基于北斗和網絡輔助北斗定位的測試研究

華忠思 博倫通信科技（北京）有限公司市場開發經理

黃歆宇 思博倫通信科技（北京）有限公司產品專家

基于北斗和網絡輔助北斗定位的測試研究

華忠思 博倫通信科技（北京）有限公司市場開發經理

黃歆宇 思博倫通信科技（北京）有限公司產品專家

中國的北斗定位導航系統目前已經完成在亞太區域提供區域導航和授時服務，預計到2020年完成覆蓋全球的目標，后續的發展會越來越快。本文主要介紹的是基于北斗定位以及基于網絡輔助北斗定位的接收機，如何通過測試的方法保證其一致性和性能。本文主要就北斗的傳導一致性測試、空口OTA測試的要求通過對國際規范做相應的研究介紹，提出了一些對生產線、質量控制、研發、運營商入網測試可行的北斗測試方法，并且簡單地介紹了其相應的測試設備和方案，以用于測試北斗和網絡輔助北斗定位技術，從而保證其性能并持續提高其用戶體驗。

北斗定位 網絡輔助北斗定位 全球定位導航系統 一致性測試 OTA測試

1 引言

基于GPS/GNSS（Global Navigation Satellite System，全球衛星導航系統）的應用日益廣泛，對于普通消費者而言它們通常是以所謂個人導航設備、手機、平板等獨立的或包含GPS/GNSS子系統的消費電子產品而大量出現。但隨著技術的進步和應用的創新，一些高端的或具有特殊應用的系統已經將GPS/GNSS系統與其他INS系統（慣性導航系統）、Wi-Fi無線網絡系統、局域增強系統（LBAS）等結合使用以提供更精確或有效的位置信息；或者在一些創新應用中結合無線通訊網絡將位置信息實時回傳到服務網絡中樞，構成網絡化的基于位置的服務應用（LBS），從而達到室內室外隨時隨地的定位能力。

目前，美國的GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統已經可提供完整的服務，中國的BeiDou系統也在2012年12月宣布提供區域導航服務。相信在不久的將來，隨著BeiDou、Galileo等衛星導航系統（GNSS）完成全球覆蓋，基于衛星導航的應用必將獲得廣泛和長足的發展。根據業界對市場的研判，未來3～5年，GPS/GNSS的發展大致會有下面幾個特點：

（1）應用于各類電子產品，包括智能手機、平板電腦、照相機、游戲機、運動相機、無人機等。

（2）多制式（Multi-GNSS）：即系統同時支持GPS+ GLONASS/+Galileo/+BeiDou等衛星導航系統。

（3）在多制式基礎上的多頻點擴展，如GPS L1+ L2、BD B1+B2等，以獲得更高精度。

（4）要求導航及定位接收機具有一定的抗干擾能力（同頻干擾或不同頻的強信號干擾）。

（5）集成化車載/移動終端：該終端將支持從音視頻、導航、LTE、Wi-Fi、藍牙等流行技術于一個綜合的平臺，并和通信網絡結合支持網絡輔助的北斗導航定位。

（6）動態交通流量數據所支持的智能導航將穩步發展。

（7）其他更多基于位置服務的應用及創新將不斷出現。

2 規劃對北斗或網絡輔助北斗定位的測試所需關注的方面

因此，回溯到產品（芯片、模組、終端）及其測試解決方案，通過由簡入繁、循序漸進的方式，規劃對北斗或網絡輔助北斗定位的測試非常有必要，能夠最終保證北斗定位市場的良性發展和良好的用戶體驗。從用戶體驗來說，定位主要關注以下幾個方面：

