基于軟件無線電架構的GNSS接收機測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

曹曉亮,郭承軍

(電子科技大學 電子科學技術研究院,四川 成都 611731)

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基于軟件無線電架構的GNSS接收機測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

曹曉亮,郭承軍

(電子科技大學 電子科學技術研究院,四川 成都 611731)

針對目前GNSS接收機在測試檢驗與質量評估方面問題,提出了建設統(tǒng)一標準的GNSS接收機測試系統(tǒng)的必要性。在分析了軟件無線電體系結構的基礎上,結合GNSS接收機測試評估的特點提出了基于軟件無線電架構的GNSS接收機測試系統(tǒng)。通過該測試系統(tǒng)的建設,能夠滿足GNSS接收機功能和性能的準確、標準化、全面的測試及性能評估。

GNSS接收機;軟件無線電架構;測試系統(tǒng)

0 引 言

隨著北斗、GPS、GLONASS、伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展,GNSS接收機目前已經在汽車、無人機、手機、導彈、艦船、兵器等眾多領域廣泛應用,隨著GNSS接收機的大量生產,為了保證接收機的質量,對其進行全面的測試評估需求迫切并且已成為廣泛共識[1-2]。

目前GNSS接收機種類多種多樣,功能和性能各不相同,但經過實際的驗證,接收機已在功能、性能和可靠性等方面反映出了測試不全面、評估不準確等一系列問題,因此需要建立統(tǒng)一標準的GNSS接收機測試系統(tǒng)[3]。GNSS接收機測試評估流程有以下特點[4]:一是測試計算量大,比如導航精度測試一般需要記錄上萬幀數(shù)據(jù);二是測試項目多,比如某飛機用多星座接收機測試項目多達30項;三是測試方法復雜,根據(jù)不同的接收機的指標要求,需要選擇特定的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法。傳統(tǒng)的測試方法費時費力,效率較低,特別是批量生產較大的GNSS接收機,需要改進測試手段,提高測試效率,對整個測試評估流程進行相應的整合,形成統(tǒng)一標準的GNSS接收機測試系統(tǒng)。本文針對GNSS接收機測試,設計了基于軟件無線電架構的智能測試系統(tǒng),該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多設備并行測試,測試數(shù)據(jù)記錄,智能測試等功能。

1 軟件無線電體系結構

軟件無線電體系結構是為了實現(xiàn)軟件無線電概念具體設計的結構,包括軟件、硬件等部分,是軟件無線電技術的核心。目前硬件體系結構根據(jù)功能劃分有流水線式結構、總線式結構、交換式網絡結構和計算機網絡結構[5]。流水線結構各功能模塊獨立,但是相互間的耦合非常緊密,如果增加修改某個功能單元,就必須改變其它功能模塊甚至整個結構。總線式結構將各個功能單元通過總線連接起來,并通過總線交換數(shù)據(jù)及控制命令。交換式網絡結構各個模塊之間通過適配和交換網絡進行數(shù)據(jù)包的交換,各個模塊之間遵循相同接口和協(xié)議,這樣不僅模塊之間耦合性很弱,還可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的廣播和選播,拓展性好。計算機網絡結構用網絡連接構成計算機機群作為運算平臺,用消息傳遞實現(xiàn)計算機間的互聯(lián),通過采用一種協(xié)同計算方案解決其關鍵技術和實現(xiàn)機制問題。

軟件無線電中的軟件具有良好的開放性,采用模塊化、結構化設計,方便升級。軟件體系結構有軟件總線結構、軟件庫結構、分層體系結構和主控程序/子程序結構[6-7]。軟件總線與硬件總線類似,將應用模塊按標準做成插件,插入總線即可實現(xiàn)集成運行,從而支持分布式的計算環(huán)境。軟件庫結構是把系統(tǒng)分為幾個子系統(tǒng),每個子系統(tǒng)執(zhí)行特定的通信功能,系統(tǒng)輸入和輸出的數(shù)據(jù)分為一個個數(shù)據(jù)模塊,當一個數(shù)據(jù)塊到達某個子系統(tǒng)時,該子系統(tǒng)就開始運行,并把處理完的數(shù)據(jù)塊發(fā)送到下一個子系統(tǒng)。分層體系結構分為三層,接口層、配置層和處理層,均是基于流處理的,這種工作方式可使得模塊間的接口得到極大的簡化并能有效地進行資源分配和復雜的數(shù)據(jù)處理,保持對硬件的重用性。主控程序/子程序結構采用集中控制的方式,使各個模塊在一個主控程序的控制下協(xié)調工作,各個模塊之間的通信通過共享數(shù)據(jù)來完成,而模塊之間的協(xié)調完全由主控程序負責。

