导航接收机指标分析及测试

1测试目的1)检测卫星导航接收机的功能是否满足技术要求，功能测试主要包括：具备B3、B1、L1单频点定位功能；具备B1B3双频定位功能；具备B3L1兼容定位功能；可接收INS等速度信息；具备定位、测速、原始电文及观测量等信息输出功能。2)检测卫星导航接收机的性能指标是否满足技术要求，性能测试主要包括：动态性能、定位测速精度、捕获定位时间、捕获跟踪通道数、信号动态范围、灵敏度、数据跟新率、供电电压、功耗等。3)检测卫星导航接收机的接口是否满足技术要求，接口测试主要包括：射频接口、数据接口、与惯性导航系统（INS）接口、1PPS秒脉冲输出接口。2测试要求测试要求主要包括：场地要求、环境要求、辅助测试设备要求。a)场地要求：工作台干净、平整，具有良好的防静电功能，同时确保测试场地周边没有其他干扰信号。测试分为室内对卫星信号模拟源测试和室外对天（真实信号）测试两种测试方式。b)环境要求：温度15℃~35℃、相对湿度20%~80%、室内照度500cd/c㎡。c)设备要求：万用表、专用线缆、计算机串口工作正常、直流稳压电源、示波器、模拟源。测试所用仪器、仪表、高频线缆等必须满足测试所需的电磁兼容性和测试精度要求，并在标定有效期内使用。所选用的通用测试仪器必须符合国家有关标准并经计量部门检定合格，测试设备必须经过严格标定。3测试仪器及系统连接1)测试所需仪器、仪表等物品如下表所示：表3-1测试仪器物品清单表设备名称数量说明多频点卫星信号模拟源1包括B3、B1、L1频点信号示波器1频谱仪1直流稳压电源1监控记录计算机1数字万用表1秒表1电子称1卡尺12)系统连接测试项目分为两种连接方式：室内对卫星信号模拟源测试和室外对天信号测试a)室内对卫星信号模拟源测试连接图控制与评估计算机卫星信号模拟源程控电源测试仪器高动态卫星导航接收机指令、响应信号图3-1室内对卫星信号模拟源测试连接图b)室外对天信号测试连接图高动态卫星导航接收机卫星信号接收天线测试仪器计算机电源图3-2室外对天信号测试连接图4测试方法及判别依据4.1外观检验板卡：外表无划伤、裂纹、绝缘物破裂现象；标识：序列号、硬件版本号、PCB板号；标识应清晰、正确；射频针头：齐全，无变形；芯片管脚：用放大镜仔细看，无翘起，焊点光滑。4.2测试前连线1)将测试板卡上焊接好的电源线对应连接到10V直流稳压电源上（红线接正、黑线接负）；2)将模拟源接出来的线缆连接低噪放后接到测试板卡的射频接口上；3)将测试板卡上焊接好的串口线连接到计算机串口上，1PPS的输出端连接到示波器上。4.3常温功能指标测试4.3.1兼容性测试指标要求：兼容接收GPSL1、BD-2B1I、BD-2B3I卫星信号，具备进行单系统及多系统联合定位功能。测试方法：按照图3-2方式连接设备，将天线、接收架设在设置好的场地中，加电开机，通过串口指令控制按B1I单频、B3I单频、L1单频、B1B3I双频、B3L1兼容方式分别进行定位，查看是否分别能够得到准确的定位结果。合格判据：若各模式均能得到准确的定位结果，则该指标测试合格。4.3.2数据输出内容检测指标要求：数据输出内容：接收机时间、接收机日期、捕获跟踪卫星号、接收机位置速度信息、捕获跟踪卫星的测量信息（伪距、载波相位、多普勒、载噪比）、通道跟踪状态（载波锁定、码锁定、帧同步、位同步）、定位精度因子PDOP值、捕获跟踪卫星的导航电文。测试方法：按照图3-1方式连接设备，加电工作。设置卫星信号模拟源播发B1、B3、L1三频点各12颗卫星信号，接收机接收信号并且定位成功后，设置输出各种数据信息，检测是否满足技术要求。合格判据：检测数据接口输出的数据信息，若是包含所有的技术要求列出的数据信息，则该项检测合格。4.4常温性能测试4.4.1动态性能测试指标要求：相对速度：0~12km/s、相对加速度：0~120m/s2、相对加加速度：0~40m/s3指标说明：相对速度、相对加速度、相对加加速度都是指的卫星与接收机之间的相对运动。