導(dǎo)航終端測試技術(shù)研究綜述

王田，夏天，張書鋒，陳強(qiáng)，彭明

(北京東方計(jì)量測試研究所，北京100086)

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用的普及，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)成為增長最為快速的產(chǎn)業(yè)之一，同時(shí)也成為宇宙科學(xué)、地球物理科學(xué)等領(lǐng)域最為有效的科研手段，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信共同成為21世紀(jì)信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的三大支柱產(chǎn)業(yè)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為基礎(chǔ)性的信息系統(tǒng)能提供全球性的導(dǎo)航定位與授時(shí)服務(wù)，衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用已經(jīng)滲透到了國家安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展以及人們?nèi)粘Ｉ畹膸缀跛蓄I(lǐng)域，并將產(chǎn)生越來越大的影響［1］?？v觀全球，目前除已建成的美國GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)外，正在建設(shè)中的包括歐洲的伽利略系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS 系統(tǒng)、我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶部分組成。導(dǎo)航終端作為用戶部分是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的重要組成部分，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航、定位、授時(shí)等都是通過終端實(shí)現(xiàn)的。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在生產(chǎn)生活領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，導(dǎo)航終端的使用規(guī)模在不斷擴(kuò)大，導(dǎo)航終端的類型多種多樣，其功能和用途各不相同，對其功能和性能的測試驗(yàn)證顯得尤為重要。因此，導(dǎo)航終端的測試技術(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的核心技術(shù)之一，是研發(fā)具備自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能導(dǎo)航終端的必要手段，可有力推動導(dǎo)航終端的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，具有巨大、長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 導(dǎo)航終端測試環(huán)境

衛(wèi)星導(dǎo)航終端測試環(huán)境包括室內(nèi)測試、室內(nèi)輻射環(huán)境測試、地基測試場測試和實(shí)際信號測試［2-3］。下面分別予以介紹。

1.1 室內(nèi)測試

該測試環(huán)境利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器搭建測試平臺，是目前最常用的測試形態(tài)［4］。其測試原理是利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器產(chǎn)生衛(wèi)星射頻信號輸入給被測終端，終端衛(wèi)星信號處理模塊接收信號進(jìn)行定位解算并將導(dǎo)航結(jié)果上報(bào)給控制評估計(jì)算機(jī)，控制評估計(jì)算機(jī)將上報(bào)的定位結(jié)果與模擬器的參考軌跡信息進(jìn)行比對，得出終端的性能參數(shù)，測試原理如圖1所示［5-6］。

圖1 終端測試原理

衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器是該測試形態(tài)的主要支柱，具備完備的衛(wèi)星導(dǎo)航信號仿真能力和操控能力，能夠設(shè)定某顆衛(wèi)星位置變化規(guī)律，軌道、衛(wèi)星鐘差、電離層對流層時(shí)延等系統(tǒng)誤差可控，輸出信號功率亦可控，成為導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室和測試研發(fā)機(jī)構(gòu)不可或缺的儀器。利用其搭建的測試平臺進(jìn)行終端性能測試，具有成本低、重復(fù)性好、測試流程可控、測試效率高等優(yōu)點(diǎn)。

北京東方計(jì)量測試研究所(以下簡稱“航天五院514所”)為開展北斗比對測試工作，建立了一套完整的自動化模擬環(huán)境測試系統(tǒng)，其連接示意圖如圖2所示。

圖2 模擬信號測試系統(tǒng)連接示意圖

該模擬信號測試系統(tǒng)由GNSS 衛(wèi)星信號模擬器、多路射頻信號分配系統(tǒng)和測試控制與評估軟件分系統(tǒng)組成，支持8 路并行自動化測試。該系統(tǒng)能夠模擬多體制多顆衛(wèi)星在軌的位置分布和運(yùn)動，模擬衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文、對流層延遲、電離層延遲等，模擬載體運(yùn)動軌跡，實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)地完成閉環(huán)仿真試驗(yàn);同時(shí)模擬信號測試系統(tǒng)具備對多體制衛(wèi)星接收機(jī)性能的全面測試和評估功能，測試的項(xiàng)目可涵蓋GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備的定位精度、靈敏度、定位時(shí)間、動態(tài)性能等諸多測試項(xiàng)目。

在測試方法上，該系統(tǒng)優(yōu)化了測試流程，通過自動定時(shí)播發(fā)測試相關(guān)指令，實(shí)時(shí)接收被測設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)，利用專門的評估軟件給出實(shí)時(shí)評估結(jié)果，極大地提高了測試效率和測試可控性。

