GNSS性能测试方法研究与分析

王尔申，李　锐，唐　阳

(1.沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，沈阳　110136；2.北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京　100191；

GNSS性能测试方法研究与分析

王尔申1，2，3，李锐2，唐阳2

(1.沈阳航空航天大学 电子信息工程学院，沈阳110136；2.北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京100191；

3.沈阳航空航天大学 辽宁省通用航空重点实验室，沈阳110136)

摘要：针对GNSS的性能测试对卫星导航系统连续、可靠运行非常重要，而目前可借鉴的研究成果较少的问题，提出我国的BDS在处于区域导航系统向全球导航系统建设发展的过渡阶段，需要开展的系统相关性能测试的方法：首先针对GPS、Galileo、GLONASS及包括WAAS、EGNOS在内的各增强系统，阐述了GNSS在建设发展的不同阶段开展的性能测试试验项目，重点分析了性能测试的试验目的、试验内容、试验方法、试验基准以及试验结果等，给出了该阶段BDS性能测试试验方法研究的相关建议。

关键词：GNSS；性能测试；测试方法；BDS

0引言

在导航卫星发射前和在轨运行期间，需要对卫星导航系统的性能进行测试。全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)的性能测试伴随着系统初期设计、全功能运行及现代化升级等阶段，通过对卫星导航系统的性能测试可降低卫星导航系统建设风险，加快GNSS接收机设计者的研发进程，深入了解当前卫星导航系统的定位服务的精度、可用性、连续性、完好性等重要的性能指标：同时，卫星导航系统的性能测试也是对卫星导航系统连续、可靠运行的重要试验验证，在卫星导航系统建设过程中持续不断地发挥其试验验证等保障作用。在卫星导航系统建设的不同阶段进行的系统性能测试项目不同，基本系统以及增强系统的测试项目也是不同的。全球定位系统(global positioning system，GPS)从建设之初、系统全面建成到全功能运行、现代化建设播发新的信号体制及其增强系统等都进行了相应的性能测试验证[1]；伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)从系统建设之初在德国、意大利以及中国建设了相应的测试系统对信号、系统进行测试验证[2]。

目前，我国在这方面的研究较少，本文通过全面分析已有的卫星导航系统以及增强系统的性能测试方法，结合我国自主建设的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)正处于区域导航向全球导航发展阶段的现状，提出性能测试的相关建议，为我国BDS的建设和系统连续、稳定运行提供参考。

1GPS性能测试方法

全球卫星导航系统的性能测试是指对其精度、可用性、连续性和完好性等性能指标的测试。在进行性能测试时，要求用于系统性能测试的导航卫星能够模拟导航卫星的信号、星座、信号特性，并具有相应的测试模式。GPS系统性能测试从系统建设之初就已开始，经历了多个阶段，包括系统筹建之初的原理测试、系统建成之初的功能测试以及系统投入运行后的应用性能测试[3]。图1为GPS系统在建设发展不同阶段具体开展的测试项目。

图1　GPS系统建设与性能测试历程

1.1GPS概念验证阶段的性能测试

GPS系统在研发期间，建立了外场真实环境的试验验证系统，美军于1974年建成了尤马试验场(Yuma Proving Ground，YPG)是世界上第一个针对全球卫星导航系统而建立的室外测试试验环境。1943年启动建设，覆盖140 km2。在YPG试验场安装了6个激光设备用作跟踪器作为测量基准源。该试验场用于测试GPS在应用航空武器系统、空中投放系统和空中移动载体等领域的性能。并且，在试验场内还进行了用户终端设备性能的测试。

1973年12月之后，GPS进入概念验证阶段，该阶段的GPS性能测试项目如表1所示。该阶段YPG的用户设备测试采用的包括与通用动力(General Dynamics)公司、柯林斯(Collins)以及德州仪器(Texas Instruments)公司合作的米罗华公司的GPS接收机，这些GPS接收机安装在测试车、人、着陆舱、护卫舰、直升机、P4飞机和F4飞机等载体上，涉及到静态载体、低动态、高动态以及超高速等多种载体搭载接收机对其进行性能测试。

