基于软件无线电架构的GNSS接收机测试系统设计与实现

曹晓亮,郭承军

(电子科技大学 电子科学技术研究院,四川 成都 611731)



基于软件无线电架构的GNSS接收机测试系统设计与实现

曹晓亮,郭承军

(电子科技大学 电子科学技术研究院,四川 成都 611731)

针对目前GNSS接收机在测试检验与质量评估方面问题,提出了建设统一标准的GNSS接收机测试系统的必要性。在分析了软件无线电体系结构的基础上,结合GNSS接收机测试评估的特点提出了基于软件无线电架构的GNSS接收机测试系统。通过该测试系统的建设,能够满足GNSS接收机功能和性能的准确、标准化、全面的测试及性能评估。

GNSS接收机;软件无线电架构;测试系统

0 引 言

随着北斗、GPS、GLONASS、伽利略卫星导航系统的发展,GNSS接收机目前已经在汽车、无人机、手机、导弹、舰船、兵器等众多领域广泛应用,随着GNSS接收机的大量生产,为了保证接收机的质量,对其进行全面的测试评估需求迫切并且已成为广泛共识[1-2]。

目前GNSS接收机种类多种多样,功能和性能各不相同,但经过实际的验证,接收机已在功能、性能和可靠性等方面反映出了测试不全面、评估不准确等一系列问题,因此需要建立统一标准的GNSS接收机测试系统[3]。GNSS接收机测试评估流程有以下特点[4]:一是测试计算量大,比如导航精度测试一般需要记录上万帧数据;二是测试项目多,比如某飞机用多星座接收机测试项目多达30项;三是测试方法复杂,根据不同的接收机的指标要求,需要选择特定的数据统计方法。传统的测试方法费时费力,效率较低,特别是批量生产较大的GNSS接收机,需要改进测试手段,提高测试效率,对整个测试评估流程进行相应的整合,形成统一标准的GNSS接收机测试系统。本文针对GNSS接收机测试,设计了基于软件无线电架构的智能测试系统,该系统可以实现多设备并行测试,测试数据记录,智能测试等功能。

1 软件无线电体系结构

软件无线电体系结构是为了实现软件无线电概念具体设计的结构,包括软件、硬件等部分,是软件无线电技术的核心。目前硬件体系结构根据功能划分有流水线式结构、总线式结构、交换式网络结构和计算机网络结构[5]。流水线结构各功能模块独立,但是相互间的耦合非常紧密,如果增加修改某个功能单元,就必须改变其它功能模块甚至整个结构。总线式结构将各个功能单元通过总线连接起来,并通过总线交换数据及控制命令。交换式网络结构各个模块之间通过适配和交换网络进行数据包的交换,各个模块之间遵循相同接口和协议,这样不仅模块之间耦合性很弱,还可以方便地实现数据的广播和选播,拓展性好。计算机网络结构用网络连接构成计算机机群作为运算平台,用消息传递实现计算机间的互联,通过采用一种协同计算方案解决其关键技术和实现机制问题。

软件无线电中的软件具有良好的开放性,采用模块化、结构化设计,方便升级。软件体系结构有软件总线结构、软件库结构、分层体系结构和主控程序/子程序结构[6-7]。软件总线与硬件总线类似,将应用模块按标准做成插件,插入总线即可实现集成运行,从而支持分布式的计算环境。软件库结构是把系统分为几个子系统,每个子系统执行特定的通信功能,系统输入和输出的数据分为一个个数据模块,当一个数据块到达某个子系统时,该子系统就开始运行,并把处理完的数据块发送到下一个子系统。分层体系结构分为三层,接口层、配置层和处理层,均是基于流处理的,这种工作方式可使得模块间的接口得到极大的简化并能有效地进行资源分配和复杂的数据处理,保持对硬件的重用性。主控程序/子程序结构采用集中控制的方式,使各个模块在一个主控程序的控制下协调工作,各个模块之间的通信通过共享数据来完成,而模块之间的协调完全由主控程序负责。

