基于模擬信號源的機載BDS接收機性能測試

倪育德 馬圓晨 張心一 劉鵬

摘要：針對機載北斗衛星導航系統（BDS）接收機無法進行實際測試的問題，基于對機載BDS接收機的首次定位時間（TTFF）、重捕時間和定位精度的分析與仿真，研究某一指標與相關參數的關系，提出利用全球導航衛星系統（GNSS）模擬信號源測試機載BDS接收機性能指標的測試方法。該方法結合真實飛行數據，利用GNSS模擬信號源模擬飛機運動過程，從而對飛行過程中機載BDS接收機的關鍵指標進行測試。測試結果表明：機載BDS接收機的首次定位時間滿足RTCA DO-208對TTFF不大于5min的要求;重捕時間基本滿足TSO-C146d對重捕時間不大于20s的要求;靜態誤差滿足北斗公開服務性能規范對其不大于10m的要求，動態誤差基本滿足RTCA DO-208對其小于230m的要求，且測試結果均符合理論分析。

關鍵詞：無線通信技術;性能測試;GNSS模擬信號源;機載BDS接收機

中圖分類號：TN967.1文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0021-08

0引言

民用航空作為衛星導航的最高端用戶，對機載北斗衛星導航系統（BDS）接收機的性能測試有著更為嚴格的要求，應具備特殊的質量標準體系和標準化的測試程序。國內外大多針對全球定位系統（GPS）接收機進行了性能測試與評估，重點制定了GPS接收機的測試評估標準及方案，而從事BDS應用終端測試技術的研究相對較少。目前，我國還沒有關于機載BDS用戶終端測試與評估的標準與規范。本文對國內外尤其是國際民航組織（ICAO）、美國聯邦航空管理局（FAA）和美國航空無線電技術委員會（RTCA）等頒布的GPS性能測試方面的標準和技術規范進行深人研究，分析機載BDS接收機的首次定位時間（TTFF）、重捕時間和定位精度與相關參數的關系，并通過構建相應的測試平臺測試BDS接收機的關鍵參數。研究成果將為機載BDS接收機性能測試標準的制定提供技術支持，對我國機載BDS接收機性能測試的標準化有較大意義。

基于模擬信號源的機載BDS接收機性能測試技術，具有準確、可控和可重復等優點。由于無法對機載BDS接收機進行實際測試，通過將真實的飛行數據導入模擬信號源，以測試不同飛行狀態下機載BDS接收機的重捕時間和定位精度，為機載BDS接收機性能的測試與評估提供了便利的條件。

1機載BDS接收機性能測試平臺

圖1為機載BDS接收機性能測試平臺框圖，主要包括GNSS模擬信號源、機載BDS接收機、性能測試軟件與數據處理軟件。其中GNSS模擬信號源模擬衛星導航信號供接收機進行接收處理，性能測試軟件通過遠程控制指令實現對模擬信號源參數和場景的設置，以及BDS接收機的啟動和指令讀寫。測試結束后，將模擬信號源參數與接收機測試數據送入數據處理軟件進行處理，實現對機載BDS接收機的性能分析與評估。

2首次定位時間

首次定位時間是指在給定條件下，接收機從開機到利用所接收的衛星信號解算出首個符合精度要求的定位結果所需的時間。

接收機從接收到衛星信號到獲得定位結果，需要對衛星信號進行捕獲、跟蹤、導航數據提取及位置解算等。因此，首次定位時間T可以劃分為兩部分即：

圖2給出了不同相關器數目M下，接收機平均捕獲時間與信號載噪比的關系。

由圖可知，在低載噪比區間，隨著載噪比的增加，平均捕獲時間顯著減小。隨著載噪比的繼續增大，平均捕獲時間的減小幅度趨于平緩。伴隨相關器數目的增加，平均捕獲時間也相應變短。

接收機冷啟動時，由于星歷數據未知，需要對導航電文進行解調。在BDS系統中，D1導航電文數據速率為50b/s，因此，接收機下載整個幀需要30s，僅下載第一到第三子幀需要18s。在實際測試中，由于下載起始點未知，因此接收機冷啟動時Td介于18～30s之間。

綜上所述，接收機TTFF主要受信號載噪比、接收機捕獲模塊相關器數目以及接收機啟動方式3個因素影響。

本文利用羅德與施瓦茲公司的SMBVl00A衛星導航信號源、NovAtel ProPak6兼容BDS機載接收機和自行設計的性能測試與數據處理軟件，搭建機載BDS接收機性能測試平臺，測試地點選在北京，分別進行500次熱啟動和冷啟動TTFF測試，分別如圖3和圖4所示。

由圖3、圖4可知，降低信號載噪比，TTFF隨之增加;同一載噪比下，冷啟動TTFF比熱啟動TTFF大20s左右，與Td在18-30s之間的理論分析相符，且上述測試結果均滿足RTCA DO-208對TTFF不大于5mm的要求。

3重捕時間

重捕時間是指當接收機由于衛星信號遭到遮擋，或接收機受到過大的動態應力而丟失所有的衛星導航信號時，從重新接收信號到獲得第一個有效的導航定位結果所需要的時間。

圖5對應表示了機載BDS接收機△t、Vmax分別為5s、241m/s，5s、288m/s，10s、241m/s，以及10s、288m/s 4種情況下重捕時間與載噪比的關系。

