國(guó)際 王田 劉成 蘇牡丹 薛仁魁

摘要：當(dāng)前，GNSS系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用快速發(fā)展，在研發(fā)生產(chǎn)過程中會(huì)帶來大量測(cè)試工作。然而，測(cè)試設(shè)計(jì)中很少具備通用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和流程。本文就這一問題，介紹了基礎(chǔ)性的通用測(cè)試原則，例如精度、靈敏度、首次定位時(shí)間、健壯性等關(guān)鍵指標(biāo)，這些指標(biāo)對(duì)GNSS產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和用戶體驗(yàn)有著重要影響;討論了信號(hào)源的選取方法及特點(diǎn);分析了模擬信號(hào)及真實(shí)信號(hào)兩類測(cè)試方法。

關(guān)鍵詞：GNSS測(cè)試;關(guān)鍵指標(biāo);信號(hào)源

中圖分類號(hào)：P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）07-0166-03

1 綜述

GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）工程師在研發(fā)生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)遇到缺少通用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及流程的情況。比如，GNSS系統(tǒng)中不同階段對(duì)應(yīng)的測(cè)試，安排多少比重的測(cè)試工作是合理的？關(guān)鍵的性能指標(biāo)如何測(cè)試？什么樣的設(shè)備裝置最適用于測(cè)試？通過或者失敗的判斷準(zhǔn)則又是怎樣規(guī)定的？因此，很有必要在測(cè)試工作中總結(jié)出一些共性、基礎(chǔ)性的測(cè)試特點(diǎn)或原則。通常的講，GNSS測(cè)試中一般含有五項(xiàng)基礎(chǔ)測(cè)試[1]：

一是冷、溫、熱啟動(dòng)的首次定位時(shí)間（TTFF）測(cè)試。指在開始階段測(cè)試接收機(jī)能多快追蹤到衛(wèi)星以及輸出有用信息。通常記錄的是接收機(jī)耗費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間完成對(duì)衛(wèi)星校正適應(yīng)，并能嚴(yán)格地報(bào)告出可接受的位置、時(shí)間等計(jì)算結(jié)果。使用接收機(jī)時(shí)，接收機(jī)內(nèi)的芯片組一般具備了關(guān)于位置和時(shí)間的預(yù)存數(shù)據(jù)。因?yàn)轭A(yù)先存儲(chǔ)的年歷、星歷和相關(guān)位置數(shù)據(jù)等因素都會(huì)影響到TTFF結(jié)果。所以這類測(cè)試應(yīng)考慮冷、溫、熱啟動(dòng)等三種狀態(tài)，如表1所示。

工程師會(huì)利用仿真設(shè)備來創(chuàng)建測(cè)試場(chǎng)景，用于快速仿真冷啟動(dòng)環(huán)境。通常做法是在地球相反的另一端虛擬放置另外一臺(tái)接收機(jī)，天線位于兩臺(tái)接收機(jī)之間，這樣在進(jìn)行冷啟動(dòng)測(cè)試中，接收機(jī)已存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不需要每次手動(dòng)刪除。

二是關(guān)于獲取和追蹤性能的接收機(jī)靈敏度測(cè)試。一般會(huì)測(cè)試接收機(jī)達(dá)到穩(wěn)定定位性能時(shí)所需要的GNSS信號(hào)強(qiáng)度，和當(dāng)遇到障礙物時(shí)，接收機(jī)的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)保持到什么程度才能正常工作。搭建測(cè)試場(chǎng)景的通常做法是先大幅降低用于獲取星座信息的正常信號(hào)強(qiáng)度，不斷降低直至需要再次增加信號(hào)強(qiáng)度時(shí)才能獲取到精確的位置信息，這時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度即是所求的測(cè)量結(jié)果。跟蹤靈敏度測(cè)試對(duì)于GNSS設(shè)備來說是至關(guān)重要，這需要設(shè)備在信號(hào)強(qiáng)度變化時(shí)持續(xù)提供可信的結(jié)果。測(cè)試設(shè)備是可移動(dòng)的;設(shè)置信號(hào)強(qiáng)度開始時(shí)略高于獲取門限值，然后逐步減弱，直到接收機(jī)不再能跟蹤到碼字和載波相位，也提供不了精確可信的定位信息。

