GNSS接收机自动测试系统的设计与实现

薛 霞,秦红磊,路 辉

(北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191)

GNSS接收机自动测试系统的设计与实现

薛 霞,秦红磊,路 辉

(北京航空航天大学电子信息工程学院,北京 100191)

针对GNSS接收机整机性能快速、全面、精确测试的需求,构建了一种基于NI PXI硬件平台,并采用卫星信号模拟器、虚拟仪器技术和Microsoft Visual Studio 2008软件进行开发的GNSS接收机自动测试系统。同时针对GNSS接收机时间特性、灵敏度特性、精度特性性能指标的特点,提出了组合测试相关指标的方法,文中分别阐述系统的总体设计以及自动测试方法的实现,最后使用BDS接收机进行自动测试系统的验证。大量测试结果表明该GNSS接收机自动测试系统对于GNSS接收机的整机性能测试方便、快速、有效。

卫星信号模拟器;GNSS接收机;自动测试系统;性能测试

0 引言

随着全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)的蓬勃发展,各种类型的GNSS接收机层出不穷。GNSS接收机的软硬件性能测试方法越来越受到国内广大用户和接收机制造商的关注[1-4]。传统的手动测试是使用天线接收真实的卫星信号来获得评价性能指标的数据,这种方法会受到复杂的环境变化和信号传输时间效应等的影响,信号变化多端,可重复性差,准确度无法保证。自动测试则是利用卫星导航信号模拟器为GNSS接收机测试提供能够重复执行可靠测试的已知信号的环境,以完成在不同条件下GNSS接收机的性能测试。运用GNSS接收机自动测试系统可以完成许多手工测试无法实现或难以实现的测试,并且可减少劳动强度,具备可控性、低成本、可重复性、开发快等优点[4]。

自动测试技术是自动测试系统的关键技术, GNSS接收机自动测试技术包括程控接口技术、虚拟仪器技术、专家系统、故障测试技术、开放可互操作的自动测试系统(automatic test system, ATS)实现技术[5]。目前接收机自动测试系统的实现取得了一些成绩[5-8],但是需要组建更加全面精确测试的系统来满足开发商与用户的需求。构建一种基于虚拟仪器技术的GNSS接收机自动测试系统,采用美国国家仪器有限公司(National Instruments,NI)的面向仪器系统的外围组件互连(peripheral component interconnection,PCI)扩展(PCI extensions for instrumentation,PXI)硬件平台与Microsoft Visual Studio 2008软件平台,以及美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association,NMEA)在1983年制定的标准NMEA-0183协议实现对接收机定位数据的获取,完成整机性能的测试。此测试平台可灵活、快速、高效地实现接收机的性能测试,替代传统的手工测试。另外,对各个性能指标的组合测试使测试时间更短,测试效率更高。

1 自动测试系统总体设计

1.1 自动测试系统体系结构

GNSS接收机自动测试平台包括测试软件、测试设备、被测设备。测试系统利用自动测试软件配置用户接收机需要的仿真信号参数;测试系统计算机通过软件通信协议控制模拟器根据测试软件配置的参数仿真产生需要的射频信号,给接收机提供测试的环境;测试系统计算机通过程控电源控制接收机的开启与关闭以实现自动测试的需求;被测接收机接收模拟器产生的射频信号,定位结算输出NMEA-0183标准数据格式的数据;测试软件解析、处理的被测接收机输出的定位解算信息和仿真场景理论数据来评估接收机的性能指标[9],测试平台体系结构如图1所示。

图1 GNSS接收机自动测试系统结构体系

1.2 自动测试系统硬件设计

GNSS接收机自动测试系统硬件设备主要由PXI机箱、程控直流电源、GNSS接收机以及输入输出设备组成。测试系统集成于PXI机箱,自动测试软件与模拟器软件均采用软件平台Microsoft Visual Studio 2008。PXI机箱采用8个槽位PXI Express机箱,即PXIe-1082结构,以及PXIe-8133高性能嵌入式控制器,模拟器板卡包括中频信号板卡、射频信号板卡。测试软件与模拟器软件、模拟器软件与硬件板卡驱动的通信需采用标准TCP/IP协议,以及WinSock客户服务器方式建立连接。测试系统硬件设备连接如图2所示。

图2 硬件设备连接图

1.3 自动测试软件设计

自动测试软件包括用户信息管理、测试设备管理、测试结果管理、指标常规测试、测试状态监控、报表生成模块、误差曲线导出、历史数据查询、帮助信息中心等模块。GNSS接收机整机测试并没有统一的标准,但却有一些典型的测试项来衡量其整机性能[4]。其中指标常规测试模块是整个测试软件的核心,包括指标独立测试与组合测试,独立测试即系统指标互不影响、分立测试。组合测试即系统指标组合测试缩短时间、提高效率。可测试的指标包括静态定位精度、定位更新率、冷启动首次定位时间、热启动首次定位时间、失锁重捕获时间、捕获灵敏度、跟踪灵敏度、失锁重捕获灵敏度、测速精度。

