劉魁星,高帥,顧青濤

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京100094)

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監(jiān)測(cè)接收機(jī)性能指標(biāo)體系研究

劉魁星,高帥,顧青濤

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京100094)

本文從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面段的需求出發(fā),建立了監(jiān)測(cè)接收機(jī)完備的指標(biāo)體系,結(jié)合性能指標(biāo)測(cè)試方法給出了性能指標(biāo)的定義和數(shù)據(jù)處理方法,使用該指標(biāo)體系和測(cè)試方法對(duì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,測(cè)試方法可行,指標(biāo)體系完備。

監(jiān)測(cè)接收機(jī);指標(biāo)體系;測(cè)試

0 引 言

監(jiān)測(cè)接收機(jī)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中關(guān)鍵地面設(shè)備,分布在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)區(qū)域內(nèi)。其作為高精度的測(cè)量設(shè)備,對(duì)空間導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行觀測(cè),獲取高精度偽距、載波相位、多普勒觀測(cè)量和導(dǎo)航電文等業(yè)務(wù)信息,為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面段完成精密定軌、電離層修正及預(yù)報(bào)處理、系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)運(yùn)行管理等任務(wù)提供支撐[1-2]。可以說(shuō),監(jiān)測(cè)接收機(jī)性能的優(yōu)劣決定了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能。如何對(duì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)估,目前仍沒(méi)有形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),部分文章僅對(duì)部分指標(biāo)進(jìn)行了分析,是否全面仍存在一定疑問(wèn),且大部分是針對(duì)用戶接收機(jī)而言,針對(duì)地面段監(jiān)測(cè)接收機(jī)性能指標(biāo)的研究較少[3-4]。本文從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求出發(fā),全面分析了監(jiān)測(cè)接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),建立了完備的指標(biāo)體系,并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)提出了測(cè)試方法。最后,根據(jù)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)和測(cè)試方法對(duì)某型監(jiān)測(cè)接收機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。

1 監(jiān)測(cè)接收機(jī)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)需求分析

監(jiān)測(cè)接收機(jī)的核心用戶是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面段的數(shù)據(jù)處理中心,由數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)各監(jiān)測(cè)接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)完成定軌、電離層修正等任務(wù)。為數(shù)據(jù)處理中心提供穩(wěn)定高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù),是監(jiān)測(cè)接收機(jī)的核心作用。因此,對(duì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)性能的測(cè)試評(píng)估指標(biāo)都需要圍繞該作用設(shè)計(jì)。

為達(dá)到提供穩(wěn)定高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù)目標(biāo),對(duì)于監(jiān)測(cè)接收機(jī)應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)評(píng)估指標(biāo):觀測(cè)數(shù)據(jù)的高精度;觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性;觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)的正確性;盡可能多的獲取觀測(cè)數(shù)據(jù);導(dǎo)航電文正確解調(diào)。

從以上角度,才能全面衡量監(jiān)測(cè)接收機(jī)為地面段的數(shù)據(jù)處理中心提供穩(wěn)定高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù)的能力。

1.2 監(jiān)測(cè)接收機(jī)指標(biāo)設(shè)計(jì)

從以上分析可知,對(duì)于監(jiān)測(cè)接收機(jī)性能評(píng)估指標(biāo),可以分為5大類。

1) 高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)指標(biāo)

監(jiān)測(cè)接收機(jī)的主要產(chǎn)品為偽距、載波相位、多普勒觀測(cè)量。高精度的導(dǎo)航業(yè)務(wù)處理,離不開(kāi)監(jiān)測(cè)接收機(jī)高精度的測(cè)量結(jié)果,需要針對(duì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的測(cè)距產(chǎn)品進(jìn)行指標(biāo)設(shè)計(jì)。根據(jù)監(jiān)測(cè)接收機(jī)提供的產(chǎn)品可設(shè)計(jì)偽距測(cè)量誤差、載波相位測(cè)量誤差、多普勒測(cè)量誤差三個(gè)指標(biāo)分別衡量。

2) 觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定度指標(biāo)

觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性表現(xiàn)在監(jiān)測(cè)接收機(jī)各通道觀測(cè)數(shù)據(jù)不因其開(kāi)關(guān)機(jī)和運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短而存在不可消除的偏差。因此可設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)機(jī)穩(wěn)定性、通道時(shí)延穩(wěn)定性和通道時(shí)延一致性三個(gè)指標(biāo)衡量。開(kāi)關(guān)機(jī)穩(wěn)定性描述了監(jiān)測(cè)接收機(jī)在開(kāi)關(guān)機(jī)后,由開(kāi)關(guān)機(jī)帶來(lái)的觀測(cè)值變化程度;通道時(shí)延穩(wěn)定性描述了監(jiān)測(cè)接收機(jī)運(yùn)行一定時(shí)間后,觀測(cè)值變化的程度;通道時(shí)延一致性描述了監(jiān)測(cè)接收機(jī)不同的信號(hào)接收通道時(shí)延的一致性。

3) 觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)指標(biāo)

觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)的正確性包含兩個(gè)方面:觀測(cè)時(shí)刻的準(zhǔn)確性和與外部時(shí)頻系統(tǒng)保持一致的能力。觀測(cè)時(shí)刻的準(zhǔn)確性即測(cè)量值時(shí)標(biāo)的正確性。為了與精確的時(shí)間測(cè)量相適應(yīng),測(cè)量值必須給出對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確測(cè)量時(shí)間[5]。監(jiān)測(cè)接收機(jī)需要與外部時(shí)頻系統(tǒng)時(shí)標(biāo)保持一致,因此需要具備與外部時(shí)頻系統(tǒng)保持一致的能力?？稍O(shè)計(jì)測(cè)量時(shí)刻準(zhǔn)確度和外輸入1 pps模式鐘面校時(shí)精度兩個(gè)指標(biāo)評(píng)估觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)的正確性。

4) 捕獲性能指標(biāo)

為獲取盡可能多的觀測(cè)數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)接收機(jī)應(yīng)能接收一定功率范圍內(nèi)的導(dǎo)航信號(hào),在開(kāi)機(jī)或者失鎖后能盡快鎖定可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào),以滿足獲得盡可能多的觀測(cè)數(shù)據(jù)要求?？稍O(shè)計(jì)最低信號(hào)功率、接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍、開(kāi)機(jī)捕獲時(shí)間、失鎖重捕時(shí)間四個(gè)指標(biāo)。最低信號(hào)功率指監(jiān)測(cè)接收機(jī)能夠接收的最小信號(hào)功率。接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍指在指定信號(hào)電平下均可完成信號(hào)捕獲和鎖定。開(kāi)機(jī)捕獲時(shí)間指監(jiān)測(cè)接收機(jī)在開(kāi)機(jī)后到所有衛(wèi)星所有頻點(diǎn)和支路完全鎖定所需時(shí)間。失鎖重捕時(shí)間指在信號(hào)中斷到信號(hào)恢復(fù)后,監(jiān)測(cè)接收機(jī)重新捕獲所需時(shí)間。其中信號(hào)捕獲是指對(duì)接收信號(hào)完成載波環(huán)鎖定、碼環(huán)鎖定、比特信息位鎖定和幀標(biāo)志鎖定。

5) 導(dǎo)航電文指標(biāo)

監(jiān)測(cè)接收機(jī)應(yīng)能按照空間接口規(guī)范解析導(dǎo)航電文,完成衛(wèi)星導(dǎo)航電文的正確回收,用以驗(yàn)證地面段上行注入導(dǎo)航電文的正確性。因此可設(shè)計(jì)導(dǎo)航電文誤碼率指標(biāo),用以評(píng)估監(jiān)測(cè)接收機(jī)在最小信號(hào)功率下解析導(dǎo)航電文的能力。

2 監(jiān)測(cè)接收機(jī)指標(biāo)測(cè)試與數(shù)據(jù)處理方法

2.1 模擬信號(hào)源法

從以上指標(biāo)定義方法看,模擬信號(hào)源法[6]為最簡(jiǎn)單方便的測(cè)試方法。按照?qǐng)D1連接設(shè)備,導(dǎo)航信號(hào)模擬源根據(jù)測(cè)試需求輸出仿真射頻導(dǎo)航信號(hào)并通過(guò)有線方式連接傳輸給監(jiān)測(cè)接收機(jī)低噪放,監(jiān)測(cè)接收機(jī)接收仿真信號(hào),完成信號(hào)捕獲和持續(xù)跟蹤并輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖1 模擬信號(hào)源法測(cè)試設(shè)備連接圖

2.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)量誤差處理方法

(1)

