收的零中频基带信号的第M个积分周期；B(i)为信号周期数为i时的剥离载波后零中频基带信号，i为信号周期数的序号，C(mod(i,N))表示信号周期数为mod(i,N)时的本地伪码，|·|表示绝对值，mod表示取模值；
步骤2.2：选取计算得到的导航电文符号D(M)，与剥离载波后的零中频基带信号B(n)实现对多个积分周期的剥离电文后零中频基带信号累加，得到累加后的零中频基带信号E(n)，E(n)序列中每个数值的计算方法为：
Figure BDA0003661992420000024
其中，j为零中频基带信号的周期数序号。
更进一步的，所述步骤3具体包括步骤：
步骤3.1：将步骤2.2得到的累加后的零中频基带信号E(n)与本地伪码C(n)作相关运算，得到相关曲线F(n)，计算方法为：
Figure BDA0003661992420000025
其中，DFT为傅里叶变换，IDFT为傅里叶逆变换，
Figure BDA0003661992420000026
为本地伪码傅里叶变换结果的共轭运算；
步骤3.2：将所述相关曲线F(n)进行内插扩充处理，得到扩充后的相关曲线H(n)，计算方法为：
Figure BDA0003661992420000031
Figure BDA0003661992420000032
其中，G(n)表示相关曲线的傅里叶变换结果的扩充序列。
更进一步的，所述步骤4具体包括步骤：
步骤4.1：选取不同的采样长度延迟对相关曲线H(n)依据不同的采样长度延迟进行循环移位处理，得到循环移位序列：
Figure BDA0003661992420000033
其中，采样长度延迟Delay(k)＝N×(k-6)/L,k＝1,2,…10,共11个延迟，其中L为本地伪码的码长；
将不同的循环移位序列与未移位的相关曲线相减，得到相减结果：
Qk(n)＝Pk(n)-H(n)
步骤4.2：在所述相减结果Qk(n)中提取相关峰所在序列：
Rk(x)＝Qk(x),x＝1,2,…N/L
构造相关峰码片间隔序列：
S(x)＝x-N/L/2,x＝1,2,…N/L
其中，x表示相关峰所在序列的值的序号；
实现对相关峰码片间隔序列S(x)与相关峰所在序列Rk(x)的线性拟合，得到的不同的采样长度延迟Delay(k)对应的拟合系数Uk、Vk计算结果为：
Figure BDA0003661992420000034
Figure BDA0003661992420000035
其中，Rk(i)表示相关峰所在序列的第i个值；S(i)表示相关峰码片间隔序列的第i个值；
步骤4.3：利用所述拟合系数Uk、Vk得到拟合方程的根Wk＝-Vk/Uk。
更进一步的，所述步骤5中，计算拟合方程的根Wk中的最大值，并与0.5比较，如果大于0.5，则该时刻检测到威胁到定位服务的卫星导航信号畸变，从而实现信号质量监测告警。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
实现在GBAS***内的导航信号畸变快速检测，有效识别因卫星环境变化和元器件非线性引入的频率色散、时延缓变、频率/通道一致性失真等对信号质量的影响，实现对异常卫星信号定位计算排除，保证高精度高可信的GBAS***进近引导服务。
附图说明
图1是一种适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图1为一种适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法的实现流程图。本发明的方法是这样实现的：本方法首先利用GBAS地面参考接收机完成卫星导航信号的接收，将卫星导航数字化信号进行载波多普勒剥离，利用本地伪码判决得到每个积分周期的导航电文符号，实现对多个积分周期的剥离电文后零中频基带信号累加，利用累加后的零中频基带信号完成相关曲线计算，然后将相关曲线进行不同采样长度延迟的循环移位处理，与未移位的相关曲线相减，提取相减结果中相关峰值所在区域的序列并进行拟合求根，最终通过比较判决的方式完成监测信号畸变的检测告警。具体包括以下步骤：
(1)利用GBAS地面参考接收机完成卫星导航信号的接收，并将通过AD芯片的数字化信号进行载波多普勒剥离，得到零中频基带信号。
GBAS地面参考接收机通过卫星导航天线获取卫星导航无线信号，信号通过接收机的射频前端后进入AD芯片，由AD芯片将模拟信号转化为原始采样的数字化信号为A(n)。在导航信号的接收过程中，跟踪环路完成多普勒频率、相位的估计，利用估计值重构载波后，剥离载波后得到零中频基带信号
