王 田 楊文彬 劉英乾 夏 天

(北京東方計(jì)量測試研究所，北京 100086)

1 引 言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和在生產(chǎn)生活領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，導(dǎo)航終端的使用規(guī)模在不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)的品種類型多種多樣，其功能和用途各不相同，對其功能和性能進(jìn)行測試驗(yàn)證顯得尤為重要。因此，導(dǎo)航終端的測試技術(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的核心技術(shù)之一，是研發(fā)具備自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能導(dǎo)航終端的必要手段，可有力推動導(dǎo)航終端的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，具有巨大、長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1]。

當(dāng)前，根據(jù)測試實(shí)現(xiàn)方式可分為室內(nèi)模擬測試和實(shí)際信號測試。室內(nèi)模擬測試的優(yōu)點(diǎn)是各類誤差影響、信號電平等因素能夠精確量化，實(shí)現(xiàn)對被測終端量化考核；但室內(nèi)模擬測試信號與實(shí)際使用條件存在較大差異，室內(nèi)測試結(jié)果不能全面反映實(shí)際使用效果[2]。實(shí)際信號測試是利用待測試終端接收實(shí)際的衛(wèi)星信號，然后評估其性能，實(shí)際信號測試沒有模型的近似，測試的結(jié)果就是接收終端的實(shí)際性能。實(shí)際信號結(jié)果與測試場景的星座狀態(tài)、電離層、多路徑、接收機(jī)周邊環(huán)境以及當(dāng)時的大氣信號傳播環(huán)境密切相關(guān)，所以測試可重復(fù)性較差，測試成本較高。

由此產(chǎn)生了導(dǎo)航信號采集回放測試技術(shù)，通過采集存儲實(shí)際衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并在試驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行回放，能夠有效完成衛(wèi)星導(dǎo)航終端的實(shí)際使用性能測試，不僅能夠避免實(shí)際外場測試時衛(wèi)星信號的不確定性，而且可以減少外場測試的時間和費(fèi)用，在一定程度上解決衛(wèi)星導(dǎo)航終端室內(nèi)仿真環(huán)境與真實(shí)壞境的測試不一致性問題。

本文基于導(dǎo)航信號模擬器，對采集回放測試方法進(jìn)行了初步研究。

2 采集回放測試系統(tǒng)構(gòu)成

基于導(dǎo)航信號模擬器的采集回放測試系統(tǒng)如圖 1所示，導(dǎo)航信號模擬器按照設(shè)定的靜態(tài)場景軌跡生成導(dǎo)航射頻信號，采集回放儀和導(dǎo)航接收機(jī)同時接收導(dǎo)航信號，隨后利用采集回放儀進(jìn)行回放，用同一臺導(dǎo)航接收機(jī)接收回放信號，比較接收機(jī)采集回放定位指標(biāo)的變化情況。

實(shí)驗(yàn)中選用湖南矩陣電子有限公司生產(chǎn)的GNS7601-B采集回放儀，導(dǎo)航信號采集回放儀由信號采集單元、存儲控制單元和信號回放單元三部分組成，其組成框圖如圖2所示。

2.1 信號采集單元

信號采集單元包括寬帶天線、射頻輸入模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊，用于接收GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航信號，完成射頻信號預(yù)處理、下變頻并實(shí)現(xiàn)對中頻信號的高速實(shí)時采樣，并將采樣結(jié)果發(fā)送到存儲控制單元進(jìn)行存儲。

2.2 存儲控制單元

存儲控制單元由高速大容量磁盤陣列、數(shù)據(jù)流管理與控制模塊和用戶接口模塊組成。數(shù)據(jù)流管理與控制模塊用于完成設(shè)備的采集回放模式管理、頻段選擇、采集/回放時長和回放信號功率強(qiáng)弱控制等，用戶接口模塊完成用戶的人機(jī)操作交互。

2.3 信號回放單元

信號回放單元包括回放信號合成模塊和射頻輸出模塊，用于實(shí)現(xiàn)將采集存儲的數(shù)據(jù)合成為中頻信號，并進(jìn)行上變頻轉(zhuǎn)化為測試所需的導(dǎo)航測試信號，并完成輸出信號的功率衰減控制。

其采樣頻率為100MHz，量化位數(shù)4bit，中頻頻率選用37.42MHz(L1頻點(diǎn))、23.098MHz(B1頻點(diǎn))，采樣頻段帶寬大于100MHz，采集數(shù)據(jù)以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式從低位存儲，每4個bit表示一個采樣點(diǎn)，每當(dāng)存儲4 092個字節(jié)后，會有4個字節(jié)的校驗(yàn)和，數(shù)據(jù)格式如圖3所示。

