监测接收机性能指标体系研究

刘魁星,高帅,顾青涛

(北京卫星导航中心,北京100094)



监测接收机性能指标体系研究

刘魁星,高帅,顾青涛

(北京卫星导航中心,北京100094)

本文从卫星导航系统地面段的需求出发,建立了监测接收机完备的指标体系,结合性能指标测试方法给出了性能指标的定义和数据处理方法,使用该指标体系和测试方法对监测接收机进行了测试,测试结果表明,测试方法可行,指标体系完备。

监测接收机;指标体系;测试

0 引 言

监测接收机是卫星导航系统中关键地面设备,分布在卫星导航系统服务区域内。其作为高精度的测量设备,对空间导航卫星信号进行观测,获取高精度伪距、载波相位、多普勒观测量和导航电文等业务信息,为卫星导航系统地面段完成精密定轨、电离层修正及预报处理、系统完好性监测和系统运行管理等任务提供支撑[1-2]。可以说,监测接收机性能的优劣决定了卫星导航系统的服务性能。如何对监测接收机性能进行测试评估,目前仍没有形成行业标准,部分文章仅对部分指标进行了分析,是否全面仍存在一定疑问,且大部分是针对用户接收机而言,针对地面段监测接收机性能指标的研究较少[3-4]。本文从卫星导航系统业务需求出发,全面分析了监测接收机的关键技术指标,建立了完备的指标体系,并对关键技术指标提出了测试方法。最后,根据设计的性能指标和测试方法对某型监测接收机进行了测试。

1 监测接收机指标体系设计

1.1 卫星导航系统对监测接收机需求分析

监测接收机的核心用户是卫星导航系统地面段的数据处理中心,由数据处理中心根据各监测接收机观测数据完成定轨、电离层修正等任务。为数据处理中心提供稳定高精度的观测数据,是监测接收机的核心作用。因此,对监测接收机性能的测试评估指标都需要围绕该作用设计。

为达到提供稳定高精度的观测数据目标,对于监测接收机应从以下几个方面考虑设计监测接收机评估指标:观测数据的高精度;观测数据的稳定性;观测数据时间基准的正确性;尽可能多的获取观测数据;导航电文正确解调。

从以上角度,才能全面衡量监测接收机为地面段的数据处理中心提供稳定高精度的观测数据的能力。

1.2 监测接收机指标设计

从以上分析可知,对于监测接收机性能评估指标,可以分为5大类。

1) 高精度观测数据指标

监测接收机的主要产品为伪距、载波相位、多普勒观测量。高精度的导航业务处理,离不开监测接收机高精度的测量结果,需要针对监测接收机的测距产品进行指标设计。根据监测接收机提供的产品可设计伪距测量误差、载波相位测量误差、多普勒测量误差三个指标分别衡量。

2) 观测数据稳定度指标

观测数据的稳定性表现在监测接收机各通道观测数据不因其开关机和运行时间长短而存在不可消除的偏差。因此可设计开关机稳定性、通道时延稳定性和通道时延一致性三个指标衡量。开关机稳定性描述了监测接收机在开关机后,由开关机带来的观测值变化程度;通道时延稳定性描述了监测接收机运行一定时间后,观测值变化的程度;通道时延一致性描述了监测接收机不同的信号接收通道时延的一致性。

3) 观测数据时间基准指标

观测数据时间基准的正确性包含两个方面:观测时刻的准确性和与外部时频系统保持一致的能力。观测时刻的准确性即测量值时标的正确性。为了与精确的时间测量相适应,测量值必须给出对应的准确测量时间[5]。监测接收机需要与外部时频系统时标保持一致,因此需要具备与外部时频系统保持一致的能力。可设计测量时刻准确度和外输入1 pps模式钟面校时精度两个指标评估观测数据时间基准的正确性。

4) 捕获性能指标

为获取尽可能多的观测数据,监测接收机应能接收一定功率范围内的导航信号,在开机或者失锁后能尽快锁定可见卫星信号,以满足获得尽可能多的观测数据要求。可设计最低信号功率、接收信号动态范围、开机捕获时间、失锁重捕时间四个指标。最低信号功率指监测接收机能够接收的最小信号功率。接收信号动态范围指在指定信号电平下均可完成信号捕获和锁定。开机捕获时间指监测接收机在开机后到所有卫星所有频点和支路完全锁定所需时间。失锁重捕时间指在信号中断到信号恢复后,监测接收机重新捕获所需时间。其中信号捕获是指对接收信号完成载波环锁定、码环锁定、比特信息位锁定和帧标志锁定。

5) 导航电文指标

监测接收机应能按照空间接口规范解析导航电文,完成卫星导航电文的正确回收,用以验证地面段上行注入导航电文的正确性。因此可设计导航电文误码率指标,用以评估监测接收机在最小信号功率下解析导航电文的能力。

2 监测接收机指标测试与数据处理方法

2.1 模拟信号源法

从以上指标定义方法看,模拟信号源法[6]为最简单方便的测试方法。按照图1连接设备,导航信号模拟源根据测试需求输出仿真射频导航信号并通过有线方式连接传输给监测接收机低噪放,监测接收机接收仿真信号,完成信号捕获和持续跟踪并输出观测数据。

图1 模拟信号源法测试设备连接图

2.2 观测数据测量误差处理方法

(1)

式中,σρ即为监测接收机的伪距测量误差,n为伪距测试数据的个数。多普勒测量误差计算方法同伪距测量误差方法。

由于接收机载波相位观测值存在整周数,无法给出载波相位相对应的绝对距离,因此采用如下计算方法得出载波相位的测量误差。在最低信号功率电平下,监测接收机测得的载波相位测量数据为Ci,对载波相位测量值进行历元间三次做差,如下式所示:

(2)

ΔC‴i=C″i-C″i-1.

