北斗区域卫星导航系统用户终端测试系统性能检核方法

李超,朱陵凤,张益青,李腾

(北京卫星导航中心,北京100094)

北斗区域卫星导航系统用户终端测试系统性能检核方法

李超,朱陵凤,张益青,李腾

(北京卫星导航中心,北京100094)

为解决不同型号北斗区域卫星导航系统用户终端测试系统间测试结果差异问题,本文提出了利用检核接收机技术的测试系统性能检核方法。根据测试系统检核需求,明确了检核接收机应具备的功能,深入分析了检核接收机关键技术指标要求,给出了相应解决途径、整机设计方案及具体检核方法。基于检核接收机的测试系统性能检核方法,能及时检测测试系统状态,保证测量结果的准确可靠;同时便于统一不同测试系统间评判方法,保证了终端检测结果的一致性。

用户终端;测试系统;检核

0 引 言

北斗区域卫星导航系统(BDS)可以为用户提供定位、导航、授时及短报文通信服务。自2012年12月系统空间信号接口控制文件正式版公布,北斗导航业务正式对亚太地区提供PNT服务。2014年11月国际海事组织海上安全委员会通过了对北斗局域卫星导航系统认可的航行安全通函,取得面向海事应用的国际合法地位。随着其广泛使用和推广,北斗区域用户终端的质量保证系统建设也越来越重要。要提高用户终端的质量,就需要对其进行客观准确的测试,及时发现用户终端存在的问题,将问题消灭在使用前[1-3]。要实现上述目的,就需要提高用户终端测试系统的性能,对测试系统性能指标进行准确测量和实时监测。

北斗区域用户终端测试系统是装备管理部门和生产厂家对产品检测的必要手段[4-5]。但目前各用户终端生产厂家和检测认证部门采用了不同厂家研制的测试系统,在测试项目设置、测试流程控制、评估方法和评判准则等方面不尽相同,因此需要针对不同厂商研制的测试系统进行功能和性能进行检核。通过检核实现向上级测量标准的溯源,提高测试系统的测量精度,实现与国家级测试标准统一,建立相互验证的检测体系,促进卫星导航应用产业的健康发展[6-7]。

1 检核接收机的设计与实现

1.1 需求分析

检核接收机作为测试系统功能及性能检验的关键测试设备,从实际应用的角度检验整个测试系统的可用性,因此,检核接收机能够接收所有卫星导航频率,能对系统的定位、通信及测速等基本的功能和导航、定位模式进行充分评估。通过对比、检测测试结果,还能在一定程度上监控测试系统的运行情况,为保证系统的可用性提供支持。同时作为标准传递设备,要求检核接收机要有很高的集成度,在有限的空间里集成具有多种功能的模块,实现功耗低,体积小,结构紧凑,便于操作及测试等特点。

1.2 关键技术分析与解决

检核接收机要实现对测试系统性能指标的全面验证,必须具有高动态信号处理功能。与中、低动态环境相比,高动态使RNSS载波信号产生较大的多普勒频移,若使普通接收机的载波锁相环PLL(常用costas环)能够保持锁定,就必须增加环路滤波器的带宽。这样就会使更多的噪声引入,当噪声电平增大到超过环路门限时就会致使载波跟踪环失锁,同时丢失距离和距离变化率的估计值;若不增加载波锁相环的环路带宽,则载波多普勒频移常常会超过锁相环的捕获带,这样也不能保证对载波的可靠捕获和跟踪。同时载波跟踪失锁也使卫星调制数据无法恢复,相应的卫星星历无法获取。

为了适应高动态环境并保证具有较好的跟踪精度,对载波的跟踪应采用AFC+锁相环方案。AFC环负责对较大频偏进行跟踪校正,当频偏较小时,启动costas环,对载波相位进行精跟,该算法可以将载波频率误差由500 Hz降至10 Hz以下。随后,启动判决反馈型叉乘式鉴频器算法,进一步降低至锁相环的快捕带。最后,启动相位跟踪算法,完成整个载波频率相位的跟踪。载波相位环采用二象限反正切算法,该算法在高信噪比和低信噪比条件下都具有最佳检测性能。相比于其他的PSK相位跟踪算法,该种算法具有线性度高、跟踪范围大等特点,是一种最大似然估计算法。图1和图2分别是相位跟踪环和频率跟踪环原理框图。

