衛(wèi)星導航終端批量測試系統(tǒng)設(shè)計

李　騰，王禮亮，楊　勇，梁書忠

(北京衛(wèi)星導航中心，北京　100094)

衛(wèi)星導航終端批量測試系統(tǒng)設(shè)計

李騰，王禮亮，楊勇，梁書忠

(北京衛(wèi)星導航中心，北京100094)

摘要：針對衛(wèi)星導航終端產(chǎn)品大規(guī)模批量化測試需求，提出了衛(wèi)星導航終端批量測試系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)和要求，設(shè)計了批量測試系統(tǒng)的總體架構(gòu):設(shè)計內(nèi)容覆蓋信號、信息、鏈路等多個層面，具有測試批量化、組件模塊化、系統(tǒng)擴展性強等特征；同時給出了信號分路控制、暗室微型化、并行控制評估等批量測試系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵要素的技術(shù)方案。最后，通過批量測試系統(tǒng)的工程化應(yīng)用驗證了該系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)可行性和測試高效性。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導航終端；批量測試；總體架構(gòu)；數(shù)字分路；微小暗箱

0引言

2012年底北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通服務(wù)，北斗系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)建設(shè)完成了“三步走”戰(zhàn)略的第二步，實現(xiàn)了有源定位加區(qū)域無源定位的雙體制服務(wù)能力。在北斗系統(tǒng)建設(shè)和導航應(yīng)用發(fā)展的雙重驅(qū)動下，以導航終端為核心環(huán)節(jié)的北斗衛(wèi)星導航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈蓬勃發(fā)展，國內(nèi)參與到導航終端研制、生產(chǎn)、應(yīng)用的單位已達上萬家，形成了產(chǎn)品多樣化、產(chǎn)量規(guī)模化、產(chǎn)地分散化的北斗應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局[1-2]。與此同時，BDS應(yīng)用主管部門要求各類北斗用戶設(shè)備必須通過入網(wǎng)檢測，以確保導航終端不對北斗衛(wèi)星系統(tǒng)造成危害、不因質(zhì)量問題影響北斗應(yīng)用效果?？梢姡仨毿纬梢耘?、普適、廣泛為特征，與產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局相協(xié)調(diào)的導航終端檢測能力，來支撐衛(wèi)星導航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展和確保主管部門相關(guān)要求有效落實。

目前，室內(nèi)無線仿真測試系統(tǒng)是形成衛(wèi)星導航終端檢測能力的主要物質(zhì)支撐，其原理是：利用衛(wèi)星導航信號模擬器，仿真衛(wèi)星導航終端各種使用環(huán)境；并以自動化的測試控制手段，實現(xiàn)對被測導航終端(equipment under test，EUT)的功能檢查和指標考核[3-4]。然而，現(xiàn)有測試系統(tǒng)大都基于大型微波暗室構(gòu)建，通常只能單臺串行測試，檢測效率非常有限；另外，系統(tǒng)建設(shè)復(fù)雜度高、成本大，維護使用過程對人員技能要求高，難以大量建設(shè)并推廣應(yīng)用。因此，導航終端產(chǎn)品檢測的能力提升非常緩慢。這與快速增長的檢測需求之間產(chǎn)生嚴重供求矛盾，且日益嚴峻；如果解決不好，檢測將成為北斗衛(wèi)星導航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸。

為解決上述矛盾現(xiàn)狀，需要設(shè)計出測試容量大、推廣價值高的衛(wèi)星導航終端批量測試系統(tǒng)(以下簡稱“批測系統(tǒng)”)。

1系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求

簡單說來，批測系統(tǒng)就是一套能夠同時對多臺被測件進行流程化檢測的設(shè)備組。對任何批量測試系統(tǒng)而言，需要解決的首要核心問題都是測試的“并行一致”性：“并行”要求系統(tǒng)提供足夠數(shù)量的測試環(huán)路，實現(xiàn)測試的時間同步性；“一致”要求系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一控制、點對點精確獨立調(diào)節(jié)所有被測件的狀態(tài)，保證測試的空間重復(fù)性。

