1.简介
北斗导航卫星系统(BDS)在其覆盖范围内建立并维护统一的时空参考。BDS为各种用户提供定位、导航和定时(PNT)服务,满足了最常见的需求。随着对高精度、可靠和全球PNT服务需求的不断增加,构建下一代导航卫星系统已成为导航技术领域的热点话题[1]. 由于全球导航卫星系统(GNSS)卫星的全球多重覆盖、快速几何构型变化和高信号着陆功率,低轨卫星系统有望成为下一代导航卫星系统的重要组成部分[2]. 对低轨卫星系统进行了广泛的研究。美国的铱星和SpaceX星座以及俄罗斯的Sphere/Sfera星座提出了使用通信信号的导航增强方案[三,4]. 中国卫星网络集团有限公司也正在正式启动通信和导航融合系统的建设。中国的罗家一号和天枢一号卫星采用了专用导航平台,并利用导航信号进行了增强研究。 CentiSpace由北京未来导航技术公司与中国电子科技集团公司第二十九研究院(CETC-29)合作建造。早在2018年9月,CentiSpace导航增强系统发射了第一颗实验卫星,完成了初步信号验证。2022年9月至12月,发射了四颗CentiSpace实验卫星进行进一步研究,例如GNSS完整性监测、自主轨道确定和导航增强。与其他低轨卫星系统不同,CentiSpace卫星不仅接收来自GNSS的导航信号,还同时广播增强信号(GNSS频带)。这种能力提供了全球完整性监测和GNSS信号增强的兼容性。
CentiSpace的导航增强服务包括全球完整性监测和GNSS信号增强。导航增强设备由天基GNSS接收机和增强信号有效载荷组成。与地面监测网络相比,CentiSpace天基GNSS接收机可以对GNSS卫星进行多次监测,受大气延迟和多径干扰的影响较小,有助于提供全球高精度完整性服务,提高PNT服务的安全性和可靠性。另一方面,低轨卫星的几何构型变化是中轨卫星的20倍,这降低了观测时段之间的相干性。因此,增强信号能够加速高精度定位的收敛时间[5]. CentiSpace广播FA信号和FB信号在GNSS频段中的增强信号有效载荷,分别接近B1频率和B2频率,如所示表1FA和FB信号的调制方式为BPSK,码率为2.046MHz。 本文旨在评估具有自干扰的星载GNSS接收机的性能以及CentiSpace实验卫星的增强信号质量。与以往文献不同,本研究对低地球轨道在同频率信号接收和传输方面的实际性能进行了全面分析。为推进低轨导航增强的理论研究奠定了坚实的数据基础。GNSS接收机的结果也是低轨卫星CCST技术的首次在轨验证,这将扩大低轨导航增强的潜力。评估方法如所述第2节,然后是中的评估结果第3节最后,给出了结论。 2.绩效评估方法
CentiSpace实验卫星接收导航信号,同时在相同频带内广播增强信号。因此,必须对全球导航卫星系统接收机、导航增强信号以及这两个组件之间的相互影响进行同步分析。图1显示了CentiSpace性能评估的框架图。 2.1. 全球导航卫星系统接收器评估方法
CentiSpace GNSS接收机的主要贡献是完整性监测,因此有必要分析原始测量的完整性。此外,CentiSpace GNSS接收机还提供自主轨道确定服务。该服务的主要评估指标包括多径和观测噪声误差的评估[6]. 与普通接收终端不同,导航增强信号的频点接近GNSS频带(如所示表1)这为GNSS接收机带来了强大的同频自干扰。为了解决这一问题,采用了共时共频自干扰抑制技术。因此,C/N0在同频自干扰和无同频自扰情况下的变化也是表征CentiSpace GNSS接收机性能的一个重要指标。 综上所述,下面主要分析原始测量的完整性、C/N0在同频自干扰和无同频自扰情况下的变化、多径误差、观测噪声误差和定轨精度。
2.1.1. 原始测量的完整性
原始测量的完整性定义为实际双频历元数与理论历元数之比。由于阴影效应等一系列问题,GNSS接收机跟踪的信号可能是不连续的,导致指标小于100%。因此,该指数表征了GNSS接收机的接收能力。
