卫星导航终端批量测试系统设计

李　腾，王礼亮，杨　勇，梁书忠

(北京卫星导航中心，北京　100094)

卫星导航终端批量测试系统设计

李腾，王礼亮，杨勇，梁书忠

(北京卫星导航中心，北京100094)

摘要：针对卫星导航终端产品大规模批量化测试需求，提出了卫星导航终端批量测试系统的设计任务和要求，设计了批量测试系统的总体架构:设计内容覆盖信号、信息、链路等多个层面，具有测试批量化、组件模块化、系统扩展性强等特征；同时给出了信号分路控制、暗室微型化、并行控制评估等批量测试系统实现关键要素的技术方案。最后，通过批量测试系统的工程化应用验证了该系统设计的技术可行性和测试高效性。

关键词：卫星导航终端；批量测试；总体架构；数字分路；微小暗箱

0引言

2012年底北斗二号卫星导航系统正式开通服务，北斗系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)建设完成了“三步走”战略的第二步，实现了有源定位加区域无源定位的双体制服务能力。在北斗系统建设和导航应用发展的双重驱动下，以导航终端为核心环节的北斗卫星导航应用产业链蓬勃发展，国内参与到导航终端研制、生产、应用的单位已达上万家，形成了产品多样化、产量规模化、产地分散化的北斗应用产业发展格局[1-2]。与此同时，BDS应用主管部门要求各类北斗用户设备必须通过入网检测，以确保导航终端不对北斗卫星系统造成危害、不因质量问题影响北斗应用效果。可见，必须形成以批量、普适、广泛为特征，与产业发展格局相协调的导航终端检测能力，来支撑卫星导航应用产业健康有序发展和确保主管部门相关要求有效落实。

目前，室内无线仿真测试系统是形成卫星导航终端检测能力的主要物质支撑，其原理是：利用卫星导航信号模拟器，仿真卫星导航终端各种使用环境；并以自动化的测试控制手段，实现对被测导航终端(equipment under test，EUT)的功能检查和指标考核[3-4]。然而，现有测试系统大都基于大型微波暗室构建，通常只能单台串行测试，检测效率非常有限；另外，系统建设复杂度高、成本大，维护使用过程对人员技能要求高，难以大量建设并推广应用。因此，导航终端产品检测的能力提升非常缓慢。这与快速增长的检测需求之间产生严重供求矛盾，且日益严峻；如果解决不好，检测将成为北斗卫星导航应用产业发展的重大瓶颈。

为解决上述矛盾现状，需要设计出测试容量大、推广价值高的卫星导航终端批量测试系统(以下简称“批测系统”)。

1系统设计任务与要求

简单说来，批测系统就是一套能够同时对多台被测件进行流程化检测的设备组。对任何批量测试系统而言，需要解决的首要核心问题都是测试的“并行一致”性：“并行”要求系统提供足够数量的测试环路，实现测试的时间同步性；“一致”要求系统协调统一控制、点对点精确独立调节所有被测件的状态，保证测试的空间重复性。

另外，为提升系统的推广价值，必须充分考虑面向多层次、多类别用户的大众化产品属性和差异化应用需求：“大众化”要求降低系统建设的复杂度和成本，便于使用维护；“差异化”要求提高系统使用的灵活度，批量规模可变，测试模式多样。

基于上述批检系统设计任务的理解，结合现有导航测试技术和测试设备水平，提出以下设计要求：

1)多路并行的测试链路。系统具有数量足够的仿真信号输出、测试接口和测量输入的硬件资源，可同时构建多条并行的测试链路。

2)准确可控的测试环境。被测件在系统中所处的测试环境应尽量减少非受控因素影响，作用在被测件的测试信号可通过精确调整而保持批次一致。

3)灵活可靠的测试控制。系统根据不同测试需求提供灵活多样的测试流程控制策略，在批量测试中保证系统控制的协调性和可靠性。

4)模块化系统组件。系统各组件采用模块化设计，将构建的复杂度封装于模块内部，模块外部呈现简明的连接或校准接口，实现快捷建设和即插即用。

5)开放式系统架构。鉴于用户使用测试系统的批量规模和应用模式较为丰富、多样，系统架构应保持一定弹性，使接口设计兼顾扩展需求，用户可“搭积木式”地定制构建系统的功能和规模。

2系统体系结构设计

根据多路并行、准确可控、灵活可靠、模块化、开放式的设计要求，对卫星导航终端批量测试系统进行顶层架构设计，包括测试资源构成和工作流程控制两大方面。

2.1系统测试资源构成

一般而言，通用测试系统资源构成包括：激励资源、测量资源、开关装置、接口装置和测试控制评估5大部分[5]，并配套相关辅助设备。图1示意了典型的北斗导航终端测试链路。

