GNSS性能測試方法研究與分析

王爾申，李　銳，唐　陽

(1.沈陽航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，沈陽　110136；2.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京　100191；

GNSS性能測試方法研究與分析

王爾申1，2，3，李銳2，唐陽2

(1.沈陽航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，沈陽110136；2.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京100191；

3.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省通用航空重點實驗室，沈陽110136)

摘要：針對GNSS的性能測試對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)、可靠運行非常重要，而目前可借鑒的研究成果較少的問題，提出我國的BDS在處于區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)向全球?qū)Ш较到y(tǒng)建設(shè)發(fā)展的過渡階段，需要開展的系統(tǒng)相關(guān)性能測試的方法：首先針對GPS、Galileo、GLONASS及包括WAAS、EGNOS在內(nèi)的各增強(qiáng)系統(tǒng)，闡述了GNSS在建設(shè)發(fā)展的不同階段開展的性能測試試驗項目，重點分析了性能測試的試驗?zāi)康?、試驗?nèi)容、試驗方法、試驗基準(zhǔn)以及試驗結(jié)果等，給出了該階段BDS性能測試試驗方法研究的相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：GNSS；性能測試；測試方法；BDS

0引言

在導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射前和在軌運行期間，需要對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的性能測試伴隨著系統(tǒng)初期設(shè)計、全功能運行及現(xiàn)代化升級等階段，通過對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能測試可降低衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)風(fēng)險，加快GNSS接收機(jī)設(shè)計者的研發(fā)進(jìn)程，深入了解當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位服務(wù)的精度、可用性、連續(xù)性、完好性等重要的性能指標(biāo)：同時，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能測試也是對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)連續(xù)、可靠運行的重要試驗驗證，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)過程中持續(xù)不斷地發(fā)揮其試驗驗證等保障作用。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的不同階段進(jìn)行的系統(tǒng)性能測試項目不同，基本系統(tǒng)以及增強(qiáng)系統(tǒng)的測試項目也是不同的。全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)從建設(shè)之初、系統(tǒng)全面建成到全功能運行、現(xiàn)代化建設(shè)播發(fā)新的信號體制及其增強(qiáng)系統(tǒng)等都進(jìn)行了相應(yīng)的性能測試驗證[1]；伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)從系統(tǒng)建設(shè)之初在德國、意大利以及中國建設(shè)了相應(yīng)的測試系統(tǒng)對信號、系統(tǒng)進(jìn)行測試驗證[2]。

目前，我國在這方面的研究較少，本文通過全面分析已有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及增強(qiáng)系統(tǒng)的性能測試方法，結(jié)合我國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)正處于區(qū)域?qū)Ш较蛉驅(qū)Ш桨l(fā)展階段的現(xiàn)狀，提出性能測試的相關(guān)建議，為我國BDS的建設(shè)和系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定運行提供參考。

1GPS性能測試方法

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能測試是指對其精度、可用性、連續(xù)性和完好性等性能指標(biāo)的測試。在進(jìn)行性能測試時，要求用于系統(tǒng)性能測試的導(dǎo)航衛(wèi)星能夠模擬導(dǎo)航衛(wèi)星的信號、星座、信號特性，并具有相應(yīng)的測試模式。GPS系統(tǒng)性能測試從系統(tǒng)建設(shè)之初就已開始，經(jīng)歷了多個階段，包括系統(tǒng)籌建之初的原理測試、系統(tǒng)建成之初的功能測試以及系統(tǒng)投入運行后的應(yīng)用性能測試[3]。圖1為GPS系統(tǒng)在建設(shè)發(fā)展不同階段具體開展的測試項目。

