寧相偉，鄧 玥，周凡卉，趙鵬飛，王 闊

基于高軌導(dǎo)航接收機(jī)的自動(dòng)化地面測(cè)試系統(tǒng)

寧相偉1，鄧 玥1，周凡卉2，趙鵬飛1，王 闊1

（1 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部 北京 100094 2 中國(guó)空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部 北京 100094）

高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)高軌航天器自主定軌的核心設(shè)備。為在地面測(cè)試階段對(duì)高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行充分高效的驗(yàn)證，亟需設(shè)計(jì)基于高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的地面測(cè)試系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了一種基于高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的自動(dòng)化地面測(cè)試系統(tǒng)，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：第一，本系統(tǒng)可對(duì)高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)實(shí)際在軌狀態(tài)下接收到的導(dǎo)航星座信號(hào)進(jìn)行仿真；第二，具有模擬包含北斗三號(hào)等多導(dǎo)航衛(wèi)星星座信號(hào)的功能；第三，本系統(tǒng)充分考慮自動(dòng)化、通用化與一體化設(shè)計(jì)。提出的基于高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的自動(dòng)化地面測(cè)試系統(tǒng)能夠在地面測(cè)試階段對(duì)高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行充分驗(yàn)證，并充分考慮測(cè)試實(shí)施，從自動(dòng)化、通用化、一體化方面提升測(cè)試效率，減少人為操作失誤導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題，解決人工判讀帶來(lái)的誤判漏判問(wèn)題。

高軌衛(wèi)星導(dǎo)航仿真器；北斗三號(hào)星座仿真；自動(dòng)化；地面測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

隨著海洋通信、氣象勘測(cè)、災(zāi)難預(yù)警、教育應(yīng)用、電視直播、陸地應(yīng)用等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω哕壭l(wèi)星的使用需求增加，高軌衛(wèi)星數(shù)量也在不斷增加[1]。衛(wèi)星本身對(duì)于其在軌過(guò)程中的精度測(cè)量要求也越來(lái)越高。常用的通過(guò)地面測(cè)控進(jìn)行衛(wèi)星定軌的方法不具有自主性且不滿(mǎn)足衛(wèi)星高精度定位的要求[2]。因此，為實(shí)現(xiàn)高軌航天器自主定軌與提升定位定軌精度，將高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)引入到星上[3]。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高、自主性強(qiáng)、精度較高、成本較低的特點(diǎn)[4,5]。高軌衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收方式具有獨(dú)特性，由于導(dǎo)航星天線(xiàn)的特點(diǎn)為朝向地球且具有高指向性，高于導(dǎo)航星軌道的高軌星用戶(hù)只能接收從地球另一側(cè)發(fā)射的導(dǎo)航星信號(hào)或來(lái)自方向圖的旁瓣信號(hào)，因此高軌導(dǎo)航接收機(jī)可接收到的導(dǎo)航星數(shù)量較少，信號(hào)功率也十分微弱[6-9]。

為適應(yīng)高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在軌實(shí)收信號(hào)特點(diǎn)，在地面測(cè)試階段充分、有效地驗(yàn)證其功能性能，亟需設(shè)計(jì)高軌導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)地面測(cè)試系統(tǒng)[10,11]。本文針對(duì)目前高軌導(dǎo)航信號(hào)仿真能力不足、無(wú)法覆蓋BD3星座導(dǎo)航信號(hào)、測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化能力不足、無(wú)法通用化等問(wèn)題，將主要工作聚焦于自動(dòng)化的高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)地面測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為以下三個(gè)方面：第一，建立高動(dòng)態(tài)軌道仿真模型，模擬高軌星與導(dǎo)航星座相對(duì)位置，充分考慮電離層、對(duì)流層與多徑對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，真?shí)產(chǎn)生貼合高軌衛(wèi)星在軌實(shí)際接收情況的導(dǎo)航信號(hào)；第二，隨著自主可控的BD3導(dǎo)航星座[12,13]的建立，系統(tǒng)可仿真BD3星座運(yùn)行情況并產(chǎn)生BD3的新式電文，可適應(yīng)所有BD3型號(hào)導(dǎo)航接收機(jī)的測(cè)試工作；第三，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、通用化與一體化設(shè)計(jì)，充分考慮測(cè)試痛點(diǎn)，結(jié)合高軌導(dǎo)航接收機(jī)經(jīng)典測(cè)試項(xiàng)目?jī)?nèi)容與流程，完成了指令發(fā)送-動(dòng)作判讀-數(shù)據(jù)判讀全過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，極大地提升了測(cè)試效率，減少了對(duì)于人員的專(zhuān)業(yè)性要求，解決了人工判讀帶來(lái)的誤判漏判問(wèn)題。