图1　典型北斗导航终端测试系统设备组成示意图

由图1可知：结合通用测试系统资源构成理论来分析，导航信号模拟器是激励资源，提供多频点、多体制的仿真测试信号及仿真用户动态；入站接收机是主要测量资源，用于获取L频段入站信号的频率、功率、时延、信号质量等指标；信号链路分配单元是开关装置，可对激励信号进行路径分配调度和物理指标调节；接口装置在这里是一个广义的概念，包含系统与EUT发生信号交互的测试接口(无线测试环境)、发生信息交互的通信接口，以及系统向EUT提供的时频信号、设备供电等物理接口；测试控制评估单元是整个系统的信息枢纽和人机交互界面，由测试评估软件和基于以太网的通信网络构成；辅助装置用以支持特定测试项目的实现，包括外部时钟基准、测试转台、程控电源、串口服务器等组件。

在使用同一测试方法标准的前提条件下，批测系统测试的资源要素与典型系统基本一致，但资源运作实现方式需创新设计，主要涉及链路和设备层面的内容[6]。

2.1.1集中式模拟与分布式播发的并行链路架构

在链路层面，实现多路并行有3种参考方案：

1)多源多路方案。使用与测试容量(并行测试终端数)相同数量的信号器，复制构建多套如图1所示的经典系统。该方案以极高的建设成本实现了多路信号的独立调节，难以保证多路同步性和仿真一致性。

2)单源多路方案。利用功分器将一个信号器产生的仿真信号分为多路，再分别提供给被测终端，通常用于有线测试。该方案保证了多路同步和仿真一致；但由于功分器各通道的频响差异，难以实现多路测试信号物理指标的一致性和可控性。

3)单源广播方案。在具有多个静区的微波暗室中，设置多个无线测试工位，让被测件同时接收暗室中广播的导航信号。该方案仅能支持无源定位体制下的并行测试，且测试容量受暗室规模(静区数量)限制；同时因被测件存在非期望的电磁辐射，难以保证测试电磁空间的准确可控。

综合以上方案的特点及局限性，批测系统采用集中式信号模拟，即在同一时钟基准和数学仿真模型下，集中并行输出多路仿真信号，各端口、各频点信号的物理指标可精确独立控制；同时，采用分布式链路播发，即为各被测件分别提供独立并存的无线测试环境，确保测试接口可准确控制、数量增减便捷：这样既保证仿真多路输出的并行一致，又保证测试环境条件的独立可控。

2.1.2集成化、模块化、低成本的设备形态

在设备层面，现有系统无法实现批量测试主要受制于2点：一是缺少能够提供多路激励信号的设备；二是无线测试环境设施建设复杂度和成本太高。

鉴于此，批测系统需要引入集成导航信号仿真、生成和分配功能的多端口激励设备，为系统提供足够多的激励资源；还需要设计代替微波暗室的模块化、微小化环境设备，大幅降低无线测试环境的建设复杂度和成本，为系统提供足够多的独立测试接口。

1)阵列信号模拟器：在导航接收机多阵子抗干扰天线测试中使用的数字阵列信号模拟器[7]，采用大规模数字阵列基带信号合成技术，实现了在统一时钟基准下的大规模高精度可配置多路信号模拟生成；每路信号的载波相位、功率、频率、时延独立可控，基本满足集中式信号模拟需求，可作为批测系统的多端口激励设备。

2)集成化微小暗箱：应用于小型通信产品测试的微小暗箱是相近借鉴；但需要分析导航终端检测环境要求，进行针对性设计。导航终端无线测试环境的基本要求包括：①电磁波工作频率为1～2.5 GHz；②系统及被测件的信号收发使用低方向性天线；③具有较被测件尺寸而言足够大的内部静区；④集成测试转台和通信接口。

因此设计构建模块化集成微小测试环境的难点及技术关键点在于：如何在最小的空间里实现对测量精度及重复度的要求，确保测试静区大小足够、电磁环境稳定；以及对低方向性天线静区反射波有效抑制。

2.1.3系统资源构成框图

基于阵列信号模拟器和微小暗箱，设计集中式信号模拟与分布式信号播发相结合的模块化系统架构。其资源构成如图2所示。

2.2系统工作控制流程

测试系统软件控制流程就是以“测试需求输入—测试控制实施—测试结果输出”为主线，从任务、信息、信号、链路等多层面，执行测试操作、调度系统资源、实施测试管理[8-9]。结合导航终端产品测试特点和批量测试需求，设计批测系统软件控制的流程如图3所示。

