北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用終端檢測(cè)技術(shù)探究

郭健偉

（民航吉林空管分局，吉林 長(zhǎng)春 130000）

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成、定位原理和功能

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)稱BDS，是我國(guó)自主研發(fā)的一套全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)的空間段由靜止軌道衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星兩部分組成，前者的數(shù)量為5顆，后者的數(shù)量為30顆。隨著國(guó)家對(duì)“北斗”項(xiàng)目重視程度的不斷提高，相關(guān)資源的傾斜力度逐步加大，預(yù)計(jì)在2020年左右，BDS將覆蓋全球[1]。

1.2 定位原理

在距離地面2×104km以上的高空中，5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，以固定的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得任意時(shí)間段地面上任意一點(diǎn)均可同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。位于高空中35顆衛(wèi)星的位置均為已知。通過接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)的過程中，可獲得衛(wèi)星到接收機(jī)之間的距離，通過三維坐標(biāo)中的距離公式，借助3顆衛(wèi)星，便可構(gòu)建成三個(gè)方程式，求解后能得到觀測(cè)點(diǎn)的位置。由于衛(wèi)星上的時(shí)鐘和接收機(jī)的時(shí)鐘可能會(huì)存在一定誤差，因此需要引入第四顆衛(wèi)星，使得觀測(cè)點(diǎn)高程和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)變得更加精確。

1.3 系統(tǒng)功能

BDS系統(tǒng)除了具備四大基本功能之外，還有軍用和民用功能。

1.3.1 基本功能

（1）短報(bào)文通信功能。BDS用戶終端具備雙向報(bào)文通信功能，單次傳輸?shù)膱?bào)文信息為40～60個(gè)漢字，該功能使系統(tǒng)在遠(yuǎn)航中的應(yīng)用價(jià)值得以充分體現(xiàn)。（2）精密授時(shí)功能。BDS系統(tǒng)可向用戶提供20～100 ns時(shí)間同步精度。（3）定位精度。BDS系統(tǒng)的水平精度可以達(dá)到100 m，設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)校核以后，在差分狀態(tài)下，可以達(dá)到20 m。（4）容量大。BDS系統(tǒng)可以容納的用戶數(shù)為54萬戶/h。

1.3.2 軍用功能

在軍事方面，BDS和GPS的功能存在很多的相似之處。比如，可對(duì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目標(biāo)進(jìn)行定位導(dǎo)航，可為縮短反應(yīng)時(shí)間的武器和載具發(fā)射位置進(jìn)行快速定位，可進(jìn)行海上人員搜救等。軍方通過應(yīng)用BDS的這些功能，可實(shí)現(xiàn)各級(jí)部隊(duì)的主動(dòng)定位，高層指揮部能隨時(shí)掌握部隊(duì)的位置，并向其發(fā)送相關(guān)的作戰(zhàn)指令，有助于提高任務(wù)的執(zhí)行效率。

1.3.3 民用功能

在民用方面，BDS具有如下功能：個(gè)人位置服務(wù)、氣候變化預(yù)測(cè)、交通路網(wǎng)管理、鐵路運(yùn)輸、海上運(yùn)輸、航空運(yùn)輸以及應(yīng)急搶險(xiǎn)救援等。

BDS系統(tǒng)歸屬于精密設(shè)備的范疇，在其運(yùn)行環(huán)境中，存在大量的干擾源，如果系統(tǒng)出現(xiàn)問題，會(huì)對(duì)相關(guān)的功能造成影響，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)危及系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)安全事故。通過監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)BDS存在的問題，從而確保BDS安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。BDS運(yùn)行時(shí)，極有可能受到各種因素的干擾，若是干擾問題未能得到有效處理，隨著時(shí)間的推移極有可能轉(zhuǎn)換成嚴(yán)重故障，這對(duì)BDS系統(tǒng)而言是非常致命的。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，會(huì)對(duì)衛(wèi)星測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ髟斐捎绊?。因此，?duì)BDS的完好性進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估顯得尤為重要[2]。