三是時(shí)間和位置精度測(cè)試。在信號(hào)可控的測(cè)試條件下，應(yīng)把從接收機(jī)觀測(cè)到的輸出結(jié)果與已知的真實(shí)數(shù)據(jù)相比較，并且用圖表示出來。由于GNSS定位估算是天然隨機(jī)的，測(cè)試必須重復(fù)多次，然后得出概率結(jié)果，畫出半徑。某些測(cè)試中需要得出三維結(jié)果，這就要測(cè)量出球形半徑;還有些情況下，考慮到移動(dòng)特性，在接收機(jī)靜態(tài)和移動(dòng)狀態(tài)下均需輸出性能結(jié)果。

四是丟失衛(wèi)星信號(hào)時(shí)重新獲取時(shí)間測(cè)試。重新獲取所需時(shí)間會(huì)對(duì)用戶滿意度產(chǎn)生重要影響。在一些特殊場(chǎng)景下，例如駕駛汽車通過隧道，工程師需要搭建測(cè)試，測(cè)出部署在車輛內(nèi)部的導(dǎo)航系統(tǒng)每次需要幾分鐘來重新計(jì)算定位信息。在實(shí)驗(yàn)室條件下，測(cè)試可以利用仿真器開關(guān)命令來模擬信號(hào)暫時(shí)丟失的場(chǎng)景，之后可以觀測(cè)接收機(jī)輸出結(jié)果，記錄時(shí)間間隔，即信號(hào)重新出現(xiàn)和接收機(jī)重新獲取位置信息之間所需的時(shí)間長(zhǎng)度。考慮到星座幾何分布會(huì)很大程度上影響重新獲取時(shí)間的性能表現(xiàn)，因此，必須星座幾何分布參數(shù)在每次測(cè)試都是一樣的。

五是健壯性測(cè)試。隨著用戶越來越依賴精確定位、導(dǎo)航和授時(shí)功能，也會(huì)不斷面對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的威脅，例如擁堵、欺騙、太陽風(fēng)暴、數(shù)據(jù)部分錯(cuò)誤等，衡量接收機(jī)適應(yīng)性的測(cè)試也成為了GNSS基礎(chǔ)性能測(cè)試之一。適應(yīng)性測(cè)試的第一步是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在每天操作中，確定系統(tǒng)或設(shè)備受到風(fēng)險(xiǎn)因子影響時(shí)發(fā)生故障的概率;以及一旦發(fā)生故障，導(dǎo)致故障的威脅或脆弱性具備什么特點(diǎn)。工程師應(yīng)估計(jì)信號(hào)中斷的影響程度，無論是因?yàn)槭鹿市怨收显斐傻?，或是蓄意制造擁堵和欺騙導(dǎo)致的。這類測(cè)試可以衡量出當(dāng)阻礙變得嚴(yán)重時(shí)，在哪個(gè)階段接收機(jī)會(huì)發(fā)出用戶警告。如今，我們可以仿真各種GNSS故障場(chǎng)景，例如采用從故障中抓取的真實(shí)干擾波形，或是仿真各種類型的欺騙攻擊，并同時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)。這種系統(tǒng)脆弱性監(jiān)測(cè)可以使測(cè)試工程師充分了解情況、做出決策，并且采用適當(dāng)、有效的技術(shù)減輕損害。

2 信號(hào)源的選取

測(cè)試方案很大程度上依賴于測(cè)試用信號(hào)源，而來自衛(wèi)星的真正活動(dòng)信號(hào)很少能正好適合于測(cè)試。衛(wèi)星持續(xù)地改變幾何分布，以及不可預(yù)知的大氣環(huán)境因素，都會(huì)導(dǎo)致測(cè)試失?。豪硐霔l件下的仿真信號(hào)很少具備真實(shí)信號(hào)的特點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果很難解釋。

找到一種可信的、可控的、可重復(fù)的信號(hào)源至關(guān)重要。一般情況下，采用仿真設(shè)備或是記錄—回放系統(tǒng)。仿真設(shè)備會(huì)模擬一個(gè)或多個(gè)GNSS衛(wèi)星分布，將可重復(fù)的RF信號(hào)提供給接收機(jī)。它們可以幫助用戶建立測(cè)試用例，并且能很好地控制測(cè)試條件。記錄—回放系統(tǒng)將真實(shí)世界的RF條件作為采樣，然后以數(shù)字的形式保存下來，并且可以再生成RF信號(hào)。記錄—回放系統(tǒng)在抓取真實(shí)世界信號(hào)的豐富特點(diǎn)上有優(yōu)勢(shì);仿真設(shè)備在控制參數(shù)和機(jī)動(dòng)性上有優(yōu)勢(shì)。大型測(cè)試方法通常會(huì)同時(shí)包含這兩項(xiàng)技術(shù)。表2總結(jié)了采用仿真設(shè)備、記錄—回放系統(tǒng)、真實(shí)活動(dòng)信號(hào)的測(cè)試不同之處。