系统软件使用模块化设计,各个模块之间相互协作共同完成测试软件功能,各个模块独立运行,可重复使用并易于修改与扩展[8]。自动测试系统软件功能模块如图3所示。

图3 软件功能结构

2 自动测试方法设计

根据时间特性、灵敏度特性、精度特性将测试指标分为三类,分别组合测试。

2.1 时间特性的测试方法

时间特性包括冷启动首次定位时间、热启动首次定位时间、失锁重捕获时间。冷启动首次定位时间的测试关键是保证接收机没有有效的星历、历书、概略位置及时间等信息;热启动首次定位时间的测试需要接收机记录有效的星历、历书、概略位置及时间等信息;失锁重捕要求信号短暂的中断并能够重新定位。综合考虑各指标的特点,组合测试流程如图4所示。图4中,T0至Tn均为时间参数,单位为s。

图4 时间特性测试流程

评估指标的方法:接收机从开始计时到连续N次定位误差在设定范围内的第一次满足误差要求的时间间隔为所测指标。在测试流程设计过程中,各个参数均为开放式配置模式,可使用默认设置参数或根据需求自行设置参数。

2.2 灵敏度特性的测试方法

灵敏度特性包括捕获灵敏度、失锁重捕获灵敏度、跟踪灵敏度。捕获灵敏度要求设备为无辅助的冷启动条件且定位信息能够输出满足要求的最低信号电平;失锁重捕获灵敏度要求信号短暂中断并能够重新定位满足定位要求的信号电平;跟踪灵敏度要求设备能够在捕获后,稳定输出满足定位要求的信号电平。综合考虑各指标的特点,组合测试流程如图5所示。

评估方法:捕获灵敏度、失锁重捕获灵敏度均是从开始计时到连续N次定位误差在设定范围内的第一次满足误差要求的时间间隔时的最小功率。跟踪灵敏度则是评判定位点满足定位误差要求的点数与总采样数的比率在规定范围内的最小功率。

2.3 精度特性的测试方法

精度测试包括静态定位精度、测速精度。静态定位精度是设备输出位置偏离理想位置的程度,需要得到真值与测试值;测速精度是测试速度偏离真实速度的程度。定位更新率是被测设备更新定位信息的频率。静态定位精度测试与定位更新率组合测试,测速精度可独立测试或者与定位更新率组合测试。测试流程如图6所示。

图5 灵敏度特性测试流程

图6 精度特性测试流程

评估方法:位置精度是将所测时间内所有测试点与理论点位置的标准差。定位更新率是将所测时间内收到接收机的定位信息条数与所测时间的比率。测速精度是将所测时间内所有测试点与理论点速度的标准差。

3 测试结果与分析

3.1 测试系统软件实现

GNSS接收机自动测试系统的验证需要测试系统设备与被测设备以及测试软件。测试软件参数配置界面如图7,测试系统可以模拟任意时间任意地点的不同几何精度因子下的卫星信号[10],其中测速精度测试结果界面如图8所示。

图7 测试系统信号模拟器参数配置界面

图8 测试系统测试结果显示界面

3.2 测试系统实验结果与分析

基于北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)的GNSS接收机正受到国内外用户的青睐,本文以某公司生产的BDS接收机为测试对象,分别做了时间特性的测试、灵敏度特性的测试、定位精度测试、速度精度测试。各个指标测试的基础条件为信号模拟器模拟场景为BDS的B1频点,无时变伪距误差模式,在世界大地坐标系(World Geodetic System-1984,WGS-84)下的初始位置为(39.9°N,116.3°E,大地高度0 m),信号功率-120 dBm。指标评估有效时定位精度需满足50 m误差范围。

3.2.1 时间特性测试

测试环境需满足基础条件并且用户接收机静止。对多次测试结果数据求得均值方差如表1所示,冷启动时间小于62 s,热启动时间小于25 s,失锁重捕获时间小于3 s。从方差可以看出被测接收机性能波动较大。

表1 时间特性测试实验数据与分析

3.2.2 灵敏度测试

测试环境需满足基础条件并且用户接收机静止,功率衰减幅度1 d B。通过改变发射功率测出接收机的捕获灵敏度,然后设定为失锁重捕获灵敏度与跟踪灵敏度的开始测试功率。对多次测试结果数据求得均值方差如表2所示,可以得到捕获灵敏度小于-131 d Bm,失锁重捕获灵敏度小于-135 dBm,跟踪灵敏度小于-137 dBm。各个指标的测试结果浮动较大,受模拟器信号稳定性、接收机本身工作的可靠性影响较大。

