CN103675849B - 一种卫星导航接收机抗多径性能自动化测试装置 - Google Patents

Abstract

一种卫星导航接收机抗多径性能自动化测试装置，包括多径信道模拟单元、多径参数控制单元、测试结果处理单元。多径信道模拟单元用于将卫星导航信号根据抗多径性能测试的需求转换成遭遇多径效应恶化后的卫星导航信号。多径参数控制单元用于根据抗多径性能测试需求对多径信道模拟单元、卫星导航接收机以及测试结果处理单元进行控制。测试结果处理单元依据多径参数及抗多径测试项目进行测试结果数据的处理。本发明测试装置可以在现有卫星导航信号模拟器与导航接收机之间通过总线及射频电缆实现数据通信，从而完成多径情况下导航接收机的性能指标测试和多径误差包络面积测试。

Description

一种卫星导航接收机抗多径性能自动化测试装置

技术领域

本发明属于卫星导航领域，涉及一种用于对卫星导航接收机的性能进行测试的装置。

背景技术

卫星导航接收机测试技术应用于卫星导航接收机产品的研发、生产、使用和维修整个过程中。近年来，由于卫星导航接收机技术的不断发展，对于抗多径性能测试的需求越来越迫切。

多径效应根据其起因可以归结为两种类型：第一种是镜面多径，可模拟为一个或多个伪随机码调制信号延迟信号；第二种为散射多径，是很多延迟的接收信号之和，往往表现为一个附加的噪声信号。镜面多径由于相关度高而成为形成误差的主要因素。卫星导航接收机从跟踪环中获取伪距和载波相位测量值来实现静态和动态定位。当存在多径信号时，测量值受到干扰，从而影响卫星导航接收机的定位精度。

近年来，多径信号对卫星导航接收机的码和载波相位跟踪误差的影响得到了深入的研究，当前抑制多径影响主要是通过天线设计、改进接收机技术以及信号处理技术实现。采取了多径信号抑制措施的卫星导航接收机需要进行抗多径性能测试。一方面要求所模拟的多径信道能够极大地接近真实多径情况，另一方面要求多径性能测试结果能够直观准确地体现接收机的性能改善情况。

目前，针对卫星导航接收机的测试均采用卫星导航信号模拟器进行，而目前卫星导航信号模拟器仅能够产生多径数量及衰落系数已知的多径信号，不能够产生其它模型的多径信号，并且测试过程中需要测试人员全程参与，严重影响了卫星导航接收机的抗多径性能测试效果。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星导航接收机抗多径性能自动化测试装置，可以在无需改动卫星导航信号模拟器的情况下，模拟镜面多径信道及散射多径信道，并完成多径情况下导航接收机性能指标和多径误差包络面积的自动化测试，提高卫星导航接收机抗多径性能测试的准确性及测试效率。

本发明的技术解决方案是：一种卫星导航接收机抗多径性能自动化测试装置，包括多径信道模拟单元、多径参数控制单元、测试结果处理单元，其中：

多径信道模拟单元：依据多径参数控制单元输入的测试参数，对卫星导航模拟器生成的卫星导航信号进行配置，建立信道滤波器，产生经过多径信道衰落的卫星导航测试信号；当多径类型为镜面多径信道时，通过调整多径数量、各路多径的延迟和各路多径的衰减因子来配置多径信道；当多径类型为散射多径信道中的瑞利信道时，通过调整多径分量方差来配置多径信道；当多径类型为散射多径信道中的莱斯信道时，通过调整莱斯因子来配置多径信道；当测试项目为多径误差包络面积测试时，根据多径类型和多径参数配置信道滤波器得到测试信号，并根据测试步进量在测试过程中调整测试信号中的直达信号延迟；

多径参数控制单元：根据抗多径性能测试需求获取测试参数，将测试参数分别送至多径信道模拟单元和测试结果处理单元；测试开始时控制导航信号模拟器和卫星导航接收机开启，测试结束时控制导航信号模拟器和卫星导航接收机关闭；所述的测试参数包括测试项目、测试条件、测试方法，其中测试项目包括多径情况下卫星导航接收机的性能测试和多径误差包络面积测试，并且当测试项目为多径误差包络面积测试时要包括多径误差包络面积测试步进量；测试条件包括多径类型和多径参数，多径类型包括镜面多径信道及散射多径信道，当多径类型为镜面多径信道时，多径参数包括多径数量、各条多径的延迟和各条多径的衰减因子；当多径类型为散射多径信道时，如果是瑞利信道则多径参数为多径分量方差，如果是莱斯信道则多径参数为莱斯因子；测试方法包括测试循环次数、每次测试时间长度；

