北斗卫星定位接收机软件测试要点及方法

金腾辉 黄永兢 刘灿

（工业和信息化部电子第五研究所 广东省广州市 511370）

1 背景知识

自北斗三号全球卫星导航系统上线至今，它一直平稳运转，为全世界客户提供服务。它已经成功应用于交通、水文地质检测、气象测报、农林水产、供电调节、通讯授时、救援减灾、公共安全等方面，取得了显著的社会和经济效益。随着北斗系统的普及，众多厂商纷纷采用它，它已经深入到中国民众的生活中，改变着人们的生产和生活方式。

在商业或军事应用中，卫星定位用户体验受到多个因素的影响。接收机提供的用户体验是产品优劣的决定性因素。而决定用户体验质量的因素主要包括以下几点:

（1）冷启动时间：从打开接收机设备到接收机开始正确输出设备位置坐标的时间。

（2）温启动时间：如果接收机关闭时间超过2 小时，或者是下电后移动了较远的距离，然后再开机称之为温启动，接收机保存了上次定位用的卫星的位置、历书和UTC 时间信息，但是星历发生了变化。在温启动时，接收机利用这些辅助数据能计算出时间的大概值，但是无法计算出精确的位置信息。

（3）热启动时间：当接收机关闭时间较短且移动距离不大时，它将拥有相当精确的卫星相关信息，通常可以使用这一信息来捕获卫星信号，并较快地计算出位置，热启动时间指在此情况下输出定位结果的时间。

（4）抗干扰性能：接收机对于干扰信号的抗干扰能力，如压制式干扰、欺骗式干扰等。

（5）天线灵敏度：当遇到微弱信号或劣质信号时，接收机是否仍能确定其位置。包含两个不同级别的灵敏度：捕获灵敏度和跟踪灵敏度。

（6）失锁重捕获时间：卫星信号中断后短时间恢复，接收机恢复定位并重新输出定位结果的时间。

（7）定位精度：定位精度是指接收机计算结果与其真实位置之间的接近程度。

2 测试要点及方法

北斗卫星定位接收机是整个卫星导航系统应用环节中的终端设备，是生产数量最多的设备，卫星导航的系统性能和作用是最终是通过做过终端的接收机设备得以实现和发挥作用的。市面上卫星定位接收机品种多样，用途功能不同，没有统一的标准来判断其档次。这时候对卫星定位接收机的主要性能指标进行测试就显得十分必要了。

本文使用到的测试环境主要是分室外和实验室环境，传统的测试方法是在室外对天用接收机接收天空中的真实卫星信号，然后评估其指标，但是这种测试方法受局限如气候、建筑物等影响较大，另一种方法是在实验室微波暗室的环境下使用卫星信号模拟器来对接收机性能进行测试，通过模拟源上的控制软件可以控制产生不同的测试场景，此种测试环境是一个稳定、准确、可靠和理想的测试环境。在此环境下能在排除外界各种干扰的情况下对接收机的性能指标进行定量的考核。但是实验室是完全理想的环境，我们还需要考虑接收机的实际应用场景，所以大部分的测试还是结合室外场景一起进行测试。

本文主要是从工程实践方面逐条介绍影响卫星定位接收机的性能的各项指标及测试要点，并结合传统测试方法和在实验室环境使用卫星信号模拟器的方法分条描述相应的测试方法。

2.1 冷启动时间

冷启动是指卫星定位接收机在历书不可用、无概略位置的条件下，首次完成定位所需要的时间，行业标准一般是要求2 分钟。接收机先从卫星接收数据，接收到卫星的星历数据后，接收机将根据这些信息来计算出其首个修正方位。

通常接收机定位需要经历捕获卫星，同步解调，电文解算等步骤最后才能输出定位结果，因此决定卫星冷启动时间的因素主要有以上这几个步骤，而卫星的分布，信号的优劣也对以上步骤有很大影响，卫星的分布由PDOP（卫星分布的空间几何强度因子，PDOP 值越小代卫星分布越好）值来衡量，下文均取PDOP 值小于3 的理想状态进行测试。