由圖可知，隨著載噪比的增加，重捕時間逐漸縮短。隨著相關器數目增加，重捕時間也隨之變短。比較圖5（a）和圖5（b）可得，當飛機最大運動速度增加時，重捕時間相應變長。比較圖5（a）和圖5（c）可知，失鎖狀態持續時間的增加也會導致重捕時間變長。

綜上所述，接收機的重捕時間主要受4個因素影響，即信號載噪比、接收機捕獲模塊相關器數目、失鎖狀態持續時間以及飛機最大運動速度。

將2017年4月14日天津一哈爾濱CSC8568次航班飛行數據導入模擬信號源，對真實飛行軌跡下機載BDS接收機的重捕時間進行測試，測試結果如圖6、圖7所示。

圖6給出了失鎖時間為10s、飛機最大運動速度為241m/s時3種載噪比下機載BDS接收機的重捕時間。可以看出，隨著載噪比的降低，接收機的重捕時間相應增大。圖7為同一飛行過程下，載噪比為50dB/Hz、失鎖時間為30s時的重捕時間測試結果。與圖6（a）比較可知，失鎖時間的增加將導致重捕時間增加。

下面以2018年1月16日廣州—北京CSN3113次航班飛行數據為測試依據，驗證機載BDS接收機在不同最大運動速度下的重捕時間，如圖8所示。

與圖6（a）比較可以看出，在載噪比和失鎖時間相同的情況下，飛機最大運動速度（Vmax=303m/s）的增加使機載BDS接收機對衛星信號的重捕時間增加，與理論分析結果相符，且上述測試結果基本符合TSO-C146對重捕時間不大于20s的要求。

4定位精度

衛星導航接收機測量來自衛星的導航定位信號的傳播延時，從而測得衛星信號接收天線相位中心與衛星發射天線相位中心之間的距離（偽距測量值），進而將它與衛星在軌位置聯合解算用戶位置。該位置誤差為

可見，定位誤差取決于偽距測量誤差和該誤差的放大系數PDOP。當參與定位的衛星星座被選定時，接收機的定位精度可通過偽距測量精度體現。

接收機主要誤差來自接收機跟蹤環路的誤差，它由載波跟蹤環測量誤差及碼跟蹤環測量誤差兩部分組成。下面對碼跟蹤環測量誤差進行分析。

綜合熱噪聲誤差與動態應力誤差，在DO-229C給出的幾種典型環路帶寬Bn以及天津一哈爾濱CSC8568次航班的真實加速度a情況下，仿真了碼跟蹤環測量誤差引起的偽距測量誤差，如圖9所示。

綜上所述，影響機載BDS接收機定位精度的因素主要包含4個，即載噪比、飛機運動加速度、環路噪聲帶寬和預檢測積分時間。需要注意的是，減小噪聲帶寬會改善碼環的熱噪聲性能，但同時會降低其應對動態應力的能力，故要綜合衡量選取較合適的噪聲帶寬。

定位精度測試分為靜態測試和動態測試，靜態測試選取同一時間下的北京和東京為測試地點，通過搭建的測試平臺，對載噪比分別為50dB/Hz和35dB/Hz情況下3號衛星的偽距數據以及位置數據進行采集，并計算衛星信號源與機載BDS接收機的偽距及定位誤差，分別如圖10～圖12所示。

由圖10可以看出，載噪比的降低導致偽距測量誤差增大，但誤差相差較小。由圖11和圖12可以看出，載噪比的降低將導致水平定位誤差增大，而對垂直定位誤差的影響較小，同時上述測試結果滿足北斗公開服務性能規范對靜態誤差不大于10m的要求。

下面選取廣州一北京CSN3113次航班與天津一哈爾濱CSC8568次航班真實飛行軌跡，對飛機爬升階段的偽距誤差和定位誤差進行計算，測試結果如圖13-圖15所示。

將圖13、圖14分別與圖10、圖11和圖12比較可以看出，由于飛機爬升階段動態應力的影響，機載BDS接收機的偽距測量誤差和定位誤差均遠大于靜態誤差。飛機爬升階段，廣州一北京飛行過程的最大垂直加速度為4.68g，天津一哈爾濱飛行過程的最大垂直加速度為1.73.g。故由圖14（b）和圖15可以明顯看出，相同載噪比下前者的垂直定位誤差大于后者，驗證了飛機運動加速度對機載BDS接收機定位精度的影響，同時上述測試結果基本滿足RTCA DO-208對動態誤差小于230m的要求。

5結束語

對機載BDS接收機的首次定位時間、重捕時間與定位精度進行了分析，研究每項指標與相關參數的關系，利用搭建的測試平臺對機載BDS接收機進行測試，測試結果表明機載接收機的各項性能基本滿足標準中所述要求，同時測試結果驗證了性能指標與主要參數的關系。研究成果對我國衛星導航終端的適航審定和標準的制定具有較大意義，同時為BDS接收機在中國民航領域的研發和應用提供支持。