相对速度与多普勒频率相对应，它们之间的转换关系为：cosdvff是与信号发射频率f相对应的信号波长，c为光速，为信号入射角，对于静态信号发射源来说，信号入射角指的是从接收机的运动方向到信号入射方向的夹角，多普勒频率也有正负之分，当接收机接收到的卫星载波频率小于其发射的频率其为负，相反为正。相对加速度是速度的一阶导数，加加速度为速度的二阶导数。测试方法：由于接收机动态范围过大，在实际中无法进行具体测试，因此利用高动态信号源，首先将信号源场景根据指标进行设置，信号源稳定后分别将定位模式切为相应系统、频点进行接收信号并输出定位结果，最后将定位结果与模拟源中真值比较衡量接收机定位结果。注：(1)当加加速度在逐步变大时间中确保加速度最大值不超过加速度指标，加速度最大值在逐步变大时间中确保速度最大值不超过速度指标。(2)在对高动态性能测试时需要分系统、分频点单独测试以及多系统多频点联合测试。合格判据：若设备能够正常的捕获卫星信号并且能够进行定位测速解算，则该项指标测试合格。4.4.2定位测速精度测试指标要求：a)静态工作时，定位精度≤10m，测速精度≤0.1m/s（PDOP≤3，1σ，每轴）;b)在以上动态范围工作时，定位精度≤10m，测速精度≤0.3m/s（PDOP≤3，1σ，每轴）。指标说明：定位解的精度=精度因子（DOP）*测量误差测量误差：是指与定位相关的所有误差，其都可以归结到各个卫星的伪距中，看成伪距的等效误差，在一定的假设条件下，伪距误差因子就是卫星的用户等效距离误差（UERE），UERE是与该卫星相关联的每个误差源所产生的影响的和，各个卫星之间，这些UERE是相互独立的，并且分布相同。精度因子：与卫星的空间几何分布有关，在一定的测量误差条件下，卫星空间几何分布越好（各颗卫星和接收机为顶点组成的锥形多面体体积越大称卫星空间几何分布越好），卫星精度因子（DOP）值越小，定位精度越高。测试方法：按图3-1方式连接设备，加电工作。设置卫星信号模拟源为静态场景，同时播发B1、B3、L1频点卫星信号，场景保证PDOP≤3。通过指令分别切换定位模式为B3、B1、L1单频点定位，B1B3双频定位，B3L1兼容定位模式，评估系统分别对几种模式的定位结果进行评估，看是否符合技术要求。设置卫星信号模拟源为以上动态场景，同时播发B1、B3、L1频点卫星信号，场景保证PDOP≤3。通过指令分别切换定位模式为B3、B1、L1单频点定位，B1B3双频定位，B3L1兼容定位模式，评估系统分别对几种模式的定位结果进行评估，看是否符合技术要求。每种场景下每种定位模式采集10个样本点分别进行评估。合格判据：评估系统中将用户机解算上报的各时刻位置、速度分别与相应的已知位置、速度进行对比，分别计算出X、Y、Z三轴的定位、测速精度。坐标系统采用空间直角坐标。a)每轴的位置误差为：201()niiXXXn201()niiYYYn201()niiZZZniX、iY、iZ分别为接收机X、Y、Z轴坐标第i次位置数据的解算结果；0X、0Y、0Z分别为第i次位置数据的已知值；n为测量次数。b)每轴的速度误差为：201()niiVxVxVxn201()niiVyVyVyn201()niiVzVzVzniVx、iVy、iVz分别为接收机X、Y、Z轴第i次速度数据的解算结果；0Vx、0Vy、0Vz分别为第i次速度数据的已知值；n为测量次数。按照上述公式计算出的每轴位置、速度误差均在指标要求范围内，则该项指标测试合格。4.4.3捕获定位时间测试指标要求：a)冷启动（盲捕）首次定位时间：≤60s；b)热启动首次定位时间：≤10s；c)瞬时失锁5s，重捕定位时间：≤5s。d)在静态和动态下捕获定位时间均应满足上述要求指标说明：冷启：是指接收机不知道当前的时间及其所处的位置，并且在它的存储器上也没有保存有任何有效的卫星星历与历书。