薛 霞,秦紅磊,路 輝

(北京航空航天大學電子信息工程學院,北京 100191)

GNSS接收機自動測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

薛 霞,秦紅磊,路 輝

(北京航空航天大學電子信息工程學院,北京 100191)

針對GNSS接收機整機性能快速、全面、精確測試的需求,構建了一種基于NI PXI硬件平臺,并采用衛(wèi)星信號模擬器、虛擬儀器技術和Microsoft Visual Studio 2008軟件進行開發(fā)的GNSS接收機自動測試系統(tǒng)。同時針對GNSS接收機時間特性、靈敏度特性、精度特性性能指標的特點,提出了組合測試相關指標的方法,文中分別闡述系統(tǒng)的總體設計以及自動測試方法的實現(xiàn),最后使用BDS接收機進行自動測試系統(tǒng)的驗證。大量測試結果表明該GNSS接收機自動測試系統(tǒng)對于GNSS接收機的整機性能測試方便、快速、有效。

衛(wèi)星信號模擬器;GNSS接收機;自動測試系統(tǒng);性能測試

0 引言

隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)的蓬勃發(fā)展,各種類型的GNSS接收機層出不窮。GNSS接收機的軟硬件性能測試方法越來越受到國內廣大用戶和接收機制造商的關注[1-4]。傳統(tǒng)的手動測試是使用天線接收真實的衛(wèi)星信號來獲得評價性能指標的數(shù)據(jù),這種方法會受到復雜的環(huán)境變化和信號傳輸時間效應等的影響,信號變化多端,可重復性差,準確度無法保證。自動測試則是利用衛(wèi)星導航信號模擬器為GNSS接收機測試提供能夠重復執(zhí)行可靠測試的已知信號的環(huán)境,以完成在不同條件下GNSS接收機的性能測試。運用GNSS接收機自動測試系統(tǒng)可以完成許多手工測試無法實現(xiàn)或難以實現(xiàn)的測試,并且可減少勞動強度,具備可控性、低成本、可重復性、開發(fā)快等優(yōu)點[4]。

自動測試技術是自動測試系統(tǒng)的關鍵技術, GNSS接收機自動測試技術包括程控接口技術、虛擬儀器技術、專家系統(tǒng)、故障測試技術、開放可互操作的自動測試系統(tǒng)(automatic test system, ATS)實現(xiàn)技術[5]。目前接收機自動測試系統(tǒng)的實現(xiàn)取得了一些成績[5-8],但是需要組建更加全面精確測試的系統(tǒng)來滿足開發(fā)商與用戶的需求。構建一種基于虛擬儀器技術的GNSS接收機自動測試系統(tǒng),采用美國國家儀器有限公司(National Instruments,NI)的面向儀器系統(tǒng)的外圍組件互連(peripheral component interconnection,PCI)擴展(PCI extensions for instrumentation,PXI)硬件平臺與Microsoft Visual Studio 2008軟件平臺,以及美國國家海洋電子協(xié)會(National Marine Electronics Association,NMEA)在1983年制定的標準NMEA-0183協(xié)議實現(xiàn)對接收機定位數(shù)據(jù)的獲取,完成整機性能的測試。此測試平臺可靈活、快速、高效地實現(xiàn)接收機的性能測試,替代傳統(tǒng)的手工測試。另外,對各個性能指標的組合測試使測試時間更短,測試效率更高。

1 自動測試系統(tǒng)總體設計

1.1 自動測試系統(tǒng)體系結構

GNSS接收機自動測試平臺包括測試軟件、測試設備、被測設備。測試系統(tǒng)利用自動測試軟件配置用戶接收機需要的仿真信號參數(shù);測試系統(tǒng)計算機通過軟件通信協(xié)議控制模擬器根據(jù)測試軟件配置的參數(shù)仿真產(chǎn)生需要的射頻信號,給接收機提供測試的環(huán)境;測試系統(tǒng)計算機通過程控電源控制接收機的開啟與關閉以實現(xiàn)自動測試的需求;被測接收機接收模擬器產(chǎn)生的射頻信號,定位結算輸出NMEA-0183標準數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù);測試軟件解析、處理的被測接收機輸出的定位解算信息和仿真場景理論數(shù)據(jù)來評估接收機的性能指標[9],測試平臺體系結構如圖1所示。

圖1 GNSS接收機自動測試系統(tǒng)結構體系

1.2 自動測試系統(tǒng)硬件設計

GNSS接收機自動測試系統(tǒng)硬件設備主要由PXI機箱、程控直流電源、GNSS接收機以及輸入輸出設備組成。測試系統(tǒng)集成于PXI機箱,自動測試軟件與模擬器軟件均采用軟件平臺Microsoft Visual Studio 2008。PXI機箱采用8個槽位PXI Express機箱,即PXIe-1082結構,以及PXIe-8133高性能嵌入式控制器,模擬器板卡包括中頻信號板卡、射頻信號板卡。測試軟件與模擬器軟件、模擬器軟件與硬件板卡驅動的通信需采用標準TCP/IP協(xié)議,以及WinSock客戶服務器方式建立連接。測試系統(tǒng)硬件設備連接如圖2所示。

