盧 杰，張 波，楊東凱，李社軍

（1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2.中國伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航有限公司，北京 100098）

1 引言

隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展，各國都已經(jīng)開始研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航系統(tǒng)，但是在有限的導(dǎo)航頻段上，各個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)之間會(huì)不可避免地會(huì)相互干擾。兼容性是指兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)不會(huì)引起沖突，相對(duì)于單系統(tǒng)工作的情況而言，則不會(huì)產(chǎn)生顯著的性能下降，即系統(tǒng)間干擾引起的性能降低應(yīng)在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)。

接收機(jī)的兼容性和互操作性評(píng)估是 “多?；睂?duì)系統(tǒng)整體性能影響的綜合評(píng)價(jià)，其具體表現(xiàn)在接收機(jī)對(duì)多系統(tǒng)信號(hào)的兼容能力、可選擇能力以及組合使用能力三個(gè)層面的內(nèi)容。本文主要從接收機(jī)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的兼容能力著手，分析接收機(jī)在伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system，Galileo）E1干擾下對(duì)全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）L1信號(hào)的捕獲跟蹤性能的影響。

2 接收機(jī)兼容性測(cè)試評(píng)估模型研究

2.1 信號(hào)兼容性分析

為了測(cè)試兼容性，即系統(tǒng)間的相互干擾不會(huì)對(duì)各自系統(tǒng)正常工作性能造成明顯下降，需建立一種適用的解析模型，在用戶層面上對(duì)系統(tǒng)間干擾效應(yīng)進(jìn)行定量分析。由于接收機(jī)信號(hào)捕獲、載波跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)的性能均依賴于接收機(jī)相關(guān)器輸出端的信號(hào)與干擾加噪聲比（signal to interference plus noise ratio，SINR），因而可通過分析干擾對(duì)相關(guān)器輸出SINR的影響從而評(píng)定干擾對(duì)接收機(jī)功能的影響。一般接收機(jī)采用載噪比［2］來表征接收到的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system GNSS）信號(hào)的質(zhì)量，當(dāng)存在其它衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)干擾時(shí)可以把這些干擾等效為白噪聲，通過引入等效載噪比來衡量。

對(duì)于兩個(gè)以上的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等效載噪比為

式中，C為接收的期望信號(hào)功率，N0為接收機(jī)熱噪聲，Iintra為本系統(tǒng)內(nèi)同頻段信號(hào)干擾而引入的等效噪聲，Iinter為由于其它系統(tǒng)同頻段信號(hào)干擾而引入的等效噪聲，從而可知多模必然會(huì)使得載噪比下降。

系統(tǒng)間的載噪比衰減為

2.2 接收機(jī)兼容性評(píng)估研究

兼容性評(píng)估主要體現(xiàn)在受干擾信號(hào)對(duì)于接收機(jī)的首次捕獲時(shí)間、載波跟蹤環(huán)性能、碼跟蹤環(huán)性能、誤碼率與定位精度等方面的影響。由于接收機(jī)信號(hào)捕獲、跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)性能均依賴于接收機(jī)的相關(guān)器輸出端的信噪比［4］，兼容性評(píng)估準(zhǔn)則主要?dú)w結(jié)于載噪比的降低程度。通過測(cè)試接收機(jī)在多模條件下載噪比的降低程度來評(píng)估接收機(jī)的兼容性。

假設(shè)GPS／Galileo接收機(jī)接收到8顆GPS衛(wèi)星和8顆Galileo衛(wèi)星信號(hào)，當(dāng)E1信號(hào)作為干擾進(jìn)行功率增強(qiáng)，其中熱噪聲功率譜密度N0為典型值205dBW／Hz，接收機(jī) GPS－L1BPSK－R（1）信號(hào)功率為－160dBW，在E1干擾信號(hào)功率為－160～－130dBW條件下，BPSK－R（1）信號(hào)的等效載噪比［5］下降曲線如圖1所示。

