基于軟件接收機的衛星導航信號模擬器性能指標測試

歐國標，路 輝

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191)

基于軟件接收機的衛星導航信號模擬器性能指標測試

歐國標，路 輝

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191)

針對衛星導航信號模擬器的性能指標測試評估問題，提出了基于軟件接收機的性能指標測試方法;通過分析模擬器性能，包括對動態性能、相位噪聲、通道間時延一致性和靜態定位精度的綜合分析，給出了相應的測試方法和測試流程，并結合衛星導航信號模擬器產生的實際信號對各項性能指標的測試結果進行分析;經測試結果表明，軟件接收機可以有效地對衛星導航信號模擬器各項性能指標進行測試，測試結果符合理論預期，滿足模擬器性能指標測試評估的需求。

衛星導航信號模擬器；性能指標；軟件接收機

0 引言

衛星導航接收機應用于高精尖技術領域時，其輸出測量數據的準確性、可靠性至關重要。然而實際應用中，實際信號的各種參數以及測試環境的局限性，導航接收機的測試和計量直接依賴于衛星導航信號模擬源提供的技術指標，為保證日益增長的接收機設備測試需求和正確可靠評估的需要，在衛星導航應用測試系統建設過程中，建立標準的、完善的衛星導航信號模擬源指標測量方法極其重要。它的建立，首先能夠滿足導航信號模擬源對自身性能的檢驗及指標的測試任務，解決衛星導航信號模擬源自身穩定性及可控性的難題。其次它能最大程度上規范接收機的性能和指標，形成統一的標準，推動接收機規范化、標準化發展。

目前國內對此已有相關的研究，北京郵電大學吳偉陵教授研究了衛星導航信號模擬源的工作原理及結構組成，對模擬源的結構組成及指標體系展開詳細分析。該研究首先對模擬源基本量的通用儀器測量方法進行了調查，在基本量測量實現的基礎上，依據各個關鍵指標及模擬源信號生成的特點，給出了基于通用儀器的測量方法[1]；北京航空航天大學寇艷紅副教授發表了《基于PXIe總線的多GNSS射頻信號模擬器驗證測試》，提出了一套模擬器技術指標的四級驗證方法，包括模擬中頻/射頻信號級，基帶信號級，觀測量和導航電文級，定位解級。所采用的一套包括標準儀器、多GNSS軟件接收機和專門分析軟件在內的信號質量檢測系統。其獨特的信號處理和數據處理方法提高了信號的可觀測性和測量精度。這種四級驗證測試方法提供了信號質量的多層次精確描述，可推廣應用于空間信號的質量評估[2]；中南大學盛利元教授發表了圍繞模擬源指標的測量校準方法與溯源技術，研究了模擬源信號精度和動態兩類指標的通用儀器測量校準方法。基于傳統的溯源方法及模擬源特點，提出了測量保證程序模擬源溯源方案。結合通用儀器關鍵指標測量方法，實現了模擬源關鍵指標的溯源[3]。

本文提出衛星導航信號模擬器性能指標測試方法，對關鍵指標項進行了分析，并基于軟件接收機給出相應的測試方法，具有測試流程簡單和操作方便的特點。

1 軟件接收機測試平臺

本文中測試所采用軟件接收機為北京航空航天大學通信導航與測試實驗室研發的SatRecv，運行界面如圖 1所示。

圖1 軟件接收機運行界面

軟件接收機SatRecv包括9個處理模塊：初始化模塊，負責對接收機進行初始化，完成擴頻碼、載波和各模塊的初始配置；數據模塊，負責從信號源或文件系統采集數據；捕獲模塊：完成信號的捕獲，可分為粗略捕獲和精確捕獲兩個部分；跟蹤模塊，完成信號的跟蹤；同步模塊，實現對相關結果的同步，包括位同步和幀同步；解碼模塊，根據不同衛星系統實現星歷的解碼；偽距模塊，根據跟蹤狀態信息和衛星信息提取偽距信息；定位模塊，實現衛星、接收機的定位解算；擴展模塊，用于實現用戶的擴展功能[4]。

