卫星导航接收机兼容性测试评估技术研究与实现

卢 杰，张 波，杨东凯，李社军

（1.北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191；2.中国伽利略卫星导航有限公司，北京 100098）

1 引言

随着导航系统的不断发展，各国都已经开始研发具有自主知识产权的导航系统，但是在有限的导航频段上，各个导航系统之间会不可避免地会相互干扰。兼容性是指两个或多个系统同时工作时不会引起冲突，相对于单系统工作的情况而言，则不会产生显著的性能下降，即系统间干扰引起的性能降低应在一个可以接受的范围内。

接收机的兼容性和互操作性评估是 “多模化”对系统整体性能影响的综合评价，其具体表现在接收机对多系统信号的兼容能力、可选择能力以及组合使用能力三个层面的内容。本文主要从接收机对导航信号的兼容能力着手，分析接收机在伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system，Galileo）E1干扰下对全球定位系统（global positioning system，GPS）L1信号的捕获跟踪性能的影响。

2 接收机兼容性测试评估模型研究

2.1 信号兼容性分析

为了测试兼容性，即系统间的相互干扰不会对各自系统正常工作性能造成明显下降，需建立一种适用的解析模型，在用户层面上对系统间干扰效应进行定量分析。由于接收机信号捕获、载波跟踪和数据解调的性能均依赖于接收机相关器输出端的信号与干扰加噪声比（signal to interference plus noise ratio，SINR），因而可通过分析干扰对相关器输出SINR的影响从而评定干扰对接收机功能的影响。一般接收机采用载噪比［2］来表征接收到的全球卫星导航系统（global navigation satellite system GNSS）信号的质量，当存在其它卫星导航信号干扰时可以把这些干扰等效为白噪声，通过引入等效载噪比来衡量。

对于两个以上的卫星导航系统等效载噪比为

式中，C为接收的期望信号功率，N0为接收机热噪声，Iintra为本系统内同频段信号干扰而引入的等效噪声，Iinter为由于其它系统同频段信号干扰而引入的等效噪声，从而可知多模必然会使得载噪比下降。

系统间的载噪比衰减为

2.2 接收机兼容性评估研究

兼容性评估主要体现在受干扰信号对于接收机的首次捕获时间、载波跟踪环性能、码跟踪环性能、误码率与定位精度等方面的影响。由于接收机信号捕获、跟踪和数据解调性能均依赖于接收机的相关器输出端的信噪比［4］，兼容性评估准则主要归结于载噪比的降低程度。通过测试接收机在多模条件下载噪比的降低程度来评估接收机的兼容性。

假设GPS／Galileo接收机接收到8颗GPS卫星和8颗Galileo卫星信号，当E1信号作为干扰进行功率增强，其中热噪声功率谱密度N0为典型值205dBW／Hz，接收机 GPS－L1BPSK－R（1）信号功率为－160dBW，在E1干扰信号功率为－160～－130dBW条件下，BPSK－R（1）信号的等效载噪比［5］下降曲线如图1所示。

图1 接收机干扰信号下等效载噪比下降曲线

分析可知若干扰信号功率与有用信号功率相当时，则对有用信号的影响较小；当干扰信号功率超过有用信号10dB以上时，有用信号的等效载噪比有较明显下降趋势；当干扰信号功率超过有用信号18dB以上时，有用信号的等效载噪比下降达到5dB／Hz；当干扰信号功率超过有用信号30dB以上时，有用信号的等效载噪比下降超过15dB／Hz。等效载噪比的解析模型是评估GNSS信号抗干扰的有效方法，因此通过测试Galileo信号对GPS信号的等效载噪比的下降可以有效的评估接收机的兼容性。

由于干扰信号功率增大导致等效载噪比下降，设定接收机导航信号电平略大于跟踪灵敏电平，当干扰信号功率远大于有用信号时信号等效载噪比将明显下降，从而导致接收机失锁。通过上面分析得出GPS L1在Galileo E1干扰下的兼容性评分准则见表1：

表1 兼容性干扰－信号功率评分表

3 接收机兼容性测试评估平台

通过研究GNSS系统导航定位原理及建模仿真技术，在此基础上搭建了卫星导航接收机测试与评估平台。用户可根据测试指标的不同，利用集成仿真环境创建场景文件，选择适当的模型并配置参数，然后通过信号源生成所需的导航信号，最后将信号给接收机以进行相关性能的测试。

3.1 平台体系结构

为实现自动测试评估需构建一个接收机的测试环境，平台由导航信号产生部分（信号源），信号接收部分（被测设备）和测试评估软件等三部分组成，具体结构如图2。

图2 测试评估系统结构图

系统通过模拟器和接收机搭建测试评估的测试环境；测试评估软件主要负责测试平台的任务管理以及完成测试结果的分析与评估。信号源部分主要完成GPS／Galileo导航信号的生成，并利用接收机对信号进行捕获、跟踪和定位解算，同时把测试值反馈给测试评估软件。

根据导航接收机测试与评估的实际需求，用户设备的测试模式总体可分为有线测试和无线测试两种。有线测试平台用于测试接收机的各种性能指标，无线测试平台用于测试实际环境中接收机的工作状态。兼容性测试评估是为了实现功率的有效控制，通常需在有线模式下进行，从而不考虑天线对信号兼容性的影响。

