北斗衛(wèi)星定位接收機(jī)軟件測(cè)試要點(diǎn)及方法

金騰輝 黃永兢 劉燦

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所 廣東省廣州市 511370）

1 背景知識(shí)

自北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)上線至今，它一直平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，為全世界客戶提供服務(wù)。它已經(jīng)成功應(yīng)用于交通、水文地質(zhì)檢測(cè)、氣象測(cè)報(bào)、農(nóng)林水產(chǎn)、供電調(diào)節(jié)、通訊授時(shí)、救援減災(zāi)、公共安全等方面，取得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。隨著北斗系統(tǒng)的普及，眾多廠商紛紛采用它，它已經(jīng)深入到中國(guó)民眾的生活中，改變著人們的生產(chǎn)和生活方式。

在商業(yè)或軍事應(yīng)用中，衛(wèi)星定位用戶體驗(yàn)受到多個(gè)因素的影響。接收機(jī)提供的用戶體驗(yàn)是產(chǎn)品優(yōu)劣的決定性因素。而決定用戶體驗(yàn)質(zhì)量的因素主要包括以下幾點(diǎn):

（1）冷啟動(dòng)時(shí)間：從打開接收機(jī)設(shè)備到接收機(jī)開始正確輸出設(shè)備位置坐標(biāo)的時(shí)間。

（2）溫啟動(dòng)時(shí)間：如果接收機(jī)關(guān)閉時(shí)間超過2 小時(shí)，或者是下電后移動(dòng)了較遠(yuǎn)的距離，然后再開機(jī)稱之為溫啟動(dòng)，接收機(jī)保存了上次定位用的衛(wèi)星的位置、歷書和UTC 時(shí)間信息，但是星歷發(fā)生了變化。在溫啟動(dòng)時(shí)，接收機(jī)利用這些輔助數(shù)據(jù)能計(jì)算出時(shí)間的大概值，但是無法計(jì)算出精確的位置信息。

（3）熱啟動(dòng)時(shí)間：當(dāng)接收機(jī)關(guān)閉時(shí)間較短且移動(dòng)距離不大時(shí)，它將擁有相當(dāng)精確的衛(wèi)星相關(guān)信息，通?？梢允褂眠@一信息來捕獲衛(wèi)星信號(hào)，并較快地計(jì)算出位置，熱啟動(dòng)時(shí)間指在此情況下輸出定位結(jié)果的時(shí)間。

（4）抗干擾性能：接收機(jī)對(duì)于干擾信號(hào)的抗干擾能力，如壓制式干擾、欺騙式干擾等。

（5）天線靈敏度：當(dāng)遇到微弱信號(hào)或劣質(zhì)信號(hào)時(shí)，接收機(jī)是否仍能確定其位置。包含兩個(gè)不同級(jí)別的靈敏度：捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度。

（6）失鎖重捕獲時(shí)間：衛(wèi)星信號(hào)中斷后短時(shí)間恢復(fù)，接收機(jī)恢復(fù)定位并重新輸出定位結(jié)果的時(shí)間。

（7）定位精度：定位精度是指接收機(jī)計(jì)算結(jié)果與其真實(shí)位置之間的接近程度。

2 測(cè)試要點(diǎn)及方法

北斗衛(wèi)星定位接收機(jī)是整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)節(jié)中的終端設(shè)備，是生產(chǎn)數(shù)量最多的設(shè)備，衛(wèi)星導(dǎo)航的系統(tǒng)性能和作用是最終是通過做過終端的接收機(jī)設(shè)備得以實(shí)現(xiàn)和發(fā)揮作用的。市面上衛(wèi)星定位接收機(jī)品種多樣，用途功能不同，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來判斷其檔次。這時(shí)候?qū)πl(wèi)星定位接收機(jī)的主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試就顯得十分必要了。

