王田，夏天，張書(shū)鋒，陳強(qiáng)，彭明

(北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京100086)

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用的普及，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)成為增長(zhǎng)最為快速的產(chǎn)業(yè)之一，同時(shí)也成為宇宙科學(xué)、地球物理科學(xué)等領(lǐng)域最為有效的科研手段，衛(wèi)星導(dǎo)航已經(jīng)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信共同成為21世紀(jì)信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的三大支柱產(chǎn)業(yè)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為基礎(chǔ)性的信息系統(tǒng)能提供全球性的導(dǎo)航定位與授時(shí)服務(wù)，衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用已經(jīng)滲透到了國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展以及人們?nèi)粘Ｉ畹膸缀跛蓄I(lǐng)域，并將產(chǎn)生越來(lái)越大的影響［1］?？v觀全球，目前除已建成的美國(guó)GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)外，正在建設(shè)中的包括歐洲的伽利略系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS 系統(tǒng)、我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分和用戶(hù)部分組成。導(dǎo)航終端作為用戶(hù)部分是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的重要組成部分，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航、定位、授時(shí)等都是通過(guò)終端實(shí)現(xiàn)的。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在生產(chǎn)生活領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，導(dǎo)航終端的使用規(guī)模在不斷擴(kuò)大，導(dǎo)航終端的類(lèi)型多種多樣，其功能和用途各不相同，對(duì)其功能和性能的測(cè)試驗(yàn)證顯得尤為重要。因此，導(dǎo)航終端的測(cè)試技術(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的核心技術(shù)之一，是研發(fā)具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能導(dǎo)航終端的必要手段，可有力推動(dòng)導(dǎo)航終端的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，具有巨大、長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 導(dǎo)航終端測(cè)試環(huán)境

衛(wèi)星導(dǎo)航終端測(cè)試環(huán)境包括室內(nèi)測(cè)試、室內(nèi)輻射環(huán)境測(cè)試、地基測(cè)試場(chǎng)測(cè)試和實(shí)際信號(hào)測(cè)試［2-3］。下面分別予以介紹。

1.1 室內(nèi)測(cè)試

該測(cè)試環(huán)境利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器搭建測(cè)試平臺(tái)，是目前最常用的測(cè)試形態(tài)［4］。其測(cè)試原理是利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器產(chǎn)生衛(wèi)星射頻信號(hào)輸入給被測(cè)終端，終端衛(wèi)星信號(hào)處理模塊接收信號(hào)進(jìn)行定位解算并將導(dǎo)航結(jié)果上報(bào)給控制評(píng)估計(jì)算機(jī)，控制評(píng)估計(jì)算機(jī)將上報(bào)的定位結(jié)果與模擬器的參考軌跡信息進(jìn)行比對(duì)，得出終端的性能參數(shù)，測(cè)試原理如圖1所示［5-6］。

圖1 終端測(cè)試原理

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器是該測(cè)試形態(tài)的主要支柱，具備完備的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)仿真能力和操控能力，能夠設(shè)定某顆衛(wèi)星位置變化規(guī)律，軌道、衛(wèi)星鐘差、電離層對(duì)流層時(shí)延等系統(tǒng)誤差可控，輸出信號(hào)功率亦可控，成為導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試研發(fā)機(jī)構(gòu)不可或缺的儀器。利用其搭建的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行終端性能測(cè)試，具有成本低、重復(fù)性好、測(cè)試流程可控、測(cè)試效率高等優(yōu)點(diǎn)。

北京東方計(jì)量測(cè)試研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“航天五院514所”)為開(kāi)展北斗比對(duì)測(cè)試工作，建立了一套完整的自動(dòng)化模擬環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)，其連接示意圖如圖2所示。

圖2 模擬信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖

該模擬信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)由GNSS 衛(wèi)星信號(hào)模擬器、多路射頻信號(hào)分配系統(tǒng)和測(cè)試控制與評(píng)估軟件分系統(tǒng)組成，支持8 路并行自動(dòng)化測(cè)試。該系統(tǒng)能夠模擬多體制多顆衛(wèi)星在軌的位置分布和運(yùn)動(dòng)，模擬衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文、對(duì)流層延遲、電離層延遲等，模擬載體運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)地完成閉環(huán)仿真試驗(yàn);同時(shí)模擬信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)具備對(duì)多體制衛(wèi)星接收機(jī)性能的全面測(cè)試和評(píng)估功能，測(cè)試的項(xiàng)目可涵蓋GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航用戶(hù)設(shè)備的定位精度、靈敏度、定位時(shí)間、動(dòng)態(tài)性能等諸多測(cè)試項(xiàng)目。