1.2 室內(nèi)輻射環(huán)境測試

該測試形態(tài)主要是基于微波暗室的測試環(huán)境，優(yōu)點(diǎn)在于成本較低、重復(fù)性好、可控性好、可全天候工作，與外界電磁環(huán)境隔離便于保密，可以對包括天線和射頻前端在內(nèi)的整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測試［7］。

為開展終端測試，航天五院514 所建立了北斗一號無線暗室測試系統(tǒng)，其系統(tǒng)連接示意圖如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)連接圖

開展無線模式測試時(shí)，北斗一號用戶設(shè)備置于微波暗室內(nèi)的轉(zhuǎn)臺上，測試控制與評估系統(tǒng)控制北斗一號出站信號模擬器通過天線發(fā)射衛(wèi)星導(dǎo)航信號，入站接收機(jī)通過天線接收具有RDSS 功能的用戶機(jī)發(fā)射的入站信號，分別設(shè)置不同的場景對用戶機(jī)的定位、定時(shí)、測距、位置報(bào)告等功能進(jìn)行測試。無線模式測試設(shè)備布局聯(lián)系圖如圖4所示。

圖4 無線測試模式設(shè)備布局連接圖

1.3 地基測試場測試

地基測試場是針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能評估、改進(jìn)，對新的信號格式、新的服務(wù)功能進(jìn)行試驗(yàn)、驗(yàn)證以及對導(dǎo)航用戶設(shè)備進(jìn)行測試、試驗(yàn)和鑒定的專用試驗(yàn)環(huán)境的統(tǒng)稱［8］，可對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)整體進(jìn)行性能測試，可對各類導(dǎo)航終端設(shè)備進(jìn)行測試驗(yàn)證。地基測試場一般需要在空曠區(qū)域建設(shè)，成本高、容易受到外界射頻干擾進(jìn)而影響測試精度、保密性差等［9］。

目前世界上已有多個(gè)國家建成或正在建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航地基測試場，作為導(dǎo)航系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證手段為導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)服務(wù)，以便提高整個(gè)系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性，主要的衛(wèi)星導(dǎo)航測試場有:美國GPS 系統(tǒng)建設(shè)的YUMA 系統(tǒng)以及IGR 系統(tǒng)、德國的伽利略歐洲測試系統(tǒng)GATE、歐洲伽利略測試場(GTR)［10］、中國的伽利略測試認(rèn)證環(huán)境項(xiàng)目(CGTR)［11］。

CGTR 是一個(gè)針對中國境內(nèi)Galileo 接收機(jī)、用戶終端和應(yīng)用的綜合測試認(rèn)證和試驗(yàn)演示系統(tǒng)環(huán)境。在Galileo 系統(tǒng)全部建成之前，CGTR 承擔(dān)起Galileo 接收機(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)在中國區(qū)域的開發(fā)、測試、試驗(yàn)、演示、應(yīng)用推廣等一系列職能;在Galileo 系統(tǒng)正式投入運(yùn)行之后，CGTR 將繼續(xù)發(fā)揮Galileo 接收機(jī)產(chǎn)品在中國區(qū)域的測試認(rèn)證和應(yīng)用演示推廣作用，還可以作為Galileo 本地增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)提供服務(wù)。根據(jù)CGTR 系統(tǒng)承擔(dān)的職能，將其劃分為四個(gè)功能組成單元:即室內(nèi)測試認(rèn)證系統(tǒng)(ITE)、外場測試試驗(yàn)系統(tǒng)(OTE)、應(yīng)用演示與推廣中心(ADC)、測試接收機(jī)開發(fā)(GTRD)。其內(nèi)外場測試環(huán)境和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分別如圖5 和圖6所示。

圖5 內(nèi)外場測試環(huán)境

圖6 CGTR 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.4 實(shí)際信號測試

此類測試形態(tài)即在實(shí)際信號環(huán)境下采用跑車進(jìn)行測試，沒有模型的近似，完全符合真實(shí)情況，測試的結(jié)果就是導(dǎo)航終端的實(shí)際性能。實(shí)際信號測試結(jié)果與測試場景的星座狀態(tài)、終端周邊環(huán)境以及當(dāng)時(shí)的大氣信號傳播環(huán)境密切相關(guān)，測試不可重復(fù)，測試成本較高。

航天五院514 所建立了一套完整的實(shí)際信號跑車測試平臺，平臺由測試車輛、高精度光纖深耦合組合導(dǎo)航系統(tǒng)、固定工裝、計(jì)算機(jī)、UPS 電源等組成。其測試系統(tǒng)原理及平臺組成示意圖如圖7、圖8所示。

