北斗用戶機軟件測試

王　華,吳　強,張　侹

1. 西安測繪研究所,陜西 西安,710054;2. 地理信息工程國家重點實驗室,陜西 西安,710054

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北斗用戶機軟件測試

王華1,2,吳強1,2,張侹1,2

1. 西安測繪研究所,陜西 西安,710054;2. 地理信息工程國家重點實驗室,陜西 西安,710054

軟件測試是提高北斗用戶機軟件質量，確保北斗用戶機裝備質量的重要手段。本文在概述北斗用戶機軟硬件和接口的基礎上，從測試范圍、測試級別、測試類型、測試環境、測試策略、測試流程等方面對北斗用戶機軟件測試進行了介紹，提出了基于北斗信號模擬源的半實物仿真測試技術、基于原始采集信號的性能測試技術和基于正交試驗法的測試場景生成技術等關鍵技術，并就測試進場條件審查、測試需求確定和測試期間軟件管理等問題進行了探討。

北斗用戶機; 軟件測試; 半實物仿真; 正交試驗法

1　引　言

隨著我國北斗衛星導航定位系統的不斷發展，北斗用戶機在國防、交通、電力、漁業、消費電子等領域得到了廣泛的應用，對提升國防安全和推動經濟發展起到了重要作用[1]。但是，由于我國北斗產業發展不夠健全以及長期以來缺乏對產品質量和用戶體驗的關注，北斗用戶機在使用過程中還存在可靠性不高、人機交互不友好、操作不便、性能不穩定等諸多問題。通過對北斗用戶機軟件進行測試，檢查與軟件相關的北斗用戶機功能、性能等技術指標的實現情況，有助于發現軟件中潛在的各種缺陷，盡可能地改進、完善軟件代碼，不斷提高軟件質量，確保北斗用戶機裝備質量。

2　北斗用戶機概述

2.1系統組成

北斗用戶機通常包括下位機和上位機，如圖1所示。下位機由天線、射頻單元、基帶信號處理單元和信息處理單元組成。天線進行射頻信號的接收和發送；射頻單元進行射頻信號的放大、濾波、上/下變頻和數模/模數轉換；基帶信號處理單元主要對中頻采樣數據進行捕獲、跟蹤和偽距測量值、載波相位測量值、載波多普勒等原始測量值以及導航電文的輸出；信息處理單元主要進行原始測量值處理、導航電文解析和定位解算等。上位機主要為顯控單元， 用于為用戶提供人機交互

界面，主要完成各種信息的顯示和導航、指揮、控制等功能。

圖1　北斗用戶機系統組成

北斗用戶機從功能上可以分為導航型、定時型、指揮型、測量型。不同類型用戶機的下位機基本相同，區別是有的用戶機為單模(RNSS)，有的用戶機為雙模(RNSS和RDSS)；上位機則根據不同的用途采用不同的軟硬件設計。北斗用戶機軟件主要包括下位機的信號處理軟件、信息處理軟件和上位機軟件，如圖2所示。信號處理軟件運行于基帶信號處理單元，主要完成信號捕獲、跟蹤、觀測量輸出等功能，其硬件通常基于專用ASIC芯片；信息處理軟件運行于信息處理單元，主要完成捕獲控制、觀測量獲取、電文解析、定位解算、RAIM、接口協議處理等功能，其硬件通常基于DSP芯片或ARM芯片；上位機軟件包括導航型用戶機的導航軟件、定時型用戶機的顯控軟件、指揮型用戶機的指揮軟件以及測量型用戶機的測量軟件，主要完成路徑規劃和導航、時間顯示控制、態勢監控和指揮調度以及測量等專用功能，其硬件通常基于ARM芯片或通用CPU。

圖2　北斗用戶機軟件組成

2.2軟件接口

北斗用戶機軟件接口如圖3所示，包括以下接口：

●下位機軟件和北斗二號系統空間段接口：包括RDSS接口和RNSS接口，RDSS接口主要進行出入站信息的接收和發送，RNSS接口主要接收RNSS導航電文信息；

●下位機軟件和PRM模塊接口：主要發送原始導航電文，并接收格式轉換后的導航電文和精密測距碼等信息；

●下位機軟件和保密模塊接口：主要發送需加解密的RDSS信息和加密RNSS導航電文等信息，并接收RDSS用戶信息、已加密RDSS信息和已解密RNSS導航電文等信息；

●下位機軟件和加注設備接口：主要發送加注信息，并接收應答信息；

●下位機軟件和外部計算機接口：包括串口和USB兩種形式，通過串口主要向外發送衛星信息、定位信息、導航信息等信息，并接收定位申請、通信信息以及各種設置信息，通過USB接口主要進行地圖數據的導入、導出；