表1　第一阶段主要测试项目

1979年，建立实时差分系统以允许空军进行飞行来证实YPG轨道估计的性能。实时差分测试开始于1979年12月13日，通过YPG的一架UH-1H直升机。最开始的系列测试证明：非差分水平误差大约20 m，通过差分改正后降低至5 m或者更低。

1.2GPS全局工程开发阶段的性能测试

GPS用户设备全局工程发展阶段的测试始于1982年。Rockwell-Collins和Magnavox参与第二阶段的测试项目。在第二阶段，GPS在复杂航空电子设备中的应用性能也被测试。第2阶段的测试目标包括以下几个方面：1)验证反应时间、首次定位时间以及重捕获时间；2)验证静态和动态定位及速度精度；3)评估 IMU/INS 级联以及陀螺衰减能力；4)确定电子战争以及核威胁的敏感性；5)评估使用GPS进行武器精确投放能力；6)确定飞行器着陆进近、点对点以及航线导航等任务性能改善；7)评估人为因素设计；8)评估可靠性、可用性、可维护性以及逻辑支持性；9)评估水表面产生的多径效应导致对GPS性能的影响；10)确定水下天线对信号的可检测能力；11)评估EW环境下调制/多径/遮蔽对性能的影响；12)确定对化学、生物、放射的缓解能力。

在该阶段进行的测试采集了大量的采样数据，对于不同运动载体得到的数据分析结果采用球概率误差(spherical error probability，SEP)来表示，其中A-6为6 m，B52为9 m，F-16为12 m，人/车载为12 m，UH-60直升机为12 m，航空载体为16 m。

1.3GPS系统现代化阶段的性能测试

随着GPS现代化计划的实施，美国空军又在Holfoman基地建造了“逆向GPS测试场”，其目的是支持新型军用或民用GPS卫星(包括Block IIR、Block IIF)的信号测试。逆向GPS测试场可以模拟发射GPS卫星信号，可以和实际卫星一起使用进行混合模式的测试，验证当前GPS和现代化GPS的信号的兼容性，并且评估信号的抗干扰能力。

民用导航电文(civil navigation，CNAV)测试计划于2013-06-15到2013-06-29进行，主要是验证和评估在IS-GPS-200F和IS-GPS-705B中的CNAV要求说明，实施鲁棒的兼容L2C和L5民用接收机的开发。

综上所述，可以看出GPS系统从建设之初到系统发展的各个阶段系统性能测试方法非常完备，测试项目十分全面，覆盖了诸多应用领域，可全面的测试评估GPS的性能。

2Galileo性能测试方法

Galileo从系统建设之初出现了许多专门用于Galileo卫星导航专业的测试场环境，用于研究伽利略卫星导航信号性能以及接收机开发的研究。包括德国的“伽利略测试环境 (Galileo test environment，GATE)”和“海港伽利略测试环境(sea GATE)”意大利计划建设的“伽利略测试场(Galileo test range，GTR)”以及我国的伽利略测试场等[4]。这些不同测试环境充分考虑了各种实际应用的用户包括陆上、海上以及空中用户导航的性能测试。

图2　Galileo系统建设与性能测试

2.1试验目的

旨在支持伽利略导航系统的性能分析，主要通过分析特定环境特征和控制下的信号测量。GTR按照3个阶段发展，以匹配系统的功能与伽利略的发展计划，这3个阶段分别为：阶段A=定义和启动，基于伪卫星生成类似GPS导航信号以及基于来自GPS和欧洲静地轨道卫星导航重叠服务(European geostationary navigation overlay service，EGNOS)的空间信号的分析和使用；阶段B1=伽利略系统开发和部署的准备，实现GTR基础配置，能够用地面设备产生类似Galileo 的信号，并能接收来自伽利略系统测试平台(Galileo system test bed，GSTB)V2的真正信号；阶段B2=GTR的全面部署和初始化，不仅能够产生类似Galileo的信号，也能接收和处理来自伽利略IOV卫星的信号。在建设测试系统发射机时充分考虑发射机的安装高度，通常高度约为2 000 m以上，使得用户在GATE测试区域内能接收到平均仰角在10°～15°之间的类伽利略信号[5]。