表2 灵敏度特性测试实验数据与分析

3.2.3 定位精度测试

测试环境需满足基础条件并且用户接收机静止,接收机以固定频率1 Hz更新定位结果。对多次测试结果数据进行分析,如表3所示。水平定位精度5 m左右,垂直定位精度26 m左右,三维定位精度大于26 m。水平定位精度明显好于垂直定位精度。

表3 定位精度特性测试实验数据与分析

3.2.4 测速精度

信号模拟器可模拟的载体速度为0～500 m/s,现分别采用低速、高速载体模型进行实验。测试环境需满足基础条件,采用低速汽车载体模型,方向为北偏东45°,使载体作水平直线匀速运动,测得水平速度精度结果如表4所示。

表4 水平速度精度特性测试实验数据与分析

测试环境需满足基础条件,采用高速载体模型,方向为北偏东45°,使载体作水平直线匀速运动,测得水平速度精度结果如表5所示。

表5 水平速度精度特性测试实验数据与分析

图9 速度精度特性测试结果

现对不同速度的多次测试结果误差均值绘制曲线,如图9所示。在模拟器可模拟的载体速度范围0～500 m/s内,随着载体速度的变大,载体测速精度误差趋于变大,并且最大误差不超过4.035 m/s。

4 结束语

通过测试结果表明,GNSS接收机自动测试系统能够实现对GNSS接收机整机性能的快速、可靠、灵活的测试。通过NI PXIe-8133高性能嵌入式控制器与PXI Express机箱的结合使用使系统数据吞吐量提升,工作效率提高,运行可靠。在接收机测试过程中,测试时间的长短与测试的有效性取决于测试流程参数的配置。另外,此系统目前只适合用于单接收机的测试,对于多接收机的测试需要扩展设备,例如功分器、串口服务器等,因此构建导航多接收机快速测试系统是下一步研究方向。

[1] 胡立志,董莲,陆福敏,等.基于GPS模拟器的接收机测试方法研究[J].电子测量技术,2009,32(6):34-36.

[2] 刘思睿.GNSS接收机性能综合测试技术研究[D].北京:北京化工大学,2013.

[3] 贾超广,肖海霞.基于卫星信号模拟器的北斗接收机性能测试与分析[J].导航定位学报,2013,1(4):14-16.

[4] ROHDE&SCHWARZ.GPS,GLONASS,Galileo receiver testing using a GNSS signal simulator:application note[EB/ OL].[2014-07-12].http://www.insidegnss.com/special/elib/RS_GNSS_Receiver_Testing.pdf.

[5] 彭建怡.卫星导航接收机自动测试技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2008.

[6] 金天,秦红磊,孙进芳.软件无线电导航接收机自动测试技术研究[J].电子测量技术,2009,32(4):145-150.

[7] 吴法文,张昭建,罗非心.导弹指令接收机自动测试系统设计[J].计算机测量与控制,2013,21(7):1753-1758.

[8] 王秀霞,陈吉灵.基于GPIB总线的接收机自动测试系统设计[J].计算机工程与应用,2011,47(增刊8):179-181.

[9] 张德欣,于鹏,李鹏,等.北斗一代用户机定位精度分析[J].无线电工程,2012,21(10):28-32.

[10]芮艳华,要鹏.安捷伦导航接收机测试方案[J].国外电子测量技术,2013,32(7):6-9.

Design and Implementation of Automation Test System for GNSS Receiver

XUE Xia,QIN Honglei,LU Hui
(Department of Electronic and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

For rapid,comprehensive and accurate testing GNSS receiver performance requirements,this paper builds a GNSS receiver automation test system,which based on satellite signal simulator,virtual instruments and Microsoft Visual Studio 2008 as a software developer,and National Instruments PXI hardware platform.For the characteristics of time performance,sensitivity performance and accuracy performance,this paper also presents combination test methods of related performances and separately describes overall design as well as testing methods for system,and finally uses a BDS receiver to validate automatic test system.The extensive results show the automation test system is convenient,fast and effective for GNSS receiver performance test.

satellite signal simulator;GNSS receiver;automation test system;performance test

P228

A

2095-4999(2015)-04-0095-05

2014-10-16

技术基础科研计划(J1320130001)。

薛霞(1989—),女,河北石家庄人,硕士生,主要研究方向为卫星导航和自动测试技术等。

薛霞,秦红磊,路辉.GNSS接收机自动测试系统的设计与实现[J].导航定位学报,2015,3(4):95-99,103.XUE Xia,QIN Honglei, LU Hui.Design and Implementation of Automation Test System for GNSS Receiver[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):95-99,103.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150418