暖启：也称为温启是指接收机没有有效星历但却掌握着误差小于5分钟的当前时间、误差小于100Km的当地位置以及有效历书情况下的启动。热启：接收机不但具备暖启动的条件，而且还保存着有效星历。失锁重捕：是指接收机在卫星信号跟踪期间，由于卫星信号遭到阻碍物阻挡或者由于接收机受到过大的动态应力而短暂地对信号失锁后再试图重新捕获该信号的过程。测试方法：按图3-1方式连接设备，设置卫星信号模拟源为静态场景，播发B1、B3、L1三个频点信号，每个频点12颗卫星。冷启动：首先清空设备flash保存的星历数据，设备重新加电同时，用秒表记下当前时刻T1，等输出定位结果后记下时刻T2，T2-T1即为冷启动定位时间。热启动：设备加电后接收模拟源信号，定位稳定后设备重新加电，用秒表记录下当前时刻T1，等输出定位结果后记下时刻T2，T2-T1即为热启动定位时间。失锁重捕：设备加电后接收模拟源信号，定位稳定后，控制信号模拟源关闭信号，5s后打开信号，用秒表记录当前时刻T1，等输出定位结果后记下时刻T2，T2-T1即为失锁重捕定位时间。将卫星信号模拟源设置为以上动态场景，播发B1、B3、L1三个频点信号，每个频点12颗卫星。重复上述a、b、c过程。4.4.4灵敏度测试指标要求：灵敏度（含低噪放）：优于-160dBW(可定位)；其中低噪放噪声系数≤2dB，增益30~35dB。指标说明：灵敏度是指接收机能够接受最弱信号的功率值。在实际测试中经常采用信号载噪比来衡量信号的强弱，接收信号功率值与接收信号载噪比的关系可表示为：0/()10lg()effCNSSdBwkT式中SS为信号强度，effkT为噪声功率密度，卫星在接近热力学温度为0K下发射产生发射信号，根据计算尺得到的10lg()effkT为-204，因此当接收信号功率强度为-160dBW时，对应的接收信号载噪比为44dB.Hz。测试方法：按图3-1方式连接设备，加电工作。设置卫星信号模拟源播发B1、B3、L1频点各12颗卫星信号，所有卫星信号模拟源产生的卫星信号至天线口面的信号功率调至-160dBW，接收机设置为B3L1兼容定位模式，检测接收机是否能够正确的实现定位测速。合格判据：能够正常输出定位测速结果，则认为该项指标测试合格。4.4.5信号动态范围测试指标要求：信号动态范围≥25dB指标说明：信号动态范围是指接收机能够正常捕获到信号最高信噪比与最低信噪比的差，动态范围越宽说明接收机的适应范围越广。低信噪比考验的是接收机接收弱信号的能力，高信噪比考验的是接收机硬件AGC的调控能力。测试方法：信号源发射1颗固定卫星，将至接收机天线口面的信号功率调至-160dBw（灵敏度）当接收机对该卫星捕获成功后，将信号功率依次调低进行捕获，直到接收机捕获失败记录此功率值为接收机接收的最弱信号功率。得到最弱功率值后，再将信号功率调至灵敏度，依次将信号功率调高，直到接收捕获失败，记录此功率值为接收所接收的最强信号功率，则最强信号与最弱信号差为接收机信号动态范围。合格判据：若在信号动态范围≥25dB时，接收机对该颗卫星能够正常捕获、跟踪，则该项指标测试合格。4.4.6数据更新率测试指标要求：数据更新率不低于10Hz指标说明：数据跟新率指的是定位结果迭代计算的频度，10Hz等效于定位、测速结果100ms输出一次。测试方法：按图3-2方式连接设备，加电工作。接收机切为相应定位模式，等定位后查看输出的定位结果频度是否满足指标要求。合格判据：若定位、测速结果输出频度不小于10HZ，则该指标测试合格。4.4.7供电电压测试指标要求：供电电压5~30V测试方法：按照图3-2方式连接设备，将直流稳压源调至5V输出，接收机加电，检测是否能够正常输出定位测速结果；然后接收机断电，将直流稳压源调至30V输出，接收机加电，检测是否能够正常输出定位测速结果。合格判据：若接收机加5V、30V直流电均能正常实现定位测速输出，则认为该项指标测试合格。4.4.8功耗测试指标要求：功耗≤15W测试方法：按照图3-2方式连接设备，将直流稳压源调至5V输出，