2.2试验方法

考虑到实际的射频信号传输，GATE是伽利略系统非常必要的中间步骤。在伽利略本身可用之前，GATE设计一个灵活的测试床；随着其扩展的能力，GATE可继续用于系统的特殊任务，甚至在伽利略系统已全功能运行之后GATE也可以用于特殊任务。通过将信号发射器架设在高度约2 000 m以上的山上，GATE覆盖约65 km2，核心试验区约25 km2。用户在GATE测试区域内能接收到平均仰角在10°～15°之间的类伽利略信号。

2.3试验结果

试验测试包括静态定位、低动态定位和车载测试。从试验结果中得出：在没有障碍物阻挡信号处位置估计的精度较高；在出现障碍物遮挡时，信号衰落和多径导致部分的信号损失，出现信号丢失问题。

3GLONASS及GNSS增强系统性能测试方法

3.1GLONASS性能测试

俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，GLONASS)在很长一段时间内发展缓慢。国际上鲜有对GLONASS系统的性能研究成果并且俄罗斯一直未提供官方的性能评估报告。但随着GLONASS的现代化计划的实现，包括重新设计更长寿命的卫星、调整信号调制方式增加地面监测站的数量和通过股票机合作在海外建立监测网等措施，其性能得到了明显的提高。文献[6]研究了2009—2011年的GLONASS空间信号误差的特性，实验结果表明系统长期运行稳定，空间信号的精度能够达到1.5～4 m。

3.2WAAS性能测试方法

作为同联邦航空局(Federal Aviation Administration，FAA)合作研究的一部分，斯坦福广域增强系统(wide area augmentation system，WAAS)实验室已经设计、建立了一个对WAAS进行飞行测试的平台，用于验证从航路、终端区、非精密进近和精密进近的所有飞行阶段的的飞机引导性能[7-8]。斯坦福大学的WAAS实验室和一个实时双频GPS参考站网络相连，它由FAA卫星导航计划办公室发起，由FAA技术中心来维护。国家卫星测试平台(national satellite test bed，NSTB)实际上就是一个网络，这个网络由各个双频GPS参考站构成。GPS的观测值包括来自这个网络中的每个接收机L1和L2的伪距和载波相位，以多播UDP数据包协议的格式通过以太网以1 Hz的频率发给安装在斯坦福校园的中心处理器设备。斯坦福大学的广域差分GPS系统(wide area differential global positioning system，WADGPS)于1998-08在阿拉斯加朱诺国际机场，由广域差分GPS实验室负责WAAS精密进近实验。测试实验包括飞行测试、WAAS精密进近性能数据的采集以及捕获飞行的视频镜头/场景。

3.3EGNOS系统性能测试方法

EGNOS能够增强GPS和 GLONASS，满足高安全用户的需求。EGNOS主要包括地面段、空间段、用户段和支持系统等。EGNOS系统由欧空局建设，于2004年达到全功能运行。EGNOS设计的主要目的是满足精密进近和带有垂直引导的区域导航(area navigation，RNAV)进近的需求。为此，由欧空局和欧洲航行安全组织开发设计基于星基增强系统(satellite-based augmentation system，SBAS)的进近程序标准，其目的是为了评估、验证EGNOS的运行性能，开发基于EGNOS的进近操作，使ENGONS将来更好地为欧洲服务。欧洲航空安全组织(European Organization for the Safety of Air Navigation，EUROCONTROL)和荷兰国家航空实验室(National Aerospace Laboratory，NLR)签订协议执行曲线进近和一系列类仪表进近。在进行实际飞行前开展仿真测试，然后在实际环境下进行飞行测试[9]。

