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

賈超廣，肖海霞

（1.解放軍信息工程大學(xué)，鄭州 450052；2.河南工程學(xué)院，鄭州 450052）

1 引言

全球定位系統(tǒng) （global positioning system，GPS）的廣泛應(yīng)用，讓全世界人看到了衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的重要軍事、政治和經(jīng)濟(jì)意義。作為世界上少有的幾個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國(guó)家，我國(guó)已建成區(qū)域北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （以下簡(jiǎn)稱“北斗系統(tǒng)”），其服務(wù)范圍也將由區(qū)域再到全球。隨著北斗系統(tǒng)的逐步完善，隨之而來(lái)的將是衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，而應(yīng)用的物質(zhì)基礎(chǔ)是各種類型的北斗接收機(jī)，因而北斗接收機(jī)的性能及可靠性成了用戶關(guān)注的焦點(diǎn)［1-2］。

如何驗(yàn)證導(dǎo)航芯片和接收機(jī)的性能成為所有衛(wèi)星導(dǎo)航從業(yè)者的亟待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的測(cè)試方法是使用天線來(lái)接收實(shí)際的衛(wèi)星信號(hào)，但這種測(cè)試方法由于受到復(fù)雜的天氣變化、電離層延遲、多徑衰減等因素的影響，使得測(cè)量可重復(fù)性非常差，且測(cè)試準(zhǔn)確度難以保證，于是幾乎每一家接收機(jī)制造商、原始設(shè)備制造商集成商和合同制造商都在為開(kāi)發(fā)能夠測(cè)試接收機(jī)性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)而努力［3-4］。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器具備完備的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)仿真能力和豐富的操控能力，可利用這種信號(hào)模擬源仿真生成的實(shí)時(shí)北斗信號(hào)為北斗接收機(jī)測(cè)試建立一個(gè)良好的能夠重復(fù)執(zhí)行精確測(cè)試的可控環(huán)境，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家科研單位自主研發(fā)出衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器，并成為各大導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試研發(fā)機(jī)構(gòu)不可或缺的儀器之一。利用其進(jìn)行接收機(jī)性能測(cè)試，具備可控性、可重復(fù)性、廣泛性、信號(hào)可用性、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)［5-8］。

2 測(cè)試平臺(tái)搭建

2.1 測(cè)試原理

基于導(dǎo)航信號(hào)模擬源的接收機(jī)測(cè)試是利用模擬源產(chǎn)生的實(shí)時(shí)、可控衛(wèi)星導(dǎo)航模擬信號(hào)輸入給測(cè)試接收機(jī)，并通過(guò)控制主機(jī)數(shù)仿軟件根據(jù)導(dǎo)航星座數(shù)學(xué)模型計(jì)算生成對(duì)應(yīng)于用戶設(shè)定載體軌跡的導(dǎo)航電文和觀測(cè)數(shù)據(jù) （偽距、多普勒等）文件，再利用評(píng)估軟件分析處理并比較由被測(cè)接收機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)格式的定位解算信息和衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器輸出的仿真場(chǎng)景理論數(shù)據(jù)，得出接收機(jī)的性能參數(shù)［9-10］。

2.2 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

接收機(jī)測(cè)試平臺(tái)利用數(shù)仿軟件配置用戶需要的仿真數(shù)據(jù) （如軌跡用戶和誤差模型），利用上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)軟件啟動(dòng)模擬器仿真產(chǎn)生用戶需要的衛(wèi)星信號(hào)和對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器輸出進(jìn)行信號(hào)中斷、信號(hào)恢復(fù)、開(kāi)關(guān)每一個(gè)可見(jiàn)星信號(hào)、調(diào)制方式選擇和功率控制等，從而提供接收機(jī)測(cè)試的環(huán)境；接收機(jī)通過(guò)接收模擬器產(chǎn)生的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，最后利用評(píng)估軟件和接收機(jī)綜合監(jiān)控軟件可以測(cè)試出接收機(jī)的定位、測(cè)速、定時(shí)、靈敏度和首次定位時(shí)間等指標(biāo)，測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

3 測(cè)試方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選用某公司生產(chǎn)的北斗手持型接收機(jī)為測(cè)試對(duì)象，分別做了捕獲靈敏度測(cè)試、定位精度測(cè)試、測(cè)速精度測(cè)試、冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間測(cè)試和重新捕獲時(shí)間測(cè)試，以下是部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。

3.1 捕獲靈敏度測(cè)試

實(shí)驗(yàn)選用靜態(tài)場(chǎng)景，通過(guò)改變發(fā)射功率測(cè)出接收機(jī)的捕獲靈敏度，然后改變測(cè)試環(huán)境 （通過(guò)改變測(cè)試時(shí)間或測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)），在不同的衛(wèi)星幾何精度條件下重復(fù)測(cè)試多組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和圖2所示。

表1 捕獲靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 捕獲靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3.2 冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間測(cè)試

實(shí)驗(yàn)選用靜態(tài)場(chǎng)景，通過(guò)綜合性接收機(jī)監(jiān)控軟件測(cè)出接收機(jī)的冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間，然后改變測(cè)試環(huán)境 （改變測(cè)試時(shí)間或測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)），在不同的衛(wèi)星幾何精度條件下重復(fù)測(cè)試多組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和圖3所示。

表2 冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3.3 失鎖后重新捕獲時(shí)間測(cè)試

采用動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，利用上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)軟件控制信號(hào)模擬源短暫中斷信號(hào)，通過(guò)綜合型接收機(jī)監(jiān)控軟件可以監(jiān)控到接收機(jī)在信號(hào)失鎖后重新捕獲所用的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 重新捕獲時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖4 重新捕獲時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3.4 定位精度測(cè)試

利用評(píng)估軟件進(jìn)行定位精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)試接收機(jī)在坐標(biāo)為 （40°，116°，400m）處的靜態(tài)定位精度，測(cè)試結(jié)果如表4和圖5所示，可以看出接收機(jī)的定位精度達(dá)到米級(jí)。

表4 定位精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖5 定位精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3.5 測(cè)速精度測(cè)試

利用評(píng)估軟件可以直接評(píng)估某一次動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)的測(cè)速精度，先設(shè)置導(dǎo)彈飛行運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景，通過(guò)評(píng)估軟件評(píng)估接收機(jī)在導(dǎo)彈起始飛行階段的測(cè)試精度結(jié)果如圖6所示，接收機(jī)的定位精度在0.1m/s級(jí)，隨著導(dǎo)彈速度的增加，接收機(jī)的測(cè)速精度誤差緩慢增大。

圖6 測(cè)速精度實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

4 結(jié)論

基于導(dǎo)航信號(hào)模擬源的北斗用戶機(jī)測(cè)試方法能夠?qū)崿F(xiàn)接收機(jī)的可靠性和性能測(cè)試，測(cè)試環(huán)境穩(wěn)定，測(cè)試精度高，為接收機(jī)的測(cè)試校準(zhǔn)提供了新的測(cè)試手段。文中介紹了基于模擬源的接收機(jī)測(cè)試原理，搭建了接收機(jī)測(cè)試平臺(tái)，提出了基于導(dǎo)航信號(hào)模擬源的基本性能的測(cè)試方法，這些測(cè)試方法能夠很好的為接收機(jī)生產(chǎn)廠家和計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)提供參考標(biāo)準(zhǔn)。

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