衛(wèi)星導(dǎo)航接收機兼容性測試評估技術(shù)研究與實現(xiàn)

盧 杰，張 波，楊東凱，李社軍

（1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2.中國伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航有限公司，北京 100098）

1 引言

隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展，各國都已經(jīng)開始研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航系統(tǒng)，但是在有限的導(dǎo)航頻段上，各個導(dǎo)航系統(tǒng)之間會不可避免地會相互干擾。兼容性是指兩個或多個系統(tǒng)同時工作時不會引起沖突，相對于單系統(tǒng)工作的情況而言，則不會產(chǎn)生顯著的性能下降，即系統(tǒng)間干擾引起的性能降低應(yīng)在一個可以接受的范圍內(nèi)。

接收機的兼容性和互操作性評估是 “多?；睂ο到y(tǒng)整體性能影響的綜合評價，其具體表現(xiàn)在接收機對多系統(tǒng)信號的兼容能力、可選擇能力以及組合使用能力三個層面的內(nèi)容。本文主要從接收機對導(dǎo)航信號的兼容能力著手，分析接收機在伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system，Galileo）E1干擾下對全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）L1信號的捕獲跟蹤性能的影響。

2 接收機兼容性測試評估模型研究

2.1 信號兼容性分析

為了測試兼容性，即系統(tǒng)間的相互干擾不會對各自系統(tǒng)正常工作性能造成明顯下降，需建立一種適用的解析模型，在用戶層面上對系統(tǒng)間干擾效應(yīng)進行定量分析。由于接收機信號捕獲、載波跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)的性能均依賴于接收機相關(guān)器輸出端的信號與干擾加噪聲比（signal to interference plus noise ratio，SINR），因而可通過分析干擾對相關(guān)器輸出SINR的影響從而評定干擾對接收機功能的影響。一般接收機采用載噪比［2］來表征接收到的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system GNSS）信號的質(zhì)量，當(dāng)存在其它衛(wèi)星導(dǎo)航信號干擾時可以把這些干擾等效為白噪聲，通過引入等效載噪比來衡量。

對于兩個以上的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等效載噪比為

式中，C為接收的期望信號功率，N0為接收機熱噪聲，Iintra為本系統(tǒng)內(nèi)同頻段信號干擾而引入的等效噪聲，Iinter為由于其它系統(tǒng)同頻段信號干擾而引入的等效噪聲，從而可知多模必然會使得載噪比下降。

系統(tǒng)間的載噪比衰減為

2.2 接收機兼容性評估研究

兼容性評估主要體現(xiàn)在受干擾信號對于接收機的首次捕獲時間、載波跟蹤環(huán)性能、碼跟蹤環(huán)性能、誤碼率與定位精度等方面的影響。由于接收機信號捕獲、跟蹤和數(shù)據(jù)解調(diào)性能均依賴于接收機的相關(guān)器輸出端的信噪比［4］，兼容性評估準(zhǔn)則主要歸結(jié)于載噪比的降低程度。通過測試接收機在多模條件下載噪比的降低程度來評估接收機的兼容性。

假設(shè)GPS／Galileo接收機接收到8顆GPS衛(wèi)星和8顆Galileo衛(wèi)星信號，當(dāng)E1信號作為干擾進行功率增強，其中熱噪聲功率譜密度N0為典型值205dBW／Hz，接收機 GPS－L1BPSK－R（1）信號功率為－160dBW，在E1干擾信號功率為－160～－130dBW條件下，BPSK－R（1）信號的等效載噪比［5］下降曲線如圖1所示。

圖1 接收機干擾信號下等效載噪比下降曲線

分析可知若干擾信號功率與有用信號功率相當(dāng)時，則對有用信號的影響較小；當(dāng)干擾信號功率超過有用信號10dB以上時，有用信號的等效載噪比有較明顯下降趨勢；當(dāng)干擾信號功率超過有用信號18dB以上時，有用信號的等效載噪比下降達到5dB／Hz；當(dāng)干擾信號功率超過有用信號30dB以上時，有用信號的等效載噪比下降超過15dB／Hz。等效載噪比的解析模型是評估GNSS信號抗干擾的有效方法，因此通過測試Galileo信號對GPS信號的等效載噪比的下降可以有效的評估接收機的兼容性。

由于干擾信號功率增大導(dǎo)致等效載噪比下降，設(shè)定接收機導(dǎo)航信號電平略大于跟蹤靈敏電平，當(dāng)干擾信號功率遠大于有用信號時信號等效載噪比將明顯下降，從而導(dǎo)致接收機失鎖。通過上面分析得出GPS L1在Galileo E1干擾下的兼容性評分準(zhǔn)則見表1：