1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)自動(dòng)化地面測(cè)試系統(tǒng)由總控服務(wù)器、高軌全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）地面仿真器與多臺(tái)測(cè)試終端三部分組成，如圖1所示?？偪胤?wù)器上部署主測(cè)試處理機(jī)（MTP）模塊與數(shù)據(jù)訂閱服務(wù)器（RTS）模塊；高軌GNSS地面仿真器由遠(yuǎn)程控制模塊、數(shù)學(xué)軌道仿真模塊，硬件驅(qū)動(dòng)模塊，基帶、變頻器等射頻信號(hào)硬件集成組成；測(cè)試終端上部署功能自動(dòng)化用例執(zhí)行模塊與一鍵化數(shù)據(jù)包判讀模塊。高軌GNSS地面仿真器為測(cè)試系統(tǒng)核心設(shè)備，數(shù)學(xué)軌道仿真模塊為核心設(shè)備核心模塊。

圖1 GNSS自動(dòng)化地面測(cè)試系統(tǒng)組成

設(shè)備間通信過(guò)程如下：測(cè)試終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令給總控服務(wù)器，總控服務(wù)器負(fù)責(zé)分發(fā)指令給系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備或星上，高軌GNSS地面仿真器接收指令后開(kāi)始工作，進(jìn)行高軌星座與特定用戶(hù)星座綜合動(dòng)態(tài)仿真，產(chǎn)生射頻信號(hào)供高軌GNSS接收機(jī)使用，并傳遞工作狀態(tài)給總控服務(wù)器，總控服務(wù)器將星上數(shù)據(jù)與地面系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)分發(fā)給各測(cè)試終端進(jìn)行檢測(cè)與判讀。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮了自動(dòng)化、通用化與一體化。主要體現(xiàn)為：

①自動(dòng)化設(shè)計(jì)：地面設(shè)備開(kāi)機(jī)后進(jìn)入測(cè)試準(zhǔn)備狀態(tài)，測(cè)試人員可與測(cè)試設(shè)備分離，直接使用測(cè)試終端操作整個(gè)地面測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)與功能自動(dòng)化用例模塊軟件界面的交互，執(zhí)行自動(dòng)化測(cè)試用例，按照設(shè)計(jì)時(shí)序調(diào)動(dòng)星上各分系統(tǒng)與地面系統(tǒng)各設(shè)備，對(duì)執(zhí)行情況進(jìn)行自動(dòng)化判讀；通過(guò)與一鍵化數(shù)據(jù)包判讀模塊軟件界面的交互，接收總線(xiàn)與固存中的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)的物理含義進(jìn)行基于先驗(yàn)知識(shí)的自動(dòng)化判讀，自動(dòng)生成供測(cè)試人員閱覽的測(cè)試報(bào)告。

②通用化設(shè)計(jì)：系統(tǒng)間可通過(guò)IP與端口號(hào)配置方法實(shí)現(xiàn)任意設(shè)備的替換；模塊中仿真起始時(shí)間，被測(cè)衛(wèi)星軌道、導(dǎo)航星類(lèi)型、電離層選型、對(duì)流層選型、多徑效應(yīng)選型、導(dǎo)航星電文、導(dǎo)航星數(shù)量、可見(jiàn)性模型等關(guān)鍵參數(shù)均可配置，可完成不同型號(hào)、不同軌道的高軌GNSS接收機(jī)測(cè)試驗(yàn)證；可完成包含BD星座，GPS星座、GLONASS星座與Galileo星座的全球定位星座信號(hào)的仿真，可依據(jù)星上GNSS接收機(jī)類(lèi)型進(jìn)行配置。

③一體化設(shè)計(jì)：將核心功能整合到一臺(tái)核心設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了模塊與硬件的一體化設(shè)計(jì)，集成性好且易于運(yùn)輸。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 總控服務(wù)器

總控服務(wù)器負(fù)責(zé)整理、存儲(chǔ)、接收、發(fā)送星上或地面設(shè)備的遙測(cè)遙控信息，測(cè)試人員通過(guò)測(cè)試終端發(fā)送的星上與地面設(shè)備的操作指令，均通過(guò)總控MTP產(chǎn)生，收到的遙測(cè)數(shù)據(jù)與地面設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，均通過(guò)總控RTS分發(fā)給地面各終端。

MTP通過(guò)指令協(xié)議層中信息區(qū)分指令目的地，發(fā)送給星上的指令通過(guò)地面遙控設(shè)備轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)發(fā)送給測(cè)控分系統(tǒng)，經(jīng)綜合電子分系統(tǒng)解析后分發(fā)給星上執(zhí)行設(shè)備；發(fā)送給高軌GNSS地面仿真器的指令通過(guò)TCP/IP協(xié)議直接轉(zhuǎn)發(fā)給設(shè)備，設(shè)備解析后驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。MTP支持轉(zhuǎn)發(fā)指令歷史記錄存儲(chǔ)，可進(jìn)行智能指令回查。