圖2 硬件設備連接圖

1.3 自動測試軟件設計

自動測試軟件包括用戶信息管理、測試設備管理、測試結果管理、指標常規(guī)測試、測試狀態(tài)監(jiān)控、報表生成模塊、誤差曲線導出、歷史數(shù)據(jù)查詢、幫助信息中心等模塊。GNSS接收機整機測試并沒有統(tǒng)一的標準,但卻有一些典型的測試項來衡量其整機性能[4]。其中指標常規(guī)測試模塊是整個測試軟件的核心,包括指標獨立測試與組合測試,獨立測試即系統(tǒng)指標互不影響、分立測試。組合測試即系統(tǒng)指標組合測試縮短時間、提高效率?？蓽y試的指標包括靜態(tài)定位精度、定位更新率、冷啟動首次定位時間、熱啟動首次定位時間、失鎖重捕獲時間、捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、失鎖重捕獲靈敏度、測速精度。

系統(tǒng)軟件使用模塊化設計,各個模塊之間相互協(xié)作共同完成測試軟件功能,各個模塊獨立運行,可重復使用并易于修改與擴展[8]。自動測試系統(tǒng)軟件功能模塊如圖3所示。

圖3 軟件功能結構

2 自動測試方法設計

根據(jù)時間特性、靈敏度特性、精度特性將測試指標分為三類,分別組合測試。

2.1 時間特性的測試方法

時間特性包括冷啟動首次定位時間、熱啟動首次定位時間、失鎖重捕獲時間。冷啟動首次定位時間的測試關鍵是保證接收機沒有有效的星歷、歷書、概略位置及時間等信息;熱啟動首次定位時間的測試需要接收機記錄有效的星歷、歷書、概略位置及時間等信息;失鎖重捕要求信號短暫的中斷并能夠重新定位。綜合考慮各指標的特點,組合測試流程如圖4所示。圖4中,T0至Tn均為時間參數(shù),單位為s。

圖4 時間特性測試流程

評估指標的方法:接收機從開始計時到連續(xù)N次定位誤差在設定范圍內的第一次滿足誤差要求的時間間隔為所測指標。在測試流程設計過程中,各個參數(shù)均為開放式配置模式,可使用默認設置參數(shù)或根據(jù)需求自行設置參數(shù)。

2.2 靈敏度特性的測試方法

靈敏度特性包括捕獲靈敏度、失鎖重捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度。捕獲靈敏度要求設備為無輔助的冷啟動條件且定位信息能夠輸出滿足要求的最低信號電平;失鎖重捕獲靈敏度要求信號短暫中斷并能夠重新定位滿足定位要求的信號電平;跟蹤靈敏度要求設備能夠在捕獲后,穩(wěn)定輸出滿足定位要求的信號電平。綜合考慮各指標的特點,組合測試流程如圖5所示。

評估方法:捕獲靈敏度、失鎖重捕獲靈敏度均是從開始計時到連續(xù)N次定位誤差在設定范圍內的第一次滿足誤差要求的時間間隔時的最小功率。跟蹤靈敏度則是評判定位點滿足定位誤差要求的點數(shù)與總采樣數(shù)的比率在規(guī)定范圍內的最小功率。

2.3 精度特性的測試方法

精度測試包括靜態(tài)定位精度、測速精度。靜態(tài)定位精度是設備輸出位置偏離理想位置的程度,需要得到真值與測試值;測速精度是測試速度偏離真實速度的程度。定位更新率是被測設備更新定位信息的頻率。靜態(tài)定位精度測試與定位更新率組合測試,測速精度可獨立測試或者與定位更新率組合測試。測試流程如圖6所示。

圖5 靈敏度特性測試流程

圖6 精度特性測試流程

評估方法:位置精度是將所測時間內所有測試點與理論點位置的標準差。定位更新率是將所測時間內收到接收機的定位信息條數(shù)與所測時間的比率。測速精度是將所測時間內所有測試點與理論點速度的標準差。

3 測試結果與分析

3.1 測試系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

GNSS接收機自動測試系統(tǒng)的驗證需要測試系統(tǒng)設備與被測設備以及測試軟件。測試軟件參數(shù)配置界面如圖7,測試系統(tǒng)可以模擬任意時間任意地點的不同幾何精度因子下的衛(wèi)星信號[10],其中測速精度測試結果界面如圖8所示。