圖1　GPS系統(tǒng)建設(shè)與性能測試歷程

1.1GPS概念驗證階段的性能測試

GPS系統(tǒng)在研發(fā)期間，建立了外場真實環(huán)境的試驗驗證系統(tǒng)，美軍于1974年建成了尤馬試驗場(Yuma Proving Ground，YPG)是世界上第一個針對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而建立的室外測試試驗環(huán)境。1943年啟動建設(shè)，覆蓋140 km2。在YPG試驗場安裝了6個激光設(shè)備用作跟蹤器作為測量基準(zhǔn)源。該試驗場用于測試GPS在應(yīng)用航空武器系統(tǒng)、空中投放系統(tǒng)和空中移動載體等領(lǐng)域的性能。并且，在試驗場內(nèi)還進(jìn)行了用戶終端設(shè)備性能的測試。

1973年12月之后，GPS進(jìn)入概念驗證階段，該階段的GPS性能測試項目如表1所示。該階段YPG的用戶設(shè)備測試采用的包括與通用動力(General Dynamics)公司、柯林斯(Collins)以及德州儀器(Texas Instruments)公司合作的米羅華公司的GPS接收機(jī)，這些GPS接收機(jī)安裝在測試車、人、著陸艙、護(hù)衛(wèi)艦、直升機(jī)、P4飛機(jī)和F4飛機(jī)等載體上，涉及到靜態(tài)載體、低動態(tài)、高動態(tài)以及超高速等多種載體搭載接收機(jī)對其進(jìn)行性能測試。

表1　第一階段主要測試項目

1979年，建立實時差分系統(tǒng)以允許空軍進(jìn)行飛行來證實YPG軌道估計的性能。實時差分測試開始于1979年12月13日，通過YPG的一架UH-1H直升機(jī)。最開始的系列測試證明：非差分水平誤差大約20 m，通過差分改正后降低至5 m或者更低。

1.2GPS全局工程開發(fā)階段的性能測試

GPS用戶設(shè)備全局工程發(fā)展階段的測試始于1982年。Rockwell-Collins和Magnavox參與第二階段的測試項目。在第二階段，GPS在復(fù)雜航空電子設(shè)備中的應(yīng)用性能也被測試。第2階段的測試目標(biāo)包括以下幾個方面：1)驗證反應(yīng)時間、首次定位時間以及重捕獲時間；2)驗證靜態(tài)和動態(tài)定位及速度精度；3)評估 IMU/INS 級聯(lián)以及陀螺衰減能力；4)確定電子戰(zhàn)爭以及核威脅的敏感性；5)評估使用GPS進(jìn)行武器精確投放能力；6)確定飛行器著陸進(jìn)近、點對點以及航線導(dǎo)航等任務(wù)性能改善；7)評估人為因素設(shè)計；8)評估可靠性、可用性、可維護(hù)性以及邏輯支持性；9)評估水表面產(chǎn)生的多徑效應(yīng)導(dǎo)致對GPS性能的影響；10)確定水下天線對信號的可檢測能力；11)評估EW環(huán)境下調(diào)制/多徑/遮蔽對性能的影響；12)確定對化學(xué)、生物、放射的緩解能力。

在該階段進(jìn)行的測試采集了大量的采樣數(shù)據(jù)，對于不同運動載體得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果采用球概率誤差(spherical error probability，SEP)來表示，其中A-6為6 m，B52為9 m，F(xiàn)-16為12 m，人/車載為12 m，UH-60直升機(jī)為12 m，航空載體為16 m。

1.3GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化階段的性能測試

隨著GPS現(xiàn)代化計劃的實施，美國空軍又在Holfoman基地建造了“逆向GPS測試場”，其目的是支持新型軍用或民用GPS衛(wèi)星(包括Block IIR、Block IIF)的信號測試。逆向GPS測試場可以模擬發(fā)射GPS衛(wèi)星信號，可以和實際衛(wèi)星一起使用進(jìn)行混合模式的測試，驗證當(dāng)前GPS和現(xiàn)代化GPS的信號的兼容性，并且評估信號的抗干擾能力。