式中,σρ即為監(jiān)測(cè)接收機(jī)的偽距測(cè)量誤差,n為偽距測(cè)試數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。多普勒測(cè)量誤差計(jì)算方法同偽距測(cè)量誤差方法。

由于接收機(jī)載波相位觀測(cè)值存在整周數(shù),無(wú)法給出載波相位相對(duì)應(yīng)的絕對(duì)距離,因此采用如下計(jì)算方法得出載波相位的測(cè)量誤差。在最低信號(hào)功率電平下,監(jiān)測(cè)接收機(jī)測(cè)得的載波相位測(cè)量數(shù)據(jù)為Ci,對(duì)載波相位測(cè)量值進(jìn)行歷元間三次做差,如下式所示:

(2)

ΔC?i=C″i-C″i-1.

2.3 觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定度處理方法

1) 開(kāi)關(guān)機(jī)穩(wěn)定性

(3)

2) 通道時(shí)延穩(wěn)定性

按照?qǐng)D1連接測(cè)試設(shè)備,監(jiān)測(cè)接收機(jī)持續(xù)一定時(shí)間接收模擬信號(hào)源仿真信號(hào)。ρk表示監(jiān)測(cè)接收機(jī)機(jī)k通道偽距測(cè)量值,ρref表示選定的參考通道。定義ΔDk表示監(jiān)測(cè)接收機(jī)對(duì)仿真衛(wèi)星各信號(hào)接收通道偽距測(cè)量值與參考通道偽距測(cè)量值差值的均值,即

ΔDk=E(ρk-ρref) .

(4)

(5)

式中，ΔDtime即為監(jiān)測(cè)接收機(jī)通道時(shí)延穩(wěn)定性。其中一定時(shí)間可選短期2至3 h和長(zhǎng)期24 h.

3) 通道時(shí)延一致性

監(jiān)測(cè)接收機(jī)通道可以劃分為三個(gè)層次,通道、頻點(diǎn)和支路,其層次邏輯關(guān)系圖如圖2所示,其中,同一通道,同一頻點(diǎn),不同支路時(shí)延差異可定義為ICB″;同一頻點(diǎn),同一支路,不同通道時(shí)延差異可定義為ICB′;同一通道,同一支路,不同頻點(diǎn)時(shí)延差異可定義為IFB.

圖2 監(jiān)測(cè)接收機(jī)通道頻點(diǎn)支路層次關(guān)系圖

(6)

則同頻通道時(shí)延穩(wěn)定性ICB′和ICB″指標(biāo)可定義為

(7)

異頻通道時(shí)延穩(wěn)定性指標(biāo)IFB定義為

(8)

2.4 觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)指標(biāo)處理方法

1) 觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)刻準(zhǔn)確性

按照?qǐng)D1連接測(cè)試設(shè)備,監(jiān)測(cè)接收機(jī)持續(xù)一定時(shí)間接收模擬信號(hào)源仿真信號(hào)。監(jiān)測(cè)接收機(jī)偽距觀測(cè)值可表達(dá)為

(9)

2) 外輸入1 pps模式鐘面校時(shí)精度

按照?qǐng)D1連接測(cè)試設(shè)備,模擬信號(hào)源輸出1 pps給監(jiān)測(cè)接收機(jī)。監(jiān)測(cè)接收機(jī)進(jìn)行多次開(kāi)關(guān)機(jī),每次開(kāi)機(jī)待接收機(jī)工作穩(wěn)定并完成外部1 pps鐘面校時(shí)后,采集監(jiān)測(cè)接收機(jī)偽距測(cè)量值Δρi,每組采集100個(gè)數(shù)據(jù),取每組偽距測(cè)量值均值E(Δρi).

取多組偽距測(cè)量值均值E(Δρi)的標(biāo)準(zhǔn)差:

(10)

即外1pps鐘面校時(shí)精度。

2.5 捕獲性能和導(dǎo)航電文指標(biāo)處理方法

捕獲性能四項(xiàng)指標(biāo)最低信號(hào)功率、接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍、開(kāi)機(jī)捕獲時(shí)間和失鎖重捕時(shí)間無(wú)需特別數(shù)據(jù)處理方法。所有測(cè)試均在最低信號(hào)功率下進(jìn)行,即可保證最低信號(hào)功率指標(biāo)。接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可通過(guò)調(diào)整發(fā)射信號(hào)的功率大小,監(jiān)測(cè)測(cè)接收機(jī)完成信號(hào)的捕獲和鎖定即可。開(kāi)機(jī)捕獲時(shí)間、失鎖重捕時(shí)間采用實(shí)際場(chǎng)景計(jì)時(shí)即可。