●下位機軟件和導航軟件接口：信息處理軟件和外部計算機之間的串口。

圖3　北斗用戶機軟件接口

3　北斗用戶機軟件測試

3.1測試范圍、測試級別和測試類型

從北斗用戶機發展現狀來看，基帶信號處理單元已完全芯片化，信號處理軟件的功能、性能則完全由專用ASIC硬件實現，因此，北斗用戶機軟件測試主要針對信息處理軟件和上位機軟件。根據北斗用戶機軟件組成和應用特點，一般需進行配置項測試和系統級測試。測試類型通常包括文檔審查、代碼審查、靜態分析、功能測試、接口測試、人機交互界面測試、性能測試，根據實際情況和具體要求還可進行代碼走查、余量測試、容量測試、強度測試、安全性測試等測試。

3.2測試環境

北斗用戶機軟件測試環境如圖4所示，包括被測北斗用戶機、北斗信號模擬源、北斗信號采集回放設備、測試計算機、測試中間件、測試管理計算機和測量設備。被測北斗用戶機為北斗用戶機軟件運行的實際環境；北斗信號模擬源和北斗信號采集回放設備能夠為被測北斗用戶機提供仿真信號和真實信號的回放，便于在實驗室中對北斗用戶機軟件進行測試；測試計算機主要用于對北斗用戶機軟件進行黑盒測試和白盒測試， 黑盒測

試計算機為北斗信號采集回放設備提供采集的樣本數據，并為北斗信號模擬源提供數據仿真和仿真控制，同時通過采集北斗用戶機的輸出數據進行性能評估，白盒測試計算機則通過集成開發環境和白盒測試工具、性能測試工具等對北斗用戶機軟件進行測試，包括靜態測試和動態測試；測試中間件(如：Trace32仿真器)用于支持北斗用戶機軟件的白盒動態測試；測試管理計算機用于對測試的整個過程進行規范化管理；測量設備主要對北斗用戶機的各種信號進行監測和測量。

圖4　北斗用戶機軟件測試環境

3.3測試策略

(1)靜態測試

靜態測試主要進行文檔審查、代碼審查、靜態分析和代碼走查。

文檔審查主要依據文檔審查單對軟件需求規格說明和軟件用戶手冊進行人工審查，重點審查文檔內容的完整性、一致性、準確性、規范性、直觀性、易理解性，以及功能需求和性能需求是否覆蓋技術指標要求。

代碼審查采用人工審查和測試工具結合的方式，依據代碼審查單對軟件代碼和設計的一致性、代碼編碼的規范性、代碼邏輯表達的正確性、代碼結構的合理性以及代碼的可讀性進行審查。

靜態分析主要采用白盒測試工具對軟件代碼進行控制流分析、數據流分析、接口分析和表達式分析。

代碼走查由測試人員和開發人員組成代碼走查小組依據軟件需求規格說明和軟件設計說明對軟件代碼進行逐行分析。北斗用戶機軟件代碼走查主要進行代碼流程走查和代碼功能走查。代碼流程走查是對整個代碼的工作流程以及各功能模塊之間的調用關系進行走查；代碼功能走查是對軟件核心功能模塊的具體實現進行走查，包括捕獲策略、電文解析、觀測量處理、PVT解算等功能模塊。

(2)動態測試

動態測試主要進行功能測試、接口測試、人機交互界面測試、性能測試、安全性測試、余量測試、容量測試、強度測試等。

功能測試依據軟件需求規格說明采用黑盒測試方法(包括功能分解、等價類劃分、邊界值分析、隨機測試等)對正常、異常操作進行測試，要分別對觸摸屏操作和鍵盤操作進行測試，確保兩種操作方式均可正常工作。

接口測試依據北斗二號系統接口控制文件和各接口協議對空間段接口、PRM接口、保密模塊接口、加注接口、串口和USB接口進行測試。一方面采用白盒測試方法仔細核查代碼中接口處理部分對接口控制文件和接口協議的符合性，另一方面采用仿真的正常和異常接口數據對接口進行黑盒測試。測試時應將上位機軟件和下位機軟件分開，獨立進行測試。

人機交互界面測試主要依據北斗用戶機軟件界面設計規范和軟件用戶手冊測試軟件人機交互界面的規范性、完整性、一致性、合理性和友好性。人機交互界面測試可與功能測試結合進行，但要有所區別。功能測試主要測試功能是否正確實現，而人機交互界面測試則主要測試軟件界面是否正確實現以及實現的效果。

性能測試主要針對響應時間類(如查詢響應時間、路徑規劃時間等)和容量類(如監控下屬用戶數、電文存儲容量)指標進行測試。對于響應時間類指標，采用源代碼插樁的方式進行測試，要在不同前提條件下進行測試(如不同地圖數據量)，而不僅僅是同一條件下的多次測試；對于容量類指標，采用仿真方式制備大量數據進行測試，仿真數據要符合真實數據的特點，具備多樣性(如不同比例尺條件下的地形圖、交通圖等)和邊界性要求等，而不應是單一數據的簡單復制。

