衛星導航終端批量測試系統設計

李　騰，王禮亮，楊　勇，梁書忠

(北京衛星導航中心，北京　100094)

衛星導航終端批量測試系統設計

李騰，王禮亮，楊勇，梁書忠

(北京衛星導航中心，北京100094)

摘要：針對衛星導航終端產品大規模批量化測試需求，提出了衛星導航終端批量測試系統的設計任務和要求，設計了批量測試系統的總體架構:設計內容覆蓋信號、信息、鏈路等多個層面，具有測試批量化、組件模塊化、系統擴展性強等特征；同時給出了信號分路控制、暗室微型化、并行控制評估等批量測試系統實現關鍵要素的技術方案。最后，通過批量測試系統的工程化應用驗證了該系統設計的技術可行性和測試高效性。

關鍵詞：衛星導航終端；批量測試；總體架構；數字分路；微小暗箱

0引言

2012年底北斗二號衛星導航系統正式開通服務，北斗系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)建設完成了“三步走”戰略的第二步，實現了有源定位加區域無源定位的雙體制服務能力。在北斗系統建設和導航應用發展的雙重驅動下，以導航終端為核心環節的北斗衛星導航應用產業鏈蓬勃發展，國內參與到導航終端研制、生產、應用的單位已達上萬家，形成了產品多樣化、產量規模化、產地分散化的北斗應用產業發展格局[1-2]。與此同時，BDS應用主管部門要求各類北斗用戶設備必須通過入網檢測，以確保導航終端不對北斗衛星系統造成危害、不因質量問題影響北斗應用效果。可見，必須形成以批量、普適、廣泛為特征，與產業發展格局相協調的導航終端檢測能力，來支撐衛星導航應用產業健康有序發展和確保主管部門相關要求有效落實。

目前，室內無線仿真測試系統是形成衛星導航終端檢測能力的主要物質支撐，其原理是：利用衛星導航信號模擬器，仿真衛星導航終端各種使用環境；并以自動化的測試控制手段，實現對被測導航終端(equipment under test，EUT)的功能檢查和指標考核[3-4]。然而，現有測試系統大都基于大型微波暗室構建，通常只能單臺串行測試，檢測效率非常有限；另外，系統建設復雜度高、成本大，維護使用過程對人員技能要求高，難以大量建設并推廣應用。因此，導航終端產品檢測的能力提升非常緩慢。這與快速增長的檢測需求之間產生嚴重供求矛盾，且日益嚴峻；如果解決不好，檢測將成為北斗衛星導航應用產業發展的重大瓶頸。

為解決上述矛盾現狀，需要設計出測試容量大、推廣價值高的衛星導航終端批量測試系統(以下簡稱“批測系統”)。

1系統設計任務與要求

簡單說來，批測系統就是一套能夠同時對多臺被測件進行流程化檢測的設備組。對任何批量測試系統而言，需要解決的首要核心問題都是測試的“并行一致”性：“并行”要求系統提供足夠數量的測試環路，實現測試的時間同步性；“一致”要求系統協調統一控制、點對點精確獨立調節所有被測件的狀態，保證測試的空間重復性。

另外，為提升系統的推廣價值，必須充分考慮面向多層次、多類別用戶的大眾化產品屬性和差異化應用需求：“大眾化”要求降低系統建設的復雜度和成本，便于使用維護；“差異化”要求提高系統使用的靈活度，批量規模可變，測試模式多樣。

基于上述批檢系統設計任務的理解，結合現有導航測試技術和測試設備水平，提出以下設計要求：

1)多路并行的測試鏈路。系統具有數量足夠的仿真信號輸出、測試接口和測量輸入的硬件資源，可同時構建多條并行的測試鏈路。

2)準確可控的測試環境。被測件在系統中所處的測試環境應盡量減少非受控因素影響，作用在被測件的測試信號可通過精確調整而保持批次一致。

3)靈活可靠的測試控制。系統根據不同測試需求提供靈活多樣的測試流程控制策略，在批量測試中保證系統控制的協調性和可靠性。

4)模塊化系統組件。系統各組件采用模塊化設計，將構建的復雜度封裝于模塊內部，模塊外部呈現簡明的連接或校準接口，實現快捷建設和即插即用。

5)開放式系統架構。鑒于用戶使用測試系統的批量規模和應用模式較為豐富、多樣，系統架構應保持一定彈性，使接口設計兼顧擴展需求，用戶可“搭積木式”地定制構建系統的功能和規模。