表1 兼容性干擾－信號功率評分表

3 接收機兼容性測試評估平臺

通過研究GNSS系統(tǒng)導(dǎo)航定位原理及建模仿真技術(shù)，在此基礎(chǔ)上搭建了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機測試與評估平臺。用戶可根據(jù)測試指標(biāo)的不同，利用集成仿真環(huán)境創(chuàng)建場景文件，選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ筒⑴渲脜?shù)，然后通過信號源生成所需的導(dǎo)航信號，最后將信號給接收機以進行相關(guān)性能的測試。

3.1 平臺體系結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)自動測試評估需構(gòu)建一個接收機的測試環(huán)境，平臺由導(dǎo)航信號產(chǎn)生部分（信號源），信號接收部分（被測設(shè)備）和測試評估軟件等三部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 測試評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通過模擬器和接收機搭建測試評估的測試環(huán)境；測試評估軟件主要負責(zé)測試平臺的任務(wù)管理以及完成測試結(jié)果的分析與評估。信號源部分主要完成GPS／Galileo導(dǎo)航信號的生成，并利用接收機對信號進行捕獲、跟蹤和定位解算，同時把測試值反饋給測試評估軟件。

根據(jù)導(dǎo)航接收機測試與評估的實際需求，用戶設(shè)備的測試模式總體可分為有線測試和無線測試兩種。有線測試平臺用于測試接收機的各種性能指標(biāo)，無線測試平臺用于測試實際環(huán)境中接收機的工作狀態(tài)。兼容性測試評估是為了實現(xiàn)功率的有效控制，通常需在有線模式下進行，從而不考慮天線對信號兼容性的影響。

3.2 測試評估軟件

測試評估軟件是自動測試評估平臺的關(guān)鍵，下面介紹測試評估軟件的具體實現(xiàn)功能。

3.2.1 系統(tǒng)通信

測試評估平臺的通信主要是實現(xiàn)對接收機的通信功能，包括串口接收接收機數(shù)據(jù)、發(fā)送測試和控制指令，并通過調(diào)用MSComm通信控件來實現(xiàn)。此通信控件允許建立串口連接，并可連接到其他通信設(shè)備（如Modem），還可以發(fā)送命令、進行數(shù)據(jù)交換以及監(jiān)視和響應(yīng)在通信過程中可能發(fā)生的各種錯誤和事件，基于這些功能可以用它創(chuàng)建全雙工、事件驅(qū)動和高效實用的通信程序。通信模塊主要有接口驅(qū)動類、指令管理類和數(shù)據(jù)接收類。

3.2.2 決策控制

決策控制是測試評估系統(tǒng)的 “大腦”，主要實現(xiàn)的功能包括解析用戶指令實現(xiàn)人機交互，生成測試列表進行具體指標(biāo)的測試，判讀數(shù)據(jù)獲取測試結(jié)果，最終實現(xiàn)測試評估流程的總體控制。根據(jù)其功能可以把決策控制分為指令解析、測試控制和結(jié)果獲取三個部分。

指令解析主要實現(xiàn)人工交互，即通過接收用戶的測試指令來判斷測試項目并生成測試列表，以及控制測試評估系統(tǒng)實施具體的測試。為實現(xiàn)對接收機的測試指標(biāo)全面的人工實時控制，建立了接收機測試指令集，其中兼容性測試指令為compatibility testing。

測試控制負責(zé)根據(jù)測試指令生成測試列表，控制測試評估系統(tǒng)按照對應(yīng)的策略進行指標(biāo)測試，同時根據(jù)測試結(jié)果以及用戶的中斷指令等實現(xiàn)測試的流程控制。測試控制主要包括接收機的狀態(tài)設(shè)置、返回數(shù)據(jù)格式控制、測試啟動、中斷和結(jié)束控制等。

NovAtel GPS接收機能根據(jù)用戶的應(yīng)用要求輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，信息格式為：每幀信息以“?！遍_始；指令和信息的長度依數(shù)據(jù)和格式可變，但是大部分數(shù)據(jù)長度基本固定；信息頭與信息體之間以分號 “；”分隔，信息的結(jié)尾以星號“＊”分隔，信息字域之間以逗號“，”分隔；信息以32位校驗位跟回車與換行結(jié)束。

3.2.3 數(shù)據(jù)解析

數(shù)據(jù)解析主要是對接收機反饋數(shù)據(jù)進行分析處理，從緩存區(qū)提取前一幀數(shù)據(jù)，按照協(xié)議解析提取數(shù)據(jù)并送給系統(tǒng)控制模塊。語句以標(biāo)志符開始后第一個字來標(biāo)識這一語句的類別，隨后的數(shù)據(jù)之間以逗號相隔，并以字符 “＊”作為結(jié)束標(biāo)志，最后以校驗位數(shù)值和回車／換行字符結(jié)束。