民用導(dǎo)航電文(civil navigation，CNAV)測試計劃于2013-06-15到2013-06-29進(jìn)行，主要是驗證和評估在IS-GPS-200F和IS-GPS-705B中的CNAV要求說明，實施魯棒的兼容L2C和L5民用接收機(jī)的開發(fā)。

綜上所述，可以看出GPS系統(tǒng)從建設(shè)之初到系統(tǒng)發(fā)展的各個階段系統(tǒng)性能測試方法非常完備，測試項目十分全面，覆蓋了諸多應(yīng)用領(lǐng)域，可全面的測試評估GPS的性能。

2Galileo性能測試方法

Galileo從系統(tǒng)建設(shè)之初出現(xiàn)了許多專門用于Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航專業(yè)的測試場環(huán)境，用于研究伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航信號性能以及接收機(jī)開發(fā)的研究。包括德國的“伽利略測試環(huán)境 (Galileo test environment，GATE)”和“海港伽利略測試環(huán)境(sea GATE)”意大利計劃建設(shè)的“伽利略測試場(Galileo test range，GTR)”以及我國的伽利略測試場等[4]。這些不同測試環(huán)境充分考慮了各種實際應(yīng)用的用戶包括陸上、海上以及空中用戶導(dǎo)航的性能測試。

圖2　Galileo系統(tǒng)建設(shè)與性能測試

2.1試驗?zāi)康?/p>

旨在支持伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)的性能分析，主要通過分析特定環(huán)境特征和控制下的信號測量。GTR按照3個階段發(fā)展，以匹配系統(tǒng)的功能與伽利略的發(fā)展計劃，這3個階段分別為：階段A=定義和啟動，基于偽衛(wèi)星生成類似GPS導(dǎo)航信號以及基于來自GPS和歐洲靜地軌道衛(wèi)星導(dǎo)航重疊服務(wù)(European geostationary navigation overlay service，EGNOS)的空間信號的分析和使用；階段B1=伽利略系統(tǒng)開發(fā)和部署的準(zhǔn)備，實現(xiàn)GTR基礎(chǔ)配置，能夠用地面設(shè)備產(chǎn)生類似Galileo 的信號，并能接收來自伽利略系統(tǒng)測試平臺(Galileo system test bed，GSTB)V2的真正信號；階段B2=GTR的全面部署和初始化，不僅能夠產(chǎn)生類似Galileo的信號，也能接收和處理來自伽利略IOV衛(wèi)星的信號。在建設(shè)測試系統(tǒng)發(fā)射機(jī)時充分考慮發(fā)射機(jī)的安裝高度，通常高度約為2 000 m以上，使得用戶在GATE測試區(qū)域內(nèi)能接收到平均仰角在10°～15°之間的類伽利略信號[5]。

2.2試驗方法

考慮到實際的射頻信號傳輸，GATE是伽利略系統(tǒng)非常必要的中間步驟。在伽利略本身可用之前，GATE設(shè)計一個靈活的測試床；隨著其擴(kuò)展的能力，GATE可繼續(xù)用于系統(tǒng)的特殊任務(wù)，甚至在伽利略系統(tǒng)已全功能運行之后GATE也可以用于特殊任務(wù)。通過將信號發(fā)射器架設(shè)在高度約2 000 m以上的山上，GATE覆蓋約65 km2，核心試驗區(qū)約25 km2。用戶在GATE測試區(qū)域內(nèi)能接收到平均仰角在10°～15°之間的類伽利略信號。

2.3試驗結(jié)果

試驗測試包括靜態(tài)定位、低動態(tài)定位和車載測試。從試驗結(jié)果中得出：在沒有障礙物阻擋信號處位置估計的精度較高；在出現(xiàn)障礙物遮擋時，信號衰落和多徑導(dǎo)致部分的信號損失，出現(xiàn)信號丟失問題。