安全性測試主要是對用戶機軟件的安全保密措施進行測試，主要包括密碼保護、自鎖、管理信息、口令識別、靜默、抑制、自毀等，既要確保安全保密措施正確有效，又要對用戶進行友好提示和指示，防止錯誤操作造成損失。

余量測試主要是對性能指標的余量進行測試，如無明確要求，一般至少留有20%的余量；容量測試主要測試容量類指標的最大能力；強度測試則是在軟件運行在極限狀態下檢驗軟件的運行狀態，如長時間連續拷機測試，最高定位頻度下軟件能否正常工作。

3.4測試流程

北斗用戶機軟件測試流程如下：

(1)環境構建：按照不同測試對象、測試級別、測試類型，結合測試工具、仿真設備等，構建相應的測試環境，如：白盒測試環境、半實物仿真測試環境等；

(2)數據準備：根據軟件的接口要求和測試要求，準備相關測試數據，包括真實數據和仿真數據；

(3)測試執行：按照測試說明執行測試用例，通常按照先靜態后動態、先白盒后黑盒、先功能后性能、先配置項級后系統級的順序進行測試；

(4)測試評估：收集并綜合分析測試執行的輸出數據，對軟件的功能、接口、性能、安全性等進行評估以及對軟件質量進行評價。

北斗用戶機軟件測試流程如圖5所示。

圖5　北斗用戶機軟件測試流程

4　關鍵技術

4.1基于北斗信號模擬源的半實物仿真測試技術

半實物仿真測試技術是一種介于全數字和全實物之間的測試技術，具有全實物測試系統的真實性和全數字仿真測試系統的靈活性[2]。在半實物仿真測試系統中，被測軟件運行在目標機中，保證了被測軟件運行環境的真實性；與目標機連接的其他設備則通過硬件模擬器實現，能夠真實地模擬被測軟件運行所需的外圍物理環境，并且能夠靈活設置被測軟件的輸入，記錄被測軟件的輸出結果。

北斗用戶機軟件測試構建了基于北斗信號模擬源的半實物仿真測試環境，軟件運行在真實的北斗用戶機上，而其接收的衛星導航信號則由北斗信號模擬源仿真生成。由于在模擬源中可以對仿真時間、可見衛星、衛星分布、信號功率、用戶位置、用戶軌跡、用戶動態、電離層延遲、對流層延遲、信號多徑等要素進行靈活的設置[3]，因此可以快速方便地生成各種正常和異常測試場景，包括各種極端和邊界情況，從而保證測試的充分性。另外，通過采集北斗用戶機的輸出數據和北斗信號模擬源的仿真數據進行對比分析，還可以對與北斗用戶機軟件相關的定位精度、測速精度、捕獲時間等指標進行評估。

相比在真實環境下進行測試，基于北斗信號模擬源的半實物仿真測試具有簡單方便、快速有效、覆蓋全面、可重復、成本低等優點。

4.2基于原始采集信號的性能測試技術

采用北斗信號模擬源可以有效地對北斗用戶機軟件進行功能測試，也可以較為方便地對定位精度、測速精度等性能指標進行測試。但是由于北斗用戶機的真實使用環境復雜多樣，北斗信號模擬源很難準確模擬，特別是對于城市峽谷、森林等遮擋環境下不斷運動的用戶，因此，采用北斗信號模擬源測試得出的定位精度、測速精度等指標并不能完全反映北斗用戶機的真實性能。

對此，我們采用北斗信號采集回放設備采集多種典型環境下的北斗原始信號，將其下變頻為中頻采樣信號進行實時存儲，同時采用高精度RTK設備記錄用戶位置、速度等信息。然后在實驗室中將采集到的中頻采樣數據進行回放，待測的北斗用戶機接收回放的射頻信號進行定位解算，通過和高精度RTK設備記錄的用戶位置、速度等信息進行對比分析，對北斗用戶機軟件的定位精度、測速精度等性能指標進行評估。

基于北斗原始采集信號對北斗用戶機軟件進行性能測試能夠克服北斗信號模擬源仿真模型不夠準確的缺點，采集的數據可以進行重復測試，且對于所有待測用戶機測試場景完全一致，避免了真實環境下測試的不可重復性。

4.3基于正交試驗法的測試場景生成技術

如上節所述，基于北斗信號模擬源進行北斗用戶機軟件測試時，需要對仿真時間、可見衛星、衛星分布、信號功率、用戶位置、用戶軌跡、用戶動態、電離層延遲、對流層延遲、信號多徑等要素進行參數設置并組合形成不同的測試場景。由于這些要素數目較多，且每個要素均有多個狀態，如果要對所有的組合都進行測試，將會造成測試用例爆炸，導致測試難以進行。為了解決這個問題，我們采用基于正交試驗法的測試場景生成技術。