2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用終端檢測(cè)技術(shù)

為了便于研究，以北斗衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)（RNSS）/衛(wèi)星無線電測(cè)定業(yè)務(wù)（RDSS）車載終端為對(duì)象，分析其相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)。由此所得的結(jié)果，可為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的認(rèn)證檢測(cè)提供依據(jù)。

2.1 檢測(cè)前的準(zhǔn)備工作

2.1.1 備齊物資

在進(jìn)行檢測(cè)前，應(yīng)當(dāng)將終端的所有附件準(zhǔn)備齊全，并對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求加以明確。同時(shí)，要準(zhǔn)確好使用說明書，主機(jī)和配件必須與說明書一致。

2.1.2 外觀檢查

需要檢查終端各部分的外觀是否完好，發(fā)現(xiàn)松動(dòng)部位應(yīng)當(dāng)進(jìn)行緊固，防止檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)故障。

2.1.3 提供直連電纜

按照有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，終端提供與RS232串口直連的數(shù)據(jù)傳輸電纜，并確保電纜的完好性。

2.1.4 接入檢測(cè)平臺(tái)

按照正確的方法將終端接入檢測(cè)平臺(tái)，給電開機(jī)后自行啟動(dòng)，所有功能應(yīng)當(dāng)全部可以正常使用[3]。

2.2 搭建檢測(cè)平臺(tái)

本次檢測(cè)中，采用的終端檢測(cè)平臺(tái)由兩部分組成：導(dǎo)航專用暗室和導(dǎo)航測(cè)試專用平臺(tái)。

2.2.1 導(dǎo)航專用暗室

該平臺(tái)包括微波暗室和相關(guān)的配套設(shè)備，其中微波暗室為矩形，具有良好的通用性，兩端均可使用，能夠收發(fā)雙向信號(hào)。導(dǎo)航專用暗室是一個(gè)相對(duì)比較理想的測(cè)試環(huán)境。在暗室中，來自于外界的電磁干擾不會(huì)對(duì)測(cè)試過程造成影響，利用天線引入衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)后，便可完成定位設(shè)備的無線信號(hào)測(cè)試。

2.2.2 導(dǎo)航測(cè)試專用平臺(tái)

該平臺(tái)主要是由兩個(gè)分系統(tǒng)組成：北斗通信測(cè)試分系統(tǒng)和導(dǎo)航測(cè)試分系統(tǒng)。由于該測(cè)試平臺(tái)中兩個(gè)分系統(tǒng)使用的是不同導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)模擬器，因此兩個(gè)分系統(tǒng)能夠分別對(duì)終端的RNSS和RDSS的功能和性能進(jìn)行測(cè)試。在具體的檢測(cè)過程中，北斗通信測(cè)試分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)測(cè)試RDSS，導(dǎo)航測(cè)試分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)測(cè)試RNSS[4]。

2.3 終端檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)

由于本次的檢測(cè)任務(wù)主要是對(duì)系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行檢測(cè)，因此檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)也是由這兩部分組成。

2.3.1 功能性指標(biāo)

功能性指標(biāo)主要包括：第一，當(dāng)速度超過預(yù)先最大值255 km/h時(shí)，系統(tǒng)能夠向平臺(tái)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；第二，系統(tǒng)能夠支持北斗 RDSS 定位和通信功能，可以根據(jù)接收的指令上報(bào)當(dāng)前位置信息，同時(shí)給出準(zhǔn)確的定位狀態(tài)信息；第三，系統(tǒng)需要具備北斗定位和聯(lián)合定位功能，可以通過人機(jī)交互方式完成北斗定位，當(dāng)接受遠(yuǎn)程控制指令時(shí)也能進(jìn)行北斗定位；第四，可根據(jù)相應(yīng)的采集策略如定時(shí)采集或定距采集，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集具體的位置信息，并動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)采集的位置信息，給出定位狀態(tài)提示。