RTS主要功能為收集星上遙測(cè)信息與地面設(shè)備信息，建立數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給各測(cè)試終端進(jìn)行智能判讀。原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過(guò)RTS轉(zhuǎn)發(fā)后，可進(jìn)行數(shù)據(jù)包判斷與解析，在各測(cè)試終端上顯示對(duì)應(yīng)遙測(cè)值與其物理含義，各分系統(tǒng)通過(guò)信息判斷星上與地面系統(tǒng)工作健康狀態(tài)，形成動(dòng)作閉環(huán)。RTS支持信息存儲(chǔ)，可根據(jù)遙測(cè)代號(hào)回查任意時(shí)間段遙測(cè)信息。

2.2 高軌GNSS地面仿真器

高軌GNSS地面仿真器是高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)自動(dòng)化地面測(cè)試系統(tǒng)的核心設(shè)備。

其中，遠(yuǎn)程控制模塊負(fù)責(zé)與總控服務(wù)器建立連接，按照規(guī)定協(xié)議將數(shù)學(xué)軌道仿真模塊與硬件驅(qū)動(dòng)模塊的關(guān)鍵工作信息傳輸給RTS，并接收來(lái)自MTP的仿真器控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)學(xué)軌道仿真模塊與硬件驅(qū)動(dòng)模塊；除此之外，遠(yuǎn)程控制模塊還具備任意軌道起點(diǎn)仿真設(shè)置計(jì)算功能，依據(jù)測(cè)試需求計(jì)算數(shù)學(xué)仿真器需要設(shè)置的起始時(shí)間與起始點(diǎn)位并轉(zhuǎn)發(fā)，方便了整星模式測(cè)試使用。其具有通用性，可依據(jù)配置連接服務(wù)器與仿真器。

數(shù)學(xué)軌道仿真模塊是高軌GNSS地面仿真器中的核心模塊，包含高軌衛(wèi)星與導(dǎo)航星的軌道計(jì)算模型，可見(jiàn)性分析模型、可用星篩選模型、電離層延遲模型、對(duì)流層延遲模型、多徑效應(yīng)模型、導(dǎo)航天線(xiàn)與被測(cè)接收機(jī)天線(xiàn)方向圖模型，導(dǎo)航電文生成模型等貼合高軌衛(wèi)星在軌運(yùn)行實(shí)際情況的物理仿真模型。可依據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星軌道六根數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真選用導(dǎo)航星座中各導(dǎo)航衛(wèi)星位置與用戶(hù)高軌衛(wèi)星位置，顯示三軸位置、速度與加速度信息；再通過(guò)綜合考慮地球遮擋的可見(jiàn)性模型計(jì)算，計(jì)算當(dāng)前時(shí)間用戶(hù)星可見(jiàn)的導(dǎo)航星PRN代號(hào)；通過(guò)功率篩選模型替代PDOP篩選模型進(jìn)行播發(fā)導(dǎo)航星篩選，由于可見(jiàn)星大多為對(duì)側(cè)星，高軌接收機(jī)接收到導(dǎo)航信號(hào)強(qiáng)度成為篩選關(guān)鍵；篩選后的導(dǎo)航星與用戶(hù)星間經(jīng)過(guò)信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算，再經(jīng)過(guò)電離層延遲、對(duì)流層延遲、多徑效應(yīng)等模型對(duì)于相位群延遲的修正，得到導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)高軌用戶(hù)衛(wèi)星的功率值，各通道功率輸出結(jié)果與導(dǎo)航電文中需要填充的計(jì)算值為數(shù)學(xué)軌道仿真模塊向硬件驅(qū)動(dòng)模塊傳遞的主要參數(shù)內(nèi)容。

硬件驅(qū)動(dòng)軟件接收數(shù)學(xué)軌道仿真軟件輸入的信號(hào)控制要求，按照導(dǎo)航星座對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)制方式與頻點(diǎn)信息智能調(diào)配資源池中的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最大復(fù)用，并按照導(dǎo)航電文組合與播發(fā)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)度與數(shù)據(jù)層組包，形成各導(dǎo)航星的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包。

多通道硬件基帶各導(dǎo)航星接收數(shù)據(jù)包與驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)置的調(diào)制方式進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，生成中頻調(diào)制信號(hào)，中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)上變頻器變頻成為可供星上高軌GNSS接收機(jī)測(cè)試使用的模擬射頻信號(hào)。

2.3 測(cè)試計(jì)算機(jī)

測(cè)試終端是各分系統(tǒng)測(cè)試人員使用的終端設(shè)備，高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)自動(dòng)化地面測(cè)試系統(tǒng)的功能自動(dòng)化用例模塊/一鍵化數(shù)據(jù)包判讀模塊部署在測(cè)試計(jì)算機(jī)上。

功能自動(dòng)化用例模塊可將系統(tǒng)化功能測(cè)試的指令序列自動(dòng)發(fā)送給MTP，并接收RTS反饋的遙測(cè)信息，自動(dòng)化判讀星上與地面設(shè)備的指令動(dòng)作反映情況。通過(guò)測(cè)試用例的設(shè)計(jì)，可固化測(cè)試流程，嚴(yán)格控制時(shí)序，適用于復(fù)雜分系統(tǒng)間與地面測(cè)試系統(tǒng)之間的配合測(cè)試。執(zhí)行自動(dòng)化測(cè)試用例，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程一鍵化。

