北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶終端測試系統(tǒng)性能檢核方法

李超,朱陵鳳,張益青,李騰

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京100094)

北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶終端測試系統(tǒng)性能檢核方法

李超,朱陵鳳,張益青,李騰

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京100094)

為解決不同型號北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶終端測試系統(tǒng)間測試結(jié)果差異問題,本文提出了利用檢核接收機(jī)技術(shù)的測試系統(tǒng)性能檢核方法。根據(jù)測試系統(tǒng)檢核需求,明確了檢核接收機(jī)應(yīng)具備的功能,深入分析了檢核接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求,給出了相應(yīng)解決途徑、整機(jī)設(shè)計方案及具體檢核方法?；跈z核接收機(jī)的測試系統(tǒng)性能檢核方法,能及時檢測測試系統(tǒng)狀態(tài),保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠;同時便于統(tǒng)一不同測試系統(tǒng)間評判方法,保證了終端檢測結(jié)果的一致性。

用戶終端;測試系統(tǒng);檢核

0 引 言

北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)可以為用戶提供定位、導(dǎo)航、授時及短報文通信服務(wù)。自2012年12月系統(tǒng)空間信號接口控制文件正式版公布,北斗導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式對亞太地區(qū)提供PNT服務(wù)。2014年11月國際海事組織海上安全委員會通過了對北斗局域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)認(rèn)可的航行安全通函,取得面向海事應(yīng)用的國際合法地位。隨著其廣泛使用和推廣,北斗區(qū)域用戶終端的質(zhì)量保證系統(tǒng)建設(shè)也越來越重要。要提高用戶終端的質(zhì)量,就需要對其進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的測試,及時發(fā)現(xiàn)用戶終端存在的問題,將問題消滅在使用前[1-3]。要實(shí)現(xiàn)上述目的,就需要提高用戶終端測試系統(tǒng)的性能,對測試系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測量和實(shí)時監(jiān)測。

北斗區(qū)域用戶終端測試系統(tǒng)是裝備管理部門和生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品檢測的必要手段[4-5]。但目前各用戶終端生產(chǎn)廠家和檢測認(rèn)證部門采用了不同廠家研制的測試系統(tǒng),在測試項(xiàng)目設(shè)置、測試流程控制、評估方法和評判準(zhǔn)則等方面不盡相同,因此需要針對不同廠商研制的測試系統(tǒng)進(jìn)行功能和性能進(jìn)行檢核。通過檢核實(shí)現(xiàn)向上級測量標(biāo)準(zhǔn)的溯源,提高測試系統(tǒng)的測量精度,實(shí)現(xiàn)與國家級測試標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,建立相互驗(yàn)證的檢測體系,促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[6-7]。

1 檢核接收機(jī)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1.1 需求分析

檢核接收機(jī)作為測試系統(tǒng)功能及性能檢驗(yàn)的關(guān)鍵測試設(shè)備,從實(shí)際應(yīng)用的角度檢驗(yàn)整個測試系統(tǒng)的可用性,因此,檢核接收機(jī)能夠接收所有衛(wèi)星導(dǎo)航頻率,能對系統(tǒng)的定位、通信及測速等基本的功能和導(dǎo)航、定位模式進(jìn)行充分評估。通過對比、檢測測試結(jié)果,還能在一定程度上監(jiān)控測試系統(tǒng)的運(yùn)行情況,為保證系統(tǒng)的可用性提供支持。同時作為標(biāo)準(zhǔn)傳遞設(shè)備,要求檢核接收機(jī)要有很高的集成度,在有限的空間里集成具有多種功能的模塊,實(shí)現(xiàn)功耗低,體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,便于操作及測試等特點(diǎn)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)分析與解決

檢核接收機(jī)要實(shí)現(xiàn)對測試系統(tǒng)性能指標(biāo)的全面驗(yàn)證,必須具有高動態(tài)信號處理功能。與中、低動態(tài)環(huán)境相比,高動態(tài)使RNSS載波信號產(chǎn)生較大的多普勒頻移,若使普通接收機(jī)的載波鎖相環(huán)PLL(常用costas環(huán))能夠保持鎖定,就必須增加環(huán)路濾波器的帶寬。這樣就會使更多的噪聲引入,當(dāng)噪聲電平增大到超過環(huán)路門限時就會致使載波跟蹤環(huán)失鎖,同時丟失距離和距離變化率的估計值;若不增加載波鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬,則載波多普勒頻移常常會超過鎖相環(huán)的捕獲帶,這樣也不能保證對載波的可靠捕獲和跟蹤。同時載波跟蹤失鎖也使衛(wèi)星調(diào)制數(shù)據(jù)無法恢復(fù),相應(yīng)的衛(wèi)星星歷無法獲取。

