基于卫星信号模拟器的北斗接收机性能测试与分析

贾超广，肖海霞

（1.解放军信息工程大学，郑州 450052；2.河南工程学院，郑州 450052）

1 引言

全球定位系统 （global positioning system，GPS）的广泛应用，让全世界人看到了卫星导航定位系统的重要军事、政治和经济意义。作为世界上少有的几个拥有自主卫星导航定位系统的国家，我国已建成区域北斗卫星导航系统 （以下简称“北斗系统”），其服务范围也将由区域再到全球。随着北斗系统的逐步完善，随之而来的将是卫星应用产业的蓬勃发展，而应用的物质基础是各种类型的北斗接收机，因而北斗接收机的性能及可靠性成了用户关注的焦点［1-2］。

如何验证导航芯片和接收机的性能成为所有卫星导航从业者的亟待解决的问题。传统的测试方法是使用天线来接收实际的卫星信号，但这种测试方法由于受到复杂的天气变化、电离层延迟、多径衰减等因素的影响，使得测量可重复性非常差，且测试准确度难以保证，于是几乎每一家接收机制造商、原始设备制造商集成商和合同制造商都在为开发能够测试接收机性能的测试标准而努力［3-4］。

卫星导航信号模拟器具备完备的卫星导航信号仿真能力和丰富的操控能力，可利用这种信号模拟源仿真生成的实时北斗信号为北斗接收机测试建立一个良好的能够重复执行精确测试的可控环境，目前国内已经有多家科研单位自主研发出卫星导航信号模拟器，并成为各大导航实验室和测试研发机构不可或缺的仪器之一。利用其进行接收机性能测试，具备可控性、可重复性、广泛性、信号可用性、节约成本等优点［5-8］。

2 测试平台搭建

2.1 测试原理

基于导航信号模拟源的接收机测试是利用模拟源产生的实时、可控卫星导航模拟信号输入给测试接收机，并通过控制主机数仿软件根据导航星座数学模型计算生成对应于用户设定载体轨迹的导航电文和观测数据 （伪距、多普勒等）文件，再利用评估软件分析处理并比较由被测接收机输出的标准格式的定位解算信息和卫星导航信号模拟器输出的仿真场景理论数据，得出接收机的性能参数［9-10］。

2.2 测试平台结构

接收机测试平台利用数仿软件配置用户需要的仿真数据 （如轨迹用户和误差模型），利用上位机监控平台软件启动模拟器仿真产生用户需要的卫星信号和对卫星导航信号模拟器输出进行信号中断、信号恢复、开关每一个可见星信号、调制方式选择和功率控制等，从而提供接收机测试的环境；接收机通过接收模拟器产生的卫星导航信号，最后利用评估软件和接收机综合监控软件可以测试出接收机的定位、测速、定时、灵敏度和首次定位时间等指标，测试平台结构如图1所示。

图1 测试平台结构

3 测试方法及实验结果

实验选用某公司生产的北斗手持型接收机为测试对象，分别做了捕获灵敏度测试、定位精度测试、测速精度测试、冷启动首次定位时间测试和重新捕获时间测试，以下是部分实验结果及分析。

3.1 捕获灵敏度测试

实验选用静态场景，通过改变发射功率测出接收机的捕获灵敏度，然后改变测试环境 （通过改变测试时间或测试点坐标实现），在不同的卫星几何精度条件下重复测试多组数据，实验结果如表1和图2所示。

表1 捕获灵敏度测试实验数据

图2 捕获灵敏度测试实验结果图

3.2 冷启动首次定位时间测试

实验选用静态场景，通过综合性接收机监控软件测出接收机的冷启动首次定位时间，然后改变测试环境 （改变测试时间或测试点坐标），在不同的卫星几何精度条件下重复测试多组数据。实验结果如表2和图3所示。

表2 冷启动首次定位时间测试实验数据

图3 冷启动首次定位时间测试实验结果图

3.3 失锁后重新捕获时间测试

采用动态场景，利用上位机监控平台软件控制信号模拟源短暂中断信号，通过综合型接收机监控软件可以监控到接收机在信号失锁后重新捕获所用的时间。实验结果如表3和图4所示。

表3 重新捕获时间测试实验数据表

图4 重新捕获时间测试实验结果图

3.4 定位精度测试

利用评估软件进行定位精度测试实验，测试接收机在坐标为 （40°，116°，400m）处的静态定位精度，测试结果如表4和图5所示，可以看出接收机的定位精度达到米级。

表4 定位精度测试实验数据表

图5 定位精度测试实验结果图

3.5 测速精度测试

利用评估软件可以直接评估某一次动态实验的测速精度，先设置导弹飞行运动的场景，通过评估软件评估接收机在导弹起始飞行阶段的测试精度结果如图6所示，接收机的定位精度在0.1m/s级，随着导弹速度的增加，接收机的测速精度误差缓慢增大。

图6 测速精度实验结果图

4 结论

基于导航信号模拟源的北斗用户机测试方法能够实现接收机的可靠性和性能测试，测试环境稳定，测试精度高，为接收机的测试校准提供了新的测试手段。文中介绍了基于模拟源的接收机测试原理，搭建了接收机测试平台，提出了基于导航信号模拟源的基本性能的测试方法，这些测试方法能够很好的为接收机生产厂家和计量检定机构提供参考标准。

［1］张颖慧，常青.高动态 GPS信号模拟器的软件实现［J］.无线电工程，2003，30（6）：14－16.

［2］李保住，张其善.GPS卫星信号模拟器载波和码 NCO研究与实现［J］.测试技术学报，2006，20（6）：24－27.

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