一鍵化數(shù)據(jù)包判讀模塊主要用于對(duì)高軌GNSS接收機(jī)輸出給星上其他分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判讀，將星上總線(xiàn)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過(guò)總線(xiàn)監(jiān)視器接收，分離出高軌GNSS接收機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包，通過(guò)該軟件可一鍵化實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)幀截取-數(shù)據(jù)幀判讀-數(shù)據(jù)包截取-數(shù)據(jù)包判讀-對(duì)應(yīng)參數(shù)解析-參數(shù)自動(dòng)判讀-生成測(cè)試報(bào)告”的測(cè)試流程，設(shè)計(jì)定制化判讀進(jìn)行基于先驗(yàn)知識(shí)的邏輯判讀、時(shí)序判讀，生成測(cè)試報(bào)告供測(cè)試人員進(jìn)行高軌GNSS接收機(jī)功能與性能驗(yàn)證。

3 模塊實(shí)現(xiàn)方法

遠(yuǎn)程控制模塊以網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸、中轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)為主，是實(shí)現(xiàn)測(cè)試中人與設(shè)備分離的關(guān)鍵；數(shù)學(xué)軌道仿真模塊為本系統(tǒng)核心模塊，包含眾多高軌用戶(hù)星適用的高動(dòng)態(tài)軌道模型、物理環(huán)境模型、計(jì)算篩選模型等，是地面測(cè)試貼合高軌GNSS接收機(jī)在軌實(shí)收狀態(tài)的關(guān)鍵保障；硬件驅(qū)動(dòng)模塊是實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)生成與電文調(diào)制的重要一環(huán)，可智能調(diào)配資源池中硬件設(shè)備；功能自動(dòng)化用例模塊是固化系統(tǒng)性測(cè)試過(guò)程、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)自動(dòng)化測(cè)試的交互窗口，可統(tǒng)一調(diào)度星上與地面系統(tǒng)資源完成設(shè)計(jì)動(dòng)作，并自動(dòng)判讀動(dòng)作執(zhí)行情況；一鍵化數(shù)據(jù)包判讀模塊針對(duì)高軌GNSS接收機(jī)產(chǎn)生的各類(lèi)大量數(shù)據(jù)包進(jìn)行基于先驗(yàn)知識(shí)的自動(dòng)化判讀，可設(shè)計(jì)定制化判讀規(guī)則對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)判讀。

圖2 遠(yuǎn)程控制模塊軟件界面

3.1 遠(yuǎn)程控制模塊

遠(yuǎn)程控制模塊負(fù)責(zé)收集高軌GNSS地面仿真器關(guān)鍵工作信息，傳輸給總控服務(wù)器入庫(kù)，并接收來(lái)自總控MTP的設(shè)備控制指令，執(zhí)行相應(yīng)指令并轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)學(xué)仿真軟件，其包含參數(shù)配置子模塊、數(shù)學(xué)仿真狀態(tài)采集子模塊與工作狀態(tài)記錄子模塊三部分。遠(yuǎn)程控制模塊軟件界面如圖2所示。

參數(shù)配置子模塊具體設(shè)計(jì)如下：通過(guò)TCP/IP協(xié)議建立總控服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)與識(shí)別信號(hào)源自動(dòng)連接。其中，可配置的有總控服務(wù)器的IP地址、端口號(hào)、航天器編號(hào)、設(shè)備代號(hào)、設(shè)備編號(hào)，可依據(jù)總控空閑狀態(tài)配置后連接總控服務(wù)器；信號(hào)源在本設(shè)備中通過(guò)端口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，需要按特定內(nèi)容配置；可配置遠(yuǎn)控軟件是否給總控服務(wù)器反饋信息及反饋周期，如總控服務(wù)器負(fù)荷數(shù)據(jù)量較大則可延長(zhǎng)反饋周期；可配置用戶(hù)衛(wèi)星星時(shí)基準(zhǔn)時(shí)間、分離時(shí)間與定軌等待時(shí)間，通過(guò)與輸入的任務(wù)星時(shí)自動(dòng)協(xié)同計(jì)算出任務(wù)需要的起始時(shí)間與起始點(diǎn)位，可一鍵化設(shè)置測(cè)試中整星任務(wù)的起始軌道點(diǎn)；數(shù)學(xué)軌道仿真模塊建立的經(jīng)典測(cè)試場(chǎng)景可存儲(chǔ)在遠(yuǎn)程模塊中，通過(guò)總控服務(wù)器分發(fā)的指令直接調(diào)用。遠(yuǎn)程控制模塊任務(wù)時(shí)間及點(diǎn)位計(jì)算過(guò)程如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程控制模塊任務(wù)時(shí)間及點(diǎn)位計(jì)算過(guò)程

