基于导航信号模拟器的采集回放测试方法研究

王 田 杨文彬 刘英乾 夏 天

(北京东方计量测试研究所，北京 100086)

1 引 言

随着卫星导航系统的发展和在生产生活领域应用的不断深入，导航终端的使用规模在不断扩大，生产的品种类型多种多样，其功能和用途各不相同，对其功能和性能进行测试验证显得尤为重要。因此，导航终端的测试技术是卫星导航应用的核心技术之一，是研发具备自主知识产权的高性能导航终端的必要手段，可有力推动导航终端的规范化、标准化发展，具有巨大、长远的经济效益和社会效益[1]。

当前，根据测试实现方式可分为室内模拟测试和实际信号测试。室内模拟测试的优点是各类误差影响、信号电平等因素能够精确量化，实现对被测终端量化考核；但室内模拟测试信号与实际使用条件存在较大差异，室内测试结果不能全面反映实际使用效果[2]。实际信号测试是利用待测试终端接收实际的卫星信号，然后评估其性能，实际信号测试没有模型的近似，测试的结果就是接收终端的实际性能。实际信号结果与测试场景的星座状态、电离层、多路径、接收机周边环境以及当时的大气信号传播环境密切相关，所以测试可重复性较差，测试成本较高。

由此产生了导航信号采集回放测试技术，通过采集存储实际卫星导航信号，并在试验室环境下进行回放，能够有效完成卫星导航终端的实际使用性能测试，不仅能够避免实际外场测试时卫星信号的不确定性，而且可以减少外场测试的时间和费用，在一定程度上解决卫星导航终端室内仿真环境与真实坏境的测试不一致性问题。

本文基于导航信号模拟器，对采集回放测试方法进行了初步研究。

2 采集回放测试系统构成

基于导航信号模拟器的采集回放测试系统如图 1所示，导航信号模拟器按照设定的静态场景轨迹生成导航射频信号，采集回放仪和导航接收机同时接收导航信号，随后利用采集回放仪进行回放，用同一台导航接收机接收回放信号，比较接收机采集回放定位指标的变化情况。

实验中选用湖南矩阵电子有限公司生产的GNS7601-B采集回放仪，导航信号采集回放仪由信号采集单元、存储控制单元和信号回放单元三部分组成，其组成框图如图2所示。

2.1 信号采集单元

信号采集单元包括宽带天线、射频输入模块、高速数据采集模块，用于接收GNSS卫星导航信号，完成射频信号预处理、下变频并实现对中频信号的高速实时采样，并将采样结果发送到存储控制单元进行存储。

2.2 存储控制单元

存储控制单元由高速大容量磁盘阵列、数据流管理与控制模块和用户接口模块组成。数据流管理与控制模块用于完成设备的采集回放模式管理、频段选择、采集/回放时长和回放信号功率强弱控制等，用户接口模块完成用户的人机操作交互。

2.3 信号回放单元

信号回放单元包括回放信号合成模块和射频输出模块，用于实现将采集存储的数据合成为中频信号，并进行上变频转化为测试所需的导航测试信号，并完成输出信号的功率衰减控制。

其采样频率为100MHz，量化位数4bit，中频频率选用37.42MHz(L1频点)、23.098MHz(B1频点)，采样频段带宽大于100MHz，采集数据以二进制补码形式从低位存储，每4个bit表示一个采样点，每当存储4 092个字节后，会有4个字节的校验和，数据格式如图3所示。

试验中选用和芯星通UM220-III N导航接收机作为参考接收机，能够同时支持BD2B1、GPS L1 两个频点。UM220-III N模块利用一个USB串口，可支持数据传输、固件升级功能，输入/输出信号类型为LVTTL电平。默认波特率为9 600bps，最高可设为115 200bps，串口波特率均可自行配置。同时，携带有卫星显控软件CDT，可方便显示星座视图、消息及接收机状态等，也可进行接收机配置。实物图如图4所示。

3 测试结果及分析

本文利用导航信号模拟器，以静态场景为例，采集回放静态导航信号，对参考接收机定位精度进行评估分析。

定位精度是指导航接收机接收卫星导航信号进行定位解算得到的位置与真实位置的接近程度，包括水平定位精度和垂直定位精度[3,4]。

本文采用标准差来描述接收机的精度[5]，具体如下：

首先计算各历元输出的定位数据在站心坐标系下各方向(NEU方向，即北东天方向)的定位误差

ΔNi=Ni-N0i

(1)

ΔEi=Ei-E0i

(2)

ΔUi=Ui-U0i

(3)

式中：ΔNi、ΔEi、ΔUi——分别为第i次实时定位数据的N、E、U方向的定位误差(i=1,2…n)，m；Ni、Ei、Ui—— 分别为第i次实时定位数据的N、E、U方向分量，m；N0i、E0i、U0i——分别为第i次实时定位的标准点坐标N、E、U方向分量，m。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：σN，σE，σU——分别为 定位误差的标准差在N、E、U方向的分量，m；σH—— 定位误差的标准差在水平方向的分量，m。

测试结果的报告：

水平定位精度：UH=σH

垂直定位精度：UU=σU

实验中，利用导航信号模拟器播发L1+B1频点信号，信号功率大小-100dBm，采集后进行回放，回放功率大小也为-100dBm，选取半小时数据进行分析，参考导航接收机位置精度结果如表1、图5所示。

表1 采集回放测试结果Table 1 Record and playback test results

其N、E、U方向采集回放位置误差示意图如图6所示。

影响接收机定位精度解算能力的因素主要有观测时段内可见卫星数和信号载噪比。静态开阔场景下，对回放信号和实际信号测试中接收机的可用卫星数(GPS和BD各选取四颗)及载噪比进行分析，如图7、图8、图9所示。

可见，实际信号和回放信号可用卫星数相同、回放信号载噪比较实际信号载噪比降低1-2dB左右，水平精度及垂直精度结果误差优于0.5m，回放基本真实复现了实际场景，这也从测试结果分析中得到印证。

4 结束语

本文基于导航信号采集回放仪开展了回放测试试验，从终端接收机的测试结果角度，对静态场景采集回放测试进行了初步分析。通过初步验证分析，利用采集回放技术，在特定典型场景下采集导航信号，而后可在实验室条件下进行多次反复回放，有效复现典型真实场景，基本实现高保真回放，可极大提高测试效率。

随着北斗卫星部署逐步完成，卫星导航应用的深度和广度都在不断扩展。由于导航终端的实际性能与应用场景环境密切相关，而目前国内测试机构进行的真实信号测试存在着样本少、覆盖不全等问题，尚缺乏覆盖广泛的导航信号测试数据，利用导航信号采集回放，可积累海量典型场景导航数据，方便终端测试。

[1] 王田,夏天,张书锋等.导航终端测试技术研究综述[J].计测技术,2015.35(4):6～9.

[2] 张钦娟.北斗二号民用设备测试方法研究[J].现代电信科技,2012.15(3):78～80.

[3] 胡立志,董莲.导航接收机检测方法的探讨[A].第三届中国第三方检测实验室发展论坛[C].2011.

[4] Global positioning system(GPS)-Receiver equipment-Performance standards, methods of testing and required test results[S].second edition:2003.7.

[5] Hay C. Standardized GPS simulation scenarios for SPS receiver testing[A].2006:1 080～1 085.