衛星導航用戶設備測試方法與場景設計研究

張 威

（深圳市遠東華強導航定位有限公司石家莊分公司，河北 石家莊 050200）

0 引 言

目前，衛星導航系統是一種為用戶提供位置信息、時間信息的實時化信息服務，已然在軍工和民用等方面占據重要地位。用戶設備測試系統是對于各類生產的用戶機設備，對其信號捕捉性能、定位精度、抗干擾等基本性能進行統一化、標準化測試。根據不同的用戶機設備制定針對性的測試方法，判斷用戶設備硬件與軟件的信息處理效果，是當前需要解決的問題之一。為科學評估用戶設備的各項指標參數，在實驗室的環境下模擬真實工作環境，設計出一套科學合理的測試場景模板。

1 衛星導航用戶設備測試方法概述

當前，用戶設備定位原理與全球定位系統（Global Position System，GPS）技術相類似，其定位技術均是從有源定位逐漸過渡到無源定位，定位精度也與GPS技術相接近。根據預先設計的構想，采用衛星導航信號模擬器設備。該設備涵蓋數學仿真組件、測試評估組件、射頻信號仿真組件。其中，數學仿真組件可以為用戶提供衛星運行的基本模型參數，并以圖像化的形式予以展現；射頻信號仿真組件可以根據信號產生各類特殊的真實射頻信號，將信號傳輸到測試評估組件進行綜合評估測試結果。此外，用戶設備檢測在室外應用測試階段，須設置各種復雜的電磁環境以及作戰環境等，實時記錄環境變化帶來的接收機性能數據的限制[1]。

2 用戶設備工作原理

2.1 用戶設備的基本結構

衛星導航用戶設備也被稱為接收機端設備，是一種可以接收、變換與測量的定位信號的無線電接收終端。當前，衛星導航用戶設備因功能和使用場景的不同，導致用戶設備接收器的種類較多，但是從設備的組成結構上來分析，一般分為2個模塊，即天線單元和接收單元。

天線單元是用來將到達的衛星信號轉化為微波電信號，并將此信號進行放大處理，其包括2個組件，即天線與前置放大器。在日常使用中，衛星信號的工作頻率會受到臨近頻段信號（移動電話信號、超高頻電視信號等）的影響，輕則出現信號波動，重則引發接收機終端的故障。在天線單元中須設計抗干擾組件，保證設備擁有穩定的接收信號與放大信號的功能。

以信號通道為例，作為接收單元的核心組成部件之一，是一種軟硬件相互結合的設備。根據捕捉偽噪聲碼的不同模式，分為2種類型，一是相關型編碼通道，該類型是借助偽噪聲碼互相關電路，將擴頻信號進行解擴之后，提取偽距觀測量數據，并輔助解譯出衛星導航電文；二是平方律編碼通道，該類型是借助衛星信號時延電路和自乘電路相結合的模式，用來獲取重建載波數據，因為該通道會限制數據碼，所以無法與相關型通道一樣解譯出衛星導航電文[2]。

2.2 用戶設備的工作原理

在衛星導航定位工作環節中，用戶設備須完成衛星信號的搜索與捕獲、衛星信號的跟蹤、觀測量的獲取等。在衛星信號的搜索與捕獲中，以GPS技術為例，當用戶設備在測量階段，同時搜索到了12顆GPS衛星的信號，則說明有24個導航定位信號會同時到達用戶的全向接收天線。衛星信號的截取過程：在搜索階段會存在C/A碼，即接收自衛星的接收碼與接收設備產生的本地碼，與接收碼和本地碼對應的還涉及接收載波與本地載波。因衛星的運動引發多普勒效應，接收載波的頻率會隨著時間的變化而不斷的產生變化。在衛星信號的搜索階段，需要將本地碼與接收碼一一對應，同樣本地載波的頻率要與接收載波的頻率保持一致。搜索方式是根據設置的碼元搜索區間與多普勒頻移搜索區間進行對等標定。

