GNSS接收機(jī)性能測試方法研究

張秀民 曲祖建

山東省國土測繪院 山東 濟(jì)南 250013

在導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射前，包括在軌運(yùn)行期間，都要測試衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能測試隨著系統(tǒng)的全功能運(yùn)行、初期設(shè)計(jì)還有現(xiàn)代化升級等時(shí)期，通過對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能測試，可以減少衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，讓GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)者的研發(fā)進(jìn)程所有提升，對目前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位服務(wù)的連續(xù)性、完好性、可用性和精度等關(guān)鍵性能指標(biāo)有更加深刻的理解；與此同時(shí)，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)可靠且連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵測試驗(yàn)證，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)過程中連續(xù)發(fā)揮出保障作用。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的每一個(gè)階段都要進(jìn)行不一樣的系統(tǒng)性能測試項(xiàng)目，增強(qiáng)系統(tǒng)和基本系統(tǒng)的測試項(xiàng)目也有所區(qū)別。全球定位系統(tǒng)從開始建設(shè)到全面建設(shè)完成，再到全功能運(yùn)行、現(xiàn)代化建設(shè)播發(fā)新的信號(hào)體制、再到系統(tǒng)增強(qiáng)都相應(yīng)的進(jìn)行了性能測試。

1 GNSS接收機(jī)性能測試方法

1.1 首次定位時(shí)間(TFF)測試

先是依據(jù)測試需求對GNSS 接收機(jī)和信號(hào)模擬器進(jìn)行初步設(shè)定，對于熱啟動(dòng)和冷啟動(dòng)兩組不同方式實(shí)施不一樣的設(shè)置：熱啟動(dòng)需要提前把星歷數(shù)據(jù)輸入進(jìn)接收機(jī)。冷啟動(dòng)則需要把接收機(jī)里的星歷數(shù)據(jù)清空。把信號(hào)模擬為啟動(dòng)然后讓GNSS導(dǎo)航信號(hào)發(fā)出。把接收機(jī)啟動(dòng)并且對信號(hào)進(jìn)行捉捕，對于接收機(jī)從啟動(dòng)到輸出導(dǎo)航定位結(jié)果所用的時(shí)間進(jìn)行記錄，所記錄的數(shù)據(jù)就是此次測量得出的首次定位時(shí)間。對這個(gè)過程反復(fù)操作，把獲得的多組數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理部分，進(jìn)行統(tǒng)一處理[1]。

1.2 接收機(jī)靈敏度測試

先是依據(jù)測試的需要初步設(shè)定GNSS接收機(jī)和信號(hào)模擬器，對于跟蹤靈敏度測試和捉捕靈敏度測試的不同需求對信號(hào)模擬器的輸出功率進(jìn)行調(diào)控讓其分別于接收機(jī)的跟蹤靈敏度和捉捕靈敏度接近。在對捉捕靈敏度進(jìn)行測試的時(shí)候把信號(hào)模擬器啟動(dòng)，讓GNSS導(dǎo)航信號(hào)順利發(fā)出。把接收機(jī)啟動(dòng)并且捉捕信號(hào)，如果捉捕成功了就把接收機(jī)關(guān)掉，讓模擬器輸出的信號(hào)功率減少，讓后重啟接收機(jī)再對信號(hào)進(jìn)行捉捕。對這個(gè)步驟反復(fù)操作，一直到接收機(jī)沒辦法再捉捕信號(hào)，把這個(gè)時(shí)候的模擬器輸出信號(hào)功率記錄下來就是此次測量獲得的捉捕靈敏度值。在對跟蹤靈敏度進(jìn)行測試的時(shí)候，把信號(hào)模擬器啟動(dòng)并且發(fā)出GNSS導(dǎo)航信號(hào)。如果啟動(dòng)接收機(jī)后成功進(jìn)入到追蹤狀態(tài)，就把模擬器輸出信號(hào)功率慢慢減少，一直到接收機(jī)失鎖然后把這個(gè)時(shí)候的模擬器輸出信號(hào)功率記錄下來，就得到了此次測試取得的跟蹤靈敏度值。反復(fù)操作這個(gè)過程，把獲得的多組數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理部分，進(jìn)行統(tǒng)一處理[2]。