理想條件下，GNSS測(cè)試中采用的信號(hào)源應(yīng)能精準(zhǔn)地、很好地控制信號(hào)參數(shù)。例如，精準(zhǔn)降低信號(hào)強(qiáng)度直至接收機(jī)的跟蹤門限值。同時(shí)信號(hào)源也應(yīng)在創(chuàng)建場(chǎng)景時(shí)具備機(jī)動(dòng)性，這種場(chǎng)景應(yīng)與真實(shí)用例極盡相似，并且可測(cè)試出接收機(jī)逼近極限的性能。信號(hào)源創(chuàng)建出的信號(hào)環(huán)境應(yīng)是完整的，在現(xiàn)實(shí)中可信的;提供給設(shè)備的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)僅在復(fù)雜性和細(xì)節(jié)上有細(xì)微差別。測(cè)試必須是可重復(fù)的，整個(gè)測(cè)試裝置應(yīng)很快能投入使用，可以很迅速的重復(fù)操作，并能充分滿足比較功能和完成平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出。

3 測(cè)試方法

3.1 模擬信號(hào)測(cè)試方法

在信號(hào)源選取的基礎(chǔ)上，可對(duì)基礎(chǔ)項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化定量測(cè)試，對(duì)被測(cè)終端關(guān)鍵性能進(jìn)行量化考核，不僅有助于提升研發(fā)企業(yè)對(duì)自身產(chǎn)品性能的全方位了解，還有助于質(zhì)檢機(jī)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量保駕護(hù)航。

利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源搭建測(cè)試平臺(tái)，是目前最常用的測(cè)試形態(tài)。其原理是利用衛(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)[2]，測(cè)試原理如圖1所示。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源是該測(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[3]。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)。

模擬信號(hào)測(cè)試平臺(tái)（見圖2）由GNSS衛(wèi)星信號(hào)模擬源、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。在測(cè)試方法上，該平臺(tái)優(yōu)化了測(cè)試流程，通過自動(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)，利用專門的評(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。

模擬信號(hào)還有一種測(cè)試形態(tài)為無線暗室，優(yōu)點(diǎn)在于重復(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)包括天線和射頻前端在內(nèi)的整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試[4]。

3.2 實(shí)際信號(hào)測(cè)試方法

此類測(cè)試形態(tài)即在實(shí)際信號(hào)環(huán)境下采用跑車進(jìn)行測(cè)試，沒有模型的近似，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，原理框圖如圖3所示。但實(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。由此帶來了目前行業(yè)內(nèi)力推的記錄—回放測(cè)試，其測(cè)試原理與測(cè)試平臺(tái)同真實(shí)信號(hào)類似。

實(shí)際測(cè)試中，將組合慣導(dǎo)系統(tǒng)和基準(zhǔn)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。

記錄-回放測(cè)試類似[5]，首先在真實(shí)信號(hào)情況下選取典型場(chǎng)景，進(jìn)行真實(shí)信號(hào)記錄，獲取導(dǎo)航真實(shí)信號(hào)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，隨后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多次回放，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，在一定程度上解決了衛(wèi)星導(dǎo)航終端室內(nèi)仿真環(huán)境與真實(shí)壞境的測(cè)試不一致性問題[6]。

3.3 測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)

測(cè)試的最后一步是確認(rèn)采用的測(cè)試設(shè)備本身的精度。測(cè)試設(shè)備性能的變化有可能在測(cè)試結(jié)果中引入系統(tǒng)錯(cuò)誤，因此，常規(guī)的設(shè)備再校準(zhǔn)和認(rèn)證是很重要的測(cè)試保障。

4 結(jié)語

隨著北斗三號(hào)系統(tǒng)部署的全面加速推進(jìn)，衛(wèi)星應(yīng)用將滲入各行各業(yè)，對(duì)衛(wèi)星終端提出了多樣化的需求，因而對(duì)終端性能的考核越發(fā)引起行業(yè)的關(guān)注。本文介紹了基礎(chǔ)的測(cè)試項(xiàng)目及對(duì)應(yīng)測(cè)試方法測(cè)試平臺(tái)，從測(cè)試全流程角度對(duì)終端性能測(cè)試評(píng)估方案做了詳細(xì)論述，將為北斗產(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)品的開發(fā)、市場(chǎng)普及和全球化推廣提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

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