導(dǎo)航電文誤碼率指標(biāo),可通過(guò)比較模擬信號(hào)源保存發(fā)播的導(dǎo)航電文和監(jiān)測(cè)接收機(jī)接收解調(diào)電文計(jì)算獲得。

3 測(cè)試實(shí)例

3.1 測(cè)試對(duì)象

按照上述提出的指標(biāo)設(shè)計(jì)及測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法,對(duì)某研制廠家研制生產(chǎn)的BDS/GPS雙模監(jiān)測(cè)接收機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。該型監(jiān)測(cè)接收機(jī)是一種高精度的測(cè)量設(shè)備,可對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的北斗和GPS衛(wèi)星信號(hào)同時(shí)觀測(cè),獲取精密偽距、載波相位和導(dǎo)航電文等信息,為系統(tǒng)星地時(shí)間同步、精密定軌、電離層傳播延遲修正和完好性監(jiān)測(cè)提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)試結(jié)果

由于上述指標(biāo)體系的測(cè)試結(jié)果龐大,限于篇幅無(wú)法一一列出,僅給出部分測(cè)試結(jié)果。表1、表2示出了該型監(jiān)測(cè)接收機(jī)BDS和GPS部分頻點(diǎn)和支路的偽距測(cè)量精度測(cè)試結(jié)果。從偽距精度測(cè)試結(jié)果看,在模擬信號(hào)源測(cè)試條件下,監(jiān)測(cè)接收機(jī)BDS和GPS偽距精度相當(dāng),部分頻點(diǎn)BDS偽距精度更高。通過(guò)本文所提監(jiān)測(cè)接收機(jī)指標(biāo)和測(cè)試方法,完成多個(gè)型號(hào)的監(jiān)測(cè)接收機(jī)測(cè)試。監(jiān)測(cè)接收機(jī)在使用中達(dá)到預(yù)期目的。

表1 監(jiān)測(cè)接收機(jī)BDS偽距精度測(cè)試結(jié)果(單位m)

衛(wèi)星號(hào)B1I(窄相關(guān))B3I(窄相關(guān))B1I(抗多徑)B3I(抗多徑)SV010.0460.0170.0560.029SV020.0670.0190.0770.029SV030.0660.0190.0640.030SV040.0410.0170.0580.030SV050.0420.0130.0580.027SV060.0180.0070.0480.026SV070.0240.0070.0490.026SV080.0240.0070.0520.027SV090.0250.0060.0460.027SV100.0170.0070.0500.026

表2 監(jiān)測(cè)接收機(jī)GPS偽距精度測(cè)試結(jié)果(單位m)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)接收機(jī)的業(yè)務(wù)處理需求出發(fā),分析了影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的監(jiān)測(cè)接收機(jī)關(guān)鍵指標(biāo),建立比較完備的指標(biāo)體系,結(jié)合指標(biāo)測(cè)試方法給出了指標(biāo)的定義與數(shù)據(jù)處理方法。最后利用該套指標(biāo)及測(cè)試方法對(duì)某型監(jiān)測(cè)接收機(jī)進(jìn)行了測(cè)試,給出了部分項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果。目前,該測(cè)試指標(biāo)體系已在監(jiān)測(cè)接收機(jī)性能測(cè)試方面得到有效應(yīng)用,所測(cè)試監(jiān)測(cè)接收機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定,發(fā)揮了預(yù)期作用。

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The Research of Performance Index System for Monitoring Receiver

LIU Kuixing,GAO Shuai,GU Qingtao

(BeijingSatelliteNavigationCenter,Beijing100094,China)

According to the requirement of satellite navigation ground segment, this paper establishes the index system of monitoring receiver, and gives the definition of index and the way of data processing combining the test method of index. This paper analyses the examples that uses the index system and method for testing monitoring receiver. The test results show that this method is feasible and the index system is complete.

monitoring receiver; performance index system; testing

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.005

2016-12-20

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0021-04

劉魁星 (1983-),男,安徽合肥人,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航工程。

高帥 (1982-),男,山東淄博人,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航工程。

顧青濤 (1980-),男,吉林松原人,本科,工程師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航工程。

聯(lián)系人: 劉魁星 E-mail:hflkx@163.com