另外，為提升系統(tǒng)的推廣價值，必須充分考慮面向多層次、多類別用戶的大眾化產(chǎn)品屬性和差異化應(yīng)用需求：“大眾化”要求降低系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)雜度和成本，便于使用維護；“差異化”要求提高系統(tǒng)使用的靈活度，批量規(guī)模可變，測試模式多樣。

基于上述批檢系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)的理解，結(jié)合現(xiàn)有導航測試技術(shù)和測試設(shè)備水平，提出以下設(shè)計要求：

1)多路并行的測試鏈路。系統(tǒng)具有數(shù)量足夠的仿真信號輸出、測試接口和測量輸入的硬件資源，可同時構(gòu)建多條并行的測試鏈路。

2)準確可控的測試環(huán)境。被測件在系統(tǒng)中所處的測試環(huán)境應(yīng)盡量減少非受控因素影響，作用在被測件的測試信號可通過精確調(diào)整而保持批次一致。

3)靈活可靠的測試控制。系統(tǒng)根據(jù)不同測試需求提供靈活多樣的測試流程控制策略，在批量測試中保證系統(tǒng)控制的協(xié)調(diào)性和可靠性。

4)模塊化系統(tǒng)組件。系統(tǒng)各組件采用模塊化設(shè)計，將構(gòu)建的復(fù)雜度封裝于模塊內(nèi)部，模塊外部呈現(xiàn)簡明的連接或校準接口，實現(xiàn)快捷建設(shè)和即插即用。

5)開放式系統(tǒng)架構(gòu)。鑒于用戶使用測試系統(tǒng)的批量規(guī)模和應(yīng)用模式較為豐富、多樣，系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)保持一定彈性，使接口設(shè)計兼顧擴展需求，用戶可“搭積木式”地定制構(gòu)建系統(tǒng)的功能和規(guī)模。

2系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)多路并行、準確可控、靈活可靠、模塊化、開放式的設(shè)計要求，對衛(wèi)星導航終端批量測試系統(tǒng)進行頂層架構(gòu)設(shè)計，包括測試資源構(gòu)成和工作流程控制兩大方面。

2.1系統(tǒng)測試資源構(gòu)成

一般而言，通用測試系統(tǒng)資源構(gòu)成包括：激勵資源、測量資源、開關(guān)裝置、接口裝置和測試控制評估5大部分[5]，并配套相關(guān)輔助設(shè)備。圖1示意了典型的北斗導航終端測試鏈路。

圖1　典型北斗導航終端測試系統(tǒng)設(shè)備組成示意圖

由圖1可知：結(jié)合通用測試系統(tǒng)資源構(gòu)成理論來分析，導航信號模擬器是激勵資源，提供多頻點、多體制的仿真測試信號及仿真用戶動態(tài)；入站接收機是主要測量資源，用于獲取L頻段入站信號的頻率、功率、時延、信號質(zhì)量等指標；信號鏈路分配單元是開關(guān)裝置，可對激勵信號進行路徑分配調(diào)度和物理指標調(diào)節(jié)；接口裝置在這里是一個廣義的概念，包含系統(tǒng)與EUT發(fā)生信號交互的測試接口(無線測試環(huán)境)、發(fā)生信息交互的通信接口，以及系統(tǒng)向EUT提供的時頻信號、設(shè)備供電等物理接口；測試控制評估單元是整個系統(tǒng)的信息樞紐和人機交互界面，由測試評估軟件和基于以太網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；輔助裝置用以支持特定測試項目的實現(xiàn)，包括外部時鐘基準、測試轉(zhuǎn)臺、程控電源、串口服務(wù)器等組件。

在使用同一測試方法標準的前提條件下，批測系統(tǒng)測試的資源要素與典型系統(tǒng)基本一致，但資源運作實現(xiàn)方式需創(chuàng)新設(shè)計，主要涉及鏈路和設(shè)備層面的內(nèi)容[6]。

