GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛 霞,秦紅磊,路 輝

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

薛 霞,秦紅磊,路 輝

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

針對(duì)GNSS接收機(jī)整機(jī)性能快速、全面、精確測(cè)試的需求,構(gòu)建了一種基于NI PXI硬件平臺(tái),并采用衛(wèi)星信號(hào)模擬器、虛擬儀器技術(shù)和Microsoft Visual Studio 2008軟件進(jìn)行開發(fā)的GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。同時(shí)針對(duì)GNSS接收機(jī)時(shí)間特性、靈敏度特性、精度特性性能指標(biāo)的特點(diǎn),提出了組合測(cè)試相關(guān)指標(biāo)的方法,文中分別闡述系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及自動(dòng)測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn),最后使用BDS接收機(jī)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的驗(yàn)證。大量測(cè)試結(jié)果表明該GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于GNSS接收機(jī)的整機(jī)性能測(cè)試方便、快速、有效。

衛(wèi)星信號(hào)模擬器;GNSS接收機(jī);自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng);性能測(cè)試

0 引言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)的蓬勃發(fā)展,各種類型的GNSS接收機(jī)層出不窮。GNSS接收機(jī)的軟硬件性能測(cè)試方法越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)廣大用戶和接收機(jī)制造商的關(guān)注[1-4]。傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)試是使用天線接收真實(shí)的衛(wèi)星信號(hào)來(lái)獲得評(píng)價(jià)性能指標(biāo)的數(shù)據(jù),這種方法會(huì)受到復(fù)雜的環(huán)境變化和信號(hào)傳輸時(shí)間效應(yīng)等的影響,信號(hào)變化多端,可重復(fù)性差,準(zhǔn)確度無(wú)法保證。自動(dòng)測(cè)試則是利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器為GNSS接收機(jī)測(cè)試提供能夠重復(fù)執(zhí)行可靠測(cè)試的已知信號(hào)的環(huán)境,以完成在不同條件下GNSS接收機(jī)的性能測(cè)試。運(yùn)用GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以完成許多手工測(cè)試無(wú)法實(shí)現(xiàn)或難以實(shí)現(xiàn)的測(cè)試,并且可減少勞動(dòng)強(qiáng)度,具備可控性、低成本、可重復(fù)性、開發(fā)快等優(yōu)點(diǎn)[4]。

自動(dòng)測(cè)試技術(shù)是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù), GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試技術(shù)包括程控接口技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、專家系統(tǒng)、故障測(cè)試技術(shù)、開放可互操作的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)(automatic test system, ATS)實(shí)現(xiàn)技術(shù)[5]。目前接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)取得了一些成績(jī)[5-8],但是需要組建更加全面精確測(cè)試的系統(tǒng)來(lái)滿足開發(fā)商與用戶的需求。構(gòu)建一種基于虛擬儀器技術(shù)的GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),采用美國(guó)國(guó)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(kuò)展(PCI extensions for instrumentation,PXI)硬件平臺(tái)與Microsoft Visual Studio 2008軟件平臺(tái),以及美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(National Marine Electronics Association,NMEA)在1983年制定的標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)定位數(shù)據(jù)的獲取,完成整機(jī)性能的測(cè)試。此測(cè)試平臺(tái)可靈活、快速、高效地實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的性能測(cè)試,替代傳統(tǒng)的手工測(cè)試。另外,對(duì)各個(gè)性能指標(biāo)的組合測(cè)試使測(cè)試時(shí)間更短,測(cè)試效率更高。

1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)包括測(cè)試軟件、測(cè)試設(shè)備、被測(cè)設(shè)備。測(cè)試系統(tǒng)利用自動(dòng)測(cè)試軟件配置用戶接收機(jī)需要的仿真信號(hào)參數(shù);測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過軟件通信協(xié)議控制模擬器根據(jù)測(cè)試軟件配置的參數(shù)仿真產(chǎn)生需要的射頻信號(hào),給接收機(jī)提供測(cè)試的環(huán)境;測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通過程控電源控制接收機(jī)的開啟與關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試的需求;被測(cè)接收機(jī)接收模擬器產(chǎn)生的射頻信號(hào),定位結(jié)算輸出NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù);測(cè)試軟件解析、處理的被測(cè)接收機(jī)輸出的定位解算信息和仿真場(chǎng)景理論數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估接收機(jī)的性能指標(biāo)[9],測(cè)試平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