Figure BDA0003661992420000041
其中fc为信号中心频率，fd为接收机估计信号多普勒频率，
Figure BDA0003661992420000042
为接收机估计载波相位，fs为信号采样率。
(2)将每个积分周期的零中频基带信号和本地伪码作相乘求和，判决得到每个积分周期的导航电文符号，并根据符号正负剥离零中频基带信号中的导航电文，并实现对多个积分周期的剥离电文后零中频基带信号累加。
选取上一步得到的零中频基带信号B(n)的一个积分周期和本地伪码C(n)作相乘求和，并计算判决得到每个积分周期的导航电文符号：
Figure BDA0003661992420000043
其中N为一个积分周期的信号序列长度，M为当前接收的零中频基带信号的第M个积分周期。
选取上一步计算得到的电文符号D(M)，与零中频基带信号B(n)进实现对多个积分周期的剥离电文后零中频基带信号累加，得到累加后的零中频基带信号E(n)，E(n)序列中每个数值的计算方法为：
Figure BDA0003661992420000051
(3)将累加后的零中频基带信号与本地伪码作相关运算，得到相关曲线，并对相关曲线进行内插扩充处理。
将上一步得到的累加后的零中频基带信号E(n)与本地伪码C(n)作相关运算，得到相关曲线F(n)，计算方法为：
Figure BDA0003661992420000052
其中，DFT为傅里叶变换，IDFT为傅里叶逆变换，
Figure BDA0003661992420000053
为本地伪码傅里叶变换结果的共轭运算。
将上一步得到的相关曲线进行内插扩充处理，得到扩充后的相关曲线H(n)，计算方法为：
Figure BDA0003661992420000054
其中，
Figure BDA0003661992420000055
(4)将相关曲线进行不同采样长度延迟的循环移位处理，并与未移位的相关曲线相减，提取相减结果中相关峰值所在区域的序列，并对该区域进行拟合，计算拟合方程的根。
选取不同的采样长度延迟Delay(k)＝N×(k-6)/L,k＝1,2,…10,共11个延迟，其中L为本地伪码的码长，对相关曲线H(n)依据不同的采样长度延迟进行循环移位处理，得到循环移位序列：
Figure BDA0003661992420000056
将不同的循环移位序列与未移位的相关曲线相减，得到相减结果：
Qk(n)＝Pk(n)-H(n)
在上一步计算的相减结果Qk(n)中提取相关峰所在序列：
Rk(x)＝Qk(x),x＝1,2,…N/L
构造相关峰码片间隔序列：
S(x)＝x-N/L/2,x＝1,2,…N/L
实现对S(x)与Rk(x)序列的线性拟合，得到的不同的采样长度延迟Delay(k)对应的拟合系数Uk、Vk计算结果为：
Figure BDA0003661992420000061
Figure BDA0003661992420000062
利用在上一步计算的拟合系数Uk、Vk可以得到拟合方程的根Wk＝-Vk/Uk；
(5)选取所有不同采样长度延迟下的拟合方程根结果最大值，如果最大值大于0.5，则GBAS***完成该时刻监测信号畸变的检测告警。
计算Wk中的最大值，将最大值与0.5比较，如果大于0.5，则证明相关峰两侧的不对称性存在对导航定位产生较大偏差的影响，则该时刻检测到威胁到定位服务的信号畸变，此时需要在GBAS***内实现对该颗卫星的告警，在GBAS***生成差分信息时会排除到此颗卫星，从而实现信号质量监测告警和定位结果可靠性的提升。

Claims (6)

1.一种适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用GBAS地面参考接收机完成卫星导航信号的接收，并将通过AD芯片的数字化信号进行载波多普勒剥离，得到零中频基带信号；
步骤2：将每个积分周期的零中频基带信号和本地伪码作相乘求和，判决得到每个积分周期的导航电文符号，并根据符号正负剥离零中频基带信号中的导航电文，并对剥离电文后多个积分周期的零中频基带信号进行累加；
步骤3：将累加后的零中频基带信号与本地伪码作相关运算，得到相关曲线，并对相关曲线进行内插扩充处理；
步骤4：将内插扩充处理发相关曲线进行不同采样长度延迟的循环移位处理，并与移位前的相关曲线相减，提取相减结果中相关峰值所在区域的序列，并对该区域进行拟合，计算拟合方程的根；
步骤5：选取所有不同采样长度延迟下的拟合方程根结果最大值，如果最大值大于设定阈值，则GBAS***完成该时刻监测信号畸变的检测告警。