2系統體系結構設計

根據多路并行、準確可控、靈活可靠、模塊化、開放式的設計要求，對衛星導航終端批量測試系統進行頂層架構設計，包括測試資源構成和工作流程控制兩大方面。

2.1系統測試資源構成

一般而言，通用測試系統資源構成包括：激勵資源、測量資源、開關裝置、接口裝置和測試控制評估5大部分[5]，并配套相關輔助設備。圖1示意了典型的北斗導航終端測試鏈路。

圖1　典型北斗導航終端測試系統設備組成示意圖

由圖1可知：結合通用測試系統資源構成理論來分析，導航信號模擬器是激勵資源，提供多頻點、多體制的仿真測試信號及仿真用戶動態；入站接收機是主要測量資源，用于獲取L頻段入站信號的頻率、功率、時延、信號質量等指標；信號鏈路分配單元是開關裝置，可對激勵信號進行路徑分配調度和物理指標調節；接口裝置在這里是一個廣義的概念，包含系統與EUT發生信號交互的測試接口(無線測試環境)、發生信息交互的通信接口，以及系統向EUT提供的時頻信號、設備供電等物理接口；測試控制評估單元是整個系統的信息樞紐和人機交互界面，由測試評估軟件和基于以太網的通信網絡構成；輔助裝置用以支持特定測試項目的實現，包括外部時鐘基準、測試轉臺、程控電源、串口服務器等組件。

在使用同一測試方法標準的前提條件下，批測系統測試的資源要素與典型系統基本一致，但資源運作實現方式需創新設計，主要涉及鏈路和設備層面的內容[6]。

2.1.1集中式模擬與分布式播發的并行鏈路架構

在鏈路層面，實現多路并行有3種參考方案：

1)多源多路方案。使用與測試容量(并行測試終端數)相同數量的信號器，復制構建多套如圖1所示的經典系統。該方案以極高的建設成本實現了多路信號的獨立調節，難以保證多路同步性和仿真一致性。

2)單源多路方案。利用功分器將一個信號器產生的仿真信號分為多路，再分別提供給被測終端，通常用于有線測試。該方案保證了多路同步和仿真一致；但由于功分器各通道的頻響差異，難以實現多路測試信號物理指標的一致性和可控性。

3)單源廣播方案。在具有多個靜區的微波暗室中，設置多個無線測試工位，讓被測件同時接收暗室中廣播的導航信號。該方案僅能支持無源定位體制下的并行測試，且測試容量受暗室規模(靜區數量)限制；同時因被測件存在非期望的電磁輻射，難以保證測試電磁空間的準確可控。

綜合以上方案的特點及局限性，批測系統采用集中式信號模擬，即在同一時鐘基準和數學仿真模型下，集中并行輸出多路仿真信號，各端口、各頻點信號的物理指標可精確獨立控制；同時，采用分布式鏈路播發，即為各被測件分別提供獨立并存的無線測試環境，確保測試接口可準確控制、數量增減便捷：這樣既保證仿真多路輸出的并行一致，又保證測試環境條件的獨立可控。

2.1.2集成化、模塊化、低成本的設備形態

在設備層面，現有系統無法實現批量測試主要受制于2點：一是缺少能夠提供多路激勵信號的設備；二是無線測試環境設施建設復雜度和成本太高。

鑒于此，批測系統需要引入集成導航信號仿真、生成和分配功能的多端口激勵設備，為系統提供足夠多的激勵資源；還需要設計代替微波暗室的模塊化、微小化環境設備，大幅降低無線測試環境的建設復雜度和成本，為系統提供足夠多的獨立測試接口。

1)陣列信號模擬器：在導航接收機多陣子抗干擾天線測試中使用的數字陣列信號模擬器[7]，采用大規模數字陣列基帶信號合成技術，實現了在統一時鐘基準下的大規模高精度可配置多路信號模擬生成；每路信號的載波相位、功率、頻率、時延獨立可控，基本滿足集中式信號模擬需求，可作為批測系統的多端口激勵設備。

2)集成化微小暗箱：應用于小型通信產品測試的微小暗箱是相近借鑒；但需要分析導航終端檢測環境要求，進行針對性設計。導航終端無線測試環境的基本要求包括：①電磁波工作頻率為1～2.5 GHz；②系統及被測件的信號收發使用低方向性天線；③具有較被測件尺寸而言足夠大的內部靜區；④集成測試轉臺和通信接口。

因此設計構建模塊化集成微小測試環境的難點及技術關鍵點在于：如何在最小的空間里實現對測量精度及重復度的要求，確保測試靜區大小足夠、電磁環境穩定；以及對低方向性天線靜區反射波有效抑制。