圖7 測試系統(tǒng)信號模擬器參數(shù)配置界面

圖8 測試系統(tǒng)測試結果顯示界面

3.2 測試系統(tǒng)實驗結果與分析

基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)的GNSS接收機正受到國內外用戶的青睞,本文以某公司生產(chǎn)的BDS接收機為測試對象,分別做了時間特性的測試、靈敏度特性的測試、定位精度測試、速度精度測試。各個指標測試的基礎條件為信號模擬器模擬場景為BDS的B1頻點,無時變偽距誤差模式,在世界大地坐標系(World Geodetic System-1984,WGS-84)下的初始位置為(39.9°N,116.3°E,大地高度0 m),信號功率-120 dBm。指標評估有效時定位精度需滿足50 m誤差范圍。

3.2.1 時間特性測試

測試環(huán)境需滿足基礎條件并且用戶接收機靜止。對多次測試結果數(shù)據(jù)求得均值方差如表1所示,冷啟動時間小于62 s,熱啟動時間小于25 s,失鎖重捕獲時間小于3 s。從方差可以看出被測接收機性能波動較大。

表1 時間特性測試實驗數(shù)據(jù)與分析

3.2.2 靈敏度測試

測試環(huán)境需滿足基礎條件并且用戶接收機靜止,功率衰減幅度1 d B。通過改變發(fā)射功率測出接收機的捕獲靈敏度,然后設定為失鎖重捕獲靈敏度與跟蹤靈敏度的開始測試功率。對多次測試結果數(shù)據(jù)求得均值方差如表2所示,可以得到捕獲靈敏度小于-131 d Bm,失鎖重捕獲靈敏度小于-135 dBm,跟蹤靈敏度小于-137 dBm。各個指標的測試結果浮動較大,受模擬器信號穩(wěn)定性、接收機本身工作的可靠性影響較大。

表2 靈敏度特性測試實驗數(shù)據(jù)與分析

3.2.3 定位精度測試

測試環(huán)境需滿足基礎條件并且用戶接收機靜止,接收機以固定頻率1 Hz更新定位結果。對多次測試結果數(shù)據(jù)進行分析,如表3所示。水平定位精度5 m左右,垂直定位精度26 m左右,三維定位精度大于26 m。水平定位精度明顯好于垂直定位精度。

表3 定位精度特性測試實驗數(shù)據(jù)與分析

3.2.4 測速精度

信號模擬器可模擬的載體速度為0～500 m/s,現(xiàn)分別采用低速、高速載體模型進行實驗。測試環(huán)境需滿足基礎條件,采用低速汽車載體模型,方向為北偏東45°,使載體作水平直線勻速運動,測得水平速度精度結果如表4所示。

表4 水平速度精度特性測試實驗數(shù)據(jù)與分析

測試環(huán)境需滿足基礎條件,采用高速載體模型,方向為北偏東45°,使載體作水平直線勻速運動,測得水平速度精度結果如表5所示。

表5 水平速度精度特性測試實驗數(shù)據(jù)與分析

圖9 速度精度特性測試結果

現(xiàn)對不同速度的多次測試結果誤差均值繪制曲線,如圖9所示。在模擬器可模擬的載體速度范圍0～500 m/s內,隨著載體速度的變大,載體測速精度誤差趨于變大,并且最大誤差不超過4.035 m/s。

4 結束語

通過測試結果表明,GNSS接收機自動測試系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對GNSS接收機整機性能的快速、可靠、靈活的測試。通過NI PXIe-8133高性能嵌入式控制器與PXI Express機箱的結合使用使系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量提升,工作效率提高,運行可靠。在接收機測試過程中,測試時間的長短與測試的有效性取決于測試流程參數(shù)的配置。另外,此系統(tǒng)目前只適合用于單接收機的測試,對于多接收機的測試需要擴展設備,例如功分器、串口服務器等,因此構建導航多接收機快速測試系統(tǒng)是下一步研究方向。

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Design and Implementation of Automation Test System for GNSS Receiver

XUE Xia,QIN Honglei,LU Hui
(Department of Electronic and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

For rapid,comprehensive and accurate testing GNSS receiver performance requirements,this paper builds a GNSS receiver automation test system,which based on satellite signal simulator,virtual instruments and Microsoft Visual Studio 2008 as a software developer,and National Instruments PXI hardware platform.For the characteristics of time performance,sensitivity performance and accuracy performance,this paper also presents combination test methods of related performances and separately describes overall design as well as testing methods for system,and finally uses a BDS receiver to validate automatic test system.The extensive results show the automation test system is convenient,fast and effective for GNSS receiver performance test.

satellite signal simulator;GNSS receiver;automation test system;performance test

P228

A

2095-4999(2015)-04-0095-05

2014-10-16

技術基礎科研計劃(J1320130001)。

薛霞(1989—),女,河北石家莊人,碩士生,主要研究方向為衛(wèi)星導航和自動測試技術等。

薛霞,秦紅磊,路輝.GNSS接收機自動測試系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].導航定位學報,2015,3(4):95-99,103.XUE Xia,QIN Honglei, LU Hui.Design and Implementation of Automation Test System for GNSS Receiver[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):95-99,103.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150418