軟件接收機的運行流程及各部分輸出參數示意圖如圖 2所示。

圖2 軟件接收機流程圖

衛星導航信號模擬器關鍵指標通過分析圖 2中各相關模塊輸出的參數，進行直接測試或間接計算得到測量值。

各性能指標項的測試方法為：靜態定位精度，通過分析定位結果與模擬器設置的用戶位置的偏差得到；動態性能指標，包括速度、加速度和加加速度的范圍及精度，通過分析定位結果隨時間的一次變化率、二次變化率及三次變化率得到；相位噪聲，通過分析跟蹤模塊輸出的載波相位的抖動程度，計算得到均方相位噪聲值；通道間時延一致性，通過分析跟蹤模塊輸出的兩通道載波相位差得到。

2 性能指標

本文中測試所用衛星導航信號模擬器為北京航空航天大學通信導航與測試實驗室的自研設備，以下各項性能指標均是基于該模擬器進行分析，模擬器實物圖如圖 3所示。

圖3 GNSS信號模擬器

2.1 動態性能

動態性能指標項包含速度、加速度以及加加速度的范圍與精度。模擬器在實現時，碼相位和載波相位均由直接數字式頻率合成器DDS控制，模擬器采用三階DDS[5]，以實現高精度、高動態的信號模擬，

動態性能指標由DDS級數、累加器位寬、信號碼速率、載波速率以及模擬器系統時鐘頻率決定。

2.2 相位噪聲

相位擾動包含兩種：一種是由環境溫度變化、元器件老化等因果關系引起的振蕩器頻率偏移和頻率漂移；另一種是指器件內部熱噪聲、閃爍噪聲等隨機因素引起的隨機相位波動，主要影響頻率源的短期頻率穩定度，相位噪聲即是隨機因素引起的頻率源相位隨機波動[6]。

一個實際振蕩器輸出信號的數學模型可表示為：

V(t)=(A0+ε(t))sin(2πf0t+φ(t))

(1)

一般振蕩器的相位噪聲調制功率遠大于幅度噪聲調制功率，因此不考慮振幅波動帶來的噪聲。

相位噪聲可在時域中用輸出信號頻率的抖動的程度表示，也可以在頻域中表示為偏離載波f處，一個相位調制邊帶的功率密度與載波功率的比值[7]，如圖 4所示。

圖4 相位噪聲的頻域表征

其中:Pm為頻偏f處單位頻率內的單邊帶噪聲能量，Pc為載波功率。

2.3 通道間時延一致性

模擬器通道間時延一致性反映通道間模擬信號相位的一致性，即模擬器任兩個通道在調制同一顆衛星信號時，在射頻輸出端引起的偽碼相位不同偏差和載波相位不同偏差，均可由模擬器通道間時延一致性精度表示。

本文中采用衛星導航信號模擬器是基于FPGA實現信號的調制，布局布線時不同的調制通道經過的硬件電路不同，導致各通道路徑延遲不同。其中，各通道因調制過程引入的通道固有時間延遲(由布線路徑的系統時鐘周期數和系統時鐘頻率決定)在導航定位解算時可歸為接收機的鐘差項；而通道調制路徑延遲的差異則體現為通道間時延一致性。

圖5 通道間路徑時延示意圖

2.4 靜態定位精度

定位精度體現導航信號模擬器的整體性能，表現為軟件接收機解算的用戶位置結果與模擬器設置的用戶位置的偏差。靜態定位精度是在保持用戶位置相對于大地坐標系靜止的狀態下，通過測試位置偏差的均方值得到，取決于模擬器軟硬件穩定性、工程實現原理以及環境因素。

3 性能指標測試方法及結果

3.1 動態性能

3.1.1 速度

設置用戶初始位置的緯經高坐標為(40°,60°,1 000m)，運動的北向偏角為45°。首先設置用戶的速度為1 000m/s，中頻頻率為4.123MHz，采樣率為24MHz。仿真開始時間為2013年3月20日，12:43:00，測試時間為5分鐘，利用軟件接收機得到測試結果如圖6所示。