數(shù)學(xué)仿真狀態(tài)采集子模塊可將數(shù)學(xué)仿真軟件中關(guān)鍵運(yùn)行信息提取到遠(yuǎn)程控制軟件中。按照約定的信息代號(hào)與信息內(nèi)容傳輸給總控服務(wù)器中的RTS。傳遞參數(shù)可定制化配置，目前的經(jīng)典配置內(nèi)容包括數(shù)學(xué)仿真模塊的仿真開(kāi)始時(shí)間、設(shè)備健康狀態(tài)、軌道運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前運(yùn)行UTC時(shí)間、仿真結(jié)束時(shí)間、電離層開(kāi)啟狀態(tài)、場(chǎng)景設(shè)置、頻點(diǎn)開(kāi)啟狀態(tài)、信號(hào)源連接狀態(tài)與點(diǎn)位起始時(shí)間等。

工作狀態(tài)記錄子模塊可顯示與存儲(chǔ)遠(yuǎn)程控制模塊的人為操作歷史與數(shù)據(jù)交互狀態(tài)，便于操作記錄回查與指令信息回查。

3.2 數(shù)學(xué)軌道仿真模塊

數(shù)學(xué)軌道仿真模塊為高軌GNSS地面仿真器的核心計(jì)算模塊。數(shù)學(xué)軌道仿真模塊主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包含高軌衛(wèi)星與導(dǎo)航星的軌道計(jì)算、可見(jiàn)性分析、可用星篩選、電離層延遲計(jì)算、對(duì)流層延遲計(jì)算、多徑效應(yīng)計(jì)算、導(dǎo)航天線(xiàn)與被測(cè)接收機(jī)天線(xiàn)方向圖計(jì)算、導(dǎo)航電文生成等，最終形成信號(hào)控制要求貼合高軌GNSS接收機(jī)在軌動(dòng)態(tài)實(shí)收過(guò)程。

模塊設(shè)計(jì)方式與功能均針對(duì)高軌星信號(hào)仿真需求具體設(shè)計(jì)規(guī)則如下：

①仿真時(shí)間設(shè)置與運(yùn)行：仿真起始與終止時(shí)間可設(shè)置，用來(lái)規(guī)定仿真場(chǎng)景工作范圍，起始時(shí)間對(duì)應(yīng)產(chǎn)生第一拍軌道六根數(shù)；仿真器內(nèi)部包含10 MHz時(shí)鐘，可產(chǎn)生同步信號(hào)，仿真步長(zhǎng)最小可至20 ms/幀；時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中充分考慮閏年變化與星時(shí)跳秒變化，貼合時(shí)間運(yùn)行規(guī)律。

② 導(dǎo)航星座類(lèi)型配置方式：可配置GPS、BD3、BD2、GLONASS等導(dǎo)航星座中的多種組合星座輸出，依據(jù)星座選擇調(diào)用信息庫(kù)配置具體頻點(diǎn)與頻點(diǎn)調(diào)制方式，然后發(fā)送給硬件驅(qū)動(dòng)模塊。

③可見(jiàn)性分析模型設(shè)計(jì)：不同軌道衛(wèi)星可見(jiàn)導(dǎo)航星模型如圖4所示，低軌用戶(hù)衛(wèi)星軌道高度往往低于導(dǎo)航衛(wèi)星，同側(cè)星可見(jiàn)性強(qiáng)，可見(jiàn)性模型較為簡(jiǎn)單；高軌用戶(hù)衛(wèi)星受軌道高度與方向圖影響，即使導(dǎo)航衛(wèi)星1、2處于高軌衛(wèi)星天線(xiàn)主波束范圍內(nèi)，由于導(dǎo)航衛(wèi)星天線(xiàn)方向圖指向地面，也將導(dǎo)航衛(wèi)星1、2視為不可見(jiàn)；只有地球?qū)?cè)衛(wèi)星，如導(dǎo)航衛(wèi)星3、4在高軌衛(wèi)星天線(xiàn)主波束范圍內(nèi)，天線(xiàn)方向圖指向相對(duì)，才可視為可見(jiàn)衛(wèi)星。

圖4 可見(jiàn)性分析模型

因此，為貼合高軌衛(wèi)星在軌實(shí)際接收狀態(tài)，在數(shù)學(xué)軌道仿真模塊中建立了高軌動(dòng)態(tài)地球切線(xiàn)選星模型，如圖5所示。設(shè)計(jì)地球切線(xiàn)方法對(duì)導(dǎo)航星屏蔽角進(jìn)行計(jì)算，避免由于屏蔽角始終大于衛(wèi)星高度角而導(dǎo)致無(wú)導(dǎo)航星可見(jiàn)的情況。當(dāng)導(dǎo)航星相對(duì)高軌衛(wèi)星載體的高度角與設(shè)置的屏蔽角滿(mǎn)足以下公式時(shí)，地球切線(xiàn)方法認(rèn)為導(dǎo)航星為可見(jiàn)星。

