卫星导航用户设备测试方法与场景设计研究

张 威

（深圳市远东华强导航定位有限公司石家庄分公司，河北 石家庄 050200）

0 引 言

目前，卫星导航系统是一种为用户提供位置信息、时间信息的实时化信息服务，已然在军工和民用等方面占据重要地位。用户设备测试系统是对于各类生产的用户机设备，对其信号捕捉性能、定位精度、抗干扰等基本性能进行统一化、标准化测试。根据不同的用户机设备制定针对性的测试方法，判断用户设备硬件与软件的信息处理效果，是当前需要解决的问题之一。为科学评估用户设备的各项指标参数，在实验室的环境下模拟真实工作环境，设计出一套科学合理的测试场景模板。

1 卫星导航用户设备测试方法概述

当前，用户设备定位原理与全球定位系统（Global Position System，GPS）技术相类似，其定位技术均是从有源定位逐渐过渡到无源定位，定位精度也与GPS技术相接近。根据预先设计的构想，采用卫星导航信号模拟器设备。该设备涵盖数学仿真组件、测试评估组件、射频信号仿真组件。其中，数学仿真组件可以为用户提供卫星运行的基本模型参数，并以图像化的形式予以展现；射频信号仿真组件可以根据信号产生各类特殊的真实射频信号，将信号传输到测试评估组件进行综合评估测试结果。此外，用户设备检测在室外应用测试阶段，须设置各种复杂的电磁环境以及作战环境等，实时记录环境变化带来的接收机性能数据的限制[1]。

2 用户设备工作原理

2.1 用户设备的基本结构

卫星导航用户设备也被称为接收机端设备，是一种可以接收、变换与测量的定位信号的无线电接收终端。当前，卫星导航用户设备因功能和使用场景的不同，导致用户设备接收器的种类较多，但是从设备的组成结构上来分析，一般分为2个模块，即天线单元和接收单元。

天线单元是用来将到达的卫星信号转化为微波电信号，并将此信号进行放大处理，其包括2个组件，即天线与前置放大器。在日常使用中，卫星信号的工作频率会受到临近频段信号（移动电话信号、超高频电视信号等）的影响，轻则出现信号波动，重则引发接收机终端的故障。在天线单元中须设计抗干扰组件，保证设备拥有稳定的接收信号与放大信号的功能。

以信号通道为例，作为接收单元的核心组成部件之一，是一种软硬件相互结合的设备。根据捕捉伪噪声码的不同模式，分为2种类型，一是相关型编码通道，该类型是借助伪噪声码互相关电路，将扩频信号进行解扩之后，提取伪距观测量数据，并辅助解译出卫星导航电文；二是平方律编码通道，该类型是借助卫星信号时延电路和自乘电路相结合的模式，用来获取重建载波数据，因为该通道会限制数据码，所以无法与相关型通道一样解译出卫星导航电文[2]。

2.2 用户设备的工作原理

在卫星导航定位工作环节中，用户设备须完成卫星信号的搜索与捕获、卫星信号的跟踪、观测量的获取等。在卫星信号的搜索与捕获中，以GPS技术为例，当用户设备在测量阶段，同时搜索到了12颗GPS卫星的信号，则说明有24个导航定位信号会同时到达用户的全向接收天线。卫星信号的截取过程：在搜索阶段会存在C/A码，即接收自卫星的接收码与接收设备产生的本地码，与接收码和本地码对应的还涉及接收载波与本地载波。因卫星的运动引发多普勒效应，接收载波的频率会随着时间的变化而不断的产生变化。在卫星信号的搜索阶段，需要将本地码与接收码一一对应，同样本地载波的频率要与接收载波的频率保持一致。搜索方式是根据设置的码元搜索区间与多普勒频移搜索区间进行对等标定。

2.3 用户设备关键性能指标分析

用户设备关键性能指标包括接收灵敏度、信号捕获与重捕时间、伪距测量精度、定位测速精度等需要对其进行测定和分析。

3 用户设备测试方法研究

3.1 接收灵敏度测试

在接收灵敏度的测试环节中，要以解调卫星导航电文的误码率为衡量设备性能的依据。根据性能指标要求，用户设备的误码率要在1×10-6接收信号功率范围之内。首先，初始化测试。预先设定好测试场景的一些固定参数，要求卫星星座为12颗导航卫星，误差参数的设置须按照无误差的模式进行，用户轨迹设定为静态模式，功率信号则为接收灵敏度。其次，数据仿真系统。该系统要预先根据初始化场景配置的新参数快速生成一系列的测试数据文件，若存在相应的测试文件也可以直接导出使用。再次，控制射频仿真系统生成射频信号，用户设备可以对射频信号进行捕获与追踪，并发出锁定指示信号。最后，用户终端设备会上报导航电文指令，以16进制的数字编码。测试系统会把上报与发送的导航电文按位对比，以统计出可能出现的误码率[3]。

为了进一步测试接收机的灵敏度性能指数，在测试阶段需要测试最大信号功率的误码率。目前，接收机一般为多通道接收设备，在正常的测试环节中，优先考虑多通道并行工作模式，可有效缩短测试的时间。根据实际测试中的结果来看，可以将测试时间缩短至20 min以内。此外，接收灵敏度的测试要分为包含天线的有线测试和不包含天线的无线测试。无线测试可以测试接收机天线性能和方向图特性，有线测试可以测试接收机的基带信号处理效果。导航电文播发时存在重复规律性，目的在于反映接收机的误码率。为此，误码率的测试要在专业的测试电文下进行，并分别统计丢帧、重复帧。