圖1 接收機(jī)干擾信號(hào)下等效載噪比下降曲線

分析可知若干擾信號(hào)功率與有用信號(hào)功率相當(dāng)時(shí)，則對(duì)有用信號(hào)的影響較小；當(dāng)干擾信號(hào)功率超過有用信號(hào)10dB以上時(shí)，有用信號(hào)的等效載噪比有較明顯下降趨勢(shì)；當(dāng)干擾信號(hào)功率超過有用信號(hào)18dB以上時(shí)，有用信號(hào)的等效載噪比下降達(dá)到5dB／Hz；當(dāng)干擾信號(hào)功率超過有用信號(hào)30dB以上時(shí)，有用信號(hào)的等效載噪比下降超過15dB／Hz。等效載噪比的解析模型是評(píng)估GNSS信號(hào)抗干擾的有效方法，因此通過測(cè)試Galileo信號(hào)對(duì)GPS信號(hào)的等效載噪比的下降可以有效的評(píng)估接收機(jī)的兼容性。

由于干擾信號(hào)功率增大導(dǎo)致等效載噪比下降，設(shè)定接收機(jī)導(dǎo)航信號(hào)電平略大于跟蹤靈敏電平，當(dāng)干擾信號(hào)功率遠(yuǎn)大于有用信號(hào)時(shí)信號(hào)等效載噪比將明顯下降，從而導(dǎo)致接收機(jī)失鎖。通過上面分析得出GPS L1在Galileo E1干擾下的兼容性評(píng)分準(zhǔn)則見表1：

表1 兼容性干擾－信號(hào)功率評(píng)分表

3 接收機(jī)兼容性測(cè)試評(píng)估平臺(tái)

通過研究GNSS系統(tǒng)導(dǎo)航定位原理及建模仿真技術(shù)，在此基礎(chǔ)上搭建了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試與評(píng)估平臺(tái)。用戶可根據(jù)測(cè)試指標(biāo)的不同，利用集成仿真環(huán)境創(chuàng)建場(chǎng)景文件，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⑴渲脜?shù)，然后通過信號(hào)源生成所需的導(dǎo)航信號(hào)，最后將信號(hào)給接收機(jī)以進(jìn)行相關(guān)性能的測(cè)試。

3.1 平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試評(píng)估需構(gòu)建一個(gè)接收機(jī)的測(cè)試環(huán)境，平臺(tái)由導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生部分（信號(hào)源），信號(hào)接收部分（被測(cè)設(shè)備）和測(cè)試評(píng)估軟件等三部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通過模擬器和接收機(jī)搭建測(cè)試評(píng)估的測(cè)試環(huán)境；測(cè)試評(píng)估軟件主要負(fù)責(zé)測(cè)試平臺(tái)的任務(wù)管理以及完成測(cè)試結(jié)果的分析與評(píng)估。信號(hào)源部分主要完成GPS／Galileo導(dǎo)航信號(hào)的生成，并利用接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤和定位解算，同時(shí)把測(cè)試值反饋給測(cè)試評(píng)估軟件。

根據(jù)導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試與評(píng)估的實(shí)際需求，用戶設(shè)備的測(cè)試模式總體可分為有線測(cè)試和無線測(cè)試兩種。有線測(cè)試平臺(tái)用于測(cè)試接收機(jī)的各種性能指標(biāo)，無線測(cè)試平臺(tái)用于測(cè)試實(shí)際環(huán)境中接收機(jī)的工作狀態(tài)。兼容性測(cè)試評(píng)估是為了實(shí)現(xiàn)功率的有效控制，通常需在有線模式下進(jìn)行，從而不考慮天線對(duì)信號(hào)兼容性的影響。

3.2 測(cè)試評(píng)估軟件

測(cè)試評(píng)估軟件是自動(dòng)測(cè)試評(píng)估平臺(tái)的關(guān)鍵，下面介紹測(cè)試評(píng)估軟件的具體實(shí)現(xiàn)功能。

3.2.1 系統(tǒng)通信

測(cè)試評(píng)估平臺(tái)的通信主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)的通信功能，包括串口接收接收機(jī)數(shù)據(jù)、發(fā)送測(cè)試和控制指令，并通過調(diào)用MSComm通信控件來實(shí)現(xiàn)。此通信控件允許建立串口連接，并可連接到其他通信設(shè)備（如Modem），還可以發(fā)送命令、進(jìn)行數(shù)據(jù)交換以及監(jiān)視和響應(yīng)在通信過程中可能發(fā)生的各種錯(cuò)誤和事件，基于這些功能可以用它創(chuàng)建全雙工、事件驅(qū)動(dòng)和高效實(shí)用的通信程序。通信模塊主要有接口驅(qū)動(dòng)類、指令管理類和數(shù)據(jù)接收類。

