基于北斗和網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位的測(cè)試研究

華忠思 博倫通信科技（北京）有限公司市場(chǎng)開發(fā)經(jīng)理

黃歆宇 思博倫通信科技（北京）有限公司產(chǎn)品專家

基于北斗和網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位的測(cè)試研究

華忠思 博倫通信科技（北京）有限公司市場(chǎng)開發(fā)經(jīng)理

黃歆宇 思博倫通信科技（北京）有限公司產(chǎn)品專家

中國(guó)的北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)目前已經(jīng)完成在亞太區(qū)域提供區(qū)域?qū)Ш胶褪跁r(shí)服務(wù)，預(yù)計(jì)到2020年完成覆蓋全球的目標(biāo)，后續(xù)的發(fā)展會(huì)越來越快。本文主要介紹的是基于北斗定位以及基于網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位的接收機(jī)，如何通過測(cè)試的方法保證其一致性和性能。本文主要就北斗的傳導(dǎo)一致性測(cè)試、空口OTA測(cè)試的要求通過對(duì)國(guó)際規(guī)范做相應(yīng)的研究介紹，提出了一些對(duì)生產(chǎn)線、質(zhì)量控制、研發(fā)、運(yùn)營(yíng)商入網(wǎng)測(cè)試可行的北斗測(cè)試方法，并且簡(jiǎn)單地介紹了其相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備和方案，以用于測(cè)試北斗和網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位技術(shù)，從而保證其性能并持續(xù)提高其用戶體驗(yàn)。

北斗定位 網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位 全球定位導(dǎo)航系統(tǒng) 一致性測(cè)試 OTA測(cè)試

1 引言

基于GPS/GNSS（Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)于普通消費(fèi)者而言它們通常是以所謂個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備、手機(jī)、平板等獨(dú)立的或包含GPS/GNSS子系統(tǒng)的消費(fèi)電子產(chǎn)品而大量出現(xiàn)。但隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用的創(chuàng)新，一些高端的或具有特殊應(yīng)用的系統(tǒng)已經(jīng)將GPS/GNSS系統(tǒng)與其他INS系統(tǒng)（慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）、Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、局域增強(qiáng)系統(tǒng)（LBAS）等結(jié)合使用以提供更精確或有效的位置信息；或者在一些創(chuàng)新應(yīng)用中結(jié)合無線通訊網(wǎng)絡(luò)將位置信息實(shí)時(shí)回傳到服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中樞，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的基于位置的服務(wù)應(yīng)用（LBS），從而達(dá)到室內(nèi)室外隨時(shí)隨地的定位能力。

目前，美國(guó)的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)已經(jīng)可提供完整的服務(wù)，中國(guó)的BeiDou系統(tǒng)也在2012年12月宣布提供區(qū)域?qū)Ш椒?wù)。相信在不久的將來，隨著BeiDou、Galileo等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）完成全球覆蓋，基于衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用必將獲得廣泛和長(zhǎng)足的發(fā)展。根據(jù)業(yè)界對(duì)市場(chǎng)的研判，未來3～5年，GPS/GNSS的發(fā)展大致會(huì)有下面幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品，包括智能手機(jī)、平板電腦、照相機(jī)、游戲機(jī)、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、無人機(jī)等。

（2）多制式（Multi-GNSS）：即系統(tǒng)同時(shí)支持GPS+ GLONASS/+Galileo/+BeiDou等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

（3）在多制式基礎(chǔ)上的多頻點(diǎn)擴(kuò)展，如GPS L1+ L2、BD B1+B2等，以獲得更高精度。

（4）要求導(dǎo)航及定位接收機(jī)具有一定的抗干擾能力（同頻干擾或不同頻的強(qiáng)信號(hào)干擾）。

（5）集成化車載/移動(dòng)終端：該終端將支持從音視頻、導(dǎo)航、LTE、Wi-Fi、藍(lán)牙等流行技術(shù)于一個(gè)綜合的平臺(tái)，并和通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合支持網(wǎng)絡(luò)輔助的北斗導(dǎo)航定位。

（6）動(dòng)態(tài)交通流量數(shù)據(jù)所支持的智能導(dǎo)航將穩(wěn)步發(fā)展。

（7）其他更多基于位置服務(wù)的應(yīng)用及創(chuàng)新將不斷出現(xiàn)。

2 規(guī)劃對(duì)北斗或網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位的測(cè)試所需關(guān)注的方面

