導航終端測試技術研究綜述

王田，夏天，張書鋒，陳強，彭明

(北京東方計量測試研究所，北京100086)

0 引言

隨著衛星導航系統的發展和應用的普及，衛星導航產業成為增長最為快速的產業之一，同時也成為宇宙科學、地球物理科學等領域最為有效的科研手段，衛星導航已經與互聯網、移動通信共同成為21世紀信息技術領域發展的三大支柱產業。衛星導航系統作為基礎性的信息系統能提供全球性的導航定位與授時服務，衛星導航的應用已經滲透到了國家安全、經濟建設與發展以及人們日常生活的幾乎所有領域，并將產生越來越大的影響［1］。縱觀全球，目前除已建成的美國GPS 導航系統外，正在建設中的包括歐洲的伽利略系統、俄羅斯的GLONASS 系統、我國的北斗衛星導航系統。

衛星導航系統由空間部分、地面控制部分和用戶部分組成。導航終端作為用戶部分是衛星導航系統應用的重要組成部分，衛星導航系統的導航、定位、授時等都是通過終端實現的。隨著衛星導航技術在生產生活領域應用的不斷深入，導航終端的使用規模在不斷擴大，導航終端的類型多種多樣，其功能和用途各不相同，對其功能和性能的測試驗證顯得尤為重要。因此，導航終端的測試技術是衛星導航應用的核心技術之一，是研發具備自主知識產權的高性能導航終端的必要手段，可有力推動導航終端的規范化、標準化發展，具有巨大、長遠的經濟效益和社會效益。

1 導航終端測試環境

衛星導航終端測試環境包括室內測試、室內輻射環境測試、地基測試場測試和實際信號測試［2-3］。下面分別予以介紹。

1.1 室內測試

該測試環境利用衛星導航信號模擬器搭建測試平臺，是目前最常用的測試形態［4］。其測試原理是利用衛星導航信號模擬器產生衛星射頻信號輸入給被測終端，終端衛星信號處理模塊接收信號進行定位解算并將導航結果上報給控制評估計算機，控制評估計算機將上報的定位結果與模擬器的參考軌跡信息進行比對，得出終端的性能參數，測試原理如圖1所示［5-6］。

圖1 終端測試原理

衛星導航信號模擬器是該測試形態的主要支柱，具備完備的衛星導航信號仿真能力和操控能力，能夠設定某顆衛星位置變化規律，軌道、衛星鐘差、電離層對流層時延等系統誤差可控，輸出信號功率亦可控，成為導航實驗室和測試研發機構不可或缺的儀器。利用其搭建的測試平臺進行終端性能測試，具有成本低、重復性好、測試流程可控、測試效率高等優點。

北京東方計量測試研究所(以下簡稱“航天五院514所”)為開展北斗比對測試工作，建立了一套完整的自動化模擬環境測試系統，其連接示意圖如圖2所示。

圖2 模擬信號測試系統連接示意圖

該模擬信號測試系統由GNSS 衛星信號模擬器、多路射頻信號分配系統和測試控制與評估軟件分系統組成，支持8 路并行自動化測試。該系統能夠模擬多體制多顆衛星在軌的位置分布和運動，模擬衛星星歷、導航電文、對流層延遲、電離層延遲等，模擬載體運動軌跡，實時或近實時地完成閉環仿真試驗;同時模擬信號測試系統具備對多體制衛星接收機性能的全面測試和評估功能，測試的項目可涵蓋GNSS 衛星導航用戶設備的定位精度、靈敏度、定位時間、動態性能等諸多測試項目。

在測試方法上，該系統優化了測試流程，通過自動定時播發測試相關指令，實時接收被測設備上報數據，利用專門的評估軟件給出實時評估結果，極大地提高了測試效率和測試可控性。

1.2 室內輻射環境測試

該測試形態主要是基于微波暗室的測試環境，優點在于成本較低、重復性好、可控性好、可全天候工作，與外界電磁環境隔離便于保密，可以對包括天線和射頻前端在內的整機系統進行測試［7］。

為開展終端測試，航天五院514 所建立了北斗一號無線暗室測試系統，其系統連接示意圖如圖3所示。

圖3 測試系統連接圖

開展無線模式測試時，北斗一號用戶設備置于微波暗室內的轉臺上，測試控制與評估系統控制北斗一號出站信號模擬器通過天線發射衛星導航信號，入站接收機通過天線接收具有RDSS 功能的用戶機發射的入站信號，分別設置不同的場景對用戶機的定位、定時、測距、位置報告等功能進行測試。無線模式測試設備布局聯系圖如圖4所示。

圖4 無線測試模式設備布局連接圖

1.3 地基測試場測試

地基測試場是針對衛星導航系統性能評估、改進，對新的信號格式、新的服務功能進行試驗、驗證以及對導航用戶設備進行測試、試驗和鑒定的專用試驗環境的統稱［8］，可對衛星導航系統整體進行性能測試，可對各類導航終端設備進行測試驗證。地基測試場一般需要在空曠區域建設，成本高、容易受到外界射頻干擾進而影響測試精度、保密性差等［9］。