2 系统体系架构设计

通过对软件无线电体系结构的分析,提出了面向GNSS接收机测试系统的架构,从整体的架构,软件架构,硬件实现,都体现了软件无线电体系结构硬件部分越来越通用化,软件部分越来越层次化、功能化的特点。

根据GNSS接收机测试需求、接收机测试系统功能指标的要求,运用软件无线电中的分层体系结构,对GNSS接收机测试系统进行了顶层的架构设计,如图1所示。

GNSS接收机测试系统体系架构设计为链路层、设备层、接口层、处理层、人机交互层5层。链路层和设备层由系统内的硬件设备组成,接口层、处理层、人机交互层由系统内的软件部分实现。

2.1 链路层

链路层是连接GNSS接收机测试系统内外各设备的中介,为系统进行信号与信息的交互服务。主要是为GNSS接收机提供导航信号和通信信息等链路服务。通过线缆与硬件设备连接,支持导航信号网络、业务数据网络、监控网络和供电网络。

2.2 设备层

设备层是GNSS接收机测试系统的主要硬件组成部分,用于GNSS接收机的测试功能。其中有各相关测试设备及通信网络设备,主要分为卫星导航信号源,干扰信号源,通用测试仪器,时间间隔计数器,计算机及网络设备。

2.3 接口层

接口层是整个系统的设备和软件的操作的实施者,各种功能有软件模块实现。它直接与系统内各种设备进行交互,包括参数的配置、数据的传输以及控制和管理各种设备。包括测试标定信号接口协议和监控与业务控制信息接口协议实施,完成导航信号的仿真计算,设备状态的采集和数据库管理,是整个系统的运行管理的基础。

2.4 处理层

处理层是对系统内各种数据进行分析处理,是整个系统的核心部分,对接口层的各个模块的数据进行处理并进行相应的控制。包括对测试数据的采集与处理,各个相应设备的调度管理,测试任务的流程控制。

2.5 人机交互层

人机交互层是为了方便用户与控制测试系统进行交互。包括对处理层数据的显示,测试项目管理,测试数据管理以及设备参数的配置,并根据测试的结果对测试流程进行控制。测试项目管理是完成测试项目与流程的增删与改变;测试数据管理是完成对测试数据类型的选择及存储管理。

3 系统软件体系架构设计

软件的系统体系架构如图2所示[8],主要采用软件无线电软件体系结构中的模块化设计。

GNSS 接收机测试系统软件主要包括:测试控制模块,测试管理模块,分析评估模块。测试控制模块主要功能是完成系统运行的所有控制功能,向各个分系统及设备发送控制指令,完成数学仿真控制,射频信号产生的控制等。其中数据仿真控制模块,需要对测试的项目设置相应的场景,包括卫星的星座,空间环境,用户轨迹,观测数据等。测试管理模块主要是完成系统用户数据的管理,包括用户的数据信息,测试项目的信息。分析评估模块主要是完成测试数据的分析评价和测试报表产生的功能。分析评估模块根据数据库中的测试数据及仿真数据,按照不同项目的标准利用相应的评估模型对测试数据进行处理,生成相应的评估报表。

4 测试系统实现

测试系统组成方案如图3所示。测试系统运用了软件无线电中的总线式结构,同国内GNSS测试系统实现类似[8],测试系统将在真实环境和模拟卫星信号的环境下测试,本测试系统通过多种总线结构的方式,实现对整个系统的集成。

GNSS接收机测试系统在实验室仿真GPS、北斗、GLONASS以及GALILEO卫星星座、卫星运动特性以及实际空间特性,仿真接收机在实际场合下的典型运动特性,模拟接收机在典型运动特性下天线接收到的动态导航信号,构建接收机在各种典型应用条件下的测试环境[9]。

GNSS接收机测试系统主要由测试控制与评估、卫星信号模拟器、信号干扰源、入站接收机、通用仪器、测试环境等组成。测试系统主要分为两个区域,控制机房和微波暗室。控制机房主要有设备仪器机柜,系统控制台和有线测试台,主要完成系统控制和有线测试台;微波暗室主要有收发天线、接收机、程控电源和转台。