試驗(yàn)中選用和芯星通UM220-III N導(dǎo)航接收機(jī)作為參考接收機(jī)，能夠同時支持BD2B1、GPS L1 兩個頻點(diǎn)。UM220-III N模塊利用一個USB串口，可支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸、固件升級功能，輸入/輸出信號類型為LVTTL電平。默認(rèn)波特率為9 600bps，最高可設(shè)為115 200bps，串口波特率均可自行配置。同時，攜帶有衛(wèi)星顯控軟件CDT，可方便顯示星座視圖、消息及接收機(jī)狀態(tài)等，也可進(jìn)行接收機(jī)配置。實(shí)物圖如圖4所示。

3 測試結(jié)果及分析

本文利用導(dǎo)航信號模擬器，以靜態(tài)場景為例，采集回放靜態(tài)導(dǎo)航信號，對參考接收機(jī)定位精度進(jìn)行評估分析。

定位精度是指導(dǎo)航接收機(jī)接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號進(jìn)行定位解算得到的位置與真實(shí)位置的接近程度，包括水平定位精度和垂直定位精度[3,4]。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)差來描述接收機(jī)的精度[5]，具體如下：

首先計(jì)算各歷元輸出的定位數(shù)據(jù)在站心坐標(biāo)系下各方向(NEU方向，即北東天方向)的定位誤差

ΔNi=Ni-N0i

(1)

ΔEi=Ei-E0i

(2)

ΔUi=Ui-U0i

(3)

式中：ΔNi、ΔEi、ΔUi——分別為第i次實(shí)時定位數(shù)據(jù)的N、E、U方向的定位誤差(i=1,2…n)，m；Ni、Ei、Ui—— 分別為第i次實(shí)時定位數(shù)據(jù)的N、E、U方向分量，m；N0i、E0i、U0i——分別為第i次實(shí)時定位的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)N、E、U方向分量，m。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：σN，σE，σU——分別為 定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差在N、E、U方向的分量，m；σH—— 定位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差在水平方向的分量，m。

測試結(jié)果的報告：

水平定位精度：UH=σH

垂直定位精度：UU=σU

實(shí)驗(yàn)中，利用導(dǎo)航信號模擬器播發(fā)L1+B1頻點(diǎn)信號，信號功率大小-100dBm，采集后進(jìn)行回放，回放功率大小也為-100dBm，選取半小時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，參考導(dǎo)航接收機(jī)位置精度結(jié)果如表1、圖5所示。

表1 采集回放測試結(jié)果Table 1 Record and playback test results

其N、E、U方向采集回放位置誤差示意圖如圖6所示。

影響接收機(jī)定位精度解算能力的因素主要有觀測時段內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)和信號載噪比。靜態(tài)開闊場景下，對回放信號和實(shí)際信號測試中接收機(jī)的可用衛(wèi)星數(shù)(GPS和BD各選取四顆)及載噪比進(jìn)行分析，如圖7、圖8、圖9所示。

可見，實(shí)際信號和回放信號可用衛(wèi)星數(shù)相同、回放信號載噪比較實(shí)際信號載噪比降低1-2dB左右，水平精度及垂直精度結(jié)果誤差優(yōu)于0.5m，回放基本真實(shí)復(fù)現(xiàn)了實(shí)際場景，這也從測試結(jié)果分析中得到印證。

4 結(jié)束語

本文基于導(dǎo)航信號采集回放儀開展了回放測試試驗(yàn)，從終端接收機(jī)的測試結(jié)果角度，對靜態(tài)場景采集回放測試進(jìn)行了初步分析。通過初步驗(yàn)證分析，利用采集回放技術(shù)，在特定典型場景下采集導(dǎo)航信號，而后可在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行多次反復(fù)回放，有效復(fù)現(xiàn)典型真實(shí)場景，基本實(shí)現(xiàn)高保真回放，可極大提高測試效率。

隨著北斗衛(wèi)星部署逐步完成，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的深度和廣度都在不斷擴(kuò)展。由于導(dǎo)航終端的實(shí)際性能與應(yīng)用場景環(huán)境密切相關(guān)，而目前國內(nèi)測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行的真實(shí)信號測試存在著樣本少、覆蓋不全等問題，尚缺乏覆蓋廣泛的導(dǎo)航信號測試數(shù)據(jù)，利用導(dǎo)航信號采集回放，可積累海量典型場景導(dǎo)航數(shù)據(jù)，方便終端測試。

[1] 王田,夏天,張書鋒等.導(dǎo)航終端測試技術(shù)研究綜述[J].計(jì)測技術(shù),2015.35(4):6～9.

[2] 張欽娟.北斗二號民用設(shè)備測試方法研究[J].現(xiàn)代電信科技,2012.15(3):78～80.

[3] 胡立志,董蓮.導(dǎo)航接收機(jī)檢測方法的探討[A].第三屆中國第三方檢測實(shí)驗(yàn)室發(fā)展論壇[C].2011.

[4] Global positioning system(GPS)-Receiver equipment-Performance standards, methods of testing and required test results[S].second edition:2003.7.

[5] Hay C. Standardized GPS simulation scenarios for SPS receiver testing[A].2006:1 080～1 085.