式中，為導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射功率（依據(jù)導(dǎo)航星座發(fā)射機(jī)情況決定），為導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)射天線(xiàn)增益，為高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的接收天線(xiàn)增益，為電磁波在空間傳輸中的損耗，主要包括傳輸路徑損耗、大氣損耗、極化誤差損耗等。

在軌實(shí)收情況與實(shí)際仿真情況相同，高軌GNSS接收機(jī)可見(jiàn)星往往來(lái)自地球?qū)?cè)或方向圖旁瓣，由于傳輸距離較長(zhǎng)且方向圖增益較小，高軌導(dǎo)航接收機(jī)接收到信號(hào)功率較小。部分可見(jiàn)衛(wèi)星由于功率不足以滿(mǎn)足接收靈敏度要求而成為無(wú)效衛(wèi)星，因此數(shù)學(xué)軌道仿真軟件選擇衛(wèi)星輸出時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮輸出功率較強(qiáng)的導(dǎo)航星信號(hào)。

④環(huán)境模型建立：為貼近在軌實(shí)際情況，需要對(duì)空間環(huán)境中的信號(hào)干擾因素進(jìn)行建模，主要包含電離層模型，對(duì)流層模型與多徑模型。電離層與對(duì)流層受高軌用戶(hù)星與導(dǎo)航星相對(duì)位置影響，可分為兩次穿過(guò)與未穿過(guò)模型，可依據(jù)相對(duì)位置與電離層、對(duì)流層高度動(dòng)態(tài)計(jì)算。

⑤高軌用戶(hù)衛(wèi)星與導(dǎo)航衛(wèi)星點(diǎn)位計(jì)算模型，通過(guò)仿真起始時(shí)間與軌道六根數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)間的三軸位置與速度信息，統(tǒng)一坐標(biāo)系后計(jì)算相對(duì)關(guān)系，并按照時(shí)間軸進(jìn)行軌道位置速度逐秒積分計(jì)算。

3.3 硬件驅(qū)動(dòng)模塊

硬件驅(qū)動(dòng)軟件依據(jù)數(shù)學(xué)仿真軟件要求智能調(diào)配硬件資源，按照信號(hào)數(shù)量、信號(hào)功率、調(diào)制方式、頻點(diǎn)信息、電文內(nèi)容映射對(duì)應(yīng)硬件，生成射頻信號(hào)經(jīng)合路后統(tǒng)一輸出；同時(shí)可驅(qū)動(dòng)自身秒脈沖信號(hào)與10M時(shí)鐘信號(hào)輸出，可用于設(shè)備校準(zhǔn)與外部設(shè)備使用；除數(shù)學(xué)軌道仿真軟件控制模式外，還可屏蔽軟件控制，直接生成載波信號(hào)，供設(shè)備校準(zhǔn)使用。

3.4 功能自動(dòng)化用例模塊

功能自動(dòng)化用例模塊如圖6所示。該模塊提供各類(lèi)腳本功能供用例設(shè)計(jì)人員調(diào)用，通過(guò)調(diào)用腳本按測(cè)試需求可設(shè)計(jì)自動(dòng)化序列，固化序列完成測(cè)試過(guò)程的控制，可達(dá)到地面設(shè)備與星上分系統(tǒng)間緊密協(xié)同工作，在指令發(fā)出之后對(duì)相應(yīng)設(shè)備執(zhí)行情況進(jìn)行自動(dòng)化判讀。

目前經(jīng)典腳本功能包含直接指令發(fā)送、設(shè)置指令發(fā)送、判別參數(shù)范圍、判別參數(shù)變化、設(shè)置等待時(shí)間、添加文字描述等。使用腳本設(shè)計(jì)自動(dòng)化執(zhí)行序列，序列串行執(zhí)行并可設(shè)置斷點(diǎn)。目前設(shè)計(jì)的高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)地面測(cè)試系統(tǒng)的經(jīng)典用例包含高軌衛(wèi)星GNSS接收機(jī)開(kāi)機(jī)關(guān)機(jī)用例、高軌衛(wèi)星入軌模擬飛行用例、高軌衛(wèi)星主動(dòng)段模擬用例、高軌衛(wèi)星任務(wù)時(shí)間跳時(shí)用例等，還可根據(jù)測(cè)試要求擴(kuò)展其他用例。

截取高軌衛(wèi)星GNSS接收機(jī)開(kāi)機(jī)用例中涉及高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)地面測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)部分如圖6所示，首先，判別星上時(shí)間在設(shè)計(jì)場(chǎng)景開(kāi)始范圍內(nèi)，然后，發(fā)送設(shè)置指令啟動(dòng)預(yù)設(shè)仿真場(chǎng)景，數(shù)學(xué)仿真軟件開(kāi)始工作，判斷數(shù)學(xué)仿真軟件工作場(chǎng)景是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定要求，等待5秒后對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行再次判讀確認(rèn)運(yùn)行順利，完成動(dòng)作閉環(huán)。除此之外，功能自動(dòng)化用例模塊也可給星上測(cè)控、控制、載荷、導(dǎo)航等各個(gè)分系統(tǒng)發(fā)送指令，通過(guò)遙測(cè)判斷動(dòng)作是否閉環(huán)，通過(guò)串行順序完成星地一體化自動(dòng)化協(xié)同工作。