图2　批量检测系统资源构成框图

图3　导航终端批量测试系统软件控制流程图

2.2.1输入

控制流程的输入实际是对测试任务的解析定义过程，定义内容包括2个方面：一是EUT基本属性、测试指标体系、支撑测试流程运转的系统链路连接、测试信号仿真等工程要素；二是设备接口协议、测试方法等标准要素[10]。

批量测试中，各被测件的测试输入可能存在差异，比如测试链路零值修正量、仿真测试场景动态特性、串口通信波特率等;因此，须为测试流程控制提供与批量化、多样化测试任务(包括批量大小、指标项目、测试场景等)相匹配的描述维度和资源配置灵活度。

2.2.2控制实施

控制流程的实施是通过一个个定义模板化、过程流程化、控制自动化的测试工程来实现的。测试工程从建立、执行到完成的过程中，系统依次进行了测试登记、链路连接、信号播发、通信交互、状态反馈、异常处理、数据存储等工作流程。

批量测试在提升系统容量的同时，增加了系统工作流程的控制复杂度和出错概率，可采用“状态反馈机制”来应对异常：流程中各受控组件既响应系统控制指令，又实时向系统反馈上报状态信息。如出现个体错误，系统执行单台剔除并告警；如出现共性错误则系统中止并跳转。

2.2.3输出

测试流程输出内容包括原始数据、状态记录、评估结果及其不确定度分析等。其中测试评估结果是测试流程的直接产品，它由数据库中记录的EUT原始测试数据和已知系统仿真数据对比得出，并以报表或图形的形式呈现。另外，考虑到系统运行过程控制和量值溯源需求，流程设计上应对测试过程中系统状态(特别是错误状态)记录和整理;并对测试结果进行不确定度评定:这些输出项可作为测试评估结果的组成部分以及系统持续改进的重要依据。

3系统关键技术设计

3.1仿真测试信号并行输出分路设计

并行输出的多路测试信号需要在空间上指标高度一致、在时间上单多频点合路输出。传统的基于功分器的模拟分路技术(其分路原理如图4所示)，虽然通过在各端口加入功放/衰减器件可实现功率一致性调节，但各路信号易产生链路间互扰;且由于各信号通路固有的器件频响差异，多频点信号的功率一致性调节几乎无法实现。

图4　基于功分器的模拟分路技术

批测系统阵列信号模拟器采用数字分路技术(其分路原理如图5所示)。模拟器在基带之前利用现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)将仿真信号分至M路输出，根据各路信号特性及应用，在数字信号层面计算出由FPGA配给的各分路信号的通道参数；然后通过上变频及信号合成等将多路信号并行输出，实现各路信号对自身时延和功率等的独立控制。

图5　导航信号模拟器数字分路技术

为保证多路信号的仿真有效性，需要在数字分路前产生足够的波形资源。图5中的导航波形模拟单元作为系统的资源池，通过对资源池中硬件资源的综合优化和功能重构，可满足多体制导航信号波形的产生需求；另外根据各卫星导航系统发布的导航信号接口规范，建立了4大导航系统数十个导航信号分量的统一波形描述模型，可实现波形部署、调度管理和并行受控输出，为系统提供并行分配使用的多路仿真信号。

3.2低成本微小无线测试环境设计

以微小暗箱为主体的模块化无线测试环境，采用单方位准远场电磁环境一体化设计，在机械上尽量减小箱体体积的情况下，形成了可逼真无线自由空间测试效果的测试静区。设计上采用3点措施：

1)通过吸波材料的处理，在不产生多模式杂波的条件下，将发射天线激励产生的点源信号转换为可稳定测量的平面波信号；

2)箱体设计为锥形，并利用楔形吸波面，在减少吸波材料对波束影响、保证波束纯净的前提下，以最短传播距离使波束稳定并完成到平面波的转换；

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

3)当平面波形成后，在矩形腔体内利用不同吸波材料的配合，使静区最大化并保持稳定。

图6是一种锥形微小暗箱的结构形态及电磁场分布示意。

图6　数值模拟锥形暗箱纵向截面电磁场分布图

由图6可知：暗箱成品占地约1 m2，立高不到3 m，建设成本约为3 m法全电波暗室的1/10，矩形腔体内测试静区≥20 cm(直径)×10 cm(高)，可支持在无线条件下进行导航产品双体制定位性能测试。

3.3多场景并行测试控制设计

批测系统的自动化批量测试控制能力，简单说包括以下几项工作：1)通过人机界面操作制定测试计划；2)自动按照测试序列顺序执行测试任务；3)调度实现有限测试资源的共享和并行测试，并避免资源冲突，优化测试效率。

