淺談GNSS測試方案設(shè)計

國際 王田 劉成 蘇牡丹 薛仁魁

摘要：當(dāng)前，GNSS系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用快速發(fā)展，在研發(fā)生產(chǎn)過程中會帶來大量測試工作。然而，測試設(shè)計中很少具備通用的測試標(biāo)準(zhǔn)和流程。本文就這一問題，介紹了基礎(chǔ)性的通用測試原則，例如精度、靈敏度、首次定位時間、健壯性等關(guān)鍵指標(biāo)，這些指標(biāo)對GNSS產(chǎn)品競爭力和用戶體驗有著重要影響;討論了信號源的選取方法及特點;分析了模擬信號及真實信號兩類測試方法。

關(guān)鍵詞：GNSS測試;關(guān)鍵指標(biāo);信號源

中圖分類號：P228.4 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0166-03

1 綜述

GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）工程師在研發(fā)生產(chǎn)過程中經(jīng)常會遇到缺少通用的測試標(biāo)準(zhǔn)及流程的情況。比如，GNSS系統(tǒng)中不同階段對應(yīng)的測試，安排多少比重的測試工作是合理的？關(guān)鍵的性能指標(biāo)如何測試？什么樣的設(shè)備裝置最適用于測試？通過或者失敗的判斷準(zhǔn)則又是怎樣規(guī)定的？因此，很有必要在測試工作中總結(jié)出一些共性、基礎(chǔ)性的測試特點或原則。通常的講，GNSS測試中一般含有五項基礎(chǔ)測試[1]：

一是冷、溫、熱啟動的首次定位時間（TTFF）測試。指在開始階段測試接收機能多快追蹤到衛(wèi)星以及輸出有用信息。通常記錄的是接收機耗費多長時間完成對衛(wèi)星校正適應(yīng)，并能嚴(yán)格地報告出可接受的位置、時間等計算結(jié)果。使用接收機時，接收機內(nèi)的芯片組一般具備了關(guān)于位置和時間的預(yù)存數(shù)據(jù)。因為預(yù)先存儲的年歷、星歷和相關(guān)位置數(shù)據(jù)等因素都會影響到TTFF結(jié)果。所以這類測試應(yīng)考慮冷、溫、熱啟動等三種狀態(tài)，如表1所示。

工程師會利用仿真設(shè)備來創(chuàng)建測試場景，用于快速仿真冷啟動環(huán)境。通常做法是在地球相反的另一端虛擬放置另外一臺接收機，天線位于兩臺接收機之間，這樣在進行冷啟動測試中，接收機已存儲數(shù)據(jù)不需要每次手動刪除。

二是關(guān)于獲取和追蹤性能的接收機靈敏度測試。一般會測試接收機達到穩(wěn)定定位性能時所需要的GNSS信號強度，和當(dāng)遇到障礙物時，接收機的信號強度會保持到什么程度才能正常工作。搭建測試場景的通常做法是先大幅降低用于獲取星座信息的正常信號強度，不斷降低直至需要再次增加信號強度時才能獲取到精確的位置信息，這時對應(yīng)的信號強度即是所求的測量結(jié)果。跟蹤靈敏度測試對于GNSS設(shè)備來說是至關(guān)重要，這需要設(shè)備在信號強度變化時持續(xù)提供可信的結(jié)果。測試設(shè)備是可移動的;設(shè)置信號強度開始時略高于獲取門限值，然后逐步減弱，直到接收機不再能跟蹤到碼字和載波相位，也提供不了精確可信的定位信息。

三是時間和位置精度測試。在信號可控的測試條件下，應(yīng)把從接收機觀測到的輸出結(jié)果與已知的真實數(shù)據(jù)相比較，并且用圖表示出來。由于GNSS定位估算是天然隨機的，測試必須重復(fù)多次，然后得出概率結(jié)果，畫出半徑。某些測試中需要得出三維結(jié)果，這就要測量出球形半徑;還有些情況下，考慮到移動特性，在接收機靜態(tài)和移動狀態(tài)下均需輸出性能結(jié)果。