圖6 功能自動(dòng)化用例軟件

3.5 一鍵化數(shù)據(jù)包判讀模塊

高軌GNSS導(dǎo)航接收機(jī)工作期間需要給整星的其他分系統(tǒng)提供類(lèi)型繁多的數(shù)據(jù)包，包含定位定軌數(shù)據(jù)包、原始觀(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)包、軌道預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)包、秒脈沖數(shù)據(jù)包、整秒時(shí)間數(shù)據(jù)包等，是維持整星正常工作任務(wù)的重要數(shù)據(jù)。因此需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格判讀，又由于數(shù)據(jù)包更新周期短、內(nèi)含數(shù)據(jù)量大，人工判讀無(wú)法高效可靠地完成測(cè)試，容易出現(xiàn)誤判、漏判問(wèn)題。

一鍵化數(shù)據(jù)包判讀模塊可按照數(shù)據(jù)包定義、解析方式與判讀方式，定制對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包的解析判讀規(guī)則。自動(dòng)化處理步驟如下：①調(diào)用定制數(shù)據(jù)包格式定義，按照標(biāo)識(shí)、長(zhǎng)度等信息對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分幀處理，自動(dòng)化判讀幀長(zhǎng)、幀頭與指定位置是否滿(mǎn)足定義要求，判讀幀內(nèi)數(shù)據(jù)是否存在誤碼；②去除格式中幀頭幀尾，提取數(shù)據(jù)域并將數(shù)據(jù)域按照包頭、包尾與包長(zhǎng)進(jìn)行分包處理；③按照定制數(shù)據(jù)包中對(duì)應(yīng)位置的物理意義與處理公式分別對(duì)大量包數(shù)據(jù)逐條解析，得到物理含義與對(duì)應(yīng)的物理數(shù)據(jù)；④對(duì)物理含義依據(jù)先驗(yàn)知識(shí)對(duì)應(yīng)的判讀規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)判讀，包含數(shù)據(jù)連續(xù)性、數(shù)據(jù)遍歷性、數(shù)據(jù)比對(duì)、數(shù)據(jù)范圍統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)平均值、數(shù)據(jù)最頻繁值、依據(jù)數(shù)據(jù)畫(huà)圖、比對(duì)數(shù)據(jù)圖像等，可根據(jù)衛(wèi)星特性進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。⑤最后將判讀結(jié)果自動(dòng)生成判讀報(bào)告，使測(cè)試數(shù)據(jù)可視化，供測(cè)試人員檢查。

也可將星上產(chǎn)生數(shù)據(jù)包與地面系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)比對(duì)，驗(yàn)證高軌GNSS接收機(jī)信息處理正確性及處理精度。

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況與使用過(guò)程

針對(duì)高軌GNSS接收機(jī)的經(jīng)典測(cè)試過(guò)程包括高軌導(dǎo)航接收機(jī)功能性能測(cè)試（分系統(tǒng)級(jí)測(cè)試）與衛(wèi)星典型工作模式驗(yàn)證（整星級(jí)測(cè)試）這兩部分。通過(guò)這兩項(xiàng)測(cè)試可保障高軌GNSS接收機(jī)在軌可穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)可靠性與功能性進(jìn)行充分驗(yàn)證。高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)自動(dòng)化地面測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以上兩項(xiàng)測(cè)試。

4.1 高軌導(dǎo)航接收機(jī)功能性能測(cè)試過(guò)程

使用該系統(tǒng)進(jìn)行某高軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)功能性能測(cè)試，測(cè)試過(guò)程如圖7所示。建立狀態(tài)后該測(cè)試系統(tǒng)可進(jìn)行全部分系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，包括導(dǎo)航信噪比檢查、導(dǎo)航狀態(tài)遙測(cè)檢查、接收導(dǎo)航星個(gè)數(shù)與穩(wěn)定性檢查、定位定軌時(shí)間檢查、總線(xiàn)數(shù)據(jù)包檢查。圖中方形標(biāo)記為需人工參與，圓形標(biāo)記為軟硬件自動(dòng)化執(zhí)行，可以看到該測(cè)試系統(tǒng)在高軌導(dǎo)航接收機(jī)分系統(tǒng)測(cè)試中基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程，測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可靠有效。導(dǎo)航相關(guān)數(shù)據(jù)包中包含星上解析的定位定軌數(shù)據(jù)包，通過(guò)一鍵化數(shù)據(jù)包判讀軟件可自動(dòng)化解析生成定位定軌信息，并與仿真器中仿真軌道位置信息進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算定位定軌位置與速度精度，完成對(duì)高軌導(dǎo)航接收機(jī)定位定軌精度實(shí)時(shí)評(píng)估。通過(guò)對(duì)星上捕獲星、可用星、信噪比及定位定軌狀態(tài)遙測(cè)的長(zhǎng)期判讀，可完成對(duì)在軌信號(hào)情況的地面評(píng)估。