2.3 用戶設備關鍵性能指標分析

用戶設備關鍵性能指標包括接收靈敏度、信號捕獲與重捕時間、偽距測量精度、定位測速精度等需要對其進行測定和分析。

3 用戶設備測試方法研究

3.1 接收靈敏度測試

在接收靈敏度的測試環節中，要以解調衛星導航電文的誤碼率為衡量設備性能的依據。根據性能指標要求，用戶設備的誤碼率要在1×10-6接收信號功率范圍之內。首先，初始化測試。預先設定好測試場景的一些固定參數，要求衛星星座為12顆導航衛星，誤差參數的設置須按照無誤差的模式進行，用戶軌跡設定為靜態模式，功率信號則為接收靈敏度。其次，數據仿真系統。該系統要預先根據初始化場景配置的新參數快速生成一系列的測試數據文件，若存在相應的測試文件也可以直接導出使用。再次，控制射頻仿真系統生成射頻信號，用戶設備可以對射頻信號進行捕獲與追蹤，并發出鎖定指示信號。最后，用戶終端設備會上報導航電文指令，以16進制的數字編碼。測試系統會把上報與發送的導航電文按位對比，以統計出可能出現的誤碼率[3]。

為了進一步測試接收機的靈敏度性能指數，在測試階段需要測試最大信號功率的誤碼率。目前，接收機一般為多通道接收設備，在正常的測試環節中，優先考慮多通道并行工作模式，可有效縮短測試的時間。根據實際測試中的結果來看，可以將測試時間縮短至20 min以內。此外，接收靈敏度的測試要分為包含天線的有線測試和不包含天線的無線測試。無線測試可以測試接收機天線性能和方向圖特性，有線測試可以測試接收機的基帶信號處理效果。導航電文播發時存在重復規律性，目的在于反映接收機的誤碼率。為此，誤碼率的測試要在專業的測試電文下進行，并分別統計丟幀、重復幀。

3.2 偽距測量精度測試

偽距測量精度是一項測試用戶設備的關鍵指標，可以直接地反映接收機跟蹤效果。根據偽隨機碼測量出的偽碼公式，得出從接收機上報的原始偽碼觀察值中剔除接收機鐘差的限制。鐘差測試法是一種借助高精度數據延時濾波器測量接收機的鐘差，能夠在靜態測試模式中得到接收機鐘差的測量誤差和通道時延的影響。當接收機的軌跡模型是靜態且模擬信號不含誤差時，測距誤差項為

將接收機連續觀察1個時間段，根據統計學的研究規律得到觀察噪聲的數學期望為0，在實際測試模式下，接收機偽距測量誤差，此時有

式中：CEj指接收機鐘差引起的等效距離。

因此，可以把靜態模式測試下得到的接收機鐘差測量誤差和多通道時延影響代入以上公式，結合實際測試環境下的偽距觀測值數據、仿真幾何距離數據、計數器鐘差數據等，并在多次測量的前提下得到準確的測距精度數據值。

在本過程中，數據仿真系統生成的多顆靜態衛星觀察數據、衛星鐘差等均按照無誤差的設計模式，且不預先制定完好性時間參數。之后，對時間間隔分析儀設備進行初始化，將其接入到系統時鐘以及被測用戶設備的端口輸出。模擬信號源會生成用于靜態測試環境下的衛星定位信號，接收機進行偽距測量、上報指令等，經過一段時間后，評估測試系統計算各個接收機的鐘差測量誤差和通道時延。

3.3 多通道時延一致性測試

導航衛星信號是在多個不同的工作載波頻率上進行工作，導致信號在經過接收機的各個通道都會存在一定的時間延時。以多星測試法為例，測試系統中存在多顆衛星信號，控制接收機不同通道后鎖定不同衛星的信號，以完成偽距測量和上報原始的觀測數據為