对于冷启动时间的测试通常需要使用到卫星信号模拟器或者直接通过天线接收真实卫星信号进行测试。通过卫星信号模拟器模拟产生指定位置的卫星信号，通过射频线缆与接收机天线连接，接收机开机后开始计时T1，接收机输出定位结果时间为T2，计算T2-T1 的值即为接收机的定位时间。或直接使用测试设备先清空接收机存储空间存储的历书等数据后重新定位，同样方法计算得到接收机的冷启动时间。

因为不同的时间场景下，卫星的数量和分布都不相同，所以接收机进入的场景以及场景的时间不一样，冷启动时间可能也会发生变化，因此我们在测试过程中应考虑地球上多个不同的坐标，并多次分别计算出不同位置的定位时间，然后对测试结果求平均值。

2.2 温启动时间

温启动是指卫星定位接收机在历书可用、有概略位置的条件下，完成定位所需要的时间，行业标准一般是要求1 分钟。

温启动的一个必要条件就是接收机历书可用。因此此类测试也可用考虑使用到卫星信号模拟器或者直接通过天线接收真实卫星信号进行测试。通过卫星信号模拟器模拟产生指定坐标的卫星信号，接收机完成历书接收并首次定位后关闭接收机，在历书未发生变化的时间段内重新对设备开机进行定位，此时接收机完成定位时间即为温启动时间，使用真实卫星信号测试同理。最后多次分别计算出不同位置的时间，然后对测试结果求平均值即为温启动时间。

2.3 热启动时间

热启动是指卫星定位接收机在历书和星历可用、有概略位置条件下，完成定位所需要的时间，行业标准一般是要求15 秒。由于接收机拥有相当精确的卫星相关信息，因此接收机可以使用这一信息来捕获卫星信号，并较快地计算出位置，常见于短暂停电或更换电池的情况。

通过卫星信号模拟器模拟产生指定坐标的卫星信号，接收机完成定位后关闭接收机，短时间内重新对设备开机进行定位，此时接收机完成定位时间即为热启动时间。最后在不同的场景多次分别计算出不同位置的时间，然后对测试结果求平均值即为热启动时间。

2.4 抗干扰能力

卫星容易受到干扰，这主要取决于自身信号的特点，地面上的接收机，需要接收到来自两三万公里外的北斗卫星信号，由于这个传播距离非常遥远，所以接收到的电磁波信号十分微弱，甚至比噪声的功率还要低，再加上地球是一个相对开放的空间，只要是落在信号频段内的电磁波，都能够对北斗信号带来干扰，所以干扰的种类可谓是多种多样。接收机的受到的干扰主要有以下几种形式，欺骗式干扰、压制式干扰以及它们的组合干扰。欺骗式干扰有转发式欺骗干扰和生产式欺骗干扰；压制式干扰又可分为宽带压制式干扰和窄带压制式干扰。为了有效抵御各种干扰，接收机可以采用扩频技术或带阻频谱滤波技术来抑制噪声，或者采用自适应阵列天线技术来抵抗外界的干扰。

图1：室外测试环境示意图

图2：实验室测试环境示意图

我们在测试时通常需要用到干扰源来进行测试，对天接收卫星信号时可以直接在天线的各个方位使用干扰源播发干扰信号，或使用多个干扰源在各个方向同时播发单一或组合的干扰信号来模拟现实中的干扰信号，对比接收机输出的定位结果和天线所在基准点的坐标，来评价接收机的抗干扰能力。当然如具备条件可以在微波暗室使用卫星信号模拟器模拟产生指定位置的卫星信号，同时播发干扰信号，对比定位结果与卫星信号模拟器设置的坐标。

2.5 灵敏度

灵敏度是卫星接收机能正常定位所需的天线最小信号接收功率。因此天线灵敏度也是衡量接收机性能的一个关键指标。捕获灵敏度和跟踪灵敏度是需要重点关注的两个指标。

捕获灵敏度是指允许接收机在指定期限内成功执行冷启动的最低信号电平。信号捕获过程中的信号电平必须高于跟踪过程中的信号电平，因为时间同步是未知的。捕获灵敏度测试中，通过卫星信号源向接收机播发卫星信号，可以使用测试计算机监听接收机输出的定位结果数据，查看捕获成功标志，逐步降低信号功率，直到接收机无法捕获到卫星信号。从而测得接收机的捕获灵敏度性能。