2 系統(tǒng)體系架構設計

通過對軟件無線電體系結構的分析,提出了面向GNSS接收機測試系統(tǒng)的架構,從整體的架構,軟件架構,硬件實現(xiàn),都體現(xiàn)了軟件無線電體系結構硬件部分越來越通用化,軟件部分越來越層次化、功能化的特點。

根據(jù)GNSS接收機測試需求、接收機測試系統(tǒng)功能指標的要求,運用軟件無線電中的分層體系結構,對GNSS接收機測試系統(tǒng)進行了頂層的架構設計,如圖1所示。

GNSS接收機測試系統(tǒng)體系架構設計為鏈路層、設備層、接口層、處理層、人機交互層5層。鏈路層和設備層由系統(tǒng)內的硬件設備組成,接口層、處理層、人機交互層由系統(tǒng)內的軟件部分實現(xiàn)。

2.1 鏈路層

鏈路層是連接GNSS接收機測試系統(tǒng)內外各設備的中介,為系統(tǒng)進行信號與信息的交互服務。主要是為GNSS接收機提供導航信號和通信信息等鏈路服務。通過線纜與硬件設備連接,支持導航信號網絡、業(yè)務數(shù)據(jù)網絡、監(jiān)控網絡和供電網絡。

2.2 設備層

設備層是GNSS接收機測試系統(tǒng)的主要硬件組成部分,用于GNSS接收機的測試功能。其中有各相關測試設備及通信網絡設備,主要分為衛(wèi)星導航信號源,干擾信號源,通用測試儀器,時間間隔計數(shù)器,計算機及網絡設備。

2.3 接口層

接口層是整個系統(tǒng)的設備和軟件的操作的實施者,各種功能有軟件模塊實現(xiàn)。它直接與系統(tǒng)內各種設備進行交互,包括參數(shù)的配置、數(shù)據(jù)的傳輸以及控制和管理各種設備。包括測試標定信號接口協(xié)議和監(jiān)控與業(yè)務控制信息接口協(xié)議實施,完成導航信號的仿真計算,設備狀態(tài)的采集和數(shù)據(jù)庫管理,是整個系統(tǒng)的運行管理的基礎。

2.4 處理層

處理層是對系統(tǒng)內各種數(shù)據(jù)進行分析處理,是整個系統(tǒng)的核心部分,對接口層的各個模塊的數(shù)據(jù)進行處理并進行相應的控制。包括對測試數(shù)據(jù)的采集與處理,各個相應設備的調度管理,測試任務的流程控制。

2.5 人機交互層

人機交互層是為了方便用戶與控制測試系統(tǒng)進行交互。包括對處理層數(shù)據(jù)的顯示,測試項目管理,測試數(shù)據(jù)管理以及設備參數(shù)的配置,并根據(jù)測試的結果對測試流程進行控制。測試項目管理是完成測試項目與流程的增刪與改變;測試數(shù)據(jù)管理是完成對測試數(shù)據(jù)類型的選擇及存儲管理。

3 系統(tǒng)軟件體系架構設計

軟件的系統(tǒng)體系架構如圖2所示[8],主要采用軟件無線電軟件體系結構中的模塊化設計。

GNSS 接收機測試系統(tǒng)軟件主要包括:測試控制模塊,測試管理模塊,分析評估模塊。測試控制模塊主要功能是完成系統(tǒng)運行的所有控制功能,向各個分系統(tǒng)及設備發(fā)送控制指令,完成數(shù)學仿真控制,射頻信號產生的控制等。其中數(shù)據(jù)仿真控制模塊,需要對測試的項目設置相應的場景,包括衛(wèi)星的星座,空間環(huán)境,用戶軌跡,觀測數(shù)據(jù)等。測試管理模塊主要是完成系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)的管理,包括用戶的數(shù)據(jù)信息,測試項目的信息。分析評估模塊主要是完成測試數(shù)據(jù)的分析評價和測試報表產生的功能。分析評估模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的測試數(shù)據(jù)及仿真數(shù)據(jù),按照不同項目的標準利用相應的評估模型對測試數(shù)據(jù)進行處理,生成相應的評估報表。

4 測試系統(tǒng)實現(xiàn)

測試系統(tǒng)組成方案如圖3所示。測試系統(tǒng)運用了軟件無線電中的總線式結構,同國內GNSS測試系統(tǒng)實現(xiàn)類似[8],測試系統(tǒng)將在真實環(huán)境和模擬衛(wèi)星信號的環(huán)境下測試,本測試系統(tǒng)通過多種總線結構的方式,實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的集成。