為了適應(yīng)高動態(tài)環(huán)境并保證具有較好的跟蹤精度,對載波的跟蹤應(yīng)采用AFC+鎖相環(huán)方案。AFC環(huán)負(fù)責(zé)對較大頻偏進(jìn)行跟蹤校正,當(dāng)頻偏較小時,啟動costas環(huán),對載波相位進(jìn)行精跟,該算法可以將載波頻率誤差由500 Hz降至10 Hz以下。隨后,啟動判決反饋型叉乘式鑒頻器算法,進(jìn)一步降低至鎖相環(huán)的快捕帶。最后,啟動相位跟蹤算法,完成整個載波頻率相位的跟蹤。載波相位環(huán)采用二象限反正切算法,該算法在高信噪比和低信噪比條件下都具有最佳檢測性能。相比于其他的PSK相位跟蹤算法,該種算法具有線性度高、跟蹤范圍大等特點(diǎn),是一種最大似然估計算法。圖1和圖2分別是相位跟蹤環(huán)和頻率跟蹤環(huán)原理框圖。

1.3 設(shè)計實(shí)現(xiàn)

檢核接收機(jī)設(shè)計由RDSS(Radio Determination Satellite Service)天線、RNSS天線、終端機(jī)和主控機(jī)組成。主控機(jī)為一臺PC機(jī),是檢核接收機(jī)主應(yīng)用處理軟件的運(yùn)行平臺。終端機(jī)是檢核接收機(jī)的核心,主要完成信號處理、信息處理和信息匯總。終端機(jī)各個模塊功能相對獨(dú)立,可以劃分為RDSS射頻模塊、RNSS射頻模塊、RDSS信號處理模塊、RNSS信號處理模塊、應(yīng)用處理模塊、電源模塊和時鐘模塊。如圖3所示。

圖1 相位跟蹤環(huán)原理框圖

圖2 頻率跟蹤環(huán)原理框圖

圖3 檢核接收機(jī)基本組成示意圖

天線單元主要完成導(dǎo)航信號的采集和入站信號的發(fā)射,采用定向天線。接收處理終端由信號處理板卡(包括RNSS處理模塊和RDSS處理模塊)、應(yīng)用處理模塊、時鐘模塊、電源模塊等組成。信號處理板卡主要完成經(jīng)天線采集下來導(dǎo)航信號的處理、信息處理和信息匯總和數(shù)據(jù)傳輸,以及在應(yīng)用處理模塊的控制下完成RDSS入站信號的發(fā)射。應(yīng)用處理模塊為運(yùn)行在零槽控制器的軟件,是檢核接收機(jī)應(yīng)用處理軟件的運(yùn)行平臺,應(yīng)用處理機(jī)通過標(biāo)準(zhǔn)RS232串口或TCP/IP協(xié)議和控制臺交互信息。

1.4 檢核原理

檢核接收機(jī)可對信號電平、偽距、測試場景、電文等正確性進(jìn)行驗(yàn)證,確保系統(tǒng)播發(fā)信號的正確性。檢核接收機(jī)同時還能夠代替普通用戶終端實(shí)現(xiàn)對用戶終端測試系統(tǒng)進(jìn)行測試流程、接口等正確性的驗(yàn)證,達(dá)到對測試系統(tǒng)的性能檢核。檢核接收機(jī)接口關(guān)系如圖4所示。

圖4 檢核接收機(jī)接口關(guān)系圖

在性能檢核工作模式下,檢核接收機(jī)接收導(dǎo)航信號模擬器播發(fā)的RNSS/RDSS導(dǎo)航信號,對導(dǎo)航信號的捕獲、跟蹤、解擴(kuò)、解調(diào)、譯碼等,實(shí)現(xiàn)定位與測速功能,并將定位、測速以及導(dǎo)航電文、觀測偽距、多普勒等測量信息送測試系統(tǒng)的測試控制與評估分系統(tǒng),與導(dǎo)航信號模擬器實(shí)際播發(fā)的信號進(jìn)行比對評估。

在用戶終端工作模式下,檢核接收機(jī)代替一般用戶設(shè)備進(jìn)行測試流程的驗(yàn)證,包括RNSS的定位、測速、首次捕獲、失鎖重捕等功能的測試驗(yàn)證,以及RDSS的定位、通信、位置報告、指揮型用戶機(jī)兼收功能等流程的測試驗(yàn)證等。

在RDSS入站信號校準(zhǔn)模式下,檢核接收機(jī)內(nèi)入站信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的入站信號,實(shí)現(xiàn)對用戶終端測試系統(tǒng)中入站接收機(jī)功率、頻率、時延等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的校準(zhǔn)。