3.2 伪距测量精度测试

伪距测量精度是一项测试用户设备的关键指标，可以直接地反映接收机跟踪效果。根据伪随机码测量出的伪码公式，得出从接收机上报的原始伪码观察值中剔除接收机钟差的限制。钟差测试法是一种借助高精度数据延时滤波器测量接收机的钟差，能够在静态测试模式中得到接收机钟差的测量误差和通道时延的影响。当接收机的轨迹模型是静态且模拟信号不含误差时，测距误差项为

将接收机连续观察1个时间段，根据统计学的研究规律得到观察噪声的数学期望为0，在实际测试模式下，接收机伪距测量误差，此时有

式中：CEj指接收机钟差引起的等效距离。

因此，可以把静态模式测试下得到的接收机钟差测量误差和多通道时延影响代入以上公式，结合实际测试环境下的伪距观测值数据、仿真几何距离数据、计数器钟差数据等，并在多次测量的前提下得到准确的测距精度数据值。

在本过程中，数据仿真系统生成的多颗静态卫星观察数据、卫星钟差等均按照无误差的设计模式，且不预先制定完好性时间参数。之后，对时间间隔分析仪设备进行初始化，将其接入到系统时钟以及被测用户设备的端口输出。模拟信号源会生成用于静态测试环境下的卫星定位信号，接收机进行伪距测量、上报指令等，经过一段时间后，评估测试系统计算各个接收机的钟差测量误差和通道时延。

3.3 多通道时延一致性测试

导航卫星信号是在多个不同的工作载波频率上进行工作，导致信号在经过接收机的各个通道都会存在一定的时间延时。以多星测试法为例，测试系统中存在多颗卫星信号，控制接收机不同通道后锁定不同卫星的信号，以完成伪距测量和上报原始的观测数据为

由于各个通道均采用的是不同卫星信号，因此得到观测数据值并不相同。为保证获取通道间的时延差数据，可以选定某一个通道为基准通道，将其与其他的通道进行作差处理，并代入测试系统仿真的理论伪距值，方可得到各通道的时延差值。采用多星测试系统，仿真了多颗不同卫星的伪距值，避免了无法辨别接收机通道数据真伪的特征，得到的通道测试数据值基本符合用户设备的实际应用效果[4]。

基本的测试流程为：首先，初始化场景参数和测试场景文件，按照星座设置为多颗卫星，误差参数的设置同样设置成无误差模式等；其次，在测试系统开启后进行信号源的模拟操作，根据卫星导航信号控制用户机锁定各通道信号，在接收机下达上报指令，接收机测试系统接收数据并进行存储；最后，借助测试评估系统，在数据库中读取原始的数据与仿真数据，快速地得到测试结果。

4 测试场景的关键与设计

4.1 常用时空系统介绍

常用的时空系统一般分为坐标系统（天球坐标系、地球坐标系、发射坐标系等）、时间系统（恒星时、世界时、协调世界时、儒略历等）。

4.2 卫星星座仿真

卫星的运动一般是根据6个开普勒轨道根数，也被称为第1类轨道根数进行描述。GEO卫星是地球的同步轨道卫星，其轨道偏心率e在数值上十分接近于0，且近地点的位置不容易确定，导致轨道平面的方位和卫星轨道运动时间的起点偏差较大。基于此，尚不使用第1类轨道根数，而是使用第2类轨道根数，即

式中：M为平近点角；n为卫星运动的平均角速度；e为轨道偏心率。

同样，基于用户设备测试系统的工作内容与方式，仅是测试仿真阶段任意时刻接收机前端的接收信号，无须保证任意时刻的卫星位置与真实的位置相一致，目的在于简化模型仿真，排除其他因素的干扰。

卫星位置的计算方式如下。

4.3 用户轨迹模型

要想检测不同运动方式下，卫星导航用户设备的实际工作现状，可按照需求尽可能多地模拟目标的运动轨迹，如针对低动态用户的轨迹、高动态用户的轨迹。以低动态用户轨迹为例，结合运动载体的数学模型可构建出如下模型。

4.4 误差仿真模型

卫星导航用户设备在实际运行阶段，会受到来自卫星信号的多种误差限制，造成定位误差。为此，特结合卫星时钟误差模型简要分析。因用户的定位精度与卫星时钟存在一定的关联，通常体现为测距误差。以原子钟的钟差模型为例，制定时刻中差观测量和系统时间之间的关系模型，即

式中：a为轨道半长轴。

此外，在实际应用阶段，以上模型中的参数会由导航电文传递到接收机，接收机设备会根据模型对卫星钟差误差作出伪距修正，而无法保证接收机接收到的真实数据，因此需要在卫星钟差中添加可控制的误差系数，如将卫星钟差作为白噪声，输入到一阶马尔科夫中进行模拟，以此得到实际的测试效果。

5 结 论

随着北斗卫星导航的陆续发射，国内导航设备的功能逐渐趋于完善，但是在用户设备测试方面还存在一定不足。在卫星导航用户设备测试中，逐步形成和用户设备的理论评估与考核体系。例如，在考核指标中，一般以定位精度、灵敏度、首次定位时间、通道延时性以及抗干扰检测等作为基本指标。在实际的测试中要想符合测试的可靠性标准，需要在实验室环境中进行真实环境模拟，如复杂电磁环境的生成、卫星模拟信号的产生、边界条件的设定等。经过本文对卫星导航用户设备测试方法与场景设计的研究，希望为研究人员提供理论指导。