测试结果处理单元：从卫星导航接收机读取测试结果数据并对测试结果数据进行显示；当测试项目为多径误差包络面积测试时，测试结果数据的读取间隔为测试时间长度与测试步进量的商，测试结果数据显示为拟合曲线，测试结果数据为卫星导航接收机伪距误差精度的包络面积值以及伪距误差精度的包络图；当测试项目为多径情况下卫星导航接收机的性能测试时，测试结果数据为卫星导航接收机的伪距误差精度、定位精度、首次定位时间，测试结果数据的读取间隔即为每次测试的时间长度，测试结果数据显示为数据列表。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明多径信道模拟单元能够模拟镜面多径信道及散射多径信道，散射多径信道又包含莱斯信道和瑞利信道，所生成的多径信号与导航接收机实际遭遇的多径信道恶化情况极为接近，使得测试结果更加接近真实情况；

（2）本发明多径参数控制单元控制导航信号模拟器和卫星导航接收机的开启与关闭，同时为多径信道模拟单元和测试结果处理单元提供所需的测试项目、测试条件、测试方法共三类测试参数，采用独立的控制单元进行整个测试过程的控制，减少了人为介入，使得测试更加智能，大大提高了测试效率；

（3）本发明测试结果处理单元依据多径参数控制单元输入的测试项目、测试条件、测试方法三类参数确定测试结果处理方法，将接收机的测试结果数据采集及测试结果数据结果的整理集成，使得测试结果在无需后期处理的情况下，能够在测试现场直接显示，从而能够指导现场测试条件的更新方法，及时发现测试中存在的问题。

附图说明

图1为本发明测试装置的组成原理图；

图2为本发明多径信道模拟单元组成原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明卫星导航接收机抗多径性能自动化测试装置，包括多径信道模拟单元、多径参数控制单元、测试结果处理单元。多径参数控制单元根据抗多径性能测试的需求得到多径参数。多径信号模拟单元依据多径参数控制单元的输入，对卫星导航模拟器生成的卫星导航信号进行配置，建立信道滤波器，产生经过多径信道衰落的卫星导航测试信号。测试结果处理单元对导航接收机抗多径性能测试结果数据依据多径参数及抗多径测试项目进行测试结果数据的处理。

多径参数控制单元用于根据抗多径性能测试需求对多径信道模拟单元、卫星导航接收机以及测试结果处理单元进行控制。抗多径性能测试需求为用户根据实际情况提出的要求，要求包括测试项目、测试条件、测试方法等三大类参数。其中测试项目包括多径情况下导航接收机的性能测试指标和多径误差包络面积两类，当测试项目为多径误差包络面积时，需要指定多径误差包络面积测试步进量。测试条件包括多径类型和多径参数，多径类型包括镜面多径信道及散射多径信道，当为镜面多径信道时，多径参数包括多径数量、各条多径的延迟和各条多径的衰减因子，当为散射多径信道时，如果是瑞利信道，则多径参数为多径分量方差，如果是莱斯信道，则多径参数为莱斯因子；测试方法包括测试循环次数、每次测试时间长度。

多径参数控制单元根据测试需求对多径信道模拟单元进行配置。配置内容包括多径信道模拟开关、多径类型和多径参数。

如图2所示，为多径信道模拟单元的组成原理图。依据多径参数控制单元输入的测试参数，对卫星导航模拟器生成的卫星导航信号进行配置，建立信道滤波器，产生经过多径信道衰落的卫星导航测试信号；当测试项目为多径误差包络面积测试时，根据测试条件中的多径类型和多径参数配置信道滤波器得到测试信号，此外，多径误差包络面积测试需要连续多次测试接收机的伪距误差精度，从而计算伪距误差精度的包络面积，因此测试过程中需要根据测试项目中的测试步进量连续调整多径测试信号中直达信号的时间延迟，直达信号的时间延迟计算方法如下：

t_直达信号（n）=t_多径信号+t_{测试步进量}×n，n=0,1,2……f_{多径误差包络}

其中，t_多径信号代表多径信号的到达时间，t_{测试步进量}代表测试步进量，n代表多径误差包络面积测试中的第n次测试，t_直达信号（n）代表第n次测量时的直达信号到达时间，f_{多径误差包络}代表多径误差包络面积测试中的测试总次数，其计算方法如下：

