基于衛(wèi)星信號模擬器的北斗接收機性能測試與分析

賈超廣，肖海霞

（1.解放軍信息工程大學，鄭州 450052；2.河南工程學院，鄭州 450052）

1 引言

全球定位系統(tǒng) （global positioning system，GPS）的廣泛應用，讓全世界人看到了衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的重要軍事、政治和經濟意義。作為世界上少有的幾個擁有自主衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的國家，我國已建成區(qū)域北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) （以下簡稱“北斗系統(tǒng)”），其服務范圍也將由區(qū)域再到全球。隨著北斗系統(tǒng)的逐步完善，隨之而來的將是衛(wèi)星應用產業(yè)的蓬勃發(fā)展，而應用的物質基礎是各種類型的北斗接收機，因而北斗接收機的性能及可靠性成了用戶關注的焦點［1-2］。

如何驗證導航芯片和接收機的性能成為所有衛(wèi)星導航從業(yè)者的亟待解決的問題。傳統(tǒng)的測試方法是使用天線來接收實際的衛(wèi)星信號，但這種測試方法由于受到復雜的天氣變化、電離層延遲、多徑衰減等因素的影響，使得測量可重復性非常差，且測試準確度難以保證，于是幾乎每一家接收機制造商、原始設備制造商集成商和合同制造商都在為開發(fā)能夠測試接收機性能的測試標準而努力［3-4］。

衛(wèi)星導航信號模擬器具備完備的衛(wèi)星導航信號仿真能力和豐富的操控能力，可利用這種信號模擬源仿真生成的實時北斗信號為北斗接收機測試建立一個良好的能夠重復執(zhí)行精確測試的可控環(huán)境，目前國內已經有多家科研單位自主研發(fā)出衛(wèi)星導航信號模擬器，并成為各大導航實驗室和測試研發(fā)機構不可或缺的儀器之一。利用其進行接收機性能測試，具備可控性、可重復性、廣泛性、信號可用性、節(jié)約成本等優(yōu)點［5-8］。

2 測試平臺搭建

2.1 測試原理

基于導航信號模擬源的接收機測試是利用模擬源產生的實時、可控衛(wèi)星導航模擬信號輸入給測試接收機，并通過控制主機數(shù)仿軟件根據(jù)導航星座數(shù)學模型計算生成對應于用戶設定載體軌跡的導航電文和觀測數(shù)據(jù) （偽距、多普勒等）文件，再利用評估軟件分析處理并比較由被測接收機輸出的標準格式的定位解算信息和衛(wèi)星導航信號模擬器輸出的仿真場景理論數(shù)據(jù)，得出接收機的性能參數(shù)［9-10］。

2.2 測試平臺結構

接收機測試平臺利用數(shù)仿軟件配置用戶需要的仿真數(shù)據(jù) （如軌跡用戶和誤差模型），利用上位機監(jiān)控平臺軟件啟動模擬器仿真產生用戶需要的衛(wèi)星信號和對衛(wèi)星導航信號模擬器輸出進行信號中斷、信號恢復、開關每一個可見星信號、調制方式選擇和功率控制等，從而提供接收機測試的環(huán)境；接收機通過接收模擬器產生的衛(wèi)星導航信號，最后利用評估軟件和接收機綜合監(jiān)控軟件可以測試出接收機的定位、測速、定時、靈敏度和首次定位時間等指標，測試平臺結構如圖1所示。

圖1 測試平臺結構

3 測試方法及實驗結果

實驗選用某公司生產的北斗手持型接收機為測試對象，分別做了捕獲靈敏度測試、定位精度測試、測速精度測試、冷啟動首次定位時間測試和重新捕獲時間測試，以下是部分實驗結果及分析。

3.1 捕獲靈敏度測試

實驗選用靜態(tài)場景，通過改變發(fā)射功率測出接收機的捕獲靈敏度，然后改變測試環(huán)境 （通過改變測試時間或測試點坐標實現(xiàn)），在不同的衛(wèi)星幾何精度條件下重復測試多組數(shù)據(jù)，實驗結果如表1和圖2所示。

表1 捕獲靈敏度測試實驗數(shù)據(jù)

圖2 捕獲靈敏度測試實驗結果圖

3.2 冷啟動首次定位時間測試

實驗選用靜態(tài)場景，通過綜合性接收機監(jiān)控軟件測出接收機的冷啟動首次定位時間，然后改變測試環(huán)境 （改變測試時間或測試點坐標），在不同的衛(wèi)星幾何精度條件下重復測試多組數(shù)據(jù)。實驗結果如表2和圖3所示。

表2 冷啟動首次定位時間測試實驗數(shù)據(jù)

圖3 冷啟動首次定位時間測試實驗結果圖

3.3 失鎖后重新捕獲時間測試

采用動態(tài)場景，利用上位機監(jiān)控平臺軟件控制信號模擬源短暫中斷信號，通過綜合型接收機監(jiān)控軟件可以監(jiān)控到接收機在信號失鎖后重新捕獲所用的時間。實驗結果如表3和圖4所示。

表3 重新捕獲時間測試實驗數(shù)據(jù)表

圖4 重新捕獲時間測試實驗結果圖

3.4 定位精度測試

利用評估軟件進行定位精度測試實驗，測試接收機在坐標為 （40°，116°，400m）處的靜態(tài)定位精度，測試結果如表4和圖5所示，可以看出接收機的定位精度達到米級。

表4 定位精度測試實驗數(shù)據(jù)表

圖5 定位精度測試實驗結果圖

3.5 測速精度測試

利用評估軟件可以直接評估某一次動態(tài)實驗的測速精度，先設置導彈飛行運動的場景，通過評估軟件評估接收機在導彈起始飛行階段的測試精度結果如圖6所示，接收機的定位精度在0.1m/s級，隨著導彈速度的增加，接收機的測速精度誤差緩慢增大。

圖6 測速精度實驗結果圖

4 結論

基于導航信號模擬源的北斗用戶機測試方法能夠實現(xiàn)接收機的可靠性和性能測試，測試環(huán)境穩(wěn)定，測試精度高，為接收機的測試校準提供了新的測試手段。文中介紹了基于模擬源的接收機測試原理，搭建了接收機測試平臺，提出了基于導航信號模擬源的基本性能的測試方法，這些測試方法能夠很好的為接收機生產廠家和計量檢定機構提供參考標準。

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