2.3 观测数据稳定度处理方法

1) 开关机稳定性

(3)

2) 通道时延稳定性

按照图1连接测试设备,监测接收机持续一定时间接收模拟信号源仿真信号。ρk表示监测接收机机k通道伪距测量值,ρref表示选定的参考通道。定义ΔDk表示监测接收机对仿真卫星各信号接收通道伪距测量值与参考通道伪距测量值差值的均值,即

ΔDk=E(ρk-ρref) .

(4)

(5)

式中，ΔDtime即为监测接收机通道时延稳定性。其中一定时间可选短期2至3 h和长期24 h.

3) 通道时延一致性

监测接收机通道可以划分为三个层次,通道、频点和支路,其层次逻辑关系图如图2所示,其中,同一通道,同一频点,不同支路时延差异可定义为ICB″;同一频点,同一支路,不同通道时延差异可定义为ICB′;同一通道,同一支路,不同频点时延差异可定义为IFB.

图2 监测接收机通道频点支路层次关系图

(6)

则同频通道时延稳定性ICB′和ICB″指标可定义为

(7)

异频通道时延稳定性指标IFB定义为

(8)

2.4 观测数据时间基准指标处理方法

1) 观测数据时刻准确性

按照图1连接测试设备,监测接收机持续一定时间接收模拟信号源仿真信号。监测接收机伪距观测值可表达为

(9)

2) 外输入1 pps模式钟面校时精度

按照图1连接测试设备,模拟信号源输出1 pps给监测接收机。监测接收机进行多次开关机,每次开机待接收机工作稳定并完成外部1 pps钟面校时后,采集监测接收机伪距测量值Δρi,每组采集100个数据,取每组伪距测量值均值E(Δρi).

取多组伪距测量值均值E(Δρi)的标准差:

(10)

即外1pps钟面校时精度。

2.5 捕获性能和导航电文指标处理方法

捕获性能四项指标最低信号功率、接收信号动态范围、开机捕获时间和失锁重捕时间无需特别数据处理方法。所有测试均在最低信号功率下进行,即可保证最低信号功率指标。接收信号动态范围可通过调整发射信号的功率大小,监测测接收机完成信号的捕获和锁定即可。开机捕获时间、失锁重捕时间采用实际场景计时即可。

导航电文误码率指标,可通过比较模拟信号源保存发播的导航电文和监测接收机接收解调电文计算获得。

3 测试实例

3.1 测试对象

按照上述提出的指标设计及测试数据处理方法,对某研制厂家研制生产的BDS/GPS双模监测接收机进行了测试。该型监测接收机是一种高精度的测量设备,可对视场内的北斗和GPS卫星信号同时观测,获取精密伪距、载波相位和导航电文等信息,为系统星地时间同步、精密定轨、电离层传播延迟修正和完好性监测提供观测数据。

3.2 测试结果

由于上述指标体系的测试结果庞大,限于篇幅无法一一列出,仅给出部分测试结果。表1、表2示出了该型监测接收机BDS和GPS部分频点和支路的伪距测量精度测试结果。从伪距精度测试结果看,在模拟信号源测试条件下,监测接收机BDS和GPS伪距精度相当,部分频点BDS伪距精度更高。通过本文所提监测接收机指标和测试方法,完成多个型号的监测接收机测试。监测接收机在使用中达到预期目的。

表1 监测接收机BDS伪距精度测试结果(单位m)

卫星号B1I(窄相关)B3I(窄相关)B1I(抗多径)B3I(抗多径)SV010.0460.0170.0560.029SV020.0670.0190.0770.029SV030.0660.0190.0640.030SV040.0410.0170.0580.030SV050.0420.0130.0580.027SV060.0180.0070.0480.026SV070.0240.0070.0490.026SV080.0240.0070.0520.027SV090.0250.0060.0460.027SV100.0170.0070.0500.026

表2 监测接收机GPS伪距精度测试结果(单位m)

4 结束语

本文从卫星导航系统对监测接收机的业务处理需求出发,分析了影响卫星导航系统性能的监测接收机关键指标,建立比较完备的指标体系,结合指标测试方法给出了指标的定义与数据处理方法。最后利用该套指标及测试方法对某型监测接收机进行了测试,给出了部分项目测试结果。目前,该测试指标体系已在监测接收机性能测试方面得到有效应用,所测试监测接收机运行稳定,发挥了预期作用。

[1] 谭述森.卫星定位工程[M].北京:电子工业出版社,2013.

[2] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京:电子工业出版社,2012.

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[4] 翟建勇，王党卫，吕红丽，等.高精度卫星导航接收机功能与性能指标分析[C]//第四届中国卫星导航学术年会电子文集, 2013.

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[6] 刘思睿.GNSS接收机性能综合测试技术研究[D].北京:北京化工大学,2013.

The Research of Performance Index System for Monitoring Receiver

LIU Kuixing,GAO Shuai,GU Qingtao

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

According to the requirement of satellite navigation ground segment, this paper establishes the index system of monitoring receiver, and gives the definition of index and the way of data processing combining the test method of index. This paper analyses the examples that uses the index system and method for testing monitoring receiver. The test results show that this method is feasible and the index system is complete.

monitoring receiver; performance index system; testing

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.005

2016-12-20

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0021-04

刘魁星 (1983-),男,安徽合肥人,硕士,工程师,主要研究方向为卫星导航工程。

高帅 (1982-),男,山东淄博人,硕士,工程师,主要研究方向为卫星导航工程。

顾青涛 (1980-),男,吉林松原人,本科,工程师,主要研究方向为卫星导航工程。

联系人: 刘魁星 E-mail:hflkx@163.com