3.2.2 決策控制

決策控制是測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)的 “大腦”，主要實(shí)現(xiàn)的功能包括解析用戶指令實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，生成測(cè)試列表進(jìn)行具體指標(biāo)的測(cè)試，判讀數(shù)據(jù)獲取測(cè)試結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)試評(píng)估流程的總體控制。根據(jù)其功能可以把決策控制分為指令解析、測(cè)試控制和結(jié)果獲取三個(gè)部分。

指令解析主要實(shí)現(xiàn)人工交互，即通過接收用戶的測(cè)試指令來判斷測(cè)試項(xiàng)目并生成測(cè)試列表，以及控制測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)實(shí)施具體的測(cè)試。為實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)的測(cè)試指標(biāo)全面的人工實(shí)時(shí)控制，建立了接收機(jī)測(cè)試指令集，其中兼容性測(cè)試指令為compatibility testing。

測(cè)試控制負(fù)責(zé)根據(jù)測(cè)試指令生成測(cè)試列表，控制測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)按照對(duì)應(yīng)的策略進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，同時(shí)根據(jù)測(cè)試結(jié)果以及用戶的中斷指令等實(shí)現(xiàn)測(cè)試的流程控制。測(cè)試控制主要包括接收機(jī)的狀態(tài)設(shè)置、返回?cái)?shù)據(jù)格式控制、測(cè)試啟動(dòng)、中斷和結(jié)束控制等。

NovAtel GPS接收機(jī)能根據(jù)用戶的應(yīng)用要求輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，信息格式為：每幀信息以“?！遍_始；指令和信息的長(zhǎng)度依數(shù)據(jù)和格式可變，但是大部分?jǐn)?shù)據(jù)長(zhǎng)度基本固定；信息頭與信息體之間以分號(hào) “；”分隔，信息的結(jié)尾以星號(hào)“＊”分隔，信息字域之間以逗號(hào)“，”分隔；信息以32位校驗(yàn)位跟回車與換行結(jié)束。

3.2.3 數(shù)據(jù)解析

數(shù)據(jù)解析主要是對(duì)接收機(jī)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從緩存區(qū)提取前一幀數(shù)據(jù)，按照協(xié)議解析提取數(shù)據(jù)并送給系統(tǒng)控制模塊。語句以標(biāo)志符開始后第一個(gè)字來標(biāo)識(shí)這一語句的類別，隨后的數(shù)據(jù)之間以逗號(hào)相隔，并以字符 “＊”作為結(jié)束標(biāo)志，最后以校驗(yàn)位數(shù)值和回車／換行字符結(jié)束。

接收機(jī)廠商也可根據(jù)自己的特點(diǎn)格式輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)，本測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)包括時(shí)間、高度、經(jīng)度、緯度、速度、航向、可見星和通道跟蹤狀態(tài)信息，采用NovAtal接收機(jī)廠商所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行具體數(shù)據(jù)的解析。測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)所用到的基本的數(shù)據(jù)輸出格式見表2：

表2 數(shù)據(jù)輸出格式－指令表

命令啟動(dòng)（log）的語法格式為

LOG ［port］message［trigger［period ［offset［hold］］］］

其中port為端口名（缺省為命令輸入的端口），message有效消息名稱，trigger指定輸出頻次，記錄將根據(jù)period的指定周期連續(xù)輸出。特定的記錄可以使用UNLOG命令停止輸出，也可以使用UNLOGALL命令停止所有記錄的輸出。

4 接收機(jī)兼容性測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 兼容性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