2.1.1集中式模擬與分布式播發(fā)的并行鏈路架構(gòu)

在鏈路層面，實現(xiàn)多路并行有3種參考方案：

1)多源多路方案。使用與測試容量(并行測試終端數(shù))相同數(shù)量的信號器，復(fù)制構(gòu)建多套如圖1所示的經(jīng)典系統(tǒng)。該方案以極高的建設(shè)成本實現(xiàn)了多路信號的獨立調(diào)節(jié)，難以保證多路同步性和仿真一致性。

2)單源多路方案。利用功分器將一個信號器產(chǎn)生的仿真信號分為多路，再分別提供給被測終端，通常用于有線測試。該方案保證了多路同步和仿真一致；但由于功分器各通道的頻響差異，難以實現(xiàn)多路測試信號物理指標的一致性和可控性。

3)單源廣播方案。在具有多個靜區(qū)的微波暗室中，設(shè)置多個無線測試工位，讓被測件同時接收暗室中廣播的導航信號。該方案僅能支持無源定位體制下的并行測試，且測試容量受暗室規(guī)模(靜區(qū)數(shù)量)限制；同時因被測件存在非期望的電磁輻射，難以保證測試電磁空間的準確可控。

綜合以上方案的特點及局限性，批測系統(tǒng)采用集中式信號模擬，即在同一時鐘基準和數(shù)學仿真模型下，集中并行輸出多路仿真信號，各端口、各頻點信號的物理指標可精確獨立控制；同時，采用分布式鏈路播發(fā)，即為各被測件分別提供獨立并存的無線測試環(huán)境，確保測試接口可準確控制、數(shù)量增減便捷：這樣既保證仿真多路輸出的并行一致，又保證測試環(huán)境條件的獨立可控。

2.1.2集成化、模塊化、低成本的設(shè)備形態(tài)

在設(shè)備層面，現(xiàn)有系統(tǒng)無法實現(xiàn)批量測試主要受制于2點：一是缺少能夠提供多路激勵信號的設(shè)備；二是無線測試環(huán)境設(shè)施建設(shè)復(fù)雜度和成本太高。

鑒于此，批測系統(tǒng)需要引入集成導航信號仿真、生成和分配功能的多端口激勵設(shè)備，為系統(tǒng)提供足夠多的激勵資源；還需要設(shè)計代替微波暗室的模塊化、微小化環(huán)境設(shè)備，大幅降低無線測試環(huán)境的建設(shè)復(fù)雜度和成本，為系統(tǒng)提供足夠多的獨立測試接口。

1)陣列信號模擬器：在導航接收機多陣子抗干擾天線測試中使用的數(shù)字陣列信號模擬器[7]，采用大規(guī)模數(shù)字陣列基帶信號合成技術(shù)，實現(xiàn)了在統(tǒng)一時鐘基準下的大規(guī)模高精度可配置多路信號模擬生成；每路信號的載波相位、功率、頻率、時延獨立可控，基本滿足集中式信號模擬需求，可作為批測系統(tǒng)的多端口激勵設(shè)備。

2)集成化微小暗箱：應(yīng)用于小型通信產(chǎn)品測試的微小暗箱是相近借鑒；但需要分析導航終端檢測環(huán)境要求，進行針對性設(shè)計。導航終端無線測試環(huán)境的基本要求包括：①電磁波工作頻率為1～2.5 GHz；②系統(tǒng)及被測件的信號收發(fā)使用低方向性天線；③具有較被測件尺寸而言足夠大的內(nèi)部靜區(qū)；④集成測試轉(zhuǎn)臺和通信接口。

因此設(shè)計構(gòu)建模塊化集成微小測試環(huán)境的難點及技術(shù)關(guān)鍵點在于：如何在最小的空間里實現(xiàn)對測量精度及重復(fù)度的要求，確保測試靜區(qū)大小足夠、電磁環(huán)境穩(wěn)定；以及對低方向性天線靜區(qū)反射波有效抑制。