该指数的评估方法是计算评估期间的原始测量次数,并将其与理论次数进行比较。然后,统计平均所有可见GNSS卫星的完整性率作为评估结果。计算方法如下公式所示:where字符是的完整性我第个全球导航卫星系统卫星,是理论值是实数。我是GNSS接收器的原始测量的完整性。字符n个表示接收到的全球导航卫星系统卫星总数。接受原始度量的策略()如所示图2。必须强调的是,数据错误必须满足特定条件,如图中所示的“值检查”所示。 2.1.2. 同频自干扰下C/N0的变化
CentiSpace增强信号的功率比天线接收的正常信号的功率高出100 dB以上。尽管卫星上发射天线和接收天线的空间分离和指向相反,但这仍会导致噪声水平显著增加,从而削弱CentiSpace GNSS接收机的信号接收能力。本文评估了C/N0随同频自干扰的变化,这直接表征了CentiSpace GNSS接收机的自干扰抑制性能。
通过对C/N0的高阶拟合,得到了C/N0在无同频干扰的情况下的理论变化曲线。然后,将具有同频自干扰的C/N0与理论C/N0进行了比较,得出了同频自扰的影响。利用多颗卫星的统计平均结果检验了C/N0随同频自干扰的变化。
2.1.3. 多路径错误
多径效应是指多径信号在传播过程中产生的干扰。天基GNSS接收机的工作环境相对纯净,主要的多径信号来自太阳能电池板的反射。根据相关研究,载波相位上的多径误差小于载波的波长,而伪距多径误差是载波多径误差的200倍[7]. 因此,本文的多径分析对象是伪距多径误差。 评价方法主要依靠双频观测数据。MP组合用于评估伪距多径误差[7],如下式所示:哪里是伪范围,是波长,是载波相位(f)是频率点。通过平滑MP组合,可以获得伪距多径误差的统计评估值:哪里n个表示滑动窗口的大小,以及和是评估结果。 2.1.4. 观测噪声误差
观测噪声误差是指伪距和载波相位测量偏差。它受到测量噪声、不完全消除的大气延迟误差、模拟卫星轨道误差、时钟误差等的影响。评估方法主要包括多项式拟合和高阶差分。多项式拟合方法计算观测时段的高阶线性拟合。高阶差分法计算历元之间的高阶差。该方法还计算高阶差的均方根,并消除了差的放大效应[6]. 多项式拟合方法需要较高的历元采样率。考虑到数据传输链路的通信容量,本文采用高阶差分法对观测噪声进行评估。评估方法描述为公式(4). 如果使用三阶差分法,则结果如公式所示(5). 在公式中,O(运行)表示原始测量阵列;E类表示数学期望。K(K)指差异的放大效应;是观测噪声的评价结果。 2.1.5. 轨道确定
根据星载全球导航卫星系统接收器提供的原始测量结果,可以利用已知的运动学定律估计低轨卫星的轨道参数。数据处理如所示图3在再处理步骤中,使用双频无电离层组合,并使用GNSS星历计算GNSS卫星的位置。 轨道确定的精度受原始测量值、GNSS星历和轨道动力学模型的影响。为了提高定轨精度,通常要求伪距观测噪声误差小于30cm,载波相位约束小于2mm[8]. 利用国际GNSS服务(IGS)发布的精确星历,可以减少GNSS卫星位置误差的影响。 2.2. 增强信号评估方法
CentiSpace导航增强系统为用户提供信号和信息增强功能。用户可以通过简单的终端轻松接收增强信号,并直接感知和评估导航增强服务。因此,监测和评估这些增强信号的质量对于确保系统的稳定性和为用户提供优质服务至关重要。
CentiSpace导航增强信号监测评估设备由抛物面天线、信号滤波器、低噪声放大器、信号采集器和质量分析软件组成,如所示图4抛物面天线的孔径为7.4 m,为接收增强信号提供约30 dBi的天线增益。信号质量分析软件对采集的信号进行下变频、捕获、跟踪等处理,分析了导航增强信号在调制域和相关域的质量。 2.2.1. 调制域的质量分析