1.3 设计实现

检核接收机设计由RDSS(Radio Determination Satellite Service)天线、RNSS天线、终端机和主控机组成。主控机为一台PC机,是检核接收机主应用处理软件的运行平台。终端机是检核接收机的核心,主要完成信号处理、信息处理和信息汇总。终端机各个模块功能相对独立,可以划分为RDSS射频模块、RNSS射频模块、RDSS信号处理模块、RNSS信号处理模块、应用处理模块、电源模块和时钟模块。如图3所示。

图1 相位跟踪环原理框图

图2 频率跟踪环原理框图

图3 检核接收机基本组成示意图

天线单元主要完成导航信号的采集和入站信号的发射,采用定向天线。接收处理终端由信号处理板卡(包括RNSS处理模块和RDSS处理模块)、应用处理模块、时钟模块、电源模块等组成。信号处理板卡主要完成经天线采集下来导航信号的处理、信息处理和信息汇总和数据传输,以及在应用处理模块的控制下完成RDSS入站信号的发射。应用处理模块为运行在零槽控制器的软件,是检核接收机应用处理软件的运行平台,应用处理机通过标准RS232串口或TCP/IP协议和控制台交互信息。

1.4 检核原理

检核接收机可对信号电平、伪距、测试场景、电文等正确性进行验证,确保系统播发信号的正确性。检核接收机同时还能够代替普通用户终端实现对用户终端测试系统进行测试流程、接口等正确性的验证,达到对测试系统的性能检核。检核接收机接口关系如图4所示。

图4 检核接收机接口关系图

在性能检核工作模式下,检核接收机接收导航信号模拟器播发的RNSS/RDSS导航信号,对导航信号的捕获、跟踪、解扩、解调、译码等,实现定位与测速功能,并将定位、测速以及导航电文、观测伪距、多普勒等测量信息送测试系统的测试控制与评估分系统,与导航信号模拟器实际播发的信号进行比对评估。

在用户终端工作模式下,检核接收机代替一般用户设备进行测试流程的验证,包括RNSS的定位、测速、首次捕获、失锁重捕等功能的测试验证,以及RDSS的定位、通信、位置报告、指挥型用户机兼收功能等流程的测试验证等。

在RDSS入站信号校准模式下,检核接收机内入站信号产生模块产生标准的入站信号,实现对用户终端测试系统中入站接收机功率、频率、时延等关键技术指标的校准。

2 性能检核工作模式

检核接收机的性能检核工作模式主要用以完成测试系统状态的实时在线监测,保证系统正常运行,测试评估结果真实可信。作为测试系统运行的一种可靠性保障手段,检核接收机实现了测试系统出站信号的闭环检验,便于试验结果分析及问题定位的排查,其主要通过以下手段实现对系统性能进行检核。

1) 导航电文验证

通过检核接收机可以解调出原始数据,进而获得导航电文,同时对各通道的导航电文进行存储,并且对导航电文进行时间标记,测量帧长度,记录帧时间,送给信息处理模块进行统计,从而在界面上显示相应帧的播发时间、播发周期和导航电文内容等。

2) 定位性能验证

检核接收机可选择多种定位方式、定位模式,通过接收测试系统播发的出站导航仿真信号,并对其进行解析,实现对位置和速度的解算,并能够对位置和速度解算结果进行有效性判断,将获得定位及速度信息与测试系统测试控制与评估软件送来的定位及速度信息进行比对验证。

3) 信号正确性验证

检核接收机测试系统播发的导航出站信号,实现对导航星座、观测量、可视卫星数、测试场景、用户轨迹、导航电文、仿真误差等信息进行解析,并通过与测试控制与评估发送的相关信息进行比对验证,实现对测试系统出站导航信号正确性验证评估。

4) 数据存储管理与分析验证

检核接收机具有数据存储管理与分析验证功能,可存储原始观测量、原始电文数据、定位处理结果、完好性处理结果、告警提示等各类原始信息和结果信息,可根据选定的时间、类型对存储数据进行查询分析,可对历史数据按实际处理模式进行后处理回放分析,有利于对用户终端测试过程中出现问题的分析排查。