2.1.3系統(tǒng)資源構(gòu)成框圖

基于陣列信號模擬器和微小暗箱，設(shè)計集中式信號模擬與分布式信號播發(fā)相結(jié)合的模塊化系統(tǒng)架構(gòu)。其資源構(gòu)成如圖2所示。

2.2系統(tǒng)工作控制流程

測試系統(tǒng)軟件控制流程就是以“測試需求輸入—測試控制實施—測試結(jié)果輸出”為主線，從任務(wù)、信息、信號、鏈路等多層面，執(zhí)行測試操作、調(diào)度系統(tǒng)資源、實施測試管理[8-9]。結(jié)合導航終端產(chǎn)品測試特點和批量測試需求，設(shè)計批測系統(tǒng)軟件控制的流程如圖3所示。

圖2　批量檢測系統(tǒng)資源構(gòu)成框圖

圖3　導航終端批量測試系統(tǒng)軟件控制流程圖

2.2.1輸入

控制流程的輸入實際是對測試任務(wù)的解析定義過程，定義內(nèi)容包括2個方面：一是EUT基本屬性、測試指標體系、支撐測試流程運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)鏈路連接、測試信號仿真等工程要素；二是設(shè)備接口協(xié)議、測試方法等標準要素[10]。

批量測試中，各被測件的測試輸入可能存在差異，比如測試鏈路零值修正量、仿真測試場景動態(tài)特性、串口通信波特率等;因此，須為測試流程控制提供與批量化、多樣化測試任務(wù)(包括批量大小、指標項目、測試場景等)相匹配的描述維度和資源配置靈活度。

2.2.2控制實施

控制流程的實施是通過一個個定義模板化、過程流程化、控制自動化的測試工程來實現(xiàn)的。測試工程從建立、執(zhí)行到完成的過程中，系統(tǒng)依次進行了測試登記、鏈路連接、信號播發(fā)、通信交互、狀態(tài)反饋、異常處理、數(shù)據(jù)存儲等工作流程。

批量測試在提升系統(tǒng)容量的同時，增加了系統(tǒng)工作流程的控制復(fù)雜度和出錯概率，可采用“狀態(tài)反饋機制”來應(yīng)對異常：流程中各受控組件既響應(yīng)系統(tǒng)控制指令，又實時向系統(tǒng)反饋上報狀態(tài)信息。如出現(xiàn)個體錯誤，系統(tǒng)執(zhí)行單臺剔除并告警；如出現(xiàn)共性錯誤則系統(tǒng)中止并跳轉(zhuǎn)。

2.2.3輸出

測試流程輸出內(nèi)容包括原始數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄、評估結(jié)果及其不確定度分析等。其中測試評估結(jié)果是測試流程的直接產(chǎn)品，它由數(shù)據(jù)庫中記錄的EUT原始測試數(shù)據(jù)和已知系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)對比得出，并以報表或圖形的形式呈現(xiàn)。另外，考慮到系統(tǒng)運行過程控制和量值溯源需求，流程設(shè)計上應(yīng)對測試過程中系統(tǒng)狀態(tài)(特別是錯誤狀態(tài))記錄和整理;并對測試結(jié)果進行不確定度評定:這些輸出項可作為測試評估結(jié)果的組成部分以及系統(tǒng)持續(xù)改進的重要依據(jù)。

3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

3.1仿真測試信號并行輸出分路設(shè)計

并行輸出的多路測試信號需要在空間上指標高度一致、在時間上單多頻點合路輸出。傳統(tǒng)的基于功分器的模擬分路技術(shù)(其分路原理如圖4所示)，雖然通過在各端口加入功放/衰減器件可實現(xiàn)功率一致性調(diào)節(jié)，但各路信號易產(chǎn)生鏈路間互擾;且由于各信號通路固有的器件頻響差異，多頻點信號的功率一致性調(diào)節(jié)幾乎無法實現(xiàn)。

圖4　基于功分器的模擬分路技術(shù)