其中T_码片代表卫星导航信号的码片周期。

按多径误差包络面积测试步进值t_{测试步进量}调整多径信道模拟单元直达信号的时间延迟t_直达信号（n）。每调整一次步进，对卫星导航接收机进行一次温启动，并由测试结果处理单元进行一次测试结果数据记录。f_{多径误差包络}次测试完成后，测试结果处理单元对不同多径信号延迟情况下的伪距定位精度结果进行误差统计，然后对及误差点利用三次样条插值进行数据拟合，最终计算得到多径误差包络面积，并绘出误差包络曲线图进行显示。

对于多径情况下导航接收机的性能指标测试时，可以模拟镜面多径信道及散射多径信道，散射多径信道又包含莱斯信道和瑞利信道。

莱斯分布为：

$p\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{r}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\exp (-\frac{r}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})I_0\left(\frac{\mathrm{Ar}}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\right)& (A\&GreaterEqual;0,r\&GreaterEqual;0)\\ 0& (r<0)\end{array}\right.$

参数A是主径信号幅度的峰值，是修正的0阶第一类贝塞尔函数，σ²为多径分量方差，r为接收信号幅度包络。

莱斯分布用参数K来描述，参数K为莱斯因子，K完全确定了莱斯分布，确定信号的功率与多径分量方差之比，用dB表示后的公式为：

$K\left(\mathrm{dB}\right)=10\log \frac{A^2}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}\mathrm{dB}$

当主要信号幅度减小时莱斯分布就转变为瑞利分布。因此，莱斯因子越小，莱斯信道条件越恶劣，越接近于瑞利信道。

瑞利分布为：

$p\left(r\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{r}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}\exp (-\frac{r}{{\mathrm{\&sigma;}}^2})& (0\&le;r\&le;\&infin;)\\ 0& (r<0)\end{array}\right.$

瑞利衰落用参数σ²来描述，参数σ²为多径分量方差，σ²完全确定了瑞利分布。

通过多径信道参数对瑞利及莱斯信道参数进行设置即能得到服从瑞利和莱斯分布的散射多径信号。

镜面多径信道即为直达信号与各路（可设置为多路，如20）反射信号的叠加，每路反射信号通过多径信号延迟及多径信号衰落系数两个参数进行设置，将直达信号与设定好的各路反射信号求和即能够得到镜面多径信道的信号。多径信号的延迟参数通过硬件中时序控制的方式实现，多径信号衰落系数通过乘法器实现幅度变化。

每路反射信号可以表示为：S_n(t)=α_nS(t-τ_n)n=1,2…20

其中，S_n(t)代表第n路反射信号，τ_n代表第n路多径信号的延迟，α_n代表第n路多径信号的衰落系数，n最大为20，得到的镜面多径信道信号可以表示为：

$S_{\mathrm{multipath}-\mathrm{mirror}}\left(t\right)=S\left(t\right)+\underset{n=1}{\overset{20}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_n\left(t\right)=S\left(t\right)+\underset{n=1}{\overset{20}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_{n}S(t-{\mathrm{\&tau;}}_n)$