圖6 GPS L1 C/A信號在速度為1 000 m/s時測試結果

測試結果的速度均值為999.988 8m/s，偏差為-0.011 2m/s，標準差為0.106 1m/s。

表1 GPS L1 C/A信號在速度為1 000 m/s時測試結果表

保持中頻頻率和數字采樣率不變，設置用戶載體的運動速度為12 000m/s，測試時間為5分鐘，得到的結果如圖 7所示。

圖7 GPS L1 C/A信號在速度為12 000 m/s時測試結果

測試結果的速度均值為12 000.030 3m/s，偏差為0.030 3m/s，標準差為0.189 8m/s。

表2 GPS L1 C/A信號在速度為12 000 m/s時測試結果表

3.1.2 加速度

根據速度的測試結果，加速度的測試采用“先正向，后負向”的方式進行測試，即當速度超過10 000m/s時，加速度為負值；當速度低于100m/s時，加速度為正值。

存在為了保證財政撥給高等院校的運營經費不留余額和下年度運營經費的預算額度考慮，財務部門往往會將項目（課題）報銷支出的經費串戶從財政零余額賬戶資金或財政直接支付賬戶支付，截留了項目（課題）課題經費。

設置用戶初始位置的緯經高坐標為(40°,60°,1 000m)，運動的北向偏角為45°，用戶的加速度設置為100m/s2。中頻頻率為4.123MHz，采樣率為24MHz。仿真開始時間為2013年3月20日，12:43:00，測試時間為5分鐘，利用軟件接收機得到的測試結果如圖8所示。

圖8 GPS L1 C/A信號在加速度為100 m/s2時測試結果圖

當加速度為負值時，接收機解算得到加速度均值為-99.997 8m/s2，偏差為0.002 2m/s2，標準差為4.635 5m/s2；當加速度為正值時，接收機解算得到加速度均值為100.005 5m/s2，偏差為0.005 5m/s2，標準差為4.727 5m/s2。

表3 GPS L1 C/A信號在加速度為100 m/s2時的測試結果表

保持中頻頻率和數字采樣率不變，設置用戶載體的運動速度為500m/s2，測試時間為2分鐘，得到的結果如圖 9所示。

圖9 GPS L1 C/A信號在加速度為500 m/s2時的測試結果圖

當加速度為負值時，通過接收機解算得到的加速度均值為-499.908 7m/s2，與真實值的誤差為0.091 3m/s2，標準差為27.403 8m/s2；當加速度為正值時，通過接收機解算得到的加速度均值為500.113 9m/s2，與真實值的誤差為0.113 9m/s2，標準差為26.384 0m/s2。

表4 GPS L1 C/A信號在加速度為500 m/s2時的測試結果表

3.1.3 加加速度

根據之前速度測試和加速度測試的結果，加加速度的測試也采用“先正向，后負向”的方式進行。但需要同時滿足速度和加速度兩方面的要求，即當速度超過10 000m/s時，加速度為負值；當速度低于100m/s時，加速度為正值；當加速度超過200m/s2時，加加速度為負值；當加加速度低于10m/s2時，加加速度為正值。

設置用戶初始位置的緯經高坐標為(40°,60°,1 000m)，運動的北向偏角為45°，用戶的加加速度設置為500m/s3。中頻頻率為4.123MHz，采樣率為24MHz。仿真開始時間為2013年3月20日，12:43:00，測試時間為2分鐘，利用軟件接收機得到的測試結果如圖10。

圖10 GPS L1 C/A信號在加加速度為500 m/s3時的測試結果圖

當加加速度為負值時，通過接收機解算得到的加速度均值為-507.810 9m/s3，與真實值的誤差為-7.810 9m/s3，標準差為220.065 3m/s3；當加速度為正值時，通過接收機解算得到的加速度均值為505.899 4m/s3，與真實值的誤差為5.899 4m/s3，標準差為303.315 6m/s3。

表5 GPS L1 C/A信號在加速度為500 m/s3時的測試結果表

3.2 相位噪聲

設置：用戶的位置是靜止的，緯經高坐標為(40°,60°,1000m)，不考慮多普勒效應的影響，GPSL1C/A信號的中頻頻率為42.966MHz，采樣率為62MHz。仿真開始時間為2013年3月20日，12:43:00。

實際測試時，相位抖動歸一化差值隨時間的變化如圖 12所示。

圖11 跟蹤環路輸出載波相位

圖12 相位差隨時間的變化

分析相位抖動的均方差，求得相位噪聲為：εφ=0.003rad/RMS。

3.3 通道間時延一致性

設置用戶的位置靜止，緯經高坐標為(40°,60°,1 000m)，不考慮多普勒效應的影響，GPSL1C/A信號的中頻頻率為42.966MHz，采樣率為62MHz。仿真開始時間為2013年3月20日，12:43:00，可見星為1、12、14、18、22、24、25、30和31。