4.2 高軌衛(wèi)星典型工作模式驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程

使用該系統(tǒng)進(jìn)行某高軌衛(wèi)星典型工作模式驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)試過(guò)程如圖8所示。使用用例建立整星典型工作模式，注入典型自主任務(wù)，整星任務(wù)執(zhí)行后導(dǎo)航數(shù)據(jù)隨固存數(shù)據(jù)下傳至地面設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)包自動(dòng)化判讀。圖中方形標(biāo)記過(guò)程需人工參與，圓形標(biāo)記過(guò)程為軟硬件自動(dòng)化執(zhí)行，可以看到該測(cè)試系統(tǒng)在高軌衛(wèi)星典型工作模式驗(yàn)證測(cè)試中基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)可靠有效。

圖7 高軌導(dǎo)航接收機(jī)功能性能測(cè)試過(guò)程

圖8 高軌衛(wèi)星典型工作模式驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程

5 結(jié)束語(yǔ)

基于高軌導(dǎo)航接收機(jī)的自動(dòng)化地面測(cè)試系統(tǒng)解決了高軌導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試問(wèn)題，在地面測(cè)試階段可動(dòng)態(tài)模擬多類(lèi)星座，多通道射頻信號(hào)供高軌導(dǎo)航接收機(jī)使用；根據(jù)BD3星座在軌狀態(tài)不斷完善仿真器中對(duì)于BD3星座的仿真，目前已貼近在軌狀態(tài)；測(cè)試系統(tǒng)充分考慮一體化、自動(dòng)化與通用化設(shè)計(jì)，最小化測(cè)試設(shè)備范圍，基本實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程與數(shù)據(jù)判讀的全自動(dòng)化，可用于多顆高軌星座導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試。本文所設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)提升了測(cè)試效率，減少了人為操作失誤導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題，解決了人工判讀帶來(lái)的誤判漏判問(wèn)題，可靠驗(yàn)證了高軌導(dǎo)航接收機(jī)的功能性能與高軌導(dǎo)航接收機(jī)在整星典型模式下的應(yīng)用，對(duì)于綜合測(cè)試具有重大意義。

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The design of automatic ground test system based on high orbit satellite navigation receiver

NING Xiangwei1, DENG Yue1, ZHOU Fanhui2, ZHAO Pengfei1, WANG Kuo1

（1. Institute of Remote Sensing Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China; 2. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China ）

High orbit satellite navigation receiver is the core equipment to realize the autonomous orbit determination of high orbit spacecraft. In order to verify the high orbit satellite navigation receiver sufficiently and efficiently in the ground test stage, it is urgent to design the ground test system based on the high orbit satellite navigation receiver. In this paper, an automatic ground test system based on high orbit satellite navigation receiver is designed. The main innovations are as follows: Firstly, the system can simulate the navigation constellation signals

by high orbit satellite navigation receiver on orbit; Secondly,the navigation simulator has the function of simulating Beidou 3 constellation signal; Finally, the system sufficiently considers automation, generalization and integration design. The automatic ground test system based on high orbit satellite navigation receiver proposed in this paper can sufficiently verify the function and performance of high orbit satellite navigation receivers in the ground test stage. Considering the test implementation, this system can improve the test efficiency from the aspects of automation, generalization and integration and reduce the quality problems caused by human operation errors which can totally solve the problems of misjudgment and omission caused by manual interpretation.

High orbit satellite navigation simulator; Beidou 3 constellation simulation; Automation; Design of ground test system edge correlation

V554+.3

A

CN11-1780(2022)05-0044-09

10.12347/j.ycyk.20211117001

寧相偉, 鄧玥, 周凡卉, 等.基于高軌導(dǎo)航接收機(jī)的自動(dòng)化地面測(cè)試系統(tǒng)[J]. 遙測(cè)遙控, 2022, 43(5): 44–52.

DOI：10.12347/j.ycyk.20211117001

: NING Xiangwei, DENG Yue, ZHOU Fanhui, et al. The design of automatic ground test system based on high orbit satellite navigation receiver[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(5): 44–52.

2021-11-17

2021-12-10

寧相偉 1993年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榫C合測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)，天線(xiàn)設(shè)計(jì)。

鄧 玥 1996年生，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星測(cè)控和星間鏈路分系統(tǒng)測(cè)試。

周凡卉 1994年生，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星星載軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

趙鵬飛 1988年生，博士，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信技術(shù)。

王 闊 1989年生，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星測(cè)控測(cè)試方法設(shè)計(jì)。

(本文編輯：潘三英)