導(dǎo)航信號采集回放測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

黃建生，李 超，李宇宏，李 瑤

( 1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081;2.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094; 3.西安衛(wèi)星測控中心,陜西 西安 710000)

0 引言

作為國家信息化基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在交通運輸、基礎(chǔ)測繪、打撈搜救、金融、通信、電力、工程勘測、農(nóng)業(yè)、資源調(diào)查、地震監(jiān)測、公共安全、應(yīng)急救災(zāi)和國防等領(lǐng)域提供位置、導(dǎo)航和授時服務(wù)。特別是隨著北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運行，衛(wèi)星導(dǎo)航終端在各行各業(yè)的應(yīng)用出現(xiàn)了井噴式的發(fā)展，并由此帶來了對衛(wèi)星導(dǎo)航終端測試評估的迫切需求，急需大量的功能齊全、性能穩(wěn)定、運行高效的衛(wèi)星導(dǎo)航裝備測試系統(tǒng)[1]。導(dǎo)航終端測試主要分為實驗室模擬環(huán)境下的仿真測試和真實衛(wèi)星環(huán)境下的實星測試兩種。由于真實衛(wèi)星環(huán)境下的一些干擾因素無法量化和仿真，導(dǎo)致兩種測試下的結(jié)果并不一致，這是仿真測試的不足之處。而實星測試受測試條件的約束，便捷性和可重復(fù)性差。本文論述的基于采集回放儀的導(dǎo)航終端測試系統(tǒng)解決了以上兩種測試所遇到的問題。

1 導(dǎo)航終端測試系統(tǒng)

導(dǎo)航終端的測試系統(tǒng)主要分為兩類，一類是在實驗室內(nèi)進行衛(wèi)星導(dǎo)航仿真測試，另一類是在室外進行實星測試。

1.1 室內(nèi)測試系統(tǒng)

實驗室內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航仿真測試主要是在實驗室內(nèi)建設(shè)微波暗室測試環(huán)境，通過數(shù)學模型仿真BDS、GPS、GLONASS以及Galileo衛(wèi)星星座、衛(wèi)星運動特性、導(dǎo)航信號空間傳輸環(huán)境以及被測終端典型運動特性等。模擬產(chǎn)生衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作環(huán)境，生成被測導(dǎo)航終端天線口面接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，對衛(wèi)星導(dǎo)航終端的功能性能進行測試和評估。這類測試系統(tǒng)精度高、靈活性和可重復(fù)性好，適用于導(dǎo)航終端臨界性能的測試評估。

1.2 室外測試系統(tǒng)

室外實星測試是將衛(wèi)星導(dǎo)航終端安裝在已知固定基準點或者安裝在汽車、飛機或輪船上接收真實衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并安裝一臺RTK高精度接收機同時工作作為評估基準，對衛(wèi)星導(dǎo)航終端性能進行測試。這類測試系統(tǒng)可以考核導(dǎo)航終端在實際應(yīng)用條件下的性能評估，反映導(dǎo)航終端的實戰(zhàn)性能，但是這類測試一般是臨時性的，受測試時環(huán)境因素影響較大，可重復(fù)性差。

1.3 室內(nèi)/外測試系統(tǒng)優(yōu)缺點

室內(nèi)/外測試系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，詳見表1。室內(nèi)仿真測試系統(tǒng)的缺點和局限性包括：(1)與真實衛(wèi)星導(dǎo)航信號環(huán)境測試結(jié)果不一致，實驗室仿真測試系統(tǒng)定位精度誤差一般小于1m，而真實衛(wèi)星導(dǎo)航信號環(huán)境下定位精度誤差一般在2m～6m；(2)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)特殊信號(授權(quán)信號)的測試不具備條件。室外實星測試系統(tǒng)的缺點和局限性包括：(1)受當時試驗環(huán)境的影響較大；(2)測試過程較復(fù)雜，成本過高，測試的可重復(fù)性較差。

表1 室內(nèi)、室外測試系統(tǒng)優(yōu)缺點分析表

2 導(dǎo)航信號采集回放測試系統(tǒng)