2.1.3系統資源構成框圖

基于陣列信號模擬器和微小暗箱，設計集中式信號模擬與分布式信號播發相結合的模塊化系統架構。其資源構成如圖2所示。

2.2系統工作控制流程

測試系統軟件控制流程就是以“測試需求輸入—測試控制實施—測試結果輸出”為主線，從任務、信息、信號、鏈路等多層面，執行測試操作、調度系統資源、實施測試管理[8-9]。結合導航終端產品測試特點和批量測試需求，設計批測系統軟件控制的流程如圖3所示。

圖2　批量檢測系統資源構成框圖

圖3　導航終端批量測試系統軟件控制流程圖

2.2.1輸入

控制流程的輸入實際是對測試任務的解析定義過程，定義內容包括2個方面：一是EUT基本屬性、測試指標體系、支撐測試流程運轉的系統鏈路連接、測試信號仿真等工程要素；二是設備接口協議、測試方法等標準要素[10]。

批量測試中，各被測件的測試輸入可能存在差異，比如測試鏈路零值修正量、仿真測試場景動態特性、串口通信波特率等;因此，須為測試流程控制提供與批量化、多樣化測試任務(包括批量大小、指標項目、測試場景等)相匹配的描述維度和資源配置靈活度。

2.2.2控制實施

控制流程的實施是通過一個個定義模板化、過程流程化、控制自動化的測試工程來實現的。測試工程從建立、執行到完成的過程中，系統依次進行了測試登記、鏈路連接、信號播發、通信交互、狀態反饋、異常處理、數據存儲等工作流程。

批量測試在提升系統容量的同時，增加了系統工作流程的控制復雜度和出錯概率，可采用“狀態反饋機制”來應對異常：流程中各受控組件既響應系統控制指令，又實時向系統反饋上報狀態信息。如出現個體錯誤，系統執行單臺剔除并告警；如出現共性錯誤則系統中止并跳轉。

2.2.3輸出

測試流程輸出內容包括原始數據、狀態記錄、評估結果及其不確定度分析等。其中測試評估結果是測試流程的直接產品，它由數據庫中記錄的EUT原始測試數據和已知系統仿真數據對比得出，并以報表或圖形的形式呈現。另外，考慮到系統運行過程控制和量值溯源需求，流程設計上應對測試過程中系統狀態(特別是錯誤狀態)記錄和整理;并對測試結果進行不確定度評定:這些輸出項可作為測試評估結果的組成部分以及系統持續改進的重要依據。

3系統關鍵技術設計

3.1仿真測試信號并行輸出分路設計

并行輸出的多路測試信號需要在空間上指標高度一致、在時間上單多頻點合路輸出。傳統的基于功分器的模擬分路技術(其分路原理如圖4所示)，雖然通過在各端口加入功放/衰減器件可實現功率一致性調節，但各路信號易產生鏈路間互擾;且由于各信號通路固有的器件頻響差異，多頻點信號的功率一致性調節幾乎無法實現。

圖4　基于功分器的模擬分路技術

批測系統陣列信號模擬器采用數字分路技術(其分路原理如圖5所示)。模擬器在基帶之前利用現場可編程門陣列(field-programmable gate array，FPGA)將仿真信號分至M路輸出，根據各路信號特性及應用，在數字信號層面計算出由FPGA配給的各分路信號的通道參數；然后通過上變頻及信號合成等將多路信號并行輸出，實現各路信號對自身時延和功率等的獨立控制。

圖5　導航信號模擬器數字分路技術

為保證多路信號的仿真有效性，需要在數字分路前產生足夠的波形資源。圖5中的導航波形模擬單元作為系統的資源池，通過對資源池中硬件資源的綜合優化和功能重構，可滿足多體制導航信號波形的產生需求；另外根據各衛星導航系統發布的導航信號接口規范，建立了4大導航系統數十個導航信號分量的統一波形描述模型，可實現波形部署、調度管理和并行受控輸出，為系統提供并行分配使用的多路仿真信號。

3.2低成本微小無線測試環境設計

以微小暗箱為主體的模塊化無線測試環境，采用單方位準遠場電磁環境一體化設計，在機械上盡量減小箱體體積的情況下，形成了可逼真無線自由空間測試效果的測試靜區。設計上采用3點措施：

1)通過吸波材料的處理，在不產生多模式雜波的條件下，將發射天線激勵產生的點源信號轉換為可穩定測量的平面波信號；

2)箱體設計為錐形，并利用楔形吸波面，在減少吸波材料對波束影響、保證波束純凈的前提下，以最短傳播距離使波束穩定并完成到平面波的轉換；

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3)當平面波形成后，在矩形腔體內利用不同吸波材料的配合，使靜區最大化并保持穩定。