因此，回溯到產(chǎn)品（芯片、模組、終端）及其測(cè)試解決方案，通過由簡(jiǎn)入繁、循序漸進(jìn)的方式，規(guī)劃對(duì)北斗或網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位的測(cè)試非常有必要，能夠最終保證北斗定位市場(chǎng)的良性發(fā)展和良好的用戶體驗(yàn)。從用戶體驗(yàn)來說，定位主要關(guān)注以下幾個(gè)方面：

●Availability：是否隨時(shí)隨地都能獲得定位服務(wù)。

●Accuracy：定位的結(jié)果是否足夠精確。

●TTFF：定位時(shí)間快不快。

●Continuity：定位服務(wù)中斷的時(shí)間概率，是否表明有良好的連續(xù)性。

●Integrity：定位服務(wù)是否有足夠的可靠性。

3 北斗和網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位的測(cè)試方法及測(cè)試所需考慮的問題

針對(duì)北斗的測(cè)試方案和測(cè)試方法學(xué)主要依據(jù)以上用戶體驗(yàn)來進(jìn)行并保證其測(cè)試效果。下面圍繞北斗和網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位的測(cè)試方法和測(cè)試需要考慮的問題來做一個(gè)詳細(xì)的探討。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試來說，需要考慮如何在一個(gè)衛(wèi)星仿真設(shè)備里構(gòu)建衛(wèi)星信號(hào)從太空傳遞到地面整個(gè)過程的場(chǎng)景（如圖1），具體包括：

（1）需要能仿真某一天某一位置的指定場(chǎng)景，當(dāng)天每顆衛(wèi)星所在的軌道位置以及到達(dá)接收機(jī)的不同接收功率。

（2）衛(wèi)星信號(hào)穿過大氣層（對(duì)流層、電離層）產(chǎn)生的折射現(xiàn)象：不同密度的大氣會(huì)產(chǎn)生折射，衛(wèi)星經(jīng)過大氣層距離和角度的不同會(huì)影響折射的大小，從而影響最終定位精度。

（3）阻擋現(xiàn)象：樹林或者市區(qū)的阻擋，對(duì)于接收機(jī)來說，是看到了90%的天空還是只有30%的部分天空可見。

（4）衛(wèi)星的多徑現(xiàn)象：由于云層或者水面反射，部分衛(wèi)星信號(hào)存在多徑分量以不同時(shí)間和強(qiáng)度到達(dá)接收機(jī)。

（5）衛(wèi)星接收機(jī)的天線方向圖：天線對(duì)于不同入射信號(hào)的接收能力有差異，主要表現(xiàn)在接收機(jī)天線不同方向的增益不同。

（6）多普勒現(xiàn)象：由于定位衛(wèi)星不完全是地球同步衛(wèi)星，其相對(duì)地面的接收機(jī)之間會(huì)有一個(gè)運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)相向運(yùn)動(dòng)或者遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)會(huì)有不同的多普勒頻偏效果。

對(duì)于復(fù)雜的研發(fā)測(cè)試來說，如果能構(gòu)建有以上元素的場(chǎng)景，則實(shí)驗(yàn)室測(cè)試能夠評(píng)估衛(wèi)星接收機(jī)的真實(shí)能力。

圖1 衛(wèi)星從太空傳遞到地面的過程

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)輔助的衛(wèi)星定位來說，其與純衛(wèi)星定位的差別在于純衛(wèi)星接收機(jī)鎖定衛(wèi)星之后，會(huì)從衛(wèi)星以50bit/s的速度直接下載定位需要的導(dǎo)航電文和輔助信息（如星歷、歷書、衛(wèi)星時(shí)間等），而網(wǎng)絡(luò)輔助的衛(wèi)星接收機(jī)可以從網(wǎng)絡(luò)側(cè)請(qǐng)求最新的定位輔助信息，根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)的不同協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)可以通過控制面（CP）或用戶面（UP）兩種方式把最新的定位輔助信息傳送給接收機(jī)。網(wǎng)絡(luò)輔助衛(wèi)星定位相比純衛(wèi)星定位來說，可以更快的速度下載到天上的最新導(dǎo)航電文，從而大大加快冷啟動(dòng)情況下的定位時(shí)間。對(duì)于測(cè)試來說，網(wǎng)絡(luò)輔助的衛(wèi)星定位相比純衛(wèi)星定位需要額外的網(wǎng)絡(luò)仿真器設(shè)備來配合衛(wèi)星仿真器傳送同步的導(dǎo)航電文及定位輔助信息，其主要測(cè)試挑戰(zhàn)是網(wǎng)絡(luò)輸出的衛(wèi)星導(dǎo)航電文和輔助信息需要和衛(wèi)星仿真器輸出的射頻衛(wèi)星信號(hào)完全同步，并且能對(duì)終端時(shí)間和衛(wèi)星時(shí)間的時(shí)間誤差進(jìn)行可靠的控制。通常，網(wǎng)絡(luò)輔助定位測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 網(wǎng)絡(luò)輔助定位測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化情況