本文設(shè)計的導(dǎo)航信號采集回放測試系統(tǒng)結(jié)合了兩種類型測試系統(tǒng)的優(yōu)點，避免了兩種測試系統(tǒng)的不足。針對不同的應(yīng)用模式采集回放測試系統(tǒng)既可以采集實驗室仿真信號，通過回放方式對導(dǎo)航終端進行測試評估。也可以采集室外實星環(huán)境的導(dǎo)航信號，通過回放方式對導(dǎo)航終端進行測試評估[2]。

2.1 應(yīng)用模式

實星環(huán)境導(dǎo)航信號采集回放測試系統(tǒng)如圖1所示。采集回放儀采集實星環(huán)境中的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，在實驗室微波暗室中對被測導(dǎo)航終端進行實星信號測試。用于考察導(dǎo)航終端的實戰(zhàn)性能指標和特殊信號性能指標。

圖1 實星環(huán)境導(dǎo)航信號采集回放測試系統(tǒng)

仿真環(huán)境導(dǎo)航信號采集回放測試系統(tǒng)如圖2所示。采集回放儀采集仿真環(huán)境中的衛(wèi)星導(dǎo)航信號，在實驗室微波暗室中對被測導(dǎo)航終端進行仿真信號測試，用于考察導(dǎo)航終端臨界性能指標[3-4]。

圖2 仿真環(huán)境導(dǎo)航信號采集回放測試系統(tǒng)

圖3 信號和數(shù)據(jù)采集工作原理圖

2.2 工作原理

采集回放導(dǎo)航終端測試系統(tǒng)工作包括兩個過程。(1)衛(wèi)星導(dǎo)航信號和觀測數(shù)據(jù)采集。實星采集環(huán)境中采集真實衛(wèi)星導(dǎo)航信號，通過RTK高精度接收機采集觀測數(shù)據(jù)，并進行存儲。實驗室仿真采集環(huán)境中采集衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器的信號和觀測數(shù)據(jù)。信號和數(shù)據(jù)采集工作原理如圖3所示。(2)衛(wèi)星導(dǎo)航信號回放和測試評估。在實驗室微波暗室的仿真測試環(huán)境中將所存儲的衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行回放，按照測試流程控制被測導(dǎo)航終端接收信號，采集測試數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)處理和評估方法對數(shù)據(jù)進行處理，獲取導(dǎo)航終端性能指標評價結(jié)果。信號回放和測試評估工作原理如圖4所示。

圖4 信號回放和測試評估工作原理圖

3 試驗驗證

實星環(huán)境下使用導(dǎo)航信號采集回放測試系統(tǒng)利用車載北斗導(dǎo)航終端進行試驗驗證。對衛(wèi)星導(dǎo)航信號和數(shù)據(jù)進行采集，采集時長60min，導(dǎo)航終端運動軌跡圖如圖5所示。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號和數(shù)據(jù)采集的同時，對車載北斗導(dǎo)航終端的定位精度進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果見表2，定位精度統(tǒng)計分析如圖6所示。

表2 實星環(huán)境導(dǎo)航終端定位精度試驗統(tǒng)計結(jié)果

圖6 導(dǎo)航終端定位精度統(tǒng)計分析圖

實驗室中使用導(dǎo)航信號采集回放測試系統(tǒng)回放采集的導(dǎo)航信號，使用車載北斗導(dǎo)航終端進行試驗驗證。對車載北斗導(dǎo)航終端的定位精度進行統(tǒng)計分析，表3是統(tǒng)計結(jié)果，定位精度統(tǒng)計分析如圖7所示。

表3 采集回放測試系統(tǒng)導(dǎo)航終端定位精度試驗統(tǒng)計結(jié)果

圖7 導(dǎo)航終端定位精度統(tǒng)計分析圖

試驗結(jié)果表明實星環(huán)境定位精度試驗結(jié)果和采集回放測試系統(tǒng)定位精度試驗結(jié)果基本一致。

4 結(jié)束語

基于采集回放儀的導(dǎo)航終端測試系統(tǒng)，能夠避免室內(nèi)仿真環(huán)境測試和實星環(huán)境測試中的不足，同時能夠滿足在實驗室條件下對導(dǎo)航終端實際性能的測試驗證與評估，且測試場景具有可重復(fù)性。本研究對推動衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品檢測認證標準化和規(guī)范化具有重要意義[5]。