1.2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由PXI機(jī)箱、程控直流電源、GNSS接收機(jī)以及輸入輸出設(shè)備組成。測(cè)試系統(tǒng)集成于PXI機(jī)箱,自動(dòng)測(cè)試軟件與模擬器軟件均采用軟件平臺(tái)Microsoft Visual Studio 2008。PXI機(jī)箱采用8個(gè)槽位PXI Express機(jī)箱,即PXIe-1082結(jié)構(gòu),以及PXIe-8133高性能嵌入式控制器,模擬器板卡包括中頻信號(hào)板卡、射頻信號(hào)板卡。測(cè)試軟件與模擬器軟件、模擬器軟件與硬件板卡驅(qū)動(dòng)的通信需采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議,以及WinSock客戶服務(wù)器方式建立連接。測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)備連接如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)備連接圖

1.3 自動(dòng)測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試軟件包括用戶信息管理、測(cè)試設(shè)備管理、測(cè)試結(jié)果管理、指標(biāo)常規(guī)測(cè)試、測(cè)試狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)表生成模塊、誤差曲線導(dǎo)出、歷史數(shù)據(jù)查詢、幫助信息中心等模塊。GNSS接收機(jī)整機(jī)測(cè)試并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),但卻有一些典型的測(cè)試項(xiàng)來(lái)衡量其整機(jī)性能[4]。其中指標(biāo)常規(guī)測(cè)試模塊是整個(gè)測(cè)試軟件的核心,包括指標(biāo)獨(dú)立測(cè)試與組合測(cè)試,獨(dú)立測(cè)試即系統(tǒng)指標(biāo)互不影響、分立測(cè)試。組合測(cè)試即系統(tǒng)指標(biāo)組合測(cè)試縮短時(shí)間、提高效率?？蓽y(cè)試的指標(biāo)包括靜態(tài)定位精度、定位更新率、冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間、熱啟動(dòng)首次定位時(shí)間、失鎖重捕獲時(shí)間、捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、失鎖重捕獲靈敏度、測(cè)速精度。

系統(tǒng)軟件使用模塊化設(shè)計(jì),各個(gè)模塊之間相互協(xié)作共同完成測(cè)試軟件功能,各個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行,可重復(fù)使用并易于修改與擴(kuò)展[8]。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件功能模塊如圖3所示。

圖3 軟件功能結(jié)構(gòu)

2 自動(dòng)測(cè)試方法設(shè)計(jì)

根據(jù)時(shí)間特性、靈敏度特性、精度特性將測(cè)試指標(biāo)分為三類,分別組合測(cè)試。

2.1 時(shí)間特性的測(cè)試方法

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

圖4 時(shí)間特性測(cè)試流程

評(píng)估指標(biāo)的方法:接收機(jī)從開始計(jì)時(shí)到連續(xù)N次定位誤差在設(shè)定范圍內(nèi)的第一次滿足誤差要求的時(shí)間間隔為所測(cè)指標(biāo)。在測(cè)試流程設(shè)計(jì)過程中,各個(gè)參數(shù)均為開放式配置模式,可使用默認(rèn)設(shè)置參數(shù)或根據(jù)需求自行設(shè)置參數(shù)。

2.2 靈敏度特性的測(cè)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(shè)備為無(wú)輔助的冷啟動(dòng)條件且定位信息能夠輸出滿足要求的最低信號(hào)電平;失鎖重捕獲靈敏度要求信號(hào)短暫中斷并能夠重新定位滿足定位要求的信號(hào)電平;跟蹤靈敏度要求設(shè)備能夠在捕獲后,穩(wěn)定輸出滿足定位要求的信號(hào)電平。綜合考慮各指標(biāo)的特點(diǎn),組合測(cè)試流程如圖5所示。

評(píng)估方法:捕獲靈敏度、失鎖重捕獲靈敏度均是從開始計(jì)時(shí)到連續(xù)N次定位誤差在設(shè)定范圍內(nèi)的第一次滿足誤差要求的時(shí)間間隔時(shí)的最小功率。跟蹤靈敏度則是評(píng)判定位點(diǎn)滿足定位誤差要求的點(diǎn)數(shù)與總采樣數(shù)的比率在規(guī)定范圍內(nèi)的最小功率。