1.3 接收機(jī)定位精度測試

先是根據(jù)測試的需要初步設(shè)定信號(hào)模擬器和GNSS接收機(jī)，針對接收機(jī)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對其定位精度進(jìn)行測試。在啟動(dòng)信號(hào)模擬器的時(shí)候，讓GLASS導(dǎo)航信號(hào)順利發(fā)出。在接收機(jī)啟動(dòng)以后等待接收機(jī)把導(dǎo)航定位結(jié)果輸出的時(shí)候，從接收機(jī)提取當(dāng)前偽距觀測值。讓接收機(jī)維持跟蹤的狀態(tài)，進(jìn)而得到多組偽距觀測量，然后把數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)處理部分，進(jìn)行統(tǒng)一處理。

2 GNSS接收機(jī)性能測試結(jié)果分析

2.1 首次定位時(shí)間(TTFF)測試結(jié)果分析

鑒于GNSS接收機(jī)性能測試仿真平臺(tái)，對被測接收機(jī)的首次定位時(shí)間(TTFF)進(jìn)行了測試，對分別在冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)兩種啟動(dòng)方式下進(jìn)行展開了測試，測量了兩種啟動(dòng)方式下對不同載噪比下的TTFF值。一共在測試過程中設(shè)定了五個(gè)載噪比數(shù)值，分別是:40 dB-Hz、46 dB-Hz、42 dB-Hz、38dB-Hz、44 dB-Hz。在冷啟動(dòng)模式中對每個(gè)載噪比數(shù)值都進(jìn)行了10次TTFF測試；在熱啟動(dòng)模式中對每個(gè)載噪比數(shù)值都進(jìn)行了20次TTFF測試。通過對比冷啟動(dòng)模式和熱啟動(dòng)模式下不同載噪比的TTFF實(shí)測值，結(jié)果得出在控制接收機(jī)啟動(dòng)方式不變的情況下，接收機(jī)首次定位時(shí)間隨著信號(hào)載噪比的增加而減??；在接收機(jī)啟動(dòng)方式不同，而信號(hào)載噪比相同的情況下，熱啟動(dòng)首次定位時(shí)間相比冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間要小很多[3]。

2.2 靈敏度測試結(jié)果分析

鑒于GNSS接收機(jī)性能測試仿真平臺(tái)，對被測接收機(jī)進(jìn)行了靈敏度測試，測試分為跟蹤靈敏度測試和捉捕靈敏度測試兩個(gè)部分，對每個(gè)部分分別展開了10次靈敏度測試。

通過調(diào)查得出，跟蹤靈敏度和被測GNSS接收機(jī)的捕獲靈敏度數(shù)值都比現(xiàn)在業(yè)界主流產(chǎn)品的標(biāo)稱靈敏度要高。這是因?yàn)閺S家在標(biāo)示接收機(jī)靈敏度時(shí)只是對基帶信號(hào)算法性能對接收機(jī)靈敏度的影響進(jìn)行考量，并沒有對射頻前端硬件性能對靈敏度造成的影響進(jìn)行考量，所以商用接收機(jī)的現(xiàn)實(shí)靈敏度通常不如比標(biāo)稱靈敏度。需要通過現(xiàn)實(shí)測試來對被測接收機(jī)的靈敏度性能指標(biāo)進(jìn)行確定[4]。

2.3 定位精度測試結(jié)果與分析

鑒于GNSS接收機(jī)性能測試仿真平臺(tái)，對被測接收機(jī)的定位精度進(jìn)行了測試，測試分別在接收機(jī)為靜態(tài)和接收機(jī)載體運(yùn)動(dòng)加速度為1m/這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，每種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下均對不同載噪比下的偽距誤差進(jìn)行了測量。

通過測試的結(jié)果可以得出在控制接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持不變的時(shí)候，信號(hào)載噪比越大偽距誤差越??；在接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同然而信號(hào)載噪比相同的時(shí)候，偽距誤差隨著運(yùn)動(dòng)加速度的增加而增加[5]。

3 結(jié)束語

本文通過對首次定位時(shí)間(TTFF)和接收機(jī)靈敏度進(jìn)行測試，并對其結(jié)果進(jìn)行分析，加深了對GNSS技術(shù)及接收機(jī)性能測試技術(shù)的理解，并且通過實(shí)踐證明需要通過現(xiàn)實(shí)測試來對被測接收機(jī)的靈敏度性能指標(biāo)進(jìn)行確定。