基于模拟器的辅助导航测试方法研究

彭 明 王 田 薛仁魁 杨文彬 武新波 黄子涛

(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，用户对导航终端的应用体验要求越来越高，不仅要求在开阔的应用场景下定位快速准确，同时对城区高楼林立、高架桥、林荫路及室内弱导航信号应用场景下的快速定位提出了强烈需求。因此，为了提高导航终端对卫星导航信号的捕获概率，缩短首次定位时间，提高灵敏度，产生了辅助导航技术(A-GNSS)。

一般意义上的辅助导航技术是利用公共网络的GPRS/GSM/CDMA等通信技术，通过在导航终端中添加无线网络通信模块来传输定位所需的星历历书以及控制信号等辅助参数来实现，为开展此类验证需搭建基于网络基站服务器的测试系统，成本高。本文基于导航信号模拟器，利用基准站接收机传送辅助数据(星历信息及时间信息)的方式，构建辅助导航测试系统，提出了一种新的辅助导航测试方法，对接收机利用辅助数据实现快速定位进行了验证。

首次定位时间(TTFF)是指接收机启动后至给出第一个满足定位精度要求结果所需的时间，影响它的主要两个因素是对多个卫星信号捕获的快慢和获取有效星历的时间长短。利用辅助导航技术，提前将辅助信息传输到接收机上，帮助接收机实现快速信号捕获和定位[1]。本文着重介绍了一套室内辅助导航模拟测试系统，对接收机辅助导航快速捕获性能进行了测试验证[2]。

2 测试系统构成

基于卫星导航信号模拟器，利用高精度接收机构建辅助导航测试系统，对接收机辅助导航快速定位性能进行测试验证。

选用湖南矩阵电子生产的双通道卫星导航信号模拟器，该模拟器具备两个射频输出口，可仿真同一时间不同地点的场景类型，可进行RTK等模拟信号测试；此外选用商用高精度接收机作为基准站接收机，接收模拟器播发的卫星导航信号，定位后生成包括星历和时间信息的辅助数据，被测接收机同时接收模拟器导航信号和辅助数据进行快速捕获定位，提高启动时间[3]。测试系统组成框图如图1所示。

图1 辅助导航测试系统组成框图Fig.1 Composition diagram of assisted navigation test system

2.1 卫星导航信号模拟器

如图2所示，选用湖南矩阵电子生产的GNS 8450双通道模拟器，能接收仿真机传输的位置、速度、加速度等信息，模拟在轨的位置分布和运动，模拟卫星星历、导航电文等，根据姿态、接收机天线布置、天线方向图等因素，模拟接收机接收到的不同信号的到达入射角、强弱和延时，具备对接收机性能的全面测试和评估功能。

图2 卫星导航信号模拟器Fig.2 Satellite navigation signal simulator

2.2 基准站接收机

如图3所示，选用和芯星通UR380高精度接收机，该接收机使用基于Nebulas TM 多系统多频率高性能SoC 芯片，支持三系统八频点，提供蓝牙、WIFI、WCDMA 3G 数据模块，能够轻松实现PC或是智能手机、PDA 对接收机的访问操作，抗干扰能力强，稳定性高，支持RTCM 3.2协议。

图3 高精度接收机Fig.3 High precise receiver

高精度接收机接收导航信号定位后，通过RS232串口输出辅助数据，辅助数据格式为RTCM 3.2协议里规定的多信号信息类型MSM 4(63和1124信息类型)，辅助数据包含当前仿真场景位置下的星历和时间信息。

2.3 被测接收机

如图4所示，被测接收机选用北斗全球信号射频基带一体化集成芯片，该芯片是针对手机、可穿戴式设备、车载导航和车载监控、授时等千万级规模的消费类或行业类应用市场的产业化需求而设计，兼容北斗全球体制信号，支持辅助导航及差分增强。

图4 被测接收机Fig.4 Tested receiver

3 测试流程

为验证被测接收机利用辅助数据进行快速定位，测试场景选用两个场景，场景信息如下：

(1)卫星轨道、卫星钟差、电离层时延、对流层时延等误差参数设置为无时变误差模式；

(2)卫星星座设置：5颗可见BDS卫星(2GEO+3非GEO)，满足PDOP≤5[4]；

(3)用户轨迹模型：最大动态(2m/s，0.05g)；

(4)RF输出设置：单BDS模式，设置测试系统输出B1I频点信号；

(5)设置测试系统输出信号至被测设备射频输入口信号功率为-133dBm。

两个场景差异在于两个场景距离相距1000km以上，时间相差7天以上。

图5 辅助导航测试流程图Fig.5 Flow chart of assisted navigation test

测试流程如图5所示。测试流程中，首先发送指令，模拟器启动场景仿真播发导航信号，基准站接收机接收信号进行定位，3min内完成高精度定位，同时往外播发辅助数据；3min后控制测试系统给被测接收机加电，接收机接收导航信号和辅助数据，2min内实现定位；随后被测接收机断电500s，期间改变4颗可见星，使接收机星历失效，这一步的作用是根据接收机所用内部晶振守时精度，经过500s后接收机内部晶振时间偏差将达到10ms左右，相当于星历和时间辅助精度10ms；然后被测接收机重新加电，同时开始计时，被测接收机接收导航信号和辅助数据(星历和时间辅助精度10ms)，测量被测接收机从计时开始到第一个满足定位精度要求的时间间隔，即为启动时间。

4 测试结果及分析

根据北斗专项标准BD 420005-2015《北斗/全球卫星导航系统(GNSS)导航单元性能要求及测试方法》，对接收机辅助定位启动时间和无辅助冷启动时间分别进行了十次测试，测试结果对比如表1所示。

表1 启动时间测试结果

图6 测试结果对比示意图Fig.6 Composition contrast diagram of test results

从以上辅助定位和无辅助定位下启动时间对比可以看出，利用基准站接收机播发的符合RTCM 3.2协议的辅助星历和时间数据，被测接收机能得到多普勒频移的预测值，实现了精确辅助定位，缩短了信号捕获的时间，进而极大缩短了接收机的首次定位时间，证明了基于模拟器的这种辅助导航测试方法的合理性和可行性。

5 结束语

本文基于模拟器辅助导航测试，介绍了辅助导航下导航信号快速捕获原理，详细描述了基于模拟器的辅助导航测试系统和测试流程，并对测试结果进行了分析，验证了此种辅助导航测试方法的可行性。

基于模拟器的辅助导航测试系统成本低且易于构建，具有较高的工程应用价值，在2018年中国卫星导航系统管理办公室组织的北斗全球信号射频基带一体化集成芯片测评中成功得到了应用，可作为后续辅助导航研发测试的评估手段。