3GLONASS及GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)性能測試方法

3.1GLONASS性能測試

俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)在很長一段時間內(nèi)發(fā)展緩慢。國際上鮮有對GLONASS系統(tǒng)的性能研究成果并且俄羅斯一直未提供官方的性能評估報告。但隨著GLONASS的現(xiàn)代化計劃的實現(xiàn)，包括重新設(shè)計更長壽命的衛(wèi)星、調(diào)整信號調(diào)制方式增加地面監(jiān)測站的數(shù)量和通過股票機(jī)合作在海外建立監(jiān)測網(wǎng)等措施，其性能得到了明顯的提高。文獻(xiàn)[6]研究了2009—2011年的GLONASS空間信號誤差的特性，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定，空間信號的精度能夠達(dá)到1.5～4 m。

3.2WAAS性能測試方法

作為同聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)合作研究的一部分，斯坦福廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(wide area augmentation system，WAAS)實驗室已經(jīng)設(shè)計、建立了一個對WAAS進(jìn)行飛行測試的平臺，用于驗證從航路、終端區(qū)、非精密進(jìn)近和精密進(jìn)近的所有飛行階段的的飛機(jī)引導(dǎo)性能[7-8]。斯坦福大學(xué)的WAAS實驗室和一個實時雙頻GPS參考站網(wǎng)絡(luò)相連，它由FAA衛(wèi)星導(dǎo)航計劃辦公室發(fā)起，由FAA技術(shù)中心來維護(hù)。國家衛(wèi)星測試平臺(national satellite test bed，NSTB)實際上就是一個網(wǎng)絡(luò)，這個網(wǎng)絡(luò)由各個雙頻GPS參考站構(gòu)成。GPS的觀測值包括來自這個網(wǎng)絡(luò)中的每個接收機(jī)L1和L2的偽距和載波相位，以多播UDP數(shù)據(jù)包協(xié)議的格式通過以太網(wǎng)以1 Hz的頻率發(fā)給安裝在斯坦福校園的中心處理器設(shè)備。斯坦福大學(xué)的廣域差分GPS系統(tǒng)(wide area differential global positioning system，WADGPS)于1998-08在阿拉斯加朱諾國際機(jī)場，由廣域差分GPS實驗室負(fù)責(zé)WAAS精密進(jìn)近實驗。測試實驗包括飛行測試、WAAS精密進(jìn)近性能數(shù)據(jù)的采集以及捕獲飛行的視頻鏡頭/場景。

3.3EGNOS系統(tǒng)性能測試方法

EGNOS能夠增強(qiáng)GPS和 GLONASS，滿足高安全用戶的需求。EGNOS主要包括地面段、空間段、用戶段和支持系統(tǒng)等。EGNOS系統(tǒng)由歐空局建設(shè)，于2004年達(dá)到全功能運行。EGNOS設(shè)計的主要目的是滿足精密進(jìn)近和帶有垂直引導(dǎo)的區(qū)域?qū)Ш?area navigation，RNAV)進(jìn)近的需求。為此，由歐空局和歐洲航行安全組織開發(fā)設(shè)計基于星基增強(qiáng)系統(tǒng)(satellite-based augmentation system，SBAS)的進(jìn)近程序標(biāo)準(zhǔn)，其目的是為了評估、驗證EGNOS的運行性能，開發(fā)基于EGNOS的進(jìn)近操作，使ENGONS將來更好地為歐洲服務(wù)。歐洲航空安全組織(European Organization for the Safety of Air Navigation，EUROCONTROL)和荷蘭國家航空實驗室(National Aerospace Laboratory，NLR)簽訂協(xié)議執(zhí)行曲線進(jìn)近和一系列類儀表進(jìn)近。在進(jìn)行實際飛行前開展仿真測試，然后在實際環(huán)境下進(jìn)行飛行測試[9]。