本文使用到的測(cè)試環(huán)境主要是分室外和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，傳統(tǒng)的測(cè)試方法是在室外對(duì)天用接收機(jī)接收天空中的真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)，然后評(píng)估其指標(biāo)，但是這種測(cè)試方法受局限如氣候、建筑物等影響較大，另一種方法是在實(shí)驗(yàn)室微波暗室的環(huán)境下使用衛(wèi)星信號(hào)模擬器來對(duì)接收機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試，通過模擬源上的控制軟件可以控制產(chǎn)生不同的測(cè)試場(chǎng)景，此種測(cè)試環(huán)境是一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠和理想的測(cè)試環(huán)境。在此環(huán)境下能在排除外界各種干擾的情況下對(duì)接收機(jī)的性能指標(biāo)進(jìn)行定量的考核。但是實(shí)驗(yàn)室是完全理想的環(huán)境，我們還需要考慮接收機(jī)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，所以大部分的測(cè)試還是結(jié)合室外場(chǎng)景一起進(jìn)行測(cè)試。

本文主要是從工程實(shí)踐方面逐條介紹影響衛(wèi)星定位接收機(jī)的性能的各項(xiàng)指標(biāo)及測(cè)試要點(diǎn)，并結(jié)合傳統(tǒng)測(cè)試方法和在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使用衛(wèi)星信號(hào)模擬器的方法分條描述相應(yīng)的測(cè)試方法。

2.1 冷啟動(dòng)時(shí)間

冷啟動(dòng)是指衛(wèi)星定位接收機(jī)在歷書不可用、無概略位置的條件下，首次完成定位所需要的時(shí)間，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般是要求2 分鐘。接收機(jī)先從衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)，接收到衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)后，接收機(jī)將根據(jù)這些信息來計(jì)算出其首個(gè)修正方位。

通常接收機(jī)定位需要經(jīng)歷捕獲衛(wèi)星，同步解調(diào)，電文解算等步驟最后才能輸出定位結(jié)果，因此決定衛(wèi)星冷啟動(dòng)時(shí)間的因素主要有以上這幾個(gè)步驟，而衛(wèi)星的分布，信號(hào)的優(yōu)劣也對(duì)以上步驟有很大影響，衛(wèi)星的分布由PDOP（衛(wèi)星分布的空間幾何強(qiáng)度因子，PDOP 值越小代衛(wèi)星分布越好）值來衡量，下文均取PDOP 值小于3 的理想狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。

對(duì)于冷啟動(dòng)時(shí)間的測(cè)試通常需要使用到衛(wèi)星信號(hào)模擬器或者直接通過天線接收真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。通過衛(wèi)星信號(hào)模擬器模擬產(chǎn)生指定位置的衛(wèi)星信號(hào)，通過射頻線纜與接收機(jī)天線連接，接收機(jī)開機(jī)后開始計(jì)時(shí)T1，接收機(jī)輸出定位結(jié)果時(shí)間為T2，計(jì)算T2-T1 的值即為接收機(jī)的定位時(shí)間?；蛑苯邮褂脺y(cè)試設(shè)備先清空接收機(jī)存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)的歷書等數(shù)據(jù)后重新定位，同樣方法計(jì)算得到接收機(jī)的冷啟動(dòng)時(shí)間。

因?yàn)椴煌臅r(shí)間場(chǎng)景下，衛(wèi)星的數(shù)量和分布都不相同，所以接收機(jī)進(jìn)入的場(chǎng)景以及場(chǎng)景的時(shí)間不一樣，冷啟動(dòng)時(shí)間可能也會(huì)發(fā)生變化，因此我們?cè)跍y(cè)試過程中應(yīng)考慮地球上多個(gè)不同的坐標(biāo)，并多次分別計(jì)算出不同位置的定位時(shí)間，然后對(duì)測(cè)試結(jié)果求平均值。

2.2 溫啟動(dòng)時(shí)間

溫啟動(dòng)是指衛(wèi)星定位接收機(jī)在歷書可用、有概略位置的條件下，完成定位所需要的時(shí)間，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般是要求1 分鐘。