3 用户终端工作模式

检核接收机的用户终端工作模式是指其完全模拟全功能的北斗用户终端,用以对用户终端测试系统的测试流程、评估正确性、RDSS入站信号指标等性能验证与检核。

1) 测试流程验证

检核接收机支持北斗用户设备测试数据接口协议,能够在测试系统测试控制与评估软件的控制下,按照各种测试项目的测试流程完成相应项目的测试,此时检核接收机除能够按照正常测试流程进行测试外,还能够模拟常见的异常现象,如功率检测超时、指令响应超时、测试数据中断等,达到对测试系统测试流程验证目的。

2) 评估正确性验证

在测试系统的测试项目过程中,检核接收机在测试控制与评估分系统的控制下,向测试系统上报接收到的出站数据及其它观测量信息;并在测试系统测试控制与评估分系统的控制下发送RDSS入站信号,测试控制与评估分系统将播发的原始数据与检核接收机上报的数据进行比对,即可实现测试结果的评估。此时检核接收机能够模拟导航电文误码数据、定位/测速/测距超差数据、各种类型的入站信息等,实现对测试系统测试评估正确性的验证。

4 RDSS入站信号校准模式

在北斗区域用户终端测试系统中,导航信号模拟器的功率、频率、时延等技术指标均可通过标准测试仪器进行测试,实现对导航信号模拟模拟器的计量和校准。而入站接收机负责接收RDSS用户机发射的短突发扩频入站信号[8],无法直接通过标准仪器获得相关的校准信息[9],只能通过引入可校准的标准入站信号从而获得入站接收机的校准数据。

检核接收机内的入站信号产生部分,除可配合RDSS用户设备进行相关性能验证外,还可接收上位机的控制,产生系统校准的标准入站信号。检核接收机内的RDSS入站信号模块组成示意如图5所示。

图5 RDSS入站信号产生部分组成示意图

首先,检核接收机的时钟可同步到用户终端测试系统中,实现共源测试;其次,RDSS入站信号产生部分功率、频率、时延均步进可调,并可通过标准仪器进行检核;第三,标准放大器、发天线的增益可通过计量校准,测试电缆的衰减、时延等可通过统一仪器进行标定;第四,RDSS入站信号产生部分发射与系统基准1 PPS信号指定时延的入站信号,入站接收机接收并进行测距,上报测试控制与评估分系统,即可实现入站信号零值测量精度及准确度的校准;第五,RDSS入站信号产生部分发射不同功率、不同频率的入站信号,入站接收机接收并进行观测量解析,即可实现入站信号功率、频率测量精度的校准。

下面给出利用检核接收机对测试系统双通道时差测量误差、双向零值和发射ERIP值等指标测量精度检核结果。检核接收机的双通道时差、双向零值和发射ERIP值通过外接通用仪器标定后,可以根据检核要求进行精确设置,检核结果如表1所示。

表1 测试系统部分指标检核结果记录表

从表中可以看出,被检测试系统通道时差测量误差,发射ERIP值测量结果与检核接收机设定值之差满足使用要求;双向零值三次检核结果中,最大差值为1.2 ns,超出测试系统≤1 ns的使用要求,被检测试系统需要进行双向零值修正,并经再次检核合格后方可正常使用。

5 结束语

利用检核接收机用户对北斗区域卫星导航系统用户终端测试系统性能状态进行充分监测,保证系统测试结果的准确可靠。同时检核接收机作为标准设备对测试系统接口协议、测试方法、评判准则、指标结果进行比对验证,便于各类测试系统的技术状态溯源到国家级的测试标准上,实现统一的测试标准,促进导航应用产业的健康有序发展。

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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,硕士,工程师,主要从事卫星导航用户终端算法及终端测试技术研究。

朱陵凤 (1983-),女,硕士,工程师,主要从事卫星导航系统时间同步及定轨技术研究。

张益青 (1971-),男,硕士,高级工程师,主要从事卫星导航用户终与测试技术研究。

李腾(1987-),男,硕士,工程师,主要从事卫星导航用户终端测试与标定技术研究。

联系人：李超 E-mail: lichaochxy@163.com