2.3 精度特性的測(cè)試方法

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

圖5 靈敏度特性測(cè)試流程

圖6 精度特性測(cè)試流程

評(píng)估方法:位置精度是將所測(cè)時(shí)間內(nèi)所有測(cè)試點(diǎn)與理論點(diǎn)位置的標(biāo)準(zhǔn)差。定位更新率是將所測(cè)時(shí)間內(nèi)收到接收機(jī)的定位信息條數(shù)與所測(cè)時(shí)間的比率。測(cè)速精度是將所測(cè)時(shí)間內(nèi)所有測(cè)試點(diǎn)與理論點(diǎn)速度的標(biāo)準(zhǔn)差。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的驗(yàn)證需要測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備與被測(cè)設(shè)備以及測(cè)試軟件。測(cè)試軟件參數(shù)配置界面如圖7,測(cè)試系統(tǒng)可以模擬任意時(shí)間任意地點(diǎn)的不同幾何精度因子下的衛(wèi)星信號(hào)[10],其中測(cè)速精度測(cè)試結(jié)果界面如圖8所示。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)模擬器參數(shù)配置界面

圖8 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果顯示界面

3.2 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)的GNSS接收機(jī)正受到國(guó)內(nèi)外用戶的青睞,本文以某公司生產(chǎn)的BDS接收機(jī)為測(cè)試對(duì)象,分別做了時(shí)間特性的測(cè)試、靈敏度特性的測(cè)試、定位精度測(cè)試、速度精度測(cè)試。各個(gè)指標(biāo)測(cè)試的基礎(chǔ)條件為信號(hào)模擬器模擬場(chǎng)景為BDS的B1頻點(diǎn),無(wú)時(shí)變偽距誤差模式,在世界大地坐標(biāo)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(hào)功率-120 dBm。指標(biāo)評(píng)估有效時(shí)定位精度需滿足50 m誤差范圍。

3.2.1 時(shí)間特性測(cè)試

測(cè)試環(huán)境需滿足基礎(chǔ)條件并且用戶接收機(jī)靜止。對(duì)多次測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)求得均值方差如表1所示,冷啟動(dòng)時(shí)間小于62 s,熱啟動(dòng)時(shí)間小于25 s,失鎖重捕獲時(shí)間小于3 s。從方差可以看出被測(cè)接收機(jī)性能波動(dòng)較大。

表1 時(shí)間特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.2.2 靈敏度測(cè)試

測(cè)試環(huán)境需滿足基礎(chǔ)條件并且用戶接收機(jī)靜止,功率衰減幅度1 d B。通過改變發(fā)射功率測(cè)出接收機(jī)的捕獲靈敏度,然后設(shè)定為失鎖重捕獲靈敏度與跟蹤靈敏度的開始測(cè)試功率。對(duì)多次測(cè)試結(jié)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(gè)指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果浮動(dòng)較大,受模擬器信號(hào)穩(wěn)定性、接收機(jī)本身工作的可靠性影響較大。

表2 靈敏度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.2.3 定位精度測(cè)試

測(cè)試環(huán)境需滿足基礎(chǔ)條件并且用戶接收機(jī)靜止,接收機(jī)以固定頻率1 Hz更新定位結(jié)果。對(duì)多次測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.2.4 測(cè)速精度

信號(hào)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)試環(huán)境需滿足基礎(chǔ)條件,采用低速汽車載體模型,方向?yàn)楸逼珫|45°,使載體作水平直線勻速運(yùn)動(dòng),測(cè)得水平速度精度結(jié)果如表4所示。

表4 水平速度精度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

測(cè)試環(huán)境需滿足基礎(chǔ)條件,采用高速載體模型,方向?yàn)楸逼珫|45°,使載體作水平直線勻速運(yùn)動(dòng),測(cè)得水平速度精度結(jié)果如表5所示。

表5 水平速度精度特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

圖9 速度精度特性測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)對(duì)不同速度的多次測(cè)試結(jié)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(nèi),隨著載體速度的變大,載體測(cè)速精度誤差趨于變大,并且最大誤差不超過4.035 m/s。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過測(cè)試結(jié)果表明,GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)GNSS接收機(jī)整機(jī)性能的快速、可靠、靈活的測(cè)試。通過NI PXIe-8133高性能嵌入式控制器與PXI Express機(jī)箱的結(jié)合使用使系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量提升,工作效率提高,運(yùn)行可靠。在接收機(jī)測(cè)試過程中,測(cè)試時(shí)間的長(zhǎng)短與測(cè)試的有效性取決于測(cè)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(jī)的測(cè)試,對(duì)于多接收機(jī)的測(cè)試需要擴(kuò)展設(shè)備,例如功分器、串口服務(wù)器等,因此構(gòu)建導(dǎo)航多接收機(jī)快速測(cè)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(shù)基礎(chǔ)科研計(jì)劃(J1320130001)。

薛霞(1989—),女,河北石家莊人,碩士生,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)等。

薛霞,秦紅磊,路輝.GNSS接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),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