在測(cè)試方法上，該系統(tǒng)優(yōu)化了測(cè)試流程，通過(guò)自動(dòng)定時(shí)播發(fā)測(cè)試相關(guān)指令，實(shí)時(shí)接收被測(cè)設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)，利用專(zhuān)門(mén)的評(píng)估軟件給出實(shí)時(shí)評(píng)估結(jié)果，極大地提高了測(cè)試效率和測(cè)試可控性。

1.2 室內(nèi)輻射環(huán)境測(cè)試

該測(cè)試形態(tài)主要是基于微波暗室的測(cè)試環(huán)境，優(yōu)點(diǎn)在于成本較低、重復(fù)性好、可控性好、可全天候工作，與外界電磁環(huán)境隔離便于保密，可以對(duì)包括天線(xiàn)和射頻前端在內(nèi)的整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試［7］。

為開(kāi)展終端測(cè)試，航天五院514 所建立了北斗一號(hào)無(wú)線(xiàn)暗室測(cè)試系統(tǒng)，其系統(tǒng)連接示意圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)連接圖

開(kāi)展無(wú)線(xiàn)模式測(cè)試時(shí)，北斗一號(hào)用戶(hù)設(shè)備置于微波暗室內(nèi)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，測(cè)試控制與評(píng)估系統(tǒng)控制北斗一號(hào)出站信號(hào)模擬器通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，入站接收機(jī)通過(guò)天線(xiàn)接收具有RDSS 功能的用戶(hù)機(jī)發(fā)射的入站信號(hào)，分別設(shè)置不同的場(chǎng)景對(duì)用戶(hù)機(jī)的定位、定時(shí)、測(cè)距、位置報(bào)告等功能進(jìn)行測(cè)試。無(wú)線(xiàn)模式測(cè)試設(shè)備布局聯(lián)系圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線(xiàn)測(cè)試模式設(shè)備布局連接圖

1.3 地基測(cè)試場(chǎng)測(cè)試

地基測(cè)試場(chǎng)是針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能評(píng)估、改進(jìn)，對(duì)新的信號(hào)格式、新的服務(wù)功能進(jìn)行試驗(yàn)、驗(yàn)證以及對(duì)導(dǎo)航用戶(hù)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試、試驗(yàn)和鑒定的專(zhuān)用試驗(yàn)環(huán)境的統(tǒng)稱(chēng)［8］，可對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)整體進(jìn)行性能測(cè)試，可對(duì)各類(lèi)導(dǎo)航終端設(shè)備進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。地基測(cè)試場(chǎng)一般需要在空曠區(qū)域建設(shè)，成本高、容易受到外界射頻干擾進(jìn)而影響測(cè)試精度、保密性差等［9］。

目前世界上已有多個(gè)國(guó)家建成或正在建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航地基測(cè)試場(chǎng)，作為導(dǎo)航系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證手段為導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)服務(wù)，以便提高整個(gè)系統(tǒng)的先進(jìn)性和可靠性，主要的衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)試場(chǎng)有:美國(guó)GPS 系統(tǒng)建設(shè)的YUMA 系統(tǒng)以及IGR 系統(tǒng)、德國(guó)的伽利略歐洲測(cè)試系統(tǒng)GATE、歐洲伽利略測(cè)試場(chǎng)(GTR)［10］、中國(guó)的伽利略測(cè)試認(rèn)證環(huán)境項(xiàng)目(CGTR)［11］。

CGTR 是一個(gè)針對(duì)中國(guó)境內(nèi)Galileo 接收機(jī)、用戶(hù)終端和應(yīng)用的綜合測(cè)試認(rèn)證和試驗(yàn)演示系統(tǒng)環(huán)境。在Galileo 系統(tǒng)全部建成之前，CGTR 承擔(dān)起Galileo 接收機(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)在中國(guó)區(qū)域的開(kāi)發(fā)、測(cè)試、試驗(yàn)、演示、應(yīng)用推廣等一系列職能;在Galileo 系統(tǒng)正式投入運(yùn)行之后，CGTR 將繼續(xù)發(fā)揮Galileo 接收機(jī)產(chǎn)品在中國(guó)區(qū)域的測(cè)試認(rèn)證和應(yīng)用演示推廣作用，還可以作為Galileo 本地增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供服務(wù)。根據(jù)CGTR 系統(tǒng)承擔(dān)的職能，將其劃分為四個(gè)功能組成單元:即室內(nèi)測(cè)試認(rèn)證系統(tǒng)(ITE)、外場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)(OTE)、應(yīng)用演示與推廣中心(ADC)、測(cè)試接收機(jī)開(kāi)發(fā)(GTRD)。其內(nèi)外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分別如圖5 和圖6所示。