溫啟動(dòng)的一個(gè)必要條件就是接收機(jī)歷書可用。因此此類測(cè)試也可用考慮使用到衛(wèi)星信號(hào)模擬器或者直接通過天線接收真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。通過衛(wèi)星信號(hào)模擬器模擬產(chǎn)生指定坐標(biāo)的衛(wèi)星信號(hào)，接收機(jī)完成歷書接收并首次定位后關(guān)閉接收機(jī)，在歷書未發(fā)生變化的時(shí)間段內(nèi)重新對(duì)設(shè)備開機(jī)進(jìn)行定位，此時(shí)接收機(jī)完成定位時(shí)間即為溫啟動(dòng)時(shí)間，使用真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)測(cè)試同理。最后多次分別計(jì)算出不同位置的時(shí)間，然后對(duì)測(cè)試結(jié)果求平均值即為溫啟動(dòng)時(shí)間。

2.3 熱啟動(dòng)時(shí)間

熱啟動(dòng)是指衛(wèi)星定位接收機(jī)在歷書和星歷可用、有概略位置條件下，完成定位所需要的時(shí)間，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般是要求15 秒。由于接收機(jī)擁有相當(dāng)精確的衛(wèi)星相關(guān)信息，因此接收機(jī)可以使用這一信息來捕獲衛(wèi)星信號(hào)，并較快地計(jì)算出位置，常見于短暫停電或更換電池的情況。

通過衛(wèi)星信號(hào)模擬器模擬產(chǎn)生指定坐標(biāo)的衛(wèi)星信號(hào)，接收機(jī)完成定位后關(guān)閉接收機(jī)，短時(shí)間內(nèi)重新對(duì)設(shè)備開機(jī)進(jìn)行定位，此時(shí)接收機(jī)完成定位時(shí)間即為熱啟動(dòng)時(shí)間。最后在不同的場(chǎng)景多次分別計(jì)算出不同位置的時(shí)間，然后對(duì)測(cè)試結(jié)果求平均值即為熱啟動(dòng)時(shí)間。

2.4 抗干擾能力

衛(wèi)星容易受到干擾，這主要取決于自身信號(hào)的特點(diǎn)，地面上的接收機(jī)，需要接收到來自兩三萬(wàn)公里外的北斗衛(wèi)星信號(hào)，由于這個(gè)傳播距離非常遙遠(yuǎn)，所以接收到的電磁波信號(hào)十分微弱，甚至比噪聲的功率還要低，再加上地球是一個(gè)相對(duì)開放的空間，只要是落在信號(hào)頻段內(nèi)的電磁波，都能夠?qū)Ρ倍沸盘?hào)帶來干擾，所以干擾的種類可謂是多種多樣。接收機(jī)的受到的干擾主要有以下幾種形式，欺騙式干擾、壓制式干擾以及它們的組合干擾。欺騙式干擾有轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾和生產(chǎn)式欺騙干擾；壓制式干擾又可分為寬帶壓制式干擾和窄帶壓制式干擾。為了有效抵御各種干擾，接收機(jī)可以采用擴(kuò)頻技術(shù)或帶阻頻譜濾波技術(shù)來抑制噪聲，或者采用自適應(yīng)陣列天線技術(shù)來抵抗外界的干擾。

圖1：室外測(cè)試環(huán)境示意圖

圖2：實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境示意圖

我們?cè)跍y(cè)試時(shí)通常需要用到干擾源來進(jìn)行測(cè)試，對(duì)天接收衛(wèi)星信號(hào)時(shí)可以直接在天線的各個(gè)方位使用干擾源播發(fā)干擾信號(hào)，或使用多個(gè)干擾源在各個(gè)方向同時(shí)播發(fā)單一或組合的干擾信號(hào)來模擬現(xiàn)實(shí)中的干擾信號(hào)，對(duì)比接收機(jī)輸出的定位結(jié)果和天線所在基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，來評(píng)價(jià)接收機(jī)的抗干擾能力。當(dāng)然如具備條件可以在微波暗室使用衛(wèi)星信號(hào)模擬器模擬產(chǎn)生指定位置的衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)播發(fā)干擾信號(hào)，對(duì)比定位結(jié)果與衛(wèi)星信號(hào)模擬器設(shè)置的坐標(biāo)。