其中第3点是实现多场景并行测试控制的关键;在设计上以有限状态机模型为基础来解决这一自洽运行问题。测试流程每到一个试验步骤都有相应的状态机类存储当前系统各设备以及用户机的状态信息(包括系统各设备以及用户机各种可能出现的状态和信息)。

为避免流程异常导致的系统错误，设计了2种机制：其一，通过定时器驱动定时查询状态机的状态信息，根据状态机的信息判断系统自动运行的跳转条件，保证系统能够合理地自动跳转；其二，采用异常捕获机制避免系统可能出现的非预期错误，在每个状态机的判断上都加入异常捕获判断，如果出现非预期异常现象说明该EUT的测试状态或者测试数据已不正常、该项测试已经失败，测试流程跳出当前测试，自动转入下一个测试项目。

4结束语

基于本文提出批量检测系统设计，目前已研制建设了若干套实用系统;这些系统极大地提高了使用单位的检测能力和检测效率，并为全国的卫星导航产品检测体系建立提供了物质支撑。以北京卫星导航中心的北斗导航终端批量测试系统为例，该系统承担北斗用户设备入网测试等质量一致性检验，使该中心的测试效率较之前提升5倍以上。

此外，批测系统的模块化、集成化架构还支持一些创新测试应用模式，比较典型的有：

1)同源异构差分测试模式。利用多场景同步仿真能力和多个独立无线测试接口，将同一时钟基准下星座相同、用户轨迹不同的仿真信号同步接入不同测试接口，构建双/多用户无线差分信号场景，实现对定向、定姿、RTK设备的无线仿真测试。

2)多源星座分布式测试模式。利用模拟器的数字分路功能与开关矩阵的多路分配功能，产生多路并行输出的单星多频信号，并定向配送到测试空间特定方位播发，构建天线阵多点分布的测试场景，实现逼近真实环境的星座化室内无线测试。

当然，基于微小暗箱的批测系统也存在一定局限性，仍有几处技术细节有待完善，例如：受箱体尺寸限制难以支持大型EUT和抗干扰测试；系统状态核查还缺少标准化专用装置；无线链路时延快速标定技术还不成熟；批量产品连接适配组件还有待完善等。这些问题将是下一阶段系统设计和实践的重要研究内容。总之，批量检测系统的设计理念和总体架构在工程化实践中得到了验证和肯定，系统设计将会在技术发展和测试实践中迭代改进。

参考文献

[1]谭述森，窦长江.论基于北斗的卫星导航应用服务[J].中国航天，2008(7)：11-13.

[2]吴海玲，高丽峰，汪陶胜，等.北斗卫星导航系统发展与应用[J].导航定位学报，2015，3(2)：5-10.

[3]张桂华，陈锡春.北斗用户设备测试系统的设计与实现[J].电子测量与仪器学报，2009，23(1)：16-21.

[4]牟卫华，吕志成，孙广富，等.卫星导航产品认证研究[C]//中国卫星导航学术年会组委会.第五届中国卫星导航学术年会论文集-S6 北斗/GNSS测试评估技术.南京：中国卫星导航学术年会，2014：184-188.

[5]彭建怡.卫星导航接收机自动测试技术研究[D].长沙：国防科技大学，2008：24-25.

[6]张成名，王建华，蔡金燕.自动测试系统的通用性研究[J].微计算机信息，2007，23(1)：77-79.

[7]MING Dexiang，LIU Yangyang，ZHONG Xiaopeng.Research on high-precision measurement and calibration technology for carrier phase consistency of digital beam array navigation signal simulator[C]//SUN Jiadong，JIAO Wenhai，WU Haitao，et al.China Satellite Navigation Conference (CSNC) 2013 Proceedings.New York：Springer Publishing Company，2013：459-468.

[8]朱一凡，李群，杨峰，等.NASA系统工程手册[M].北京：电子工业出版社，2013：31-68.

[9]陈锡春，谭志强，李锋.北斗用户终端测试系统的设计与实现[J].无线电工程，2015，45(1)：40-43.

[10]周玉霞.北斗卫星导航应用国际标准化的思考[J].航天标准化，2011，39(3)：1-5.

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

第一作者简介：李腾(1986—)，男，陕西宝鸡人，硕士，工程师，研究方向为卫星导航应用与导航终端测试。

中图分类号：P228；TP274

文献标志码：A

文章编号：2095-4999(2016)02-0075-06

引文格式：李腾，王礼亮，杨勇，等.卫星导航终端批量测试系统设计[J].导航定位学报，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.