四是丟失衛(wèi)星信號時重新獲取時間測試。重新獲取所需時間會對用戶滿意度產(chǎn)生重要影響。在一些特殊場景下，例如駕駛汽車通過隧道，工程師需要搭建測試，測出部署在車輛內(nèi)部的導(dǎo)航系統(tǒng)每次需要幾分鐘來重新計算定位信息。在實驗室條件下，測試可以利用仿真器開關(guān)命令來模擬信號暫時丟失的場景，之后可以觀測接收機輸出結(jié)果，記錄時間間隔，即信號重新出現(xiàn)和接收機重新獲取位置信息之間所需的時間長度。考慮到星座幾何分布會很大程度上影響重新獲取時間的性能表現(xiàn)，因此，必須星座幾何分布參數(shù)在每次測試都是一樣的。

五是健壯性測試。隨著用戶越來越依賴精確定位、導(dǎo)航和授時功能，也會不斷面對現(xiàn)實世界的威脅，例如擁堵、欺騙、太陽風(fēng)暴、數(shù)據(jù)部分錯誤等，衡量接收機適應(yīng)性的測試也成為了GNSS基礎(chǔ)性能測試之一。適應(yīng)性測試的第一步是風(fēng)險評估，在每天操作中，確定系統(tǒng)或設(shè)備受到風(fēng)險因子影響時發(fā)生故障的概率;以及一旦發(fā)生故障，導(dǎo)致故障的威脅或脆弱性具備什么特點。工程師應(yīng)估計信號中斷的影響程度，無論是因為事故性故障造成的，或是蓄意制造擁堵和欺騙導(dǎo)致的。這類測試可以衡量出當(dāng)阻礙變得嚴(yán)重時，在哪個階段接收機會發(fā)出用戶警告。如今，我們可以仿真各種GNSS故障場景，例如采用從故障中抓取的真實干擾波形，或是仿真各種類型的欺騙攻擊，并同時持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)。這種系統(tǒng)脆弱性監(jiān)測可以使測試工程師充分了解情況、做出決策，并且采用適當(dāng)、有效的技術(shù)減輕損害。

2 信號源的選取

測試方案很大程度上依賴于測試用信號源，而來自衛(wèi)星的真正活動信號很少能正好適合于測試。衛(wèi)星持續(xù)地改變幾何分布，以及不可預(yù)知的大氣環(huán)境因素，都會導(dǎo)致測試失?。豪硐霔l件下的仿真信號很少具備真實信號的特點，導(dǎo)致測試結(jié)果很難解釋。

找到一種可信的、可控的、可重復(fù)的信號源至關(guān)重要。一般情況下，采用仿真設(shè)備或是記錄—回放系統(tǒng)。仿真設(shè)備會模擬一個或多個GNSS衛(wèi)星分布，將可重復(fù)的RF信號提供給接收機。它們可以幫助用戶建立測試用例，并且能很好地控制測試條件。記錄—回放系統(tǒng)將真實世界的RF條件作為采樣，然后以數(shù)字的形式保存下來，并且可以再生成RF信號。記錄—回放系統(tǒng)在抓取真實世界信號的豐富特點上有優(yōu)勢;仿真設(shè)備在控制參數(shù)和機動性上有優(yōu)勢。大型測試方法通常會同時包含這兩項技術(shù)。表2總結(jié)了采用仿真設(shè)備、記錄—回放系統(tǒng)、真實活動信號的測試不同之處。

理想條件下，GNSS測試中采用的信號源應(yīng)能精準(zhǔn)地、很好地控制信號參數(shù)。例如，精準(zhǔn)降低信號強度直至接收機的跟蹤門限值。同時信號源也應(yīng)在創(chuàng)建場景時具備機動性，這種場景應(yīng)與真實用例極盡相似，并且可測試出接收機逼近極限的性能。信號源創(chuàng)建出的信號環(huán)境應(yīng)是完整的，在現(xiàn)實中可信的;提供給設(shè)備的信號與真實信號僅在復(fù)雜性和細節(jié)上有細微差別。測試必須是可重復(fù)的，整個測試裝置應(yīng)很快能投入使用，可以很迅速的重復(fù)操作，并能充分滿足比較功能和完成平均值統(tǒng)計結(jié)果輸出。