采用軟件接收機的跟蹤環路對模擬信號中各顆衛星的載波相位進行跟蹤，每1ms輸出各通道的載波跟蹤相位，相互作差并換算得到通道間的時間差。測試時，以12號星的載波跟蹤相位作為參考相位，計算與其它可見星的歸一化載波跟蹤相位差。

以14號星為例，計算與12號星的載波跟蹤相位差，測試時長5分鐘，結果如圖 13所示。

圖13 12號星與14號星載波跟蹤相位差(5 min)

求其均值，為0.002 655。同理對其它可見星重復以上測試流程，得到各顆可見星與12號星的載波相位跟蹤誤差見表6。

表6 各可見星與12號星的載波跟蹤相位差測試結果

對以上結果計算標準差，有σφ=0.003295，則得到各通道間時延標準差為：

(2)

其中:fIF=42.966MHz，為模擬信號中頻頻率。

3.4 靜態定位精度

設置：用戶的位置是靜止的，緯經高坐標為(40°,116°,1 000)。不考慮多普勒效應的影響，GPSL1C/A信號的中頻頻率為4.123MHz，采樣率為24MHz。仿真開始時間為2013年3月20日，12:43:00。

由軟件接收機定位模塊輸出x，y，z三個坐標分量的解算結果，如圖 14所示。

對各坐標分量進行分析，對比定位結果與設置位置的偏差與標準差，結果見表 7。

表7 GPS L1 C/A 靜態定位分析結果

4 結束語

本文分析了衛星導航信號模擬器的關鍵性能指標的原理及特點，提出基于軟件接收機的性能指標測試方法。接收機各模塊對模擬信號進行結算并輸出數據，然后根據各性能指標的測試要求對數據進行處理分析，得到測試評估結果。目前僅對動態性能、相位噪聲、通道間時延一致性以及靜態定位精度等關鍵指標作了測試，測試結果滿足理論預期和指標范圍及精度要求，后期將基于軟件接收機對模擬器的其它性能指標項作測試。

[1] 馮富元. GPS 信號模擬源及測試技術研究和實現[D]. 北京: 北京郵電大學, 2009.

[2] 寇艷紅, 張海濤. 基于 PXIe 總線的多 GNSS 射頻信號模擬器驗證測試[A]. 第二屆中國衛星導航學術年會電子文集[C]. 2011.

[3] 湯震武. 衛星導航信號模擬源關鍵指標測量校準及溯源方法研究[D]. 長沙：中南大學, 2013.

[4] 謝 鋼. GPS 原理與接收機設計[M]. 北京：電子工業出版社, 2009.

[5] 孫友禮, 陳紫強, 紀元法, 等. 基于三階 DDS 的高動態衛星信號多普勒模擬方法[J]. 桂林電子科技大學學報, 2013, 33(6): 443-446.

[6] 董喜艷. 導航系統中相位噪聲模型建立與分析[D]. 成都：電子科技大學, 2012.

[7] 李 鵬, 米 紅, 鄭晉軍, 等. 導航信號相位噪聲指標分析[A]. 第二屆中國衛星導航學術年會電子文集[C]. 2011.

Test of GNSS Simulator Performance Indicators Based on Software Receiver

Ou Guobiao, Lu Hui

(School of Electronic Information and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

For performance indicators test of GNSS simulator, this paper proposes a performance test architecture based on software receiver. Through the GNSS simulator performance analysis, including dynamic performance, phase noise, inter-channel delay consistency and static positioning accuracy, this paper gives the corresponding test methods and test procedures, and test results obtained with the actual data from GNSS simulator of each index. The test results show that the software receiver can effectively test the performance of GNSS simulator, which is in line with theoretical expectations, and meet the needs of testing and evaluation of GNSS simulator.

GNSS Simulator; performance indicators; software receiver

2016-09-20；

2016-11-02。

歐國標(1991-)，男，福建莆田人，碩士研究生，主要從事衛星導航信號模擬器方向的研究。

路 輝(1977-)，女，黑龍江肇東人，教授，碩士研究生導師，主要從事信息系統模擬、測試、優化與評估方向的研究。

1671-4598(2017)03-0006-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.003

TP302.7

A