目前世界上已有多個國家建成或正在建設衛星導航地基測試場，作為導航系統的試驗驗證手段為導航系統的建設服務，以便提高整個系統的先進性和可靠性，主要的衛星導航測試場有:美國GPS 系統建設的YUMA 系統以及IGR 系統、德國的伽利略歐洲測試系統GATE、歐洲伽利略測試場(GTR)［10］、中國的伽利略測試認證環境項目(CGTR)［11］。

CGTR 是一個針對中國境內Galileo 接收機、用戶終端和應用的綜合測試認證和試驗演示系統環境。在Galileo 系統全部建成之前，CGTR 承擔起Galileo 接收機及應用系統在中國區域的開發、測試、試驗、演示、應用推廣等一系列職能;在Galileo 系統正式投入運行之后，CGTR 將繼續發揮Galileo 接收機產品在中國區域的測試認證和應用演示推廣作用，還可以作為Galileo 本地增強系統的應用開發提供服務。根據CGTR 系統承擔的職能，將其劃分為四個功能組成單元:即室內測試認證系統(ITE)、外場測試試驗系統(OTE)、應用演示與推廣中心(ADC)、測試接收機開發(GTRD)。其內外場測試環境和系統體系結構分別如圖5 和圖6所示。

圖5 內外場測試環境

圖6 CGTR 系統體系結構

1.4 實際信號測試

此類測試形態即在實際信號環境下采用跑車進行測試，沒有模型的近似，完全符合真實情況，測試的結果就是導航終端的實際性能。實際信號測試結果與測試場景的星座狀態、終端周邊環境以及當時的大氣信號傳播環境密切相關，測試不可重復，測試成本較高。

航天五院514 所建立了一套完整的實際信號跑車測試平臺，平臺由測試車輛、高精度光纖深耦合組合導航系統、固定工裝、計算機、UPS 電源等組成。其測試系統原理及平臺組成示意圖如圖7、圖8所示。

圖7 實際信號測試系統原理圖

圖8 實際信號測試平臺

實際測試中，將組合慣導系統基準站和流動站進行安裝、連接及調試，被測終端放置在測試工位，對組合慣導系統及被測設備加電，測試系統發送測試指令，實時記錄組合慣導系統和被測設備數據，事后進行評估。

實際信號跑車測試完全符合真實情況，但測試成本較高、重復性差，常用于普通民用終端的測試。

2 總結

綜上，導航終端的測試方法可以分為兩大類:基于模擬器的模擬導航信號測試和真實信號測試。

基于模擬導航信號的終端性能測試方法是利用衛星導航信號模擬器仿真的導航衛星信號，通過設置不同的測試參數和場景，為導航終端的研制和測試提供一個穩定、準確、可靠和易用的測試環境，優點是測試場景完全受控，測試可重復進行，各類誤差影響、信號電平等因素能夠精確量化，但是用模擬信號測試方法來評估終端在實際信號接收環境下的性能時有明顯的局限性，真實信號有各種各樣的隨機因素，而模擬的信號由于其仿真模型的局限性，不能完全模擬真實信號的隨機因素，所以在模擬信號測試方法中的測試結果會與實際信號接收環境下的性能差異較大［12］。

真實信號的測試方法是利用待測試終端接收實際的衛星信號，然后評估其性能，真實信號測試沒有模型的近似，測試的結果就是接收終端的實際性能。真實信號結果與測試場景的星座狀態、電離層、多路徑、接收機周邊環境以及當時的大氣信號傳播環境密切相關，所以測試可重復性較差，測試成本較高。

為此，結合兩者優點，使導航終端測試更接近真實場景而又減少測試成本，需大力開展導航信號高精度采集技術的研究，通過采集存儲實際衛星導航信號，并在實驗室環境下進行回放，能夠有效完成衛星導航終端的實際使用性能測試，不僅能夠避免實際外場測試時衛星信號的不確定性，而且可以減少外場測試的時間和費用。

3 展望

北斗導航測試數據規范化是北斗技術產業化和國際化推廣的核心。隨著北斗衛星部署逐步完成，北斗信號空間段測試已經建立完整的指標體系和測試方法，而在地面應用段面向應用場景的測試理論體系和方法尚不完善。由于導航終端的實際性能與應用場景環境密切相關，而目前國內測試機構進行的真實信號路測存在著樣本少、覆蓋不全等問題，尚缺乏覆蓋廣泛的導航信號測試數據，同時缺少數據共享的標準與機制，而支持復雜場景的公共測試數據服務平臺是測試領域發展趨勢。

基于典型場景數據，建設標準公共測試數據集及共享平臺是當前測試領域發展趨勢，通過向全球所有開發者開放統一典型場景標準測試數據集，為不同行業的導航終端提供完備、高效的測試條件，并通過統一的數據采集回放測試規范，有效地實現導航測試數據的長期積累，擴充完善測試數據庫內容，為北斗產品設計正確性、測試完備性、公正性以及測試結果一致性提供保障，為北斗導航技術和相關產品的開發、市場普及和全球化推廣提供技術支持，這也是開展后續技術攻關的出發點和落腳點。

［1］劉婧.GNSS 接收機測試與評估方法研究［D］.遼寧:遼寧工程技術大學，2013.

［2］楊博，郭淑霞，劉寧.基于大型微波暗室的衛星導航接收機測試［C］//第一屆中國衛星導航學術年會電子文集.北京:中國衛星導航學術年會組委會，2010.

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