4BDS性能測試建議

BDS正處于區(qū)域?qū)Ш较蛉驅(qū)Ш浇ㄔO(shè)的過渡階段，很多信號狀態(tài)還沒有固化，新信號體制、信號質(zhì)量、定位性能、差分性能等系統(tǒng)性能都需要進(jìn)行各種試驗測試[10]。經(jīng)過與上文闡述的已有系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行對比，我國的BDS也需要基于系統(tǒng)性能測試開展包括飛行測試、地面靜態(tài)和動態(tài)測試方法的研究，并且開展BDS性能測試床的建設(shè)。上述衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能測試的共同特點為大部分采用的是飛行測試，而且進(jìn)行的也是飛行導(dǎo)航要求最高的階段進(jìn)近飛行。隨著我國低空空域真高1 000 m以下的分類管理有序開放政策的實施，考慮到通用航空飛機(jī)具有低速、操控容易、飛行高度低的特點，并且由于通用航空飛機(jī)機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備相對簡單，利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)及其增強(qiáng)系統(tǒng)可以為通用航空飛機(jī)在起飛、航行、進(jìn)近/著陸等階段服務(wù)。在借鑒已有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能測試技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，可以考慮先行在有條件的通用航空機(jī)場建立BDS測試試驗床，利用通用航空飛機(jī)加載BDS接收機(jī)和地面參考接收機(jī)配合對BDS進(jìn)行相關(guān)性能的飛行測試驗證；然后采集飛行試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時和后處理分析，評估BDS定位的精度、連續(xù)性、可用性以及完好性等指標(biāo)。

5結(jié)束語

文中對GNSS系統(tǒng)的性能測試進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和探討。性能測試對于GNSS具有重要的意義，無論是GPS還是Galileo都建有自身的測試場進(jìn)行系統(tǒng)性能的測試。文中通過對GPS、Galileo系統(tǒng)以及增強(qiáng)系統(tǒng)性能測試具體方法的研究，給出了我國BDS性能測試的建議，提出可考慮采用通用航空飛機(jī)先行進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航性能飛行測試，為了解BDS性能提供有力支撐，為BDS進(jìn)一步在民航運輸航空中的性能測試提供基礎(chǔ)。

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Research and analysis of GNSS performance test methods

WANG Ershen1，2，3，LI Rui2，TANG Yang2

(1.School of Electronic and Information Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2.School of Electronic and Information Engineering,Beihang University，Beijing 100191，China；3.Key Laboratory of Liaoning General Aviation ，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China)

Abstract：GNSS performance test is necessary at various stages such as full operational capability and reliable operation.And the current research results on GNSS performance test are less.The methods of performance test for China’s BeiDou navigation satellite system (BDS) were proposed.At present，BDS is in the construction stage of developing from the regional navigation system to the global navigation system，which is quite vital to carry out the study on relevant performance test methods.Firstly，this paper systematically studied the GNSS performance test projects carried out in the different stages of development in view of the GPS，Galileo，GLONASS of Russia and augmentation systems including WAAS，GBAS，EGNOS.And the test purpose，test content，test method，the experimental reference and results were analyzed in detailed.Then，based on the status of China’s BeiDou navigation satellite system，the related suggestions for performance test methods of BDS were put forward.The study is of important referential value to the establishment of BDS performance test environment and test methods research.

Keywords：GNSS；performance test；test methods；BDS

收稿日期：2015-06-04

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2010CB731805)；國家自然科學(xué)基金項目(61571309，61101161)；遼寧省自然科學(xué)基金(聯(lián)合基金)項目(2013024003)。

第一作者簡介：王爾申(1980—)，男，遼寧遼陽人，博士，在站博士后，副教授，研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航、GNSS信號處理算法研究。

中圖分類號：P228

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-4999(2016)02-0021-05

引文格式：王爾申，李銳，唐陽.GNSS性能測試方法研究與分析[J].導(dǎo)航定位學(xué)報，2016，4(2)：21-25.(WANG Ershen，LI Rui，TANG Yang.Research and analysis of GNSS performance test methods[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：21-25.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160205.