4BDS性能测试建议

BDS正处于区域导航向全球导航建设的过渡阶段，很多信号状态还没有固化，新信号体制、信号质量、定位性能、差分性能等系统性能都需要进行各种试验测试[10]。经过与上文阐述的已有系统的状态进行对比，我国的BDS也需要基于系统性能测试开展包括飞行测试、地面静态和动态测试方法的研究，并且开展BDS性能测试床的建设。上述卫星导航系统的性能测试的共同特点为大部分采用的是飞行测试，而且进行的也是飞行导航要求最高的阶段进近飞行。随着我国低空空域真高1 000 m以下的分类管理有序开放政策的实施，考虑到通用航空飞机具有低速、操控容易、飞行高度低的特点，并且由于通用航空飞机机载导航设备相对简单，利用卫星导航定位系统及其增强系统可以为通用航空飞机在起飞、航行、进近/着陆等阶段服务。在借鉴已有卫星导航系统性能测试技术方法的基础上，可以考虑先行在有条件的通用航空机场建立BDS测试试验床，利用通用航空飞机加载BDS接收机和地面参考接收机配合对BDS进行相关性能的飞行测试验证；然后采集飞行试验数据进行实时和后处理分析，评估BDS定位的精度、连续性、可用性以及完好性等指标。

5结束语

文中对GNSS系统的性能测试进行了系统的研究和探讨。性能测试对于GNSS具有重要的意义，无论是GPS还是Galileo都建有自身的测试场进行系统性能的测试。文中通过对GPS、Galileo系统以及增强系统性能测试具体方法的研究，给出了我国BDS性能测试的建议，提出可考虑采用通用航空飞机先行进行卫星导航性能飞行测试，为了解BDS性能提供有力支撑，为BDS进一步在民航运输航空中的性能测试提供基础。

参考文献

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Research and analysis of GNSS performance test methods

WANG Ershen1，2，3，LI Rui2，TANG Yang2

(1.School of Electronic and Information Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China；2.School of Electronic and Information Engineering,Beihang University，Beijing 100191，China；3.Key Laboratory of Liaoning General Aviation ，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China)

Abstract：GNSS performance test is necessary at various stages such as full operational capability and reliable operation.And the current research results on GNSS performance test are less.The methods of performance test for China’s BeiDou navigation satellite system (BDS) were proposed.At present，BDS is in the construction stage of developing from the regional navigation system to the global navigation system，which is quite vital to carry out the study on relevant performance test methods.Firstly，this paper systematically studied the GNSS performance test projects carried out in the different stages of development in view of the GPS，Galileo，GLONASS of Russia and augmentation systems including WAAS，GBAS，EGNOS.And the test purpose，test content，test method，the experimental reference and results were analyzed in detailed.Then，based on the status of China’s BeiDou navigation satellite system，the related suggestions for performance test methods of BDS were put forward.The study is of important referential value to the establishment of BDS performance test environment and test methods research.

Keywords：GNSS；performance test；test methods；BDS

收稿日期：2015-06-04

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB731805)；国家自然科学基金项目(61571309，61101161)；辽宁省自然科学基金(联合基金)项目(2013024003)。

第一作者简介：王尔申(1980—)，男，辽宁辽阳人，博士，在站博士后，副教授，研究方向为卫星导航、GNSS信号处理算法研究。

中图分类号：P228

文献标志码：A

文章编号：2095-4999(2016)02-0021-05

引文格式：王尔申，李锐，唐阳.GNSS性能测试方法研究与分析[J].导航定位学报，2016，4(2)：21-25.(WANG Ershen，LI Rui，TANG Yang.Research and analysis of GNSS performance test methods[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：21-25.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160205.