圖5 內(nèi)外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境

圖6 CGTR 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.4 實(shí)際信號(hào)測(cè)試

此類(lèi)測(cè)試形態(tài)即在實(shí)際信號(hào)環(huán)境下采用跑車(chē)進(jìn)行測(cè)試，沒(méi)有模型的近似，完全符合真實(shí)情況，測(cè)試的結(jié)果就是導(dǎo)航終端的實(shí)際性能。實(shí)際信號(hào)測(cè)試結(jié)果與測(cè)試場(chǎng)景的星座狀態(tài)、終端周邊環(huán)境以及當(dāng)時(shí)的大氣信號(hào)傳播環(huán)境密切相關(guān)，測(cè)試不可重復(fù)，測(cè)試成本較高。

航天五院514 所建立了一套完整的實(shí)際信號(hào)跑車(chē)測(cè)試平臺(tái)，平臺(tái)由測(cè)試車(chē)輛、高精度光纖深耦合組合導(dǎo)航系統(tǒng)、固定工裝、計(jì)算機(jī)、UPS 電源等組成。其測(cè)試系統(tǒng)原理及平臺(tái)組成示意圖如圖7、圖8所示。

圖7 實(shí)際信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)原理圖

圖8 實(shí)際信號(hào)測(cè)試平臺(tái)

實(shí)際測(cè)試中，將組合慣導(dǎo)系統(tǒng)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站進(jìn)行安裝、連接及調(diào)試，被測(cè)終端放置在測(cè)試工位，對(duì)組合慣導(dǎo)系統(tǒng)及被測(cè)設(shè)備加電，測(cè)試系統(tǒng)發(fā)送測(cè)試指令，實(shí)時(shí)記錄組合慣導(dǎo)系統(tǒng)和被測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，事后進(jìn)行評(píng)估。

實(shí)際信號(hào)跑車(chē)測(cè)試完全符合真實(shí)情況，但測(cè)試成本較高、重復(fù)性差，常用于普通民用終端的測(cè)試。

2 總結(jié)

綜上，導(dǎo)航終端的測(cè)試方法可以分為兩大類(lèi):基于模擬器的模擬導(dǎo)航信號(hào)測(cè)試和真實(shí)信號(hào)測(cè)試。

基于模擬導(dǎo)航信號(hào)的終端性能測(cè)試方法是利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器仿真的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)設(shè)置不同的測(cè)試參數(shù)和場(chǎng)景，為導(dǎo)航終端的研制和測(cè)試提供一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠和易用的測(cè)試環(huán)境，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試場(chǎng)景完全受控，測(cè)試可重復(fù)進(jìn)行，各類(lèi)誤差影響、信號(hào)電平等因素能夠精確量化，但是用模擬信號(hào)測(cè)試方法來(lái)評(píng)估終端在實(shí)際信號(hào)接收環(huán)境下的性能時(shí)有明顯的局限性，真實(shí)信號(hào)有各種各樣的隨機(jī)因素，而模擬的信號(hào)由于其仿真模型的局限性，不能完全模擬真實(shí)信號(hào)的隨機(jī)因素，所以在模擬信號(hào)測(cè)試方法中的測(cè)試結(jié)果會(huì)與實(shí)際信號(hào)接收環(huán)境下的性能差異較大［12］。

真實(shí)信號(hào)的測(cè)試方法是利用待測(cè)試終端接收實(shí)際的衛(wèi)星信號(hào)，然后評(píng)估其性能，真實(shí)信號(hào)測(cè)試沒(méi)有模型的近似，測(cè)試的結(jié)果就是接收終端的實(shí)際性能。真實(shí)信號(hào)結(jié)果與測(cè)試場(chǎng)景的星座狀態(tài)、電離層、多路徑、接收機(jī)周邊環(huán)境以及當(dāng)時(shí)的大氣信號(hào)傳播環(huán)境密切相關(guān)，所以測(cè)試可重復(fù)性較差，測(cè)試成本較高。