由于各個通道均采用的是不同衛星信號，因此得到觀測數據值并不相同。為保證獲取通道間的時延差數據，可以選定某一個通道為基準通道，將其與其他的通道進行作差處理，并代入測試系統仿真的理論偽距值，方可得到各通道的時延差值。采用多星測試系統，仿真了多顆不同衛星的偽距值，避免了無法辨別接收機通道數據真偽的特征，得到的通道測試數據值基本符合用戶設備的實際應用效果[4]。

基本的測試流程為：首先，初始化場景參數和測試場景文件，按照星座設置為多顆衛星，誤差參數的設置同樣設置成無誤差模式等；其次，在測試系統開啟后進行信號源的模擬操作，根據衛星導航信號控制用戶機鎖定各通道信號，在接收機下達上報指令，接收機測試系統接收數據并進行存儲；最后，借助測試評估系統，在數據庫中讀取原始的數據與仿真數據，快速地得到測試結果。

4 測試場景的關鍵與設計

4.1 常用時空系統介紹

常用的時空系統一般分為坐標系統（天球坐標系、地球坐標系、發射坐標系等）、時間系統（恒星時、世界時、協調世界時、儒略歷等）。

4.2 衛星星座仿真

衛星的運動一般是根據6個開普勒軌道根數，也被稱為第1類軌道根數進行描述。GEO衛星是地球的同步軌道衛星，其軌道偏心率e在數值上十分接近于0，且近地點的位置不容易確定，導致軌道平面的方位和衛星軌道運動時間的起點偏差較大。基于此，尚不使用第1類軌道根數，而是使用第2類軌道根數，即

式中：M為平近點角；n為衛星運動的平均角速度；e為軌道偏心率。

同樣，基于用戶設備測試系統的工作內容與方式，僅是測試仿真階段任意時刻接收機前端的接收信號，無須保證任意時刻的衛星位置與真實的位置相一致，目的在于簡化模型仿真，排除其他因素的干擾。

衛星位置的計算方式如下。

4.3 用戶軌跡模型

要想檢測不同運動方式下，衛星導航用戶設備的實際工作現狀，可按照需求盡可能多地模擬目標的運動軌跡，如針對低動態用戶的軌跡、高動態用戶的軌跡。以低動態用戶軌跡為例，結合運動載體的數學模型可構建出如下模型。

4.4 誤差仿真模型

衛星導航用戶設備在實際運行階段，會受到來自衛星信號的多種誤差限制，造成定位誤差。為此，特結合衛星時鐘誤差模型簡要分析。因用戶的定位精度與衛星時鐘存在一定的關聯，通常體現為測距誤差。以原子鐘的鐘差模型為例，制定時刻中差觀測量和系統時間之間的關系模型，即

式中：a為軌道半長軸。

此外，在實際應用階段，以上模型中的參數會由導航電文傳遞到接收機，接收機設備會根據模型對衛星鐘差誤差作出偽距修正，而無法保證接收機接收到的真實數據，因此需要在衛星鐘差中添加可控制的誤差系數，如將衛星鐘差作為白噪聲，輸入到一階馬爾科夫中進行模擬，以此得到實際的測試效果。

5 結 論

隨著北斗衛星導航的陸續發射，國內導航設備的功能逐漸趨于完善，但是在用戶設備測試方面還存在一定不足。在衛星導航用戶設備測試中，逐步形成和用戶設備的理論評估與考核體系。例如，在考核指標中，一般以定位精度、靈敏度、首次定位時間、通道延時性以及抗干擾檢測等作為基本指標。在實際的測試中要想符合測試的可靠性標準，需要在實驗室環境中進行真實環境模擬，如復雜電磁環境的生成、衛星模擬信號的產生、邊界條件的設定等。經過本文對衛星導航用戶設備測試方法與場景設計的研究，希望為研究人員提供理論指導。