GNSS接收機測試系統(tǒng)在實驗室仿真GPS、北斗、GLONASS以及GALILEO衛(wèi)星星座、衛(wèi)星運動特性以及實際空間特性,仿真接收機在實際場合下的典型運動特性,模擬接收機在典型運動特性下天線接收到的動態(tài)導航信號,構建接收機在各種典型應用條件下的測試環(huán)境[9]。

GNSS接收機測試系統(tǒng)主要由測試控制與評估、衛(wèi)星信號模擬器、信號干擾源、入站接收機、通用儀器、測試環(huán)境等組成。測試系統(tǒng)主要分為兩個區(qū)域,控制機房和微波暗室。控制機房主要有設備儀器機柜,系統(tǒng)控制臺和有線測試臺,主要完成系統(tǒng)控制和有線測試臺;微波暗室主要有收發(fā)天線、接收機、程控電源和轉臺。

測試控制與評估的主要功能是完成測試流程的控制、測試條件的配置、測試數(shù)據(jù)的采集與存儲和測試結果的分析與評估。衛(wèi)星信號模擬器[10]是由信號模擬源和數(shù)學仿真軟件組成。信號模擬器主要任務是把數(shù)學仿真軟件產生的觀測數(shù)據(jù),空間環(huán)境和導航電文精確的生成射頻模擬信號,提供給測試環(huán)境使用。數(shù)學仿真軟件主要的作用是仿真接收機在不同的運動狀態(tài)下接收到的導航電文及其觀測數(shù)據(jù),為信號模擬仿真提供數(shù)據(jù)源。信號干擾源主要是模擬接收機在不同干擾環(huán)境下的干擾信號,干擾信號將會和信號模擬源產生的信號合成,作為接收機接收到的衛(wèi)星信號。

入站接收機的主要功能是對被測接收機發(fā)射的RDSS入站短發(fā)信號進行捕獲、跟蹤和解調,完成對信息的解析,對入站短突發(fā)信號功能、頻偏、BPSK載波相位調制偏差、偽距和載波抑制度等信號特性的測量[11]。通過儀器主要包括矢量網絡分析儀、功率計、頻譜儀、時間間隔計數(shù)器和示波器等[12]。這些儀器可以在測試控制與評估模塊的控制下完成對接收機部分指標的測試。測試環(huán)境有無線測試環(huán)境和有線測試環(huán)境。無線測試環(huán)境是在微波暗室內模擬空間環(huán)境對接收機進行無線測試,主要有微波暗室,測試天線,轉臺和測試控制端口等組成,為被測接收機提供無線測試環(huán)境。有線測試環(huán)境是通過射頻線纜直接與被測接收機射頻輸入端口連接。

在系統(tǒng)驗證的過程中,該GNSS接收機測試系統(tǒng)對GNSS接收機進行測試,測試項目包括TTFF時間,靜態(tài)定位精度,動態(tài)定位精度,捕獲靈敏度,跟蹤靈敏度等,測試系統(tǒng)能夠準確對接收機進行評估并生成報告。大量的測試結果表明該測試系統(tǒng)具有較好的可靠性,完備性。

5 結束語

通過對軟件無線電體系結構的研究,設計了適合GNSS接收機測試系統(tǒng)的架構和軟件架構,并提出了測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。該方案具備自動化測試控制能力,能夠滿足用戶實時及測試后評估需求,具有良好的可拓展性,已經應用在某測試系統(tǒng)中,獲得良好的效果,具有推廣價值。

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Design and Implementation of GNSS Receiver Test System Base on Software Defined Radio

CAO Xiaoliang,GUO Chengjun

(ResearchInstituteofElectronicScienceandTechnology,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu611731,China)

To settle the current problems in the test and quality evaluation of GNSS receiver, the paper proves the necessity of constructing GNSS receiver test system which is under unified test and evaluation standards.On the basis of analyzing the architecture of Software Defined Radio, combining the feature of GNSS receiverin the test and quality evaluation, the paper put forward GNSS Receiver Test System Base on Software Defined Radio. By constructing this kind of test system, the functionalities and performance of GNSS receiver can be tested and evaluated comprehensively and accurately in a standardized way.

GNSS receiver; software defined radio; test system

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.010

2016-07-24

TN967.1

A

1008-9268(2017)01-0049-05

曹曉亮 (1991-),男,江西人,碩士生,研究方向為衛(wèi)星導航和GNSS接收機測試。

郭承軍 (1985-),男,山東人,博士,主要研究方向為 GNSS 互換性與泛在位置服務、新時空體系、完好性及增強系統(tǒng)。

聯(lián)系人： 曹曉亮 E-mail:cxlchina@foxmail.com