浅谈GNSS测试方案设计

国际 王田 刘成 苏牡丹 薛仁魁

摘要：当前，GNSS系统建设及应用快速发展，在研发生产过程中会带来大量测试工作。然而，测试设计中很少具备通用的测试标准和流程。本文就这一问题，介绍了基础性的通用测试原则，例如精度、灵敏度、首次定位时间、健壮性等关键指标，这些指标对GNSS产品竞争力和用户体验有着重要影响;讨论了信号源的选取方法及特点;分析了模拟信号及真实信号两类测试方法。

关键词：GNSS测试;关键指标;信号源

中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）07-0166-03

1 综述

GNSS（全球卫星导航系统）工程师在研发生产过程中经常会遇到缺少通用的测试标准及流程的情况。比如，GNSS系统中不同阶段对应的测试，安排多少比重的测试工作是合理的？关键的性能指标如何测试？什么样的设备装置最适用于测试？通过或者失败的判断准则又是怎样规定的？因此，很有必要在测试工作中总结出一些共性、基础性的测试特点或原则。通常的讲，GNSS测试中一般含有五项基础测试[1]：

一是冷、温、热启动的首次定位时间（TTFF）测试。指在开始阶段测试接收机能多快追踪到卫星以及输出有用信息。通常记录的是接收机耗费多长时间完成对卫星校正适应，并能严格地报告出可接受的位置、时间等计算结果。使用接收机时，接收机内的芯片组一般具备了关于位置和时间的预存数据。因为预先存储的年歷、星历和相关位置数据等因素都会影响到TTFF结果。所以这类测试应考虑冷、温、热启动等三种状态，如表1所示。

工程师会利用仿真设备来创建测试场景，用于快速仿真冷启动环境。通常做法是在地球相反的另一端虚拟放置另外一台接收机，天线位于两台接收机之间，这样在进行冷启动测试中，接收机已存储数据不需要每次手动删除。

二是关于获取和追踪性能的接收机灵敏度测试。一般会测试接收机达到稳定定位性能时所需要的GNSS信号强度，和当遇到障碍物时，接收机的信号强度会保持到什么程度才能正常工作。搭建测试场景的通常做法是先大幅降低用于获取星座信息的正常信号强度，不断降低直至需要再次增加信号强度时才能获取到精确的位置信息，这时对应的信号强度即是所求的测量结果。跟踪灵敏度测试对于GNSS设备来说是至关重要，这需要设备在信号强度变化时持续提供可信的结果。测试设备是可移动的;设置信号强度开始时略高于获取门限值，然后逐步减弱，直到接收机不再能跟踪到码字和载波相位，也提供不了精确可信的定位信息。

三是时间和位置精度测试。在信号可控的测试条件下，应把从接收机观测到的输出结果与已知的真实数据相比较，并且用图表示出来。由于GNSS定位估算是天然随机的，测试必须重复多次，然后得出概率结果，画出半径。某些测试中需要得出三维结果，这就要测量出球形半径;还有些情况下，考虑到移动特性，在接收机静态和移动状态下均需输出性能结果。

四是丢失卫星信号时重新获取时间测试。重新获取所需时间会对用户满意度产生重要影响。在一些特殊场景下，例如驾驶汽车通过隧道，工程师需要搭建测试，测出部署在车辆内部的导航系统每次需要几分钟来重新计算定位信息。在实验室条件下，测试可以利用仿真器开关命令来模拟信号暂时丢失的场景，之后可以观测接收机输出结果，记录时间间隔，即信号重新出现和接收机重新获取位置信息之间所需的时间长度。考虑到星座几何分布会很大程度上影响重新获取时间的性能表现，因此，必须星座几何分布参数在每次测试都是一样的。

五是健壮性测试。随着用户越来越依赖精确定位、导航和授时功能，也会不断面对现实世界的威胁，例如拥堵、欺骗、太阳风暴、数据部分错误等，衡量接收机适应性的测试也成为了GNSS基础性能测试之一。适应性测试的第一步是风险评估，在每天操作中，确定系统或设备受到风险因子影响时发生故障的概率;以及一旦发生故障，导致故障的威胁或脆弱性具备什么特点。工程师应估计信号中断的影响程度，无论是因为事故性故障造成的，或是蓄意制造拥堵和欺骗导致的。这类测试可以衡量出当阻碍变得严重时，在哪个阶段接收机会发出用户警告。如今，我们可以仿真各种GNSS故障场景，例如采用从故障中抓取的真实干扰波形，或是仿真各种类型的欺骗攻击，并同时持续监测系统关键参数。这种系统脆弱性监测可以使测试工程师充分了解情况、做出决策，并且采用适当、有效的技术减轻损害。

2 信号源的选取

测试方案很大程度上依赖于测试用信号源，而来自卫星的真正活动信号很少能正好适合于测试。卫星持续地改变几何分布，以及不可预知的大气环境因素，都会导致测试失败：理想条件下的仿真信号很少具备真实信号的特点，导致测试结果很难解释。