2.根据权利要求1所述的适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法，其特征在于，所述步骤1中：
GBAS地面参考接收机AD芯片原始采样的数字化信号为A(n)，剥离载波后的零中频基带信号为：
Figure FDA0003661992410000012
其中，fc为信号中心频率，fd为接收机估计信号多普勒频率，
Figure FDA0003661992410000013
为接收机估计载波相位，fs为信号采样率，n为信号周期数，exp[]表示以自然常数e为底的指数运算。
3.根据权利要求2所述的适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法，其特征在于，所述步骤2具体包括步骤：
步骤2.1：选取剥离载波后的零中频基带信号B(n)的一个积分周期和本地伪码C(n)作相乘求和，并计算判决得到每个积分周期的导航电文符号：
Figure FDA0003661992410000011
其中，N为一个积分周期的信号序列长度，M为当前接收的零中频基带信号的第M个积分周期；B(i)为信号周期数为i时的剥离载波后零中频基带信号，i为信号周期数的序号，C(mod(i,N))表示信号周期数为mod(i,N)时的本地伪码，|·|表示绝对值，mod表示取模值；
步骤2.2：选取计算得到的导航电文符号D(M)，与剥离载波后的零中频基带信号B(n)实现对多个积分周期的剥离电文后零中频基带信号累加，得到累加后的零中频基带信号E(n)，E(n)序列中每个数值的计算方法为：
Figure FDA0003661992410000021
其中，j为零中频基带信号的周期数序号。
4.根据权利要求3所述的适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法，其特征在于：所述步骤3具体包括步骤：
步骤3.1：将步骤2.2得到的累加后的零中频基带信号E(n)与本地伪码C(n)作相关运算，得到相关曲线F(n)，计算方法为：
Figure FDA0003661992410000022
其中，DFT为傅里叶变换，IDFT为傅里叶逆变换，
Figure FDA0003661992410000023
为本地伪码傅里叶变换结果的共轭运算；
步骤3.2：将所述相关曲线F(n)进行内插扩充处理，得到扩充后的相关曲线H(n)，计算方法为：
Figure FDA0003661992410000024
Figure FDA0003661992410000025
其中，G(n)表示相关曲线的傅里叶变换结果的扩充序列。
5.根据权利要求4所述的适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法，其特征在于，所述步骤4具体包括步骤：
步骤4.1：选取不同的采样长度延迟对相关曲线H(n)依据不同的采样长度延迟进行循环移位处理，得到循环移位序列：
Figure FDA0003661992410000026
其中，采样长度延迟Delay(k)＝N×(k-6)/L,k＝1,2,…10,共11个延迟，其中L为本地伪码的码长；
将不同的循环移位序列与未移位的相关曲线相减，得到相减结果：
Qk(n)＝Pk(n)-H(n)
步骤4.2：在所述相减结果Qk(n)中提取相关峰所在序列：
Rk(x)＝Qk(x),x＝1,2,…N/L
构造相关峰码片间隔序列：
S(x)＝x-N/L/2,x＝1,2,…N/L
其中，x表示相关峰所在序列的值的序号；
实现对相关峰码片间隔序列S(x)与相关峰所在序列Rk(x)的线性拟合，得到的不同的采样长度延迟Delay(k)对应的拟合系数Uk、Vk计算结果为：
Figure FDA0003661992410000031
Figure FDA0003661992410000032
其中，Rk(i)表示相关峰所在序列的第i个值；S(i)表示相关峰码片间隔序列的第i个值；步骤4.3：利用所述拟合系数Uk、Vk得到拟合方程的根Wk＝-Vk/Uk。
6.根据权利要求1所述的适用于GBAS***的卫星导航信号畸变检测方法，其特征在于，所述步骤5中，计算拟合方程的根Wk中的最大值，并与0.5比较，如果大于0.5，则该时刻检测到威胁到定位服务的卫星导航信号畸变，从而实现信号质量监测告警。
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