正交試驗法是研究多因素、多水平的一種試驗方法，它利用正交表來對試驗進行設計，根據正交表的正交性從全面試驗中挑選適量的、有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具有“均勻分散、整齊可比”的特點[4]，通過較少的試驗就可以取得較好的試驗效果。針對北斗用戶機軟件測試，首先確定和測試相關的要素，然后采用等價類劃分法選取各要素的水平，再根據要素和水平的個數選取正交表，最后對正交表進行合并裁剪得到最終的測試用例。

采用正交試驗法進行測試用例生成，可以大大減少測試用例的數量，同時并不明顯降低測試用例的有效性。

5　需要關注的幾個問題

在北斗用戶機軟件測試中有以下幾個問題值得關注：

(1)北斗用戶機軟件在測試前需滿足測試進場條件

被測件和相關文檔應完整齊備，一般必須具備軟件可執行程序和軟件需求規格說明、軟件用戶手冊，必要時應提供軟件源代碼和軟件設計說明等文檔，且軟件源代碼應為完整工程文件，不能以保密為由將部分代碼隱藏或以動態鏈接庫形式提供；軟件版本應固定，且為正式版本，包括系統版本和配置項版本，確保技術狀態穩定；北斗用戶機硬件平臺應穩定可靠，以免測試過程中發生硬件故障，影響測試工作的正常進行。

(2)科學確定測試需求

測試需求分析階段應科學、全面、充分地對軟件進行分析[5]，根據《軍用軟件產品定型管理辦法》相關規定和北斗用戶機的具體使用要求，確定北斗用戶機軟件測試的測試范圍、測試級別、測試類型和測試內容。研制總要求往往只是規定北斗用戶機的整機戰技指標，粒度較粗，并不對其是硬件指標還是軟件指標進行具體說明，這就要求我們對研制總要求進行深入分析和挖掘，從中提取出與軟件相關的指標和隱含的軟件測試需求。

(3)嚴格測試期間的軟件管理

北斗用戶機軟件測試通常要進行兩次回歸測試，軟件研制方人員在回歸測試之前需要對軟件進行修改，這期間軟件往往是脫離于研制方的質量管理體系之外的，技術人員為了減少麻煩往往會自行修改完善后提交軟件給測試方，比較隨意，缺乏有效的質量監管，容易造成軟件版本失控、提交軟件和源代碼不一致等問題。因此，研制方必須嚴格按照質量管理體系要求對軟件進行出入庫管理和版本控制。

6　結束語

本文在概述北斗用戶機硬件、軟件、接口的基礎上，從測試范圍、測試級別、測試類型、測試環境、測試策略、測試流程等方面對北斗用戶機軟件測試進行了介紹；為了提高北斗用戶機軟件測試的充分性、有效性和和解決測試用例爆炸問題，提出了基于北斗信號模擬源的半實物仿真測試技術、基于原始采集信號的性能測試技術和基于正交試驗法的測試場景生成技術等關鍵技術，并就測試進場條件審查、測試需求確定和測試期間軟件管理等問題進行了探討，可為北斗用戶機軟件研發和測試提供一定借鑒和指導。

[1]譚樹森. 北斗衛星導航系統的發展與思考[J]. 宇航學報, 2008, 29(2): 391-396.

[2]蔡建平. 嵌入式軟件測試實用技術[M]. 北京: 清華大學出版社, 2010.

[3]王華. 北斗信號生成平臺研究及其實現[D]. 南京: 理工大學, 2011.

[4]于秀山. 正交試驗設計方法在測試用例設計中的應用[J]. 計算機工程與應用, 2004, 20(1): 62-63.[5]王峰. 軍用軟件定型測評大綱和報告編制與評審中應注意的事項[J]. 軍用軟件測評實驗室, 2015(45): 1-6.

Software Testing on BeiDou Receiver

Wang Hua1,2, Wu Qiang1,2, Zhang Ting1,2

1. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China

Software testing is an important way to improve BeiDou receiver software quality and ensure the equipment quality. Based on an overview of BeiDou receiver software and hardware interface, the receiver software testing is introduced from aspects of the range, level, types, environment, strategy, process and so on. Several key technologies are proposed including the semi-physical simulation test technology based on Beidou signal simulator, the performance test technology based on original signal sampling, and the test scenario generation technology based on orthogonal test method. Finally, discussions are conducted on test entry condition examination, test requirement determination, software management and other issues.

BeiDou receiver; software testing; semi-physical simulation; orthogonal test method

2015-09-08。

王華(1985—)，男，工程師，主要從事軟件測評研究。

TP311.5

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