●Availability：是否隨時隨地都能獲得定位服務。

●Accuracy：定位的結果是否足夠精確。

●TTFF：定位時間快不快。

●Continuity：定位服務中斷的時間概率，是否表明有良好的連續性。

●Integrity：定位服務是否有足夠的可靠性。

3 北斗和網絡輔助北斗定位的測試方法及測試所需考慮的問題

針對北斗的測試方案和測試方法學主要依據以上用戶體驗來進行并保證其測試效果。下面圍繞北斗和網絡輔助北斗定位的測試方法和測試需要考慮的問題來做一個詳細的探討。

對于實驗室的測試來說，需要考慮如何在一個衛星仿真設備里構建衛星信號從太空傳遞到地面整個過程的場景（如圖1），具體包括：

（1）需要能仿真某一天某一位置的指定場景，當天每顆衛星所在的軌道位置以及到達接收機的不同接收功率。

（2）衛星信號穿過大氣層（對流層、電離層）產生的折射現象：不同密度的大氣會產生折射，衛星經過大氣層距離和角度的不同會影響折射的大小，從而影響最終定位精度。

（3）阻擋現象：樹林或者市區的阻擋，對于接收機來說，是看到了90%的天空還是只有30%的部分天空可見。

（4）衛星的多徑現象：由于云層或者水面反射，部分衛星信號存在多徑分量以不同時間和強度到達接收機。

（5）衛星接收機的天線方向圖：天線對于不同入射信號的接收能力有差異，主要表現在接收機天線不同方向的增益不同。

（6）多普勒現象：由于定位衛星不完全是地球同步衛星，其相對地面的接收機之間會有一個運動速度，根據相向運動或者遠離運動會有不同的多普勒頻偏效果。

對于復雜的研發測試來說，如果能構建有以上元素的場景，則實驗室測試能夠評估衛星接收機的真實能力。

圖1 衛星從太空傳遞到地面的過程

對于網絡輔助的衛星定位來說，其與純衛星定位的差別在于純衛星接收機鎖定衛星之后，會從衛星以50bit/s的速度直接下載定位需要的導航電文和輔助信息（如星歷、歷書、衛星時間等），而網絡輔助的衛星接收機可以從網絡側請求最新的定位輔助信息，根據不同網絡的不同協議，網絡可以通過控制面（CP）或用戶面（UP）兩種方式把最新的定位輔助信息傳送給接收機。網絡輔助衛星定位相比純衛星定位來說，可以更快的速度下載到天上的最新導航電文，從而大大加快冷啟動情況下的定位時間。對于測試來說，網絡輔助的衛星定位相比純衛星定位需要額外的網絡仿真器設備來配合衛星仿真器傳送同步的導航電文及定位輔助信息，其主要測試挑戰是網絡輸出的衛星導航電文和輔助信息需要和衛星仿真器輸出的射頻衛星信號完全同步，并且能對終端時間和衛星時間的時間誤差進行可靠的控制。通常，網絡輔助定位測試系統的架構如圖2所示。

圖2 網絡輔助北斗定位系統架構圖

4 網絡輔助定位測試的標準化情況

在國際上對于網絡輔助的定位測試有相應的標準組織在定義完整的測試規范，如3GPP、3GPP2、OMA、CTIA等。其中，3GPP定義了GSM/WCDMA/LTE控制面的網絡輔助定位射頻一致性和協議一致性規范；3GPP2定義了CDMA/EVDO控制面的網絡輔助定位射頻一致性和協議一致性規范；OMA定義了CDMA/GSM/WCDMA/LTE用戶面的網絡輔助定位協議一致性規范；而CTIA主要定義了各種網絡（CDMA/GSM/WCDMA/LTE）制式下網絡輔助定位的OTA天線方向圖測試。

針對如表1所示各種制式的組合，由于歷史原因導致不同的網絡輔助定位使用了不同的A-GNSS協議，詳細的規范如表2所示。

5 北斗和網絡輔助北斗定位的測試評估

不管對于北斗測試也好，還是對于網絡輔助的北斗測試也好，最終衡量定位結果的KPI主要是靈敏度（Sensitivity）、定位時間（TTFF）和定位精度（Accuracy），這3個重要的指標在不同的預定義場景（如圖1所示）被重復測試從而對北斗接收機進行一致性和性能的正確評判。另外一種更真實地評價北斗接收機在現網中的表現的方法是使用錄取回放儀表對外場的衛星信號進行抓取，其中包含頻段內的衛星信號，也包含頻段內的噪聲信號及其他技術對衛星頻段的諧波或雜散信號等，然后回到實驗室讓儀表對錄取的信號一五一十地回放出來。對于衛星這種單向接收的系統，錄取回放也是對實驗室測試的一種良好補充。

6 思博倫北斗測試解決方案

思博倫公司提供北斗測試的整體解決方案，包括生產線測試到Q/A測試、研發測試到高端研究所測試、軍隊測試、單模北斗的網絡輔助測試到多模BeiDou+GPS的網絡輔助定位測試等。下面簡單介紹各自的應用領域：