找到一种可信的、可控的、可重复的信号源至关重要。一般情况下，采用仿真设备或是记录—回放系统。仿真设备会模拟一个或多个GNSS卫星分布，将可重复的RF信号提供给接收机。它们可以帮助用户建立测试用例，并且能很好地控制测试条件。记录—回放系统将真实世界的RF条件作为采样，然后以数字的形式保存下来，并且可以再生成RF信号。记录—回放系统在抓取真实世界信号的丰富特点上有优势;仿真设备在控制参数和机动性上有优势。大型测试方法通常会同时包含这两项技术。表2总结了采用仿真设备、记录—回放系统、真实活动信号的测试不同之处。

理想条件下，GNSS测试中采用的信号源应能精准地、很好地控制信号参数。例如，精准降低信号强度直至接收机的跟踪门限值。同时信号源也应在创建场景时具备机动性，这种场景应与真实用例极尽相似，并且可测试出接收机逼近极限的性能。信号源创建出的信号环境应是完整的，在现实中可信的;提供给设备的信号与真实信号仅在复杂性和细节上有细微差别。测试必须是可重复的，整个测试装置应很快能投入使用，可以很迅速的重复操作，并能充分满足比较功能和完成平均值统计结果输出。

3 测试方法

3.1 模拟信号测试方法

在信号源选取的基础上，可对基础项目进行自动化定量测试，对被测终端关键性能进行量化考核，不仅有助于提升研发企业对自身产品性能的全方位了解，还有助于质检机构对产品质量保驾护航。

利用卫星导航信号模拟源搭建测试平台，是目前最常用的测试形态。其原理是利用卫星导航信号模拟器产生卫星射频信号输入给被测终端，终端卫星信号处理模块接收信号进行定位解算并将导航结果上报给控制评估计算机，控制评估计算机将上报的定位结果与模拟器的参考轨迹信息进行比对，得出终端的性能参数[2]，测试原理如图1所示。

卫星导航信号模拟源是该测试形态的主要支柱，具备完备的卫星导航信号仿真能力和操控能力，能够设定某颗卫星位置变化规律，轨道、卫星钟差、电离层对流层时延等系统误差可控，输出信号功率亦可控，成为导航实验室和测试研发机构不可或缺的仪器[3]。利用其搭建的测试平台进行终端性能测试，具有成本低、重复性好、测试流程可控、测试效率高等优点。

模拟信号测试平台（见图2）由GNSS卫星信号模拟源、多路射频信号分配系统和测试控制与评估软件分系统组成，支持8路并行自动化测试。在测试方法上，该平台优化了测试流程，通过自动定时播发测试相关指令，实时接收被测设备上报数据，利用专门的评估软件给出实时评估结果，极大地提高了测试效率和测试可控性。

模拟信号还有一种测试形态为无线暗室，优点在于重复性好、可控性好、可全天候工作，与外界电磁环境隔离便于保密，可以对包括天线和射频前端在内的整机系统进行测试[4]。

3.2 实际信号测试方法

此类测试形态即在实际信号环境下采用跑车进行测试，没有模型的近似，完全符合真实情况，测试的结果就是导航终端的实际性能，原理框图如图3所示。但实际信号测试结果與测试场景的星座状态、终端周边环境以及当时的大气信号传播环境密切相关，测试不可重复，测试成本较高。由此带来了目前行业内力推的记录—回放测试，其测试原理与测试平台同真实信号类似。

实际测试中，将组合惯导系统和基准站进行安装、连接及调试，被测终端放置在测试工位，对组合惯导系统及被测设备加电，测试系统发送测试指令，实时记录组合惯导系统和被测设备数据，事后进行评估。

记录-回放测试类似[5]，首先在真实信号情况下选取典型场景，进行真实信号记录，获取导航真实信号和基准数据，随后在实验室进行多次回放，不仅能够避免实际外场测试时卫星信号的不确定性，而且可以减少外场测试的时间和费用，在一定程度上解决了卫星导航终端室内仿真环境与真实坏境的测试不一致性问题[6]。

3.3 测试设备校准

测试的最后一步是确认采用的测试设备本身的精度。测试设备性能的变化有可能在测试结果中引入系统错误，因此，常规的设备再校准和认证是很重要的测试保障。

4 结语

随着北斗三号系统部署的全面加速推进，卫星应用将渗入各行各业，对卫星终端提出了多样化的需求，因而对终端性能的考核越发引起行业的关注。本文介绍了基础的测试项目及对应测试方法测试平台，从测试全流程角度对终端性能测试评估方案做了详细论述，将为北斗产品设计正确性、测试完备性、公正性以及测试结果一致性提供保障，为北斗导航技术和相关产品的开发、市场普及和全球化推广提供技术支持。

参考文献

[1] 北斗/全球卫星导航系统（GNSS）导航单元性能要求及测试方法[S].BD 420005-2015，中国卫星导航系统管理办公室.

[2] 贾超广.基于卫星信号模拟器的北斗接收机测试方法[C].第四届中国卫星导航学术年会电子文集.武汉：中国卫星导航学术年会组委会，2013.

[3] 王田，夏天，张书锋，等.导航终端测试技术研究综述[J].计测技术，2015，35（4）：6-9.

[4] 杨博，郭淑霞，刘宁.基于大型微波暗室的卫星导航接收机测试[C].第一届中国卫星导航学术年会电子文集.北京：中国卫星导航学术年会组委会，2010.

[5] Brian Weinstein， Dennis Akos， Eric Vinande， Tianxing Chu： GNSS Receiver Evaluation Record and Playback Test Methods[J].GPS World，December17，2009：23-26.