在國(guó)際上對(duì)于網(wǎng)絡(luò)輔助的定位測(cè)試有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組織在定義完整的測(cè)試規(guī)范，如3GPP、3GPP2、OMA、CTIA等。其中，3GPP定義了GSM/WCDMA/LTE控制面的網(wǎng)絡(luò)輔助定位射頻一致性和協(xié)議一致性規(guī)范；3GPP2定義了CDMA/EVDO控制面的網(wǎng)絡(luò)輔助定位射頻一致性和協(xié)議一致性規(guī)范；OMA定義了CDMA/GSM/WCDMA/LTE用戶面的網(wǎng)絡(luò)輔助定位協(xié)議一致性規(guī)范；而CTIA主要定義了各種網(wǎng)絡(luò)（CDMA/GSM/WCDMA/LTE）制式下網(wǎng)絡(luò)輔助定位的OTA天線方向圖測(cè)試。

針對(duì)如表1所示各種制式的組合，由于歷史原因?qū)е虏煌木W(wǎng)絡(luò)輔助定位使用了不同的A-GNSS協(xié)議，詳細(xì)的規(guī)范如表2所示。

5 北斗和網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位的測(cè)試評(píng)估

不管對(duì)于北斗測(cè)試也好，還是對(duì)于網(wǎng)絡(luò)輔助的北斗測(cè)試也好，最終衡量定位結(jié)果的KPI主要是靈敏度（Sensitivity）、定位時(shí)間（TTFF）和定位精度（Accuracy），這3個(gè)重要的指標(biāo)在不同的預(yù)定義場(chǎng)景（如圖1所示）被重復(fù)測(cè)試從而對(duì)北斗接收機(jī)進(jìn)行一致性和性能的正確評(píng)判。另外一種更真實(shí)地評(píng)價(jià)北斗接收機(jī)在現(xiàn)網(wǎng)中的表現(xiàn)的方法是使用錄取回放儀表對(duì)外場(chǎng)的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行抓取，其中包含頻段內(nèi)的衛(wèi)星信號(hào)，也包含頻段內(nèi)的噪聲信號(hào)及其他技術(shù)對(duì)衛(wèi)星頻段的諧波或雜散信號(hào)等，然后回到實(shí)驗(yàn)室讓儀表對(duì)錄取的信號(hào)一五一十地回放出來。對(duì)于衛(wèi)星這種單向接收的系統(tǒng)，錄取回放也是對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的一種良好補(bǔ)充。

6 思博倫北斗測(cè)試解決方案

思博倫公司提供北斗測(cè)試的整體解決方案，包括生產(chǎn)線測(cè)試到Q/A測(cè)試、研發(fā)測(cè)試到高端研究所測(cè)試、軍隊(duì)測(cè)試、單模北斗的網(wǎng)絡(luò)輔助測(cè)試到多模BeiDou+GPS的網(wǎng)絡(luò)輔助定位測(cè)試等。下面簡(jiǎn)單介紹各自的應(yīng)用領(lǐng)域：

表1 通信制式和衛(wèi)星制式組合的網(wǎng)絡(luò)輔助定位測(cè)試

（1）GSS6300M：仿真北斗及其他星群4或8個(gè)信道的多星群仿真器，簡(jiǎn)單地對(duì)預(yù)置場(chǎng)景進(jìn)行播放，主要用于簡(jiǎn)單的生產(chǎn)線及質(zhì)控測(cè)試。

（2）GSS6700：仿真北斗及其他星群12通道的多星群仿真器，能夠自定義復(fù)雜的場(chǎng)景，多用于研發(fā)測(cè)試。

（3）GSS6425：在外場(chǎng)真實(shí)環(huán)境中靜止或者運(yùn)動(dòng)地錄取北斗及其他星群的真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)，回到實(shí)驗(yàn)室再進(jìn)行可重復(fù)可控地回放。