2 性能檢核工作模式

檢核接收機(jī)的性能檢核工作模式主要用以完成測試系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時在線監(jiān)測,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,測試評估結(jié)果真實(shí)可信。作為測試系統(tǒng)運(yùn)行的一種可靠性保障手段,檢核接收機(jī)實(shí)現(xiàn)了測試系統(tǒng)出站信號的閉環(huán)檢驗(yàn),便于試驗(yàn)結(jié)果分析及問題定位的排查,其主要通過以下手段實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)性能進(jìn)行檢核。

1) 導(dǎo)航電文驗(yàn)證

通過檢核接收機(jī)可以解調(diào)出原始數(shù)據(jù),進(jìn)而獲得導(dǎo)航電文,同時對各通道的導(dǎo)航電文進(jìn)行存儲,并且對導(dǎo)航電文進(jìn)行時間標(biāo)記,測量幀長度,記錄幀時間,送給信息處理模塊進(jìn)行統(tǒng)計,從而在界面上顯示相應(yīng)幀的播發(fā)時間、播發(fā)周期和導(dǎo)航電文內(nèi)容等。

2) 定位性能驗(yàn)證

檢核接收機(jī)可選擇多種定位方式、定位模式,通過接收測試系統(tǒng)播發(fā)的出站導(dǎo)航仿真信號,并對其進(jìn)行解析,實(shí)現(xiàn)對位置和速度的解算,并能夠?qū)ξ恢煤退俣冉馑憬Y(jié)果進(jìn)行有效性判斷,將獲得定位及速度信息與測試系統(tǒng)測試控制與評估軟件送來的定位及速度信息進(jìn)行比對驗(yàn)證。

3) 信號正確性驗(yàn)證

檢核接收機(jī)測試系統(tǒng)播發(fā)的導(dǎo)航出站信號,實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航星座、觀測量、可視衛(wèi)星數(shù)、測試場景、用戶軌跡、導(dǎo)航電文、仿真誤差等信息進(jìn)行解析,并通過與測試控制與評估發(fā)送的相關(guān)信息進(jìn)行比對驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)對測試系統(tǒng)出站導(dǎo)航信號正確性驗(yàn)證評估。

4) 數(shù)據(jù)存儲管理與分析驗(yàn)證

檢核接收機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲管理與分析驗(yàn)證功能,可存儲原始觀測量、原始電文數(shù)據(jù)、定位處理結(jié)果、完好性處理結(jié)果、告警提示等各類原始信息和結(jié)果信息,可根據(jù)選定的時間、類型對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析,可對歷史數(shù)據(jù)按實(shí)際處理模式進(jìn)行后處理回放分析,有利于對用戶終端測試過程中出現(xiàn)問題的分析排查。

3 用戶終端工作模式

檢核接收機(jī)的用戶終端工作模式是指其完全模擬全功能的北斗用戶終端,用以對用戶終端測試系統(tǒng)的測試流程、評估正確性、RDSS入站信號指標(biāo)等性能驗(yàn)證與檢核。

1) 測試流程驗(yàn)證

檢核接收機(jī)支持北斗用戶設(shè)備測試數(shù)據(jù)接口協(xié)議,能夠在測試系統(tǒng)測試控制與評估軟件的控制下,按照各種測試項(xiàng)目的測試流程完成相應(yīng)項(xiàng)目的測試,此時檢核接收機(jī)除能夠按照正常測試流程進(jìn)行測試外,還能夠模擬常見的異?，F(xiàn)象,如功率檢測超時、指令響應(yīng)超時、測試數(shù)據(jù)中斷等,達(dá)到對測試系統(tǒng)測試流程驗(yàn)證目的。

2) 評估正確性驗(yàn)證

在測試系統(tǒng)的測試項(xiàng)目過程中,檢核接收機(jī)在測試控制與評估分系統(tǒng)的控制下,向測試系統(tǒng)上報接收到的出站數(shù)據(jù)及其它觀測量信息;并在測試系統(tǒng)測試控制與評估分系統(tǒng)的控制下發(fā)送RDSS入站信號,測試控制與評估分系統(tǒng)將播發(fā)的原始數(shù)據(jù)與檢核接收機(jī)上報的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,即可實(shí)現(xiàn)測試結(jié)果的評估。此時檢核接收機(jī)能夠模擬導(dǎo)航電文誤碼數(shù)據(jù)、定位/測速/測距超差數(shù)據(jù)、各種類型的入站信息等,實(shí)現(xiàn)對測試系統(tǒng)測試評估正確性的驗(yàn)證。