本文分析了正交性失真度,它代表了调制域的信号质量。信号的表达式如下式所示,其中A类是信号的振幅,我和问分别表示同相和正交信号,C类是伪代码,D类是导航增强消息是信号的相位。 从理论上讲,同相和正交信号是正交的。由于功率放大器元件和传输通道的非理想化,同相和正交信号的正交性可能会降低。这种正交误差会导致载波相位和伪码的跟踪偏差,从而影响高精度定位性能[9]. 在质量分析软件中,对接收到的信号进行采集和跟踪,我们可以重建理想的同相和正交基带信号。然后将接收信号(下变频后)与理想基带信号进行相关,得到最大相关峰值。还计算了最大相关峰处的相位,它们分别被视为同相信号和正交信号的相位。最后,正交性的失真度是同相和正交信号的相位差。
2.2.2. 相关域中的质量分析
由于变频器、滤波器和大功率放大器等机载核心器件的非理想化,增强信号的互相关峰值降低,互相关函数的形状恶化。为了在相关域进行质量分析,有必要分析S曲线的相关损失和零交叉偏差。
- (1)
相关性损失
相关损失被定义为实际相关性到理想相关性的衰减。相关损失反映了接收信号中包含的有用信号的比例以及相关峰值的减少程度。此外,本分支用于载波跟踪环路以完成相位识别,因此相关函数也表征了信号失真引起的有效C/N0衰减[10]. 相关损失的评估方法如下式所示。在公式中,表示相关函数,P(P)表示信号功率,以及和分别表示接收信号和本地参考信号。根据跟踪结果建立局部参考信号。 - (2)
S曲线的过零偏差
S曲线的过零偏差表征了实际接收信号与理想信号之间相关函数的不对称性。接收信号的失真导致相关函数的不对称,即使码鉴别器的输出为零,码相位和实际码相位之间也会存在偏差[11]. S曲线的过零偏差是这种偏差的定量结果。 在本文中。EMLP鉴相器用于码相鉴相器[12]. 鉴相器功能如以下公式所示,其中是相关器的间隔。 是理论数据,当获取最大值。如果满足,则S曲线的过零偏差计算为.
3.实验卫星性能
CentiSpace导航增强实验目前正在轨道上进行。基于CETC-29提供的评估设备和星载GNSS接收机的遥测数据,本节介绍和分析了CentiSpace导航增强试验卫星的性能。
3.1. 全球导航卫星系统接收器的性能
3.1.1. 原始测量的完整性
考虑到观测质量的影响,选取海拔大于10°的时段进行统计。此外,CentiSpace卫星在GNSS频段广播增强信号,这可能会影响GNSS接收机。因此,还分析了在同频自干扰和无同频自扰情况下的完整性结果。
CentiSpace天基GNSS接收机能够覆盖90%以上的可见GNSS卫星。例如,图5显示了BDS双频信号的完整性结果。当导航增强信号关闭时,完整性结果为91.25%,而同频自干扰的结果仍为90.86%。结果还表明,通过在同时和同频下的自干扰抑制技术,CentiSpace GNSS接收机的完整性不受同频自干扰信号的影响。 3.1.2. 同频自干扰下C/N0的变化
导航增强信号可能会提高噪声水平并影响CentiSpace GNSS接收机的接收能力。本节评估了C/N0随同频自干扰的变化,这直接表征了自干扰抑制技术。导航增强信号的频率点分别接近B1和B2频率,因此选择BDS B1C和B2a信号的C/N0变化来评估自干扰抑制技术。如果停用干扰抑制算法,GNSS接收机将经历信号断开。图6显示了BDS B1C和B2a信号的C/N0变化。因此,C/N0在统计上的变化小于1dB,不受同频自干扰信号的影响,通过在同时和同频中的自干扰消除技术。 3.1.3. 多路径错误
由于太阳能电池板的旋转,太阳能电池板可能会在接收到的信号中产生多径分量。在周期跳变检测之后,伪距多径误差接收机可以通过MP组合进行评估。图7显示了BDS C39的MP组合。随着海拔的变化,B1C信号的多径误差评估结果为0.042–0.345 m,B2a信号的多径误差评估结果为0.023–0.201 m。所有BDS卫星的统计结果为:B1C信号为0.027–0.482米,B2a信号为0.019–0.332米,小于0.5米,与iGMAS跟踪站的结果相匹配[13]. 3.1.4. 观测噪声误差