3 測試方法

3.1 模擬信號測試方法

在信號源選取的基礎(chǔ)上，可對基礎(chǔ)項目進行自動化定量測試，對被測終端關(guān)鍵性能進行量化考核，不僅有助于提升研發(fā)企業(yè)對自身產(chǎn)品性能的全方位了解，還有助于質(zhì)檢機構(gòu)對產(chǎn)品質(zhì)量保駕護航。

利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬源搭建測試平臺，是目前最常用的測試形態(tài)。其原理是利用衛(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行定位解算并將導(dǎo)航結(jié)果上報給控制評估計算機，控制評估計算機將上報的定位結(jié)果與模擬器的參考軌跡信息進行比對，得出終端的性能參數(shù)[2]，測試原理如圖1所示。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬源是該測試形態(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、電離層對流層時延等系統(tǒng)誤差可控，輸出信號功率亦可控，成為導(dǎo)航實驗室和測試研發(fā)機構(gòu)不可或缺的儀器[3]。利用其搭建的測試平臺進行終端性能測試，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。

模擬信號測試平臺（見圖2）由GNSS衛(wèi)星信號模擬源、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。在測試方法上，該平臺優(yōu)化了測試流程，通過自動定時播發(fā)測試相關(guān)指令，實時接收被測設(shè)備上報數(shù)據(jù)，利用專門的評估軟件給出實時評估結(jié)果，極大地提高了測試效率和測試可控性。

模擬信號還有一種測試形態(tài)為無線暗室，優(yōu)點在于重復(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)的整機系統(tǒng)進行測試[4]。

3.2 實際信號測試方法

此類測試形態(tài)即在實際信號環(huán)境下采用跑車進行測試，沒有模型的近似，完全符合真實情況，測試的結(jié)果就是導(dǎo)航終端的實際性能，原理框圖如圖3所示。但實際信號測試結(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。由此帶來了目前行業(yè)內(nèi)力推的記錄—回放測試，其測試原理與測試平臺同真實信號類似。

實際測試中，將組合慣導(dǎo)系統(tǒng)和基準(zhǔn)站進行安裝、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，實時記錄組合慣導(dǎo)系統(tǒng)和被測設(shè)備數(shù)據(jù)，事后進行評估。

記錄-回放測試類似[5]，首先在真實信號情況下選取典型場景，進行真實信號記錄，獲取導(dǎo)航真實信號和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，隨后在實驗室進行多次回放，不僅能夠避免實際外場測試時衛(wèi)星信號的不確定性，而且可以減少外場測試的時間和費用，在一定程度上解決了衛(wèi)星導(dǎo)航終端室內(nèi)仿真環(huán)境與真實壞境的測試不一致性問題[6]。

3.3 測試設(shè)備校準(zhǔn)

測試的最后一步是確認(rèn)采用的測試設(shè)備本身的精度。測試設(shè)備性能的變化有可能在測試結(jié)果中引入系統(tǒng)錯誤，因此，常規(guī)的設(shè)備再校準(zhǔn)和認(rèn)證是很重要的測試保障。

4 結(jié)語

隨著北斗三號系統(tǒng)部署的全面加速推進，衛(wèi)星應(yīng)用將滲入各行各業(yè)，對衛(wèi)星終端提出了多樣化的需求，因而對終端性能的考核越發(fā)引起行業(yè)的關(guān)注。本文介紹了基礎(chǔ)的測試項目及對應(yīng)測試方法測試平臺，從測試全流程角度對終端性能測試評估方案做了詳細論述，將為北斗產(chǎn)品設(shè)計正確性、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。

參考文獻

[1] 北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）導(dǎo)航單元性能要求及測試方法[S].BD 420005-2015，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.

[2] 賈超廣.基于衛(wèi)星信號模擬器的北斗接收機測試方法[C].第四屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集.武漢：中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會組委會，2013.

[3] 王田，夏天，張書鋒，等.導(dǎo)航終端測試技術(shù)研究綜述[J].計測技術(shù)，2015，35（4）：6-9.

[4] 楊博，郭淑霞，劉寧.基于大型微波暗室的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機測試[C].第一屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集.北京：中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會組委會，2010.

[5] Brian Weinstein， Dennis Akos， Eric Vinande， Tianxing Chu： GNSS Receiver Evaluation Record and Playback Test Methods[J].GPS World，December17，2009：23-26.