批測系統(tǒng)陣列信號模擬器采用數(shù)字分路技術(shù)(其分路原理如圖5所示)。模擬器在基帶之前利用現(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)將仿真信號分至M路輸出，根據(jù)各路信號特性及應(yīng)用，在數(shù)字信號層面計算出由FPGA配給的各分路信號的通道參數(shù)；然后通過上變頻及信號合成等將多路信號并行輸出，實現(xiàn)各路信號對自身時延和功率等的獨立控制。

圖5　導航信號模擬器數(shù)字分路技術(shù)

為保證多路信號的仿真有效性，需要在數(shù)字分路前產(chǎn)生足夠的波形資源。圖5中的導航波形模擬單元作為系統(tǒng)的資源池，通過對資源池中硬件資源的綜合優(yōu)化和功能重構(gòu)，可滿足多體制導航信號波形的產(chǎn)生需求；另外根據(jù)各衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)布的導航信號接口規(guī)范，建立了4大導航系統(tǒng)數(shù)十個導航信號分量的統(tǒng)一波形描述模型，可實現(xiàn)波形部署、調(diào)度管理和并行受控輸出，為系統(tǒng)提供并行分配使用的多路仿真信號。

3.2低成本微小無線測試環(huán)境設(shè)計

以微小暗箱為主體的模塊化無線測試環(huán)境，采用單方位準遠場電磁環(huán)境一體化設(shè)計，在機械上盡量減小箱體體積的情況下，形成了可逼真無線自由空間測試效果的測試靜區(qū)。設(shè)計上采用3點措施：

1)通過吸波材料的處理，在不產(chǎn)生多模式雜波的條件下，將發(fā)射天線激勵產(chǎn)生的點源信號轉(zhuǎn)換為可穩(wěn)定測量的平面波信號；

2)箱體設(shè)計為錐形，并利用楔形吸波面，在減少吸波材料對波束影響、保證波束純凈的前提下，以最短傳播距離使波束穩(wěn)定并完成到平面波的轉(zhuǎn)換；

Ho w to make clear and stable solutions of soaps at neutral pH and room temperature (To be continued) 4 10

3)當平面波形成后，在矩形腔體內(nèi)利用不同吸波材料的配合，使靜區(qū)最大化并保持穩(wěn)定。

圖6是一種錐形微小暗箱的結(jié)構(gòu)形態(tài)及電磁場分布示意。

圖6　數(shù)值模擬錐形暗箱縱向截面電磁場分布圖

由圖6可知：暗箱成品占地約1 m2，立高不到3 m，建設(shè)成本約為3 m法全電波暗室的1/10，矩形腔體內(nèi)測試靜區(qū)≥20 cm(直徑)×10 cm(高)，可支持在無線條件下進行導航產(chǎn)品雙體制定位性能測試。

3.3多場景并行測試控制設(shè)計

批測系統(tǒng)的自動化批量測試控制能力，簡單說包括以下幾項工作：1)通過人機界面操作制定測試計劃；2)自動按照測試序列順序執(zhí)行測試任務(wù)；3)調(diào)度實現(xiàn)有限測試資源的共享和并行測試，并避免資源沖突，優(yōu)化測試效率。

其中第3點是實現(xiàn)多場景并行測試控制的關(guān)鍵;在設(shè)計上以有限狀態(tài)機模型為基礎(chǔ)來解決這一自洽運行問題。測試流程每到一個試驗步驟都有相應(yīng)的狀態(tài)機類存儲當前系統(tǒng)各設(shè)備以及用戶機的狀態(tài)信息(包括系統(tǒng)各設(shè)備以及用戶機各種可能出現(xiàn)的狀態(tài)和信息)。

為避免流程異常導致的系統(tǒng)錯誤，設(shè)計了2種機制：其一，通過定時器驅(qū)動定時查詢狀態(tài)機的狀態(tài)信息，根據(jù)狀態(tài)機的信息判斷系統(tǒng)自動運行的跳轉(zhuǎn)條件，保證系統(tǒng)能夠合理地自動跳轉(zhuǎn)；其二，采用異常捕獲機制避免系統(tǒng)可能出現(xiàn)的非預(yù)期錯誤，在每個狀態(tài)機的判斷上都加入異常捕獲判斷，如果出現(xiàn)非預(yù)期異?，F(xiàn)象說明該EUT的測試狀態(tài)或者測試數(shù)據(jù)已不正常、該項測試已經(jīng)失敗，測試流程跳出當前測試，自動轉(zhuǎn)入下一個測試項目。