2.5 靈敏度

靈敏度是衛(wèi)星接收機(jī)能正常定位所需的天線最小信號(hào)接收功率。因此天線靈敏度也是衡量接收機(jī)性能的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度是需要重點(diǎn)關(guān)注的兩個(gè)指標(biāo)。

捕獲靈敏度是指允許接收機(jī)在指定期限內(nèi)成功執(zhí)行冷啟動(dòng)的最低信號(hào)電平。信號(hào)捕獲過程中的信號(hào)電平必須高于跟蹤過程中的信號(hào)電平，因?yàn)闀r(shí)間同步是未知的。捕獲靈敏度測(cè)試中，通過衛(wèi)星信號(hào)源向接收機(jī)播發(fā)衛(wèi)星信號(hào)，可以使用測(cè)試計(jì)算機(jī)監(jiān)聽接收機(jī)輸出的定位結(jié)果數(shù)據(jù)，查看捕獲成功標(biāo)志，逐步降低信號(hào)功率，直到接收機(jī)無法捕獲到衛(wèi)星信號(hào)。從而測(cè)得接收機(jī)的捕獲靈敏度性能。

跟蹤靈敏度是指允許接收機(jī)將修正方位保持在某個(gè)指定精度范圍內(nèi)的最小信號(hào)電平。這個(gè)信號(hào)電平通常比捕獲靈敏度電平低得多。隨著信號(hào)電平的降低，接收機(jī)恢復(fù)導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)流的能力也將下降，導(dǎo)致比特誤碼率增加。我們?cè)跍y(cè)試時(shí)通常需要用到頻譜儀來進(jìn)行信號(hào)標(biāo)定。使用頻譜儀標(biāo)定號(hào)信號(hào)源的信號(hào)強(qiáng)度為一個(gè)固定值，查看此時(shí)接收機(jī)是否能正常的進(jìn)行跟蹤定位，逐步調(diào)低信號(hào)源信號(hào)強(qiáng)度并標(biāo)定信號(hào)強(qiáng)度直至接收機(jī)無法輸出定位結(jié)果，此時(shí)頻譜儀顯示的信號(hào)強(qiáng)度即為該接收機(jī)的跟蹤靈敏度。

2.6 失鎖重定位

失鎖重捕時(shí)間是指接收機(jī)在信號(hào)滿足靈敏度要求的條件下，短時(shí)間失鎖后重新捕獲衛(wèi)星信號(hào)所需的時(shí)間。由于遮擋或干擾，接收機(jī)在實(shí)際使用場(chǎng)景中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)顯著減弱或中斷的情況，比如車輛穿過隧道或者在茂密的樹蔭下，這種情況會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的短暫中斷。在此情況下，接收機(jī)暫時(shí)無法跟蹤大部分或全部的衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)恢復(fù)時(shí)，接收機(jī)又馬上需要重新捕獲信號(hào)，接收機(jī)短時(shí)間快速恢復(fù)定位輸出也是衡量用戶體驗(yàn)的一個(gè)重要指標(biāo)。因此失鎖重捕定位時(shí)間是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)。