接收機廠商也可根據(jù)自己的特點格式輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)，本測試評估系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)包括時間、高度、經(jīng)度、緯度、速度、航向、可見星和通道跟蹤狀態(tài)信息，采用NovAtal接收機廠商所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進行具體數(shù)據(jù)的解析。測試評估系統(tǒng)所用到的基本的數(shù)據(jù)輸出格式見表2：

表2 數(shù)據(jù)輸出格式－指令表

命令啟動（log）的語法格式為

LOG ［port］message［trigger［period ［offset［hold］］］］

其中port為端口名（缺省為命令輸入的端口），message有效消息名稱，trigger指定輸出頻次，記錄將根據(jù)period的指定周期連續(xù)輸出。特定的記錄可以使用UNLOG命令停止輸出，也可以使用UNLOGALL命令停止所有記錄的輸出。

4 接收機兼容性測試及結(jié)果分析

4.1 兼容性測試實驗

接收機兼容性測試是指在多系統(tǒng)運行情況下分析有用信號的等效載噪比的衰減，測試接收機對不同系統(tǒng)信號的兼容接收能力。通過測試GPS L1在Galileo E1信號的干擾下等效載噪比衰減情況，進行接收機的兼容性能的評價。本測試實驗重點是完成對信號功率的控制，故選擇有線環(huán)境下對思博倫模擬器進行測試，從而可以有效避免真實導(dǎo)航信號中衛(wèi)星仰角對測試的影響。

測試設(shè)備：模擬器型號為GSS8000，它可以接收GPS L1、Galileo E1及格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GLONASS）L1信號；導(dǎo)航衛(wèi)星接收機型號為美國NovAtel公司的FlexPak6。

場景設(shè)置：設(shè)置衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為GPS／Galileo雙導(dǎo)航系統(tǒng)；設(shè)置系統(tǒng)誤差參數(shù)為時變模式，使接收機可以修正部分誤差，但是不能完全消除；采取靜態(tài)模式；啟動設(shè)置GPS正常信號功率（大于捕獲電平），使接收機正常捕獲跟蹤大于5min，調(diào)制GPS系統(tǒng)信號功率為略高于跟蹤靈敏度；逐步增大模擬器中Galileo E1干擾信號的發(fā)射功率，范圍為大于GPS信號功率8～28dB。

測試流程為：

（1）根據(jù)測試需求設(shè)定測試場景文件，控制模擬器多系統(tǒng)多衛(wèi)星發(fā)射模式產(chǎn)生所需的衛(wèi)星導(dǎo)航信號；

（2）啟動接收機開始信號捕獲、跟蹤和定位，計算載噪比；

（3）逐步控制模擬器中Galileo E1干擾信號的發(fā)射功率；

（4）接收并存儲接收機輸出對應(yīng)的GPS L1信號載噪比下降情況，直到接收機無法正常跟蹤衛(wèi)星信號，輸出Galileo E1干擾信號功率；

（5）測試評估單元根據(jù)獲取數(shù)據(jù)與理論對比分析，評估接收機的兼容性能。

4.2 測試結(jié)果分析

本實驗使用導(dǎo)航信號模擬器對GNSS接收機進行兼容性測試，分析GPS L1信號在Galileo E1信號干擾下的捕獲跟蹤狀態(tài)。設(shè)置GPS信號功率為略高于跟蹤靈敏度（－166dBW）；逐步增大模擬器中Galileo E1干擾信號的發(fā)射功率范圍為－158～－138dBW。

GPS信號功率－166dBW條件下進行8次重復(fù)實驗，測試結(jié)果見表3

表3 兼容性測試結(jié)果

根據(jù)實驗測試結(jié)果可得：根據(jù)信號間兼容的理論分析，接收機兼容性測試指標(biāo)的取值空間為［17，20］，通過統(tǒng)計分析當(dāng)干擾信號（E1）高于導(dǎo)航信號（L1）為18.5dB時，接收機不能正常的跟蹤，根據(jù)兼容性評估準(zhǔn)則評分為4.25。

5 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，多模兼容已成為導(dǎo)航接收機發(fā)展的必然方向。目前對于接收機具體的測試評估理論和方法還不夠系統(tǒng)全面，科學(xué)測評其性能已成為推廣和加快GNSS應(yīng)用進程中急需解決的重要環(huán)節(jié)。本文通過對信號兼容性分析研究，提出了接收機兼容性測試評估方法。利用接收機、模擬器和計算機搭建了接收機測試評估平臺，在此基礎(chǔ)上完成了接收機的兼容性測試評估實驗。

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