（4）GSS9000：仿真北斗及其他星群多星群多頻點(diǎn)的高端衛(wèi)星仿真器，能夠自定義復(fù)雜的多星群多頻點(diǎn)及噪聲場(chǎng)景，多用于研究所領(lǐng)域的高端研究開發(fā)。

（5）SR8100系統(tǒng)：集成了CDMA/GSM/WCDMA/ LTE無線通信通絡(luò)仿真器和GPS/GLONASS/BeiDou/ Galileo衛(wèi)星仿真器，能夠完成各個(gè)國(guó)際規(guī)范定義的標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)輔助定位測(cè)試，同時(shí)也用于定制開發(fā)運(yùn)營(yíng)商自定義的入網(wǎng)測(cè)試集。

7 結(jié)束語

北斗導(dǎo)航是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展的新興系統(tǒng)，為了保持其可靠的運(yùn)營(yíng)和良好的用戶體驗(yàn)，中國(guó)各個(gè)科研機(jī)構(gòu)均對(duì)北斗系統(tǒng)的發(fā)展給出了指導(dǎo)性意見，包括將建立衛(wèi)星導(dǎo)航的增強(qiáng)系統(tǒng)（星基及陸基系統(tǒng)），提供dm級(jí)實(shí)時(shí)精度和cm級(jí)后處理精度；將建立產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)試認(rèn)證中心，加速標(biāo)準(zhǔn)和知識(shí)產(chǎn)品的構(gòu)建；將加入各相關(guān)國(guó)際組織如國(guó)際民航、國(guó)際海事及3GPP等；將加強(qiáng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容與互通；將推廣北斗在交通、能源、電力、通信、災(zāi)難救援及恢復(fù)重建等方面的應(yīng)用等。而北斗和網(wǎng)絡(luò)輔助北斗定位的測(cè)試技術(shù)也將飛速發(fā)展，并將為檢測(cè)并提高北斗的接收機(jī)性能和用戶體驗(yàn)貢獻(xiàn)一份力量。

1 3GPP 25.172.Requirements for Support of Assisted Galileo and Additional Navigation Satellite Systems(A-GANSS) Frequency Division Duplex(FDD)

2 3GPP 36.171.Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Requirements for Support of Assisted Global Navigation Satellite System(A-GNSS)

3 3GPP 37.571-1.Universal Terrestrial Radio Access(UTRA) andEvolvedUTRA(E-UTRA)andEvolvedPacket Core(EPC);User Equipment(UE)Conformance Specification for UE Positioning;Part 1:Conformance Test Specification

4 3GPP 37.571-2.Universal Terrestrial Radio Access(UTRA) andEvolvedUTRA(E-UTRA)andEvolvedPacket Core(EPC);User Equipment(UE)Conformance Specification for UE Positioning;Part 2:Protocol Conformance

5 3GPP 37.571-3.Universal Terrestrial Radio Access(UTRA) andEvolvedUTRA(E-UTRA)andEvolvedPacket Core(EPC);User Equipment(UE)Conformance Specification for UE Positioning;Part 3:Implementation Conformance Statement(ICS)

6 3GPP 37.571-4.Universal Terrestrial Radio Access(UTRA) andEvolvedUTRA(E-UTRA)andEvolvedPacket Core(EPC);User Equipment(UE)Conformance Specifica tion for UE Positioning;Part 4:Test Suites

7 3GPP 37.571-5:Universal Terrestrial Radio Access(UTRA) andEvolvedUTRA(E-UTRA)andEvolvedPacket Core(EPC);User Equipment(UE)Conformance Specification for UE Positioning;Part 5:Test Scenarios and Assistance Data

8 OMA ETS SUPL 2.0.2.OMA-ETS-SUPL-V2_0_2-20141008-D.doc

BeiDou andA-BeiDou Positioning Testing Study

The BeiDou system of China already finished deployment in the APAC region for regional navigation and timing service.It’s expected that it can complete the world-wide coverage before 2020 as it grows faster and faster.This article is to introduce how to assure BeiDou and A-BeiDou receiver to pass conformance and performance evaluation by certain testing methodology.We studied BeiDou conductive test,over-the-air(OTA)test with related international standards,and proposed BeiDou/A-BeiDou testing solutions for product line,Q/A,R&D and carrier acceptance purpose. And it also briefly introduced related testing equipment and testing solution in the market which can be used for test Bei-Dou and A-BeiDou.Via the test,it can assure the BeiDou/A-BeiDou technology performance and improves user’s experience.

BeiDou positioning,A-BeiDou positioning,GNSS,conformance test,over the air test

2015-02-20）