圖6是一種錐形微小暗箱的結構形態及電磁場分布示意。

圖6　數值模擬錐形暗箱縱向截面電磁場分布圖

由圖6可知：暗箱成品占地約1 m2，立高不到3 m，建設成本約為3 m法全電波暗室的1/10，矩形腔體內測試靜區≥20 cm(直徑)×10 cm(高)，可支持在無線條件下進行導航產品雙體制定位性能測試。

3.3多場景并行測試控制設計

批測系統的自動化批量測試控制能力，簡單說包括以下幾項工作：1)通過人機界面操作制定測試計劃；2)自動按照測試序列順序執行測試任務；3)調度實現有限測試資源的共享和并行測試，并避免資源沖突，優化測試效率。

其中第3點是實現多場景并行測試控制的關鍵;在設計上以有限狀態機模型為基礎來解決這一自洽運行問題。測試流程每到一個試驗步驟都有相應的狀態機類存儲當前系統各設備以及用戶機的狀態信息(包括系統各設備以及用戶機各種可能出現的狀態和信息)。

為避免流程異常導致的系統錯誤，設計了2種機制：其一，通過定時器驅動定時查詢狀態機的狀態信息，根據狀態機的信息判斷系統自動運行的跳轉條件，保證系統能夠合理地自動跳轉；其二，采用異常捕獲機制避免系統可能出現的非預期錯誤，在每個狀態機的判斷上都加入異常捕獲判斷，如果出現非預期異常現象說明該EUT的測試狀態或者測試數據已不正常、該項測試已經失敗，測試流程跳出當前測試，自動轉入下一個測試項目。

4結束語

基于本文提出批量檢測系統設計，目前已研制建設了若干套實用系統;這些系統極大地提高了使用單位的檢測能力和檢測效率，并為全國的衛星導航產品檢測體系建立提供了物質支撐。以北京衛星導航中心的北斗導航終端批量測試系統為例，該系統承擔北斗用戶設備入網測試等質量一致性檢驗，使該中心的測試效率較之前提升5倍以上。

此外，批測系統的模塊化、集成化架構還支持一些創新測試應用模式，比較典型的有：

1)同源異構差分測試模式。利用多場景同步仿真能力和多個獨立無線測試接口，將同一時鐘基準下星座相同、用戶軌跡不同的仿真信號同步接入不同測試接口，構建雙/多用戶無線差分信號場景，實現對定向、定姿、RTK設備的無線仿真測試。

2)多源星座分布式測試模式。利用模擬器的數字分路功能與開關矩陣的多路分配功能，產生多路并行輸出的單星多頻信號，并定向配送到測試空間特定方位播發，構建天線陣多點分布的測試場景，實現逼近真實環境的星座化室內無線測試。

當然，基于微小暗箱的批測系統也存在一定局限性，仍有幾處技術細節有待完善，例如：受箱體尺寸限制難以支持大型EUT和抗干擾測試；系統狀態核查還缺少標準化專用裝置；無線鏈路時延快速標定技術還不成熟；批量產品連接適配組件還有待完善等。這些問題將是下一階段系統設計和實踐的重要研究內容。總之，批量檢測系統的設計理念和總體架構在工程化實踐中得到了驗證和肯定，系統設計將會在技術發展和測試實踐中迭代改進。

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Design of batch-testing system for satellite navigation terminal

LI Teng，WANG Liliang，YANG Yong，LIANG Shuzhong

(Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China)

Abstract：For the need of large-scale testing of satellite navigation terminals，the tasks and design requirements of a batch-testing system were discussed in the paper.An overall architecture of batch-testing including layers of signal，information and physical link was designed，in order to make the testing efficiently，expediently and extensible.Meanwhile，solutions to signal demultiplexing，miniature anechoic chamber and concurrency control were suggested.Finally，technical feasibility and efficiency of this design were verified by some engineering practice.

Keywords：satellite navigation terminal；batch-testing；overall architecture；digital demultiplexing；miniature anechoic chamber

收稿日期：2015-10-18

第一作者簡介：李騰(1986—)，男，陜西寶雞人，碩士，工程師，研究方向為衛星導航應用與導航終端測試。

中圖分類號：P228；TP274

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4999(2016)02-0075-06

引文格式：李騰，王禮亮，楊勇，等.衛星導航終端批量測試系統設計[J].導航定位學報，2016，4(2)：75-80.(LI Teng，WANG Liliang，YANG Yong，et al.Design of batch-testing system for satellite navigation terminal[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：75-80.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160216.