跟踪灵敏度是指允许接收机将修正方位保持在某个指定精度范围内的最小信号电平。这个信号电平通常比捕获灵敏度电平低得多。随着信号电平的降低，接收机恢复导航信息数据流的能力也将下降，导致比特误码率增加。我们在测试时通常需要用到频谱仪来进行信号标定。使用频谱仪标定号信号源的信号强度为一个固定值，查看此时接收机是否能正常的进行跟踪定位，逐步调低信号源信号强度并标定信号强度直至接收机无法输出定位结果，此时频谱仪显示的信号强度即为该接收机的跟踪灵敏度。

2.6 失锁重定位

失锁重捕时间是指接收机在信号满足灵敏度要求的条件下，短时间失锁后重新捕获卫星信号所需的时间。由于遮挡或干扰，接收机在实际使用场景中会出现信号显著减弱或中断的情况，比如车辆穿过隧道或者在茂密的树荫下，这种情况会导致信号的短暂中断。在此情况下，接收机暂时无法跟踪大部分或全部的卫星，当卫星信号恢复时，接收机又马上需要重新捕获信号，接收机短时间快速恢复定位输出也是衡量用户体验的一个重要指标。因此失锁重捕定位时间是一项非常重要的指标。

该指标的测试通常是在实验室条件下通过暂停信号源输出一定时间来模拟失锁时间，重新输出模拟信号后开始计时，从而计算出失锁重定位时间，此场景无需重启接收机，接收机一直保持工作状态，可以考虑模拟多个不同的场景分别多次测量来计算失锁重定位时间，求出最大时间即为接收机的失锁重定位时间。当不具备实验室条件的情况下也可以通过天线直接接收卫星信号，通过切断卫星天线连接的方式模拟失锁。

2.7 定位精度

定位精度对于接收机来说是一个最重要的性能指标，接收机定位结果的准确度、离散度即为定位精度。接收机对应的状态有静态和动态因此定位精度又分静态定位精度和动态定位精度，我们常用的精度测方法是采用数学的统计学方法计算，因此，需要取得足够多的样本，这样才符合测试方法的要求。测试过程中通常是使用卫星信号源播发卫星信号，或预先设定好指定运动轨迹，然后再将接收机输出的定位接收进行统计分析，对比信号源已知的坐标从而得出接收机的定位精度。在测试过程中同时应考虑时段、地区、卫星分布等因素对定位精度的影响。

对于静态定位精度可以采用单点定位测试和多点定位测试的方法来测精度，单点定位测试是指使用卫星定位接收机进行定位时，测量接收机和参考点之间的实际距离，以确定接收机的精度；多点定位测试是指使用卫星定位接收机定位多个参考点时，测量每个参考点实际位置和接收机测量的位置之间的差异，以确定接收机的精度。

一般接收机在实际的使用中并不是完全静止不动的，所以动态定位精度才是我们更应该关注的指标。动态定位精度可以使用卫星信号模拟器播发模拟接收机做各种运行的场景，如圆周运动，直线运动，螺旋上升，加速度不变的直线运动，加速度变化存在加加速度的运动等，可以使用脚本程序定制各种各样的运动，对于卫星信号模拟器来说每时每刻的定位数据是知道并且能保存的，使用测试软件记录接收机在做各种运动的过程中输出的定位结果，将时间对齐后，对每一次输出的定位结果与对应卫星信号模拟器的结果进行对比，再计算均方根误差即可得动态定位精度，对于速度精度也可用使用同样的计算方法来求得。

3 结语

本文对北斗卫星定位接收机软件的主要功能的测试方法进行了介绍和总结，分析了影响接收机用户体验的主要因素，并对具体的测试方法进行了说明。本文列举了在测试过程中，应该重点关注一些性能指标，而根据不同的应用场景，这些关注点也会有所不同，需要厂家根据不同的使用场景重点关注不同的指标。