测试控制与评估的主要功能是完成测试流程的控制、测试条件的配置、测试数据的采集与存储和测试结果的分析与评估。卫星信号模拟器[10]是由信号模拟源和数学仿真软件组成。信号模拟器主要任务是把数学仿真软件产生的观测数据,空间环境和导航电文精确的生成射频模拟信号,提供给测试环境使用。数学仿真软件主要的作用是仿真接收机在不同的运动状态下接收到的导航电文及其观测数据,为信号模拟仿真提供数据源。信号干扰源主要是模拟接收机在不同干扰环境下的干扰信号,干扰信号将会和信号模拟源产生的信号合成,作为接收机接收到的卫星信号。

入站接收机的主要功能是对被测接收机发射的RDSS入站短发信号进行捕获、跟踪和解调,完成对信息的解析,对入站短突发信号功能、频偏、BPSK载波相位调制偏差、伪距和载波抑制度等信号特性的测量[11]。通过仪器主要包括矢量网络分析仪、功率计、频谱仪、时间间隔计数器和示波器等[12]。这些仪器可以在测试控制与评估模块的控制下完成对接收机部分指标的测试。测试环境有无线测试环境和有线测试环境。无线测试环境是在微波暗室内模拟空间环境对接收机进行无线测试,主要有微波暗室,测试天线,转台和测试控制端口等组成,为被测接收机提供无线测试环境。有线测试环境是通过射频线缆直接与被测接收机射频输入端口连接。

在系统验证的过程中,该GNSS接收机测试系统对GNSS接收机进行测试,测试项目包括TTFF时间,静态定位精度,动态定位精度,捕获灵敏度,跟踪灵敏度等,测试系统能够准确对接收机进行评估并生成报告。大量的测试结果表明该测试系统具有较好的可靠性,完备性。

5 结束语

通过对软件无线电体系结构的研究,设计了适合GNSS接收机测试系统的架构和软件架构,并提出了测试系统的实现方案。该方案具备自动化测试控制能力,能够满足用户实时及测试后评估需求,具有良好的可拓展性,已经应用在某测试系统中,获得良好的效果,具有推广价值。

[1] 陈锡春,谭志强.北斗用户设备测试系统的测试及标定[J].信息工程大学学报,2015,3(16):318-320.

[2] 杨靖宝.卫星用户导航设备性能测试和评估方法初探[J].全球定位系统,2012,37(3):56-57.

[3] 庄春华,张益青,程越,等.卫星导航用户终端性能测试控制系统设计[J].计算机测量与控制, 2014,22(7):2080-2083.

[4] 代睿.基于 MFC 和 MATLAB GUI 的卫星导航设备智能测试系统研究[J].现代导航,2015,5:436-440.

[5] 王晓琴,黑勇.软件无线电硬件体系结构研究[J].科学技术与工程,2006,6(13):1820-1824.

[6] 吕会红.软件无线电 SDR 的软件体系结构研究[J].无线通信技术,2011(3):54-58.

[7] 陈大海,张健,向敬成.软件无线电体系结构研究[J].信息与电子工程,2003,(4):318-322.

[8] 陈锡春,谭志强,李锋.北斗用户终端测试系统的设计与实现[J].无线电工程,2015,45(1):40-43.

[9] 张桂华,陈锡春.北斗用户设备测试系统的设计与实现[J]. 电子测量与仪器学报,2009 (1):16-21.

[10] 叶红军.多模式卫星导航模拟器设计与实现[J]. 无线电工程,2014,44(7):43-46.

[11] 姚国义,李鑫,兰瑞田. 一种突发通信信号检测与频偏估计算法[J].无线电通信技术,2014,40(4):22-23.

[12] 刘岩,姚志成,范志良,等.导航卫星仿真信号控制精度测试与评定[J].无线电工程,2013,43(10):29-32.

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

曹晓亮 (1991-),男,江西人,硕士生,研究方向为卫星导航和GNSS接收机测试。

郭承军 (1985-),男,山东人,博士,主要研究方向为 GNSS 互换性与泛在位置服务、新时空体系、完好性及增强系统。

联系人： 曹晓亮 E-mail:cxlchina@foxmail.com