為此，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，使導(dǎo)航終端測(cè)試更接近真實(shí)場(chǎng)景而又減少測(cè)試成本，需大力開(kāi)展導(dǎo)航信號(hào)高精度采集技術(shù)的研究，通過(guò)采集存儲(chǔ)實(shí)際衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行回放，能夠有效完成衛(wèi)星導(dǎo)航終端的實(shí)際使用性能測(cè)試，不僅能夠避免實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試時(shí)衛(wèi)星信號(hào)的不確定性，而且可以減少外場(chǎng)測(cè)試的時(shí)間和費(fèi)用。

3 展望

北斗導(dǎo)航測(cè)試數(shù)據(jù)規(guī)范化是北斗技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和國(guó)際化推廣的核心。隨著北斗衛(wèi)星部署逐步完成，北斗信號(hào)空間段測(cè)試已經(jīng)建立完整的指標(biāo)體系和測(cè)試方法，而在地面應(yīng)用段面向應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試?yán)碚擉w系和方法尚不完善。由于導(dǎo)航終端的實(shí)際性能與應(yīng)用場(chǎng)景環(huán)境密切相關(guān)，而目前國(guó)內(nèi)測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行的真實(shí)信號(hào)路測(cè)存在著樣本少、覆蓋不全等問(wèn)題，尚缺乏覆蓋廣泛的導(dǎo)航信號(hào)測(cè)試數(shù)據(jù)，同時(shí)缺少數(shù)據(jù)共享的標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)制，而支持復(fù)雜場(chǎng)景的公共測(cè)試數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)是測(cè)試領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)。

基于典型場(chǎng)景數(shù)據(jù)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)公共測(cè)試數(shù)據(jù)集及共享平臺(tái)是當(dāng)前測(cè)試領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)向全球所有開(kāi)發(fā)者開(kāi)放統(tǒng)一典型場(chǎng)景標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)集，為不同行業(yè)的導(dǎo)航終端提供完備、高效的測(cè)試條件，并通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集回放測(cè)試規(guī)范，有效地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航測(cè)試數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期積累，擴(kuò)充完善測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，為北斗產(chǎn)品設(shè)計(jì)正確性、測(cè)試完備性、公正性以及測(cè)試結(jié)果一致性提供保障，為北斗導(dǎo)航技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、市場(chǎng)普及和全球化推廣提供技術(shù)支持，這也是開(kāi)展后續(xù)技術(shù)攻關(guān)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

［1］劉婧.GNSS 接收機(jī)測(cè)試與評(píng)估方法研究［D］.遼寧:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013.

［2］楊博，郭淑霞，劉寧.基于大型微波暗室的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)試［C］//第一屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)電子文集.北京:中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)組委會(huì)，2010.

［3］Brian Weinstein，Dennis Akos，Eric Vinande，Tianxing Chu.GNSS Receiver Evaluation Record and Playback Test Methods［J］.GPS World，2009，17:23-26.

［4］Dr.Michael D，F(xiàn)oegelle ETS-Lindgren.White Paper:A-GPS Over The Air Test Method:Business and Technology Implications［R］.State of California:Spirent Communications，2009.

［5］賈超廣.基于衛(wèi)星信號(hào)模擬器的北斗接收機(jī)測(cè)試方法［C］//第四屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)電子文集.武漢:中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)組委會(huì)，2013.

［6］賈超廣，肖海霞.基于衛(wèi)星信號(hào)模擬器的北斗接收機(jī)性能測(cè)試與分析［J］.導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2013，1(4):14-16.

［7］馮富元.GPS 信號(hào)模擬源及測(cè)試技術(shù)研究和實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2009.

［8］蔚保國(guó)，甘興利，李雋.國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)場(chǎng)發(fā)展綜述［C］//第一屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)電子文集.北京:中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)組委會(huì)，2010.

［9］Brian Capt，Bracy L，Wayne Mims.Inverted GPS Range for Modernized GPS Field Testing［C］//ION 58th Annual Meeting.Albuquerque，New Mexico:ION，2002.

［10］Günter Heinrichs，Erwin L?hnert，Elmar Wittmann，et al.Opening the GARE Germany's Galileo test and development environment［J］.Inside GNSS，2007(MAY/JUNE):16-18.

［11］蔚保國(guó)，葉紅軍，李雋，等.中國(guó)伽利略測(cè)試場(chǎng)總體及其關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展［J］.數(shù)字通信世界，2012(8):43-46.

［12］張欽娟.北斗二號(hào)民用設(shè)備測(cè)試方法研究［J］.現(xiàn)代電信科技，2012，15(3):78-80.