表1 通信制式和衛星制式組合的網絡輔助定位測試

（1）GSS6300M：仿真北斗及其他星群4或8個信道的多星群仿真器，簡單地對預置場景進行播放，主要用于簡單的生產線及質控測試。

（2）GSS6700：仿真北斗及其他星群12通道的多星群仿真器，能夠自定義復雜的場景，多用于研發測試。

（3）GSS6425：在外場真實環境中靜止或者運動地錄取北斗及其他星群的真實衛星信號，回到實驗室再進行可重復可控地回放。

（4）GSS9000：仿真北斗及其他星群多星群多頻點的高端衛星仿真器，能夠自定義復雜的多星群多頻點及噪聲場景，多用于研究所領域的高端研究開發。

（5）SR8100系統：集成了CDMA/GSM/WCDMA/ LTE無線通信通絡仿真器和GPS/GLONASS/BeiDou/ Galileo衛星仿真器，能夠完成各個國際規范定義的標準的網絡輔助定位測試，同時也用于定制開發運營商自定義的入網測試集。

7 結束語

北斗導航是一個正在蓬勃發展的新興系統，為了保持其可靠的運營和良好的用戶體驗，中國各個科研機構均對北斗系統的發展給出了指導性意見，包括將建立衛星導航的增強系統（星基及陸基系統），提供dm級實時精度和cm級后處理精度；將建立產品質量測試認證中心，加速標準和知識產品的構建；將加入各相關國際組織如國際民航、國際海事及3GPP等；將加強與其他衛星導航系統的兼容與互通；將推廣北斗在交通、能源、電力、通信、災難救援及恢復重建等方面的應用等。而北斗和網絡輔助北斗定位的測試技術也將飛速發展，并將為檢測并提高北斗的接收機性能和用戶體驗貢獻一份力量。

1 3GPP 25.172.Requirements for Support of Assisted Galileo and Additional Navigation Satellite Systems(A-GANSS) Frequency Division Duplex(FDD)

2 3GPP 36.171.Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Requirements for Support of Assisted Global Navigation Satellite System(A-GNSS)

3 3GPP 37.571-1.Universal Terrestrial Radio Access(UTRA) andEvolvedUTRA(E-UTRA)andEvolvedPacket Core(EPC);User Equipment(UE)Conformance Specification for UE Positioning;Part 1:Conformance Test Specification

4 3GPP 37.571-2.Universal Terrestrial Radio Access(UTRA) andEvolvedUTRA(E-UTRA)andEvolvedPacket Core(EPC);User Equipment(UE)Conformance Specification for UE Positioning;Part 2:Protocol Conformance

5 3GPP 37.571-3.Universal Terrestrial Radio Access(UTRA) andEvolvedUTRA(E-UTRA)andEvolvedPacket Core(EPC);User Equipment(UE)Conformance Specification for UE Positioning;Part 3:Implementation Conformance Statement(ICS)

6 3GPP 37.571-4.Universal Terrestrial Radio Access(UTRA) andEvolvedUTRA(E-UTRA)andEvolvedPacket Core(EPC);User Equipment(UE)Conformance Specifica tion for UE Positioning;Part 4:Test Suites

7 3GPP 37.571-5:Universal Terrestrial Radio Access(UTRA) andEvolvedUTRA(E-UTRA)andEvolvedPacket Core(EPC);User Equipment(UE)Conformance Specification for UE Positioning;Part 5:Test Scenarios and Assistance Data

8 OMA ETS SUPL 2.0.2.OMA-ETS-SUPL-V2_0_2-20141008-D.doc

BeiDou andA-BeiDou Positioning Testing Study

The BeiDou system of China already finished deployment in the APAC region for regional navigation and timing service.It’s expected that it can complete the world-wide coverage before 2020 as it grows faster and faster.This article is to introduce how to assure BeiDou and A-BeiDou receiver to pass conformance and performance evaluation by certain testing methodology.We studied BeiDou conductive test,over-the-air(OTA)test with related international standards,and proposed BeiDou/A-BeiDou testing solutions for product line,Q/A,R&D and carrier acceptance purpose. And it also briefly introduced related testing equipment and testing solution in the market which can be used for test Bei-Dou and A-BeiDou.Via the test,it can assure the BeiDou/A-BeiDou technology performance and improves user’s experience.

BeiDou positioning,A-BeiDou positioning,GNSS,conformance test,over the air test

2015-02-20）