該指標(biāo)的測(cè)試通常是在實(shí)驗(yàn)室條件下通過暫停信號(hào)源輸出一定時(shí)間來模擬失鎖時(shí)間，重新輸出模擬信號(hào)后開始計(jì)時(shí)，從而計(jì)算出失鎖重定位時(shí)間，此場(chǎng)景無需重啟接收機(jī)，接收機(jī)一直保持工作狀態(tài)，可以考慮模擬多個(gè)不同的場(chǎng)景分別多次測(cè)量來計(jì)算失鎖重定位時(shí)間，求出最大時(shí)間即為接收機(jī)的失鎖重定位時(shí)間。當(dāng)不具備實(shí)驗(yàn)室條件的情況下也可以通過天線直接接收衛(wèi)星信號(hào)，通過切斷衛(wèi)星天線連接的方式模擬失鎖。

2.7 定位精度

定位精度對(duì)于接收機(jī)來說是一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，接收機(jī)定位結(jié)果的準(zhǔn)確度、離散度即為定位精度。接收機(jī)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)因此定位精度又分靜態(tài)定位精度和動(dòng)態(tài)定位精度，我們常用的精度測(cè)方法是采用數(shù)學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算，因此，需要取得足夠多的樣本，這樣才符合測(cè)試方法的要求。測(cè)試過程中通常是使用衛(wèi)星信號(hào)源播發(fā)衛(wèi)星信號(hào)，或預(yù)先設(shè)定好指定運(yùn)動(dòng)軌跡，然后再將接收機(jī)輸出的定位接收進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比信號(hào)源已知的坐標(biāo)從而得出接收機(jī)的定位精度。在測(cè)試過程中同時(shí)應(yīng)考慮時(shí)段、地區(qū)、衛(wèi)星分布等因素對(duì)定位精度的影響。

對(duì)于靜態(tài)定位精度可以采用單點(diǎn)定位測(cè)試和多點(diǎn)定位測(cè)試的方法來測(cè)精度，單點(diǎn)定位測(cè)試是指使用衛(wèi)星定位接收機(jī)進(jìn)行定位時(shí)，測(cè)量接收機(jī)和參考點(diǎn)之間的實(shí)際距離，以確定接收機(jī)的精度；多點(diǎn)定位測(cè)試是指使用衛(wèi)星定位接收機(jī)定位多個(gè)參考點(diǎn)時(shí)，測(cè)量每個(gè)參考點(diǎn)實(shí)際位置和接收機(jī)測(cè)量的位置之間的差異，以確定接收機(jī)的精度。

一般接收機(jī)在實(shí)際的使用中并不是完全靜止不動(dòng)的，所以動(dòng)態(tài)定位精度才是我們更應(yīng)該關(guān)注的指標(biāo)。動(dòng)態(tài)定位精度可以使用衛(wèi)星信號(hào)模擬器播發(fā)模擬接收機(jī)做各種運(yùn)行的場(chǎng)景，如圓周運(yùn)動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)，螺旋上升，加速度不變的直線運(yùn)動(dòng)，加速度變化存在加加速度的運(yùn)動(dòng)等，可以使用腳本程序定制各種各樣的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于衛(wèi)星信號(hào)模擬器來說每時(shí)每刻的定位數(shù)據(jù)是知道并且能保存的，使用測(cè)試軟件記錄接收機(jī)在做各種運(yùn)動(dòng)的過程中輸出的定位結(jié)果，將時(shí)間對(duì)齊后，對(duì)每一次輸出的定位結(jié)果與對(duì)應(yīng)衛(wèi)星信號(hào)模擬器的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，再計(jì)算均方根誤差即可得動(dòng)態(tài)定位精度，對(duì)于速度精度也可用使用同樣的計(jì)算方法來求得。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)北斗衛(wèi)星定位接收機(jī)軟件的主要功能的測(cè)試方法進(jìn)行了介紹和總結(jié)，分析了影響接收機(jī)用戶體驗(yàn)的主要因素，并對(duì)具體的測(cè)試方法進(jìn)行了說明。本文列舉了在測(cè)試過程中，應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注一些性能指標(biāo)，而根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，這些關(guān)注點(diǎn)也會(huì)有所不同，需要廠家根據(jù)不同的使用場(chǎng)景重點(diǎn)關(guān)注不同的指標(biāo)。