S_{multipath-mirror}(t)代表镜面多径信道信号，最多可设定20路反射路径信号，S(t)代表直达信号。

其中卫星导航信号模拟器采用现有设备即可。

遭遇多径恶化的卫星导航信号经过卫星导航接收机的接收天线，进入卫星导航接收机，卫星导航接收机的性能测试结果数据由测试结果处理单元采集并进行数据处理。

抗多径测试项目包括多径误差包络面积测试、采用抗多径技术后的导航接收机性能测试（包含伪距测量精度、定位精度、首次定位时间）。

当测试项目为接收机性能测试指标时，多径参数控制单元获取测试条件、测试方法参数，测试条件包括多径类型和多径参数。多径信道模拟单元依据多径参数控制单元输入的测试参数，对卫星导航模拟器生成的卫星导航信号进行配置，建立信道滤波器，产生经过多径信道衰落的卫星导航测试信号。卫星导航测试信号通过射频线缆输入到卫星导航接收机进行测试。多径参数控制单元在测试开始时控制导航信号模拟器和卫星导航接收机开启，在测试结束时控制导航信号模拟器和卫星导航接收机关闭。测试结果处理单元仅记录遭遇多径信号后卫星导航接收机的伪距误差精度、定位精度、首次定位时间即可。而后生成测试结果报表并进行显示。

当测试项目为多径误差包络面积时，多径参数控制单元获取测试项目中的测试步进值、测试条件、测试方法参数。多径信道模拟单元依据多径参数控制单元输入的测试参数，对卫星导航模拟器生成的卫星导航信号进行配置，建立信道滤波器，产生经过多径信道衰落的卫星导航测试信号。此外，多径信道模拟单元还需要调整多径信道模拟单元直达信号的时间延迟，按多径误差包络面积测试步进值调整。每调整一次步进，对卫星导航接收机进行一次温启动，并由测试结果处理单元进行一次测试结果数据记录。f_{多径误差包络}次测试完成后，测试结果处理单元对不同多径信号延迟情况下的伪距定位精度结果进行误差统计，然后对及误差点利用三次样条插值进行数据拟合，最终计算得到多径误差包络面积，并绘出误差包络曲线图进行显示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种卫星导航接收机抗多径性能自动化测试装置，其特征在于：包括多径信道模拟单元、多径参数控制单元、测试结果处理单元，其中：

多径信道模拟单元：依据多径参数控制单元输入的测试参数，对卫星导航模拟器生成的卫星导航信号进行配置，建立信道滤波器，产生经过多径信道衰落的卫星导航测试信号；当多径类型为镜面多径信道时，通过调整多径数量、各路多径的延迟和各路多径的衰减因子来配置多径信道；当多径类型为散射多径信道中的瑞利信道时，通过调整多径分量方差来配置多径信道；当多径类型为散射多径信道中的莱斯信道时，通过调整莱斯因子来配置多径信道；当测试项目为多径误差包络面积测试时，根据多径类型和多径参数配置信道滤波器得到测试信号，并根据测试步进量在测试过程中调整测试信号中的直达信号延迟，按多径误差包络面积测试步进值调整，每调整一次步进，对卫星导航接收机进行一次温启动；

多径参数控制单元：根据抗多径性能测试需求获取测试参数，将测试参数分别送至多径信道模拟单元和测试结果处理单元；测试开始时控制导航信号模拟器和卫星导航接收机开启，测试结束时控制导航信号模拟器和卫星导航接收机关闭；所述的测试参数包括测试项目、测试条件、测试方法，其中测试项目包括多径情况下卫星导航接收机的性能测试和多径误差包络面积测试，并且当测试项目为多径误差包络面积测试时要包括多径误差包络面积测试步进量；测试条件包括多径类型和多径参数，多径类型包括镜面多径信道及散射多径信道，当多径类型为镜面多径信道时，多径参数包括多径数量、各条多径的延迟和各条多径的衰减因子；当多径类型为散射多径信道时，如果是瑞利信道则多径参数为多径分量方差，如果是莱斯信道则多径参数为莱斯因子；测试方法包括测试循环次数、每次测试时间长度；

测试结果处理单元：从卫星导航接收机读取测试结果数据并对测试结果数据进行显示；当测试项目为多径误差包络面积测试时，测试结果数据的读取间隔为测试时间长度与测试步进量的商，测试结果数据显示为拟合曲线，测试结果数据为卫星导航接收机伪距误差精度的包络面积值以及伪距误差精度的包络图，卫星导航接收机每进行一次温启动，进行一次测试结果数据记录；当测试项目为多径情况下卫星导航接收机的性能测试时，测试结果数据为卫星导航接收机的伪距误差精度、定位精度、首次定位时间，测试结果数据的读取间隔即为每次测试的时间长度，测试结果数据显示为数据列表。