基于導航信號模擬器的采集回放測試方法研究

王 田 楊文彬 劉英乾 夏 天

(北京東方計量測試研究所，北京 100086)

1 引 言

隨著衛星導航系統的發展和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，生產的品種類型多種多樣，其功能和用途各不相同，對其功能和性能進行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]。

當前，根據測試實現方式可分為室內模擬測試和實際信號測試。室內模擬測試的優點是各類誤差影響、信號電平等因素能夠精確量化，實現對被測終端量化考核；但室內模擬測試信號與實際使用條件存在較大差異，室內測試結果不能全面反映實際使用效果[2]。實際信號測試是利用待測試終端接收實際的衛星信號，然后評估其性能，實際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。實際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。

由此產生了導航信號采集回放測試技術，通過采集存儲實際衛星導航信號，并在試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，在一定程度上解決衛星導航終端室內仿真環境與真實壞境的測試不一致性問題。

本文基于導航信號模擬器，對采集回放測試方法進行了初步研究。

2 采集回放測試系統構成

基于導航信號模擬器的采集回放測試系統如圖 1所示，導航信號模擬器按照設定的靜態場景軌跡生成導航射頻信號，采集回放儀和導航接收機同時接收導航信號，隨后利用采集回放儀進行回放，用同一臺導航接收機接收回放信號，比較接收機采集回放定位指標的變化情況。

實驗中選用湖南矩陣電子有限公司生產的GNS7601-B采集回放儀，導航信號采集回放儀由信號采集單元、存儲控制單元和信號回放單元三部分組成，其組成框圖如圖2所示。

2.1 信號采集單元

信號采集單元包括寬帶天線、射頻輸入模塊、高速數據采集模塊，用于接收GNSS衛星導航信號，完成射頻信號預處理、下變頻并實現對中頻信號的高速實時采樣，并將采樣結果發送到存儲控制單元進行存儲。

2.2 存儲控制單元

存儲控制單元由高速大容量磁盤陣列、數據流管理與控制模塊和用戶接口模塊組成。數據流管理與控制模塊用于完成設備的采集回放模式管理、頻段選擇、采集/回放時長和回放信號功率強弱控制等，用戶接口模塊完成用戶的人機操作交互。

2.3 信號回放單元

信號回放單元包括回放信號合成模塊和射頻輸出模塊，用于實現將采集存儲的數據合成為中頻信號，并進行上變頻轉化為測試所需的導航測試信號，并完成輸出信號的功率衰減控制。

其采樣頻率為100MHz，量化位數4bit，中頻頻率選用37.42MHz(L1頻點)、23.098MHz(B1頻點)，采樣頻段帶寬大于100MHz，采集數據以二進制補碼形式從低位存儲，每4個bit表示一個采樣點，每當存儲4 092個字節后，會有4個字節的校驗和，數據格式如圖3所示。

試驗中選用和芯星通UM220-III N導航接收機作為參考接收機，能夠同時支持BD2B1、GPS L1 兩個頻點。UM220-III N模塊利用一個USB串口，可支持數據傳輸、固件升級功能，輸入/輸出信號類型為LVTTL電平。默認波特率為9 600bps，最高可設為115 200bps，串口波特率均可自行配置。同時，攜帶有衛星顯控軟件CDT，可方便顯示星座視圖、消息及接收機狀態等，也可進行接收機配置。實物圖如圖4所示。

3 測試結果及分析

本文利用導航信號模擬器，以靜態場景為例，采集回放靜態導航信號，對參考接收機定位精度進行評估分析。

定位精度是指導航接收機接收衛星導航信號進行定位解算得到的位置與真實位置的接近程度，包括水平定位精度和垂直定位精度[3,4]。

本文采用標準差來描述接收機的精度[5]，具體如下：

首先計算各歷元輸出的定位數據在站心坐標系下各方向(NEU方向，即北東天方向)的定位誤差

ΔNi=Ni-N0i

(1)

ΔEi=Ei-E0i

(2)

ΔUi=Ui-U0i

(3)

式中：ΔNi、ΔEi、ΔUi——分別為第i次實時定位數據的N、E、U方向的定位誤差(i=1,2…n)，m；Ni、Ei、Ui—— 分別為第i次實時定位數據的N、E、U方向分量，m；N0i、E0i、U0i——分別為第i次實時定位的標準點坐標N、E、U方向分量，m。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：σN，σE，σU——分別為 定位誤差的標準差在N、E、U方向的分量，m；σH—— 定位誤差的標準差在水平方向的分量，m。

測試結果的報告：

水平定位精度：UH=σH

垂直定位精度：UU=σU

實驗中，利用導航信號模擬器播發L1+B1頻點信號，信號功率大小-100dBm，采集后進行回放，回放功率大小也為-100dBm，選取半小時數據進行分析，參考導航接收機位置精度結果如表1、圖5所示。

表1 采集回放測試結果Table 1 Record and playback test results

其N、E、U方向采集回放位置誤差示意圖如圖6所示。

影響接收機定位精度解算能力的因素主要有觀測時段內可見衛星數和信號載噪比。靜態開闊場景下，對回放信號和實際信號測試中接收機的可用衛星數(GPS和BD各選取四顆)及載噪比進行分析，如圖7、圖8、圖9所示。

可見，實際信號和回放信號可用衛星數相同、回放信號載噪比較實際信號載噪比降低1-2dB左右，水平精度及垂直精度結果誤差優于0.5m，回放基本真實復現了實際場景，這也從測試結果分析中得到印證。

4 結束語

本文基于導航信號采集回放儀開展了回放測試試驗，從終端接收機的測試結果角度，對靜態場景采集回放測試進行了初步分析。通過初步驗證分析，利用采集回放技術，在特定典型場景下采集導航信號，而后可在實驗室條件下進行多次反復回放，有效復現典型真實場景，基本實現高保真回放，可極大提高測試效率。

隨著北斗衛星部署逐步完成，衛星導航應用的深度和廣度都在不斷擴展。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測試存在著樣本少、覆蓋不全等問題，尚缺乏覆蓋廣泛的導航信號測試數據，利用導航信號采集回放，可積累海量典型場景導航數據，方便終端測試。

[1] 王田,夏天,張書鋒等.導航終端測試技術研究綜述[J].計測技術,2015.35(4):6～9.

[2] 張欽娟.北斗二號民用設備測試方法研究[J].現代電信科技,2012.15(3):78～80.

[3] 胡立志,董蓮.導航接收機檢測方法的探討[A].第三屆中國第三方檢測實驗室發展論壇[C].2011.

[4] Global positioning system(GPS)-Receiver equipment-Performance standards, methods of testing and required test results[S].second edition:2003.7.

[5] Hay C. Standardized GPS simulation scenarios for SPS receiver testing[A].2006:1 080～1 085.