4 RDSS入站信號校準(zhǔn)模式

在北斗區(qū)域用戶終端測試系統(tǒng)中,導(dǎo)航信號模擬器的功率、頻率、時延等技術(shù)指標(biāo)均可通過標(biāo)準(zhǔn)測試儀器進(jìn)行測試,實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)航信號模擬模擬器的計量和校準(zhǔn)。而入站接收機(jī)負(fù)責(zé)接收RDSS用戶機(jī)發(fā)射的短突發(fā)擴(kuò)頻入站信號[8],無法直接通過標(biāo)準(zhǔn)儀器獲得相關(guān)的校準(zhǔn)信息[9],只能通過引入可校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)入站信號從而獲得入站接收機(jī)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

檢核接收機(jī)內(nèi)的入站信號產(chǎn)生部分,除可配合RDSS用戶設(shè)備進(jìn)行相關(guān)性能驗(yàn)證外,還可接收上位機(jī)的控制,產(chǎn)生系統(tǒng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)入站信號。檢核接收機(jī)內(nèi)的RDSS入站信號模塊組成示意如圖5所示。

圖5 RDSS入站信號產(chǎn)生部分組成示意圖

首先,檢核接收機(jī)的時鐘可同步到用戶終端測試系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)共源測試;其次,RDSS入站信號產(chǎn)生部分功率、頻率、時延均步進(jìn)可調(diào),并可通過標(biāo)準(zhǔn)儀器進(jìn)行檢核;第三,標(biāo)準(zhǔn)放大器、發(fā)天線的增益可通過計量校準(zhǔn),測試電纜的衰減、時延等可通過統(tǒng)一儀器進(jìn)行標(biāo)定;第四,RDSS入站信號產(chǎn)生部分發(fā)射與系統(tǒng)基準(zhǔn)1 PPS信號指定時延的入站信號,入站接收機(jī)接收并進(jìn)行測距,上報測試控制與評估分系統(tǒng),即可實(shí)現(xiàn)入站信號零值測量精度及準(zhǔn)確度的校準(zhǔn);第五,RDSS入站信號產(chǎn)生部分發(fā)射不同功率、不同頻率的入站信號,入站接收機(jī)接收并進(jìn)行觀測量解析,即可實(shí)現(xiàn)入站信號功率、頻率測量精度的校準(zhǔn)。

下面給出利用檢核接收機(jī)對測試系統(tǒng)雙通道時差測量誤差、雙向零值和發(fā)射ERIP值等指標(biāo)測量精度檢核結(jié)果。檢核接收機(jī)的雙通道時差、雙向零值和發(fā)射ERIP值通過外接通用儀器標(biāo)定后,可以根據(jù)檢核要求進(jìn)行精確設(shè)置,檢核結(jié)果如表1所示。

表1 測試系統(tǒng)部分指標(biāo)檢核結(jié)果記錄表

從表中可以看出,被檢測試系統(tǒng)通道時差測量誤差,發(fā)射ERIP值測量結(jié)果與檢核接收機(jī)設(shè)定值之差滿足使用要求;雙向零值三次檢核結(jié)果中,最大差值為1.2 ns,超出測試系統(tǒng)≤1 ns的使用要求,被檢測試系統(tǒng)需要進(jìn)行雙向零值修正,并經(jīng)再次檢核合格后方可正常使用。

5 結(jié)束語

利用檢核接收機(jī)用戶對北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶終端測試系統(tǒng)性能狀態(tài)進(jìn)行充分監(jiān)測,保證系統(tǒng)測試結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。同時檢核接收機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對測試系統(tǒng)接口協(xié)議、測試方法、評判準(zhǔn)則、指標(biāo)結(jié)果進(jìn)行比對驗(yàn)證,便于各類測試系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)溯源到國家級的測試標(biāo)準(zhǔn)上,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn),促進(jìn)導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。

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Calibration Method for BDS User Terminal Test System

LI Chao, ZHU Lingfeng, ZHANG Yiqing, LI Teng

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

With the wide application of BeiDou satellite navigation system(BDS), a large number of BD user terminals are in used. All kinds of test system by different manufactures providing are used to evaluate the performances of the user terminals.To address this problem, this paper provides the calibration method for various test system by a calibration receivers, and completes the evaluation of their performances. It’s easy to trace to the national testing standards and establish a unified test system. This can promote BDS application healthy and orderly development.

User terminal; test system; calibration method

2016-06-12

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.06.012

P228.4

1008-9268(2016)06-0059-06

李超 (1981-),男,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端算法及終端測試技術(shù)研究。

朱陵鳳 (1983-),女,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間同步及定軌技術(shù)研究。

張益青 (1971-),男,碩士,高級工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終與測試技術(shù)研究。

李騰(1987-),男,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航用戶終端測試與標(biāo)定技術(shù)研究。

聯(lián)系人：李超 E-mail: lichaochxy@163.com