4結(jié)束語

基于本文提出批量檢測系統(tǒng)設(shè)計，目前已研制建設(shè)了若干套實用系統(tǒng);這些系統(tǒng)極大地提高了使用單位的檢測能力和檢測效率，并為全國的衛(wèi)星導航產(chǎn)品檢測體系建立提供了物質(zhì)支撐。以北京衛(wèi)星導航中心的北斗導航終端批量測試系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)承擔北斗用戶設(shè)備入網(wǎng)測試等質(zhì)量一致性檢驗，使該中心的測試效率較之前提升5倍以上。

此外，批測系統(tǒng)的模塊化、集成化架構(gòu)還支持一些創(chuàng)新測試應(yīng)用模式，比較典型的有：

1)同源異構(gòu)差分測試模式。利用多場景同步仿真能力和多個獨立無線測試接口，將同一時鐘基準下星座相同、用戶軌跡不同的仿真信號同步接入不同測試接口，構(gòu)建雙/多用戶無線差分信號場景，實現(xiàn)對定向、定姿、RTK設(shè)備的無線仿真測試。

2)多源星座分布式測試模式。利用模擬器的數(shù)字分路功能與開關(guān)矩陣的多路分配功能，產(chǎn)生多路并行輸出的單星多頻信號，并定向配送到測試空間特定方位播發(fā)，構(gòu)建天線陣多點分布的測試場景，實現(xiàn)逼近真實環(huán)境的星座化室內(nèi)無線測試。

當然，基于微小暗箱的批測系統(tǒng)也存在一定局限性，仍有幾處技術(shù)細節(jié)有待完善，例如：受箱體尺寸限制難以支持大型EUT和抗干擾測試；系統(tǒng)狀態(tài)核查還缺少標準化專用裝置；無線鏈路時延快速標定技術(shù)還不成熟；批量產(chǎn)品連接適配組件還有待完善等。這些問題將是下一階段系統(tǒng)設(shè)計和實踐的重要研究內(nèi)容?？傊?，批量檢測系統(tǒng)的設(shè)計理念和總體架構(gòu)在工程化實踐中得到了驗證和肯定，系統(tǒng)設(shè)計將會在技術(shù)發(fā)展和測試實踐中迭代改進。

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Design of batch-testing system for satellite navigation terminal

LI Teng，WANG Liliang，YANG Yong，LIANG Shuzhong

(Beijing Satellite Navigation Center，Beijing 100094，China)

Abstract：For the need of large-scale testing of satellite navigation terminals，the tasks and design requirements of a batch-testing system were discussed in the paper.An overall architecture of batch-testing including layers of signal，information and physical link was designed，in order to make the testing efficiently，expediently and extensible.Meanwhile，solutions to signal demultiplexing，miniature anechoic chamber and concurrency control were suggested.Finally，technical feasibility and efficiency of this design were verified by some engineering practice.

Keywords：satellite navigation terminal；batch-testing；overall architecture；digital demultiplexing；miniature anechoic chamber

收稿日期：2015-10-18

第一作者簡介：李騰(1986—)，男，陜西寶雞人，碩士，工程師，研究方向為衛(wèi)星導航應(yīng)用與導航終端測試。

中圖分類號：P228；TP274

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4999(2016)02-0075-06

引文格式：李騰，王禮亮，楊勇，等.衛(wèi)星導航終端批量測試系統(tǒng)設(shè)計[J].導航定位學報，2016，4(2)：75-80.(LI Teng，WANG Liliang，YANG Yong，et al.Design of batch-testing system for satellite navigation terminal[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：75-80.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160216.