3.2 测试评估软件

测试评估软件是自动测试评估平台的关键，下面介绍测试评估软件的具体实现功能。

3.2.1 系统通信

测试评估平台的通信主要是实现对接收机的通信功能，包括串口接收接收机数据、发送测试和控制指令，并通过调用MSComm通信控件来实现。此通信控件允许建立串口连接，并可连接到其他通信设备（如Modem），还可以发送命令、进行数据交换以及监视和响应在通信过程中可能发生的各种错误和事件，基于这些功能可以用它创建全双工、事件驱动和高效实用的通信程序。通信模块主要有接口驱动类、指令管理类和数据接收类。

3.2.2 决策控制

决策控制是测试评估系统的 “大脑”，主要实现的功能包括解析用户指令实现人机交互，生成测试列表进行具体指标的测试，判读数据获取测试结果，最终实现测试评估流程的总体控制。根据其功能可以把决策控制分为指令解析、测试控制和结果获取三个部分。

指令解析主要实现人工交互，即通过接收用户的测试指令来判断测试项目并生成测试列表，以及控制测试评估系统实施具体的测试。为实现对接收机的测试指标全面的人工实时控制，建立了接收机测试指令集，其中兼容性测试指令为compatibility testing。

测试控制负责根据测试指令生成测试列表，控制测试评估系统按照对应的策略进行指标测试，同时根据测试结果以及用户的中断指令等实现测试的流程控制。测试控制主要包括接收机的状态设置、返回数据格式控制、测试启动、中断和结束控制等。

NovAtel GPS接收机能根据用户的应用要求输出相应的数据信息，信息格式为：每帧信息以“＃”开始；指令和信息的长度依数据和格式可变，但是大部分数据长度基本固定；信息头与信息体之间以分号 “；”分隔，信息的结尾以星号“＊”分隔，信息字域之间以逗号“，”分隔；信息以32位校验位跟回车与换行结束。

3.2.3 数据解析

数据解析主要是对接收机反馈数据进行分析处理，从缓存区提取前一帧数据，按照协议解析提取数据并送给系统控制模块。语句以标志符开始后第一个字来标识这一语句的类别，随后的数据之间以逗号相隔，并以字符 “＊”作为结束标志，最后以校验位数值和回车／换行字符结束。

接收机厂商也可根据自己的特点格式输出相应数据，本测试评估系统需要采集的数据包括时间、高度、经度、纬度、速度、航向、可见星和通道跟踪状态信息，采用NovAtal接收机厂商所设定的标准进行具体数据的解析。测试评估系统所用到的基本的数据输出格式见表2：

表2 数据输出格式－指令表

命令启动（log）的语法格式为

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

其中port为端口名（缺省为命令输入的端口），message有效消息名称，trigger指定输出频次，记录将根据period的指定周期连续输出。特定的记录可以使用UNLOG命令停止输出，也可以使用UNLOGALL命令停止所有记录的输出。

4 接收机兼容性测试及结果分析

4.1 兼容性测试实验

接收机兼容性测试是指在多系统运行情况下分析有用信号的等效载噪比的衰减，测试接收机对不同系统信号的兼容接收能力。通过测试GPS L1在Galileo E1信号的干扰下等效载噪比衰减情况，进行接收机的兼容性能的评价。本测试实验重点是完成对信号功率的控制，故选择有线环境下对思博伦模拟器进行测试，从而可以有效避免真实导航信号中卫星仰角对测试的影响。

测试设备：模拟器型号为GSS8000，它可以接收GPS L1、Galileo E1及格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system，GLONASS）L1信号；导航卫星接收机型号为美国NovAtel公司的FlexPak6。

场景设置：设置卫星导航系统为GPS／Galileo双导航系统；设置系统误差参数为时变模式，使接收机可以修正部分误差，但是不能完全消除；采取静态模式；启动设置GPS正常信号功率（大于捕获电平），使接收机正常捕获跟踪大于5min，调制GPS系统信号功率为略高于跟踪灵敏度；逐步增大模拟器中Galileo E1干扰信号的发射功率，范围为大于GPS信号功率8～28dB。

测试流程为：

（1）根据测试需求设定测试场景文件，控制模拟器多系统多卫星发射模式产生所需的卫星导航信号；

（2）启动接收机开始信号捕获、跟踪和定位，计算载噪比；

（3）逐步控制模拟器中Galileo E1干扰信号的发射功率；

（4）接收并存储接收机输出对应的GPS L1信号载噪比下降情况，直到接收机无法正常跟踪卫星信号，输出Galileo E1干扰信号功率；

（5）测试评估单元根据获取数据与理论对比分析，评估接收机的兼容性能。

4.2 测试结果分析

本实验使用导航信号模拟器对GNSS接收机进行兼容性测试，分析GPS L1信号在Galileo E1信号干扰下的捕获跟踪状态。设置GPS信号功率为略高于跟踪灵敏度（－166dBW）；逐步增大模拟器中Galileo E1干扰信号的发射功率范围为－158～－138dBW。

GPS信号功率－166dBW条件下进行8次重复实验，测试结果见表3

表3 兼容性测试结果

根据实验测试结果可得：根据信号间兼容的理论分析，接收机兼容性测试指标的取值空间为［17，20］，通过统计分析当干扰信号（E1）高于导航信号（L1）为18.5dB时，接收机不能正常的跟踪，根据兼容性评估准则评分为4.25。

5 结束语

随着卫星导航系统的快速发展，多模兼容已成为导航接收机发展的必然方向。目前对于接收机具体的测试评估理论和方法还不够系统全面，科学测评其性能已成为推广和加快GNSS应用进程中急需解决的重要环节。本文通过对信号兼容性分析研究，提出了接收机兼容性测试评估方法。利用接收机、模拟器和计算机搭建了接收机测试评估平台，在此基础上完成了接收机的兼容性测试评估实验。

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