接收機(jī)兼容性測(cè)試是指在多系統(tǒng)運(yùn)行情況下分析有用信號(hào)的等效載噪比的衰減，測(cè)試接收機(jī)對(duì)不同系統(tǒng)信號(hào)的兼容接收能力。通過測(cè)試GPS L1在Galileo E1信號(hào)的干擾下等效載噪比衰減情況，進(jìn)行接收機(jī)的兼容性能的評(píng)價(jià)。本測(cè)試實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)是完成對(duì)信號(hào)功率的控制，故選擇有線環(huán)境下對(duì)思博倫模擬器進(jìn)行測(cè)試，從而可以有效避免真實(shí)導(dǎo)航信號(hào)中衛(wèi)星仰角對(duì)測(cè)試的影響。

測(cè)試設(shè)備：模擬器型號(hào)為GSS8000，它可以接收GPS L1、Galileo E1及格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GLONASS）L1信號(hào)；導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)型號(hào)為美國NovAtel公司的FlexPak6。

場(chǎng)景設(shè)置：設(shè)置衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為GPS／Galileo雙導(dǎo)航系統(tǒng)；設(shè)置系統(tǒng)誤差參數(shù)為時(shí)變模式，使接收機(jī)可以修正部分誤差，但是不能完全消除；采取靜態(tài)模式；啟動(dòng)設(shè)置GPS正常信號(hào)功率（大于捕獲電平），使接收機(jī)正常捕獲跟蹤大于5min，調(diào)制GPS系統(tǒng)信號(hào)功率為略高于跟蹤靈敏度；逐步增大模擬器中Galileo E1干擾信號(hào)的發(fā)射功率，范圍為大于GPS信號(hào)功率8～28dB。

測(cè)試流程為：

（1）根據(jù)測(cè)試需求設(shè)定測(cè)試場(chǎng)景文件，控制模擬器多系統(tǒng)多衛(wèi)星發(fā)射模式產(chǎn)生所需的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)；

（2）啟動(dòng)接收機(jī)開始信號(hào)捕獲、跟蹤和定位，計(jì)算載噪比；

（3）逐步控制模擬器中Galileo E1干擾信號(hào)的發(fā)射功率；

（4）接收并存儲(chǔ)接收機(jī)輸出對(duì)應(yīng)的GPS L1信號(hào)載噪比下降情況，直到接收機(jī)無法正常跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，輸出Galileo E1干擾信號(hào)功率；

（5）測(cè)試評(píng)估單元根據(jù)獲取數(shù)據(jù)與理論對(duì)比分析，評(píng)估接收機(jī)的兼容性能。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)使用導(dǎo)航信號(hào)模擬器對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行兼容性測(cè)試，分析GPS L1信號(hào)在Galileo E1信號(hào)干擾下的捕獲跟蹤狀態(tài)。設(shè)置GPS信號(hào)功率為略高于跟蹤靈敏度（－166dBW）；逐步增大模擬器中Galileo E1干擾信號(hào)的發(fā)射功率范圍為－158～－138dBW。

GPS信號(hào)功率－166dBW條件下進(jìn)行8次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表3

表3 兼容性測(cè)試結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可得：根據(jù)信號(hào)間兼容的理論分析，接收機(jī)兼容性測(cè)試指標(biāo)的取值空間為［17，20］，通過統(tǒng)計(jì)分析當(dāng)干擾信號(hào)（E1）高于導(dǎo)航信號(hào)（L1）為18.5dB時(shí)，接收機(jī)不能正常的跟蹤，根據(jù)兼容性評(píng)估準(zhǔn)則評(píng)分為4.25。

5 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，多模兼容已成為導(dǎo)航接收機(jī)發(fā)展的必然方向。目前對(duì)于接收機(jī)具體的測(cè)試評(píng)估理論和方法還不夠系統(tǒng)全面，科學(xué)測(cè)評(píng)其性能已成為推廣和加快GNSS應(yīng)用進(jìn)程中急需解決的重要環(huán)節(jié)。本文通過對(duì)信號(hào)兼容性分析研究，提出了接收機(jī)兼容性測(cè)試評(píng)估方法。利用接收機(jī)、模擬器和計(jì)算機(jī)搭建了接收機(jī)測(cè)試評(píng)估平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上完成了接收機(jī)的兼容性測(cè)試評(píng)估實(shí)驗(yàn)。

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