本文采用高阶差分法对CentiSpace GNSS接收机伪距和载波相位的观测噪声误差进行了评估。BDS B1C和B2a信号无同频自干扰的高阶差分结果如所示图8。当导航增强信号打开时,高阶差分结果如所示图9。不同颜色的线代表不同的卫星。 根据这些图,低海拔观测噪声误差(圈出图8和图9)大于高海拔地区,尤其是载波相位。因此,也选择仰角小于10°的数据进行统计分析。 这个正态性分析采用检测法;验证数据描述如下公式,其中S公司是偏斜度,K(K)是峰度。 在95%置信水平下和在范围内因此,高阶差分方法可以反映原始测量的随机特性,正态分布的统计特性将用于评估CentiSpace GNSS接收机的观测噪声。
统计结果如下所示表2。通过对导航增强信号开启和关闭时的观测噪声进行比较,结果不受同频自干扰信号的影响,通过在同时和同频中的自干扰抑制技术。星载GNSS接收机的伪距噪声误差在80mm以内,载波相位噪声误差小于2mm,可以为低轨道卫星的定轨提供支持。 3.1.5. 轨道确定
轨道确定方案如所述表3详细的卫星动力学模型如所示[14]. 观测噪声误差(如上所述)伪距为80 mm,载体为2 mm,这将有助于提高定轨精度。采用双频组合抑制大气延迟误差,精确的星历(来自IGS)将提高GNSS卫星位置的精度。 定轨结果如所示表4使用单独的BDS原始测量,径向(R)、横向(T)和正常(N)的精度分别为1.05 cm、2.06 cm和1.84 cm。通过多个全球导航卫星系统,精度将提高到0.89厘米(R)、2.35厘米(T)和1.26厘米(N)。轨道测定精度为厘米级。 3.2. 导航增强信号的性能
BDS接口控制文件[15,16]规定B1C和B2a信号的质量要求。索引如所示表5如表所示,B1C信号的相关损耗最大值为0.3 dB,B2a信号的相关损失最大值为0.6 dB。文件没有明确规定S曲线的过零偏差要求。参考的结果[10]结果表明,当相关器间隔为1芯片时,B1C和B2a信号S曲线的过零偏差最大值接近0.3ns。介绍了导航增强信号的性能,并与以下要求进行了比较。 3.2.1. 调制域质量分析
为了分析同相和正交信号的正交性,在不同海拔采集了FA和FB信号。同相和正交信号之间的相位关系(模90°)如所示表6.在高海拔和中海拔,正交性评估结果小于0.5°,而在低海拔,结果恶化,这是因为接收抛物面天线的遮蔽和能力(高海拔:60°至90°,中海拔:30°至60°,低海拔:10°至30°)。 3.2.2. 相关域中的质量分析
由于机载核心器件的非理想化,增强信号的互相关峰值降低,互相关函数的形状恶化。根据中的信号质量评估方法第2节,下面执行FA和FB信号的相关域信号质量。 - (1)
相关性损失
通过相关性损失来量化相关性峰值的降低程度。FA和FB信号的相关损失如所示表7.相关损失评估结果在高海拔和中海拔地区小于0.3dB,而在低海拔地区超过0.3dB。分析表明,与中海拔地区的数据相比,C/N0大幅下降,导致相关损失恶化。 - (2)
S曲线的过零偏差
S曲线的过零偏差表征了实际接收信号与理想信号之间相关函数的不对称性。图10显示了FA和FB信号在不同海拔处的s曲线偏差。当相关器间隔为1芯片时,不同海拔高度的s曲线结果小于0.3ns,并且随着海拔高度的增加,由于信号着陆功率的增加,结果得到了改善。 4.结论
基于CentiSpace实验卫星的数据,分析了GNSS接收机的性能和导航增强信号的质量。这也是低轨卫星CCST技术的首次在轨验证。结果表明,即使存在自干扰,CentiSpace GNSS接收机也能覆盖90%以上的可见GNSS卫星,且自定轨精度达到厘米级。对增强信号的分析还表明,导航增强信号的信号质量与BDS-3卫星相当。
CentiSpace目前正在努力建立一个由低地球轨道卫星组成的全球网络。稍后将进行有关全球完整性增强和高精度定位的全面调查和验证。本文中的实证数据具有潜在的意义,可作为可预见未来后续研究的参考点。