圖7 實(shí)際信號測試系統(tǒng)原理圖

圖8 實(shí)際信號測試平臺

實(shí)際測試中，將組合慣導(dǎo)系統(tǒng)基準(zhǔn)站和流動站進(jìn)行安裝、連接及調(diào)試，被測終端放置在測試工位，對組合慣導(dǎo)系統(tǒng)及被測設(shè)備加電，測試系統(tǒng)發(fā)送測試指令，實(shí)時(shí)記錄組合慣導(dǎo)系統(tǒng)和被測設(shè)備數(shù)據(jù)，事后進(jìn)行評估。

實(shí)際信號跑車測試完全符合真實(shí)情況，但測試成本較高、重復(fù)性差，常用于普通民用終端的測試。

2 總結(jié)

綜上，導(dǎo)航終端的測試方法可以分為兩大類:基于模擬器的模擬導(dǎo)航信號測試和真實(shí)信號測試。

基于模擬導(dǎo)航信號的終端性能測試方法是利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器仿真的導(dǎo)航衛(wèi)星信號，通過設(shè)置不同的測試參數(shù)和場景，為導(dǎo)航終端的研制和測試提供一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠和易用的測試環(huán)境，優(yōu)點(diǎn)是測試場景完全受控，測試可重復(fù)進(jìn)行，各類誤差影響、信號電平等因素能夠精確量化，但是用模擬信號測試方法來評估終端在實(shí)際信號接收環(huán)境下的性能時(shí)有明顯的局限性，真實(shí)信號有各種各樣的隨機(jī)因素，而模擬的信號由于其仿真模型的局限性，不能完全模擬真實(shí)信號的隨機(jī)因素，所以在模擬信號測試方法中的測試結(jié)果會與實(shí)際信號接收環(huán)境下的性能差異較大［12］。

真實(shí)信號的測試方法是利用待測試終端接收實(shí)際的衛(wèi)星信號，然后評估其性能，真實(shí)信號測試沒有模型的近似，測試的結(jié)果就是接收終端的實(shí)際性能。真實(shí)信號結(jié)果與測試場景的星座狀態(tài)、電離層、多路徑、接收機(jī)周邊環(huán)境以及當(dāng)時(shí)的大氣信號傳播環(huán)境密切相關(guān)，所以測試可重復(fù)性較差，測試成本較高。

為此，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，使導(dǎo)航終端測試更接近真實(shí)場景而又減少測試成本，需大力開展導(dǎo)航信號高精度采集技術(shù)的研究，通過采集存儲實(shí)際衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行回放，能夠有效完成衛(wèi)星導(dǎo)航終端的實(shí)際使用性能測試，不僅能夠避免實(shí)際外場測試時(shí)衛(wèi)星信號的不確定性，而且可以減少外場測試的時(shí)間和費(fèi)用。

3 展望

北斗導(dǎo)航測試數(shù)據(jù)規(guī)范化是北斗技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和國際化推廣的核心。隨著北斗衛(wèi)星部署逐步完成，北斗信號空間段測試已經(jīng)建立完整的指標(biāo)體系和測試方法，而在地面應(yīng)用段面向應(yīng)用場景的測試?yán)碚擉w系和方法尚不完善。由于導(dǎo)航終端的實(shí)際性能與應(yīng)用場景環(huán)境密切相關(guān)，而目前國內(nèi)測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行的真實(shí)信號路測存在著樣本少、覆蓋不全等問題，尚缺乏覆蓋廣泛的導(dǎo)航信號測試數(shù)據(jù)，同時(shí)缺少數(shù)據(jù)共享的標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)制，而支持復(fù)雜場景的公共測試數(shù)據(jù)服務(wù)平臺是測試領(lǐng)域發(fā)展趨勢。

基于典型場景數(shù)據(jù)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)公共測試數(shù)據(jù)集及共享平臺是當(dāng)前測試領(lǐng)域發(fā)展趨勢，通過向全球所有開發(fā)者開放統(tǒng)一典型場景標(biāo)準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)集，為不同行業(yè)的導(dǎo)航終端提供完備、高效的測試條件，并通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集回放測試規(guī)范，有效地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航測試數(shù)據(jù)的長期積累，擴(kuò)充完善測試數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，為北斗產(chǎn)品設(shè)計(jì)正確性、測試完備性、公正性以及測試結(jié)果一致性提供保障，為北斗導(dǎo)航技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)、市場普及和全球化推廣提供技術(shù)支持，這也是開展后續(xù)技術(shù)攻關(guān)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

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