2.3.2 性能指標(biāo)

性能指標(biāo)由兩個(gè)部分組成：RNSS性能指標(biāo)和RDSS性能指標(biāo)。RNSS性能指標(biāo)主要包括水平定位精度、定位數(shù)據(jù)更新率、測(cè)速精度以及速度范圍等。RDSS性能指標(biāo)包括通信成功率、誤碼率、接收通道數(shù)以及靈敏度等。

2.4 終端檢測(cè)技術(shù)的實(shí)施要點(diǎn)

檢測(cè)中性能檢測(cè)是重點(diǎn)，可以分為兩部分：一是RNSS的性能檢測(cè)，二是RDSS 的性能檢測(cè)。

2.4.1 RNSS檢測(cè)

第一，在對(duì)RNSS性能進(jìn)行檢測(cè)的過程中，操作人員可將終端直接接入到檢測(cè)平臺(tái)中，隨后對(duì)模擬器進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真場(chǎng)景的設(shè)置，并對(duì)包含B1頻點(diǎn)在內(nèi)的射頻仿真信號(hào)進(jìn)行輸出。

第二，依據(jù)特定位置的更新率，使終端輸出相應(yīng)的定位數(shù)據(jù)，隨后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)位置進(jìn)行確定，在該環(huán)節(jié)的測(cè)試中，以衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器仿真的用戶位置作為標(biāo)準(zhǔn)位置，據(jù)此對(duì)水平定位誤差進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合其分布情況，獲得水平定位精度。

第三，按照特定位置的更新率，使終端輸出相應(yīng)的速度數(shù)據(jù)，并以仿真速度作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算速度誤差，結(jié)合其分布情況獲得測(cè)試速度。隨后，將測(cè)得的速度范圍最大值作為仿真速度，利用測(cè)控計(jì)算機(jī)讀取終端輸出的定位數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)，判斷終端的定位，實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能。

第四，借助測(cè)控計(jì)算機(jī)讀取終端輸出的定位數(shù)據(jù)，按照位置數(shù)據(jù)的更新時(shí)刻獲得定位數(shù)據(jù)的更新率。

2.4.2 RDSS檢測(cè)

第一，在對(duì)RDSS性能進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，操作人員可將終端直接接入到檢測(cè)平臺(tái)中，然后對(duì)模擬器進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真場(chǎng)景的設(shè)置，對(duì)包含S和L頻點(diǎn)在內(nèi)的射頻仿真信號(hào)進(jìn)行輸出。

第二，利用10個(gè)波束向終端發(fā)送定位和通信數(shù)據(jù)，再通過測(cè)控計(jì)算機(jī)對(duì)終端接收信息的情況進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)接收通道數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

第三，利用10個(gè)波束中的某一個(gè)向終端發(fā)送電文，隨后對(duì)比終端返回的電文和發(fā)出的電文，根據(jù)比對(duì)結(jié)果，對(duì)本次通信過程的成功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。再以10個(gè)波束中的某一個(gè)向終端發(fā)送電平值模擬信號(hào)，當(dāng)終端接收到該信號(hào)之后，操作人員可在測(cè)控計(jì)算機(jī)上，對(duì)出站信息和原始信息進(jìn)行比較，據(jù)此對(duì)終端發(fā)送信號(hào)的靈敏度和誤碼率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[5]。

3 結(jié) 論

綜上所述，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的系統(tǒng)，填補(bǔ)了多項(xiàng)技術(shù)空白，標(biāo)志著我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。隨著技術(shù)的不斷完善，其應(yīng)用范圍越來越廣，可快速完成終端的性能檢測(cè)，為相關(guān)產(chǎn)品認(rèn)證提供詳實(shí)可靠的依據(jù)。未來，應(yīng)不斷加大對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究力度，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而使該系統(tǒng)能夠?yàn)楦嗟念I(lǐng)域提供服務(wù)。