CN113452430A - 用于导航卫星测试的地面代理系统及导航卫星测试方法 - Google Patents

用于导航卫星测试的地面代理系统及导航卫星测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于导航卫星测试的地面代理系统及导航卫星测试方法，属于导航卫星测试评估技术领域。本发明采用代表卫星导航地面状态的集成模拟架构，基于空间信号接口控制文件、研制技术要求、信号特征等信息等要素形成卫星导航的系统零值、空间信号接口规范、系统服务性能三要素测量基准，解决了传统测试方法中多星座卫星测试存在一致性偏差和溯源的难题，保障了导航卫星测试统一化标尺，实现导航卫星高效、精确准测试。

Description

用于导航卫星测试的地面代理系统及导航卫星测试方法
技术领域
本发明属于导航卫星测试评估技术领域，特别是指一种用于导航卫星测试的地面代理系统及导航卫星测试方法。
背景技术
导航卫星出厂前星地对接测试评估和在轨服务前测试评估是卫星全生命周期中，必不可少缺少的环节。随着各大导航系统的建设以及现代化的进程，导航星数量大幅增加、有效载荷复杂度提升、信号体制发生重大变化、星座日渐复杂，尤其是北斗系统建设过程中，出现了发射密度高的突出特点，对导航卫星星地对接和在轨测试提出了更精、更准、更快的需求。
传统的“真实卫星+真实地面系统”的测试模式，存在对地面系统依赖性强，测试效率低下的问题。此外，若采用“测试卫星+卫星模拟器+真实地面系统”的测试模式，则没有统一“零值”测量基准，难以实现时延传递，无法保障卫星间一致性测量，降低了测量精度和准确性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于导航卫星测试的地面代理系统及导航卫星测试方法。该方法采用代表卫星导航地面状态的集成模拟架构，形成卫星导航“系统零值、空间信号接口规范、系统服务性能”三要素测量基准，保障了导航卫星测试统一化标尺。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于导航卫星测试的地面代理系统，包括上行注入分系统、下行接收分系统、转发器测试分系统、时间频率分系统、测试控制评估分系统、数据管理与分析分系统，其中：
上行注入分系统，用于完成对卫星上行注入载荷的接口规范和性能测试评估，评估指标包括接口匹配性、测距性能、接收注入数据的信息解调正确性、误码率；
下行接收分系统，用于完成对卫星下行信号载荷发送的各频点导航信进行接口和性能测试，并对设备自身接收设备闭环零值进行实时监测；
转发器测试分系统，通过模拟产生并接收导航系统中通信链路中的扩频信号，对导航卫星转发器的增益、转发时延、时延稳定性进行测试评估；此外，通过模拟转发链路对发射和接收时延进行监测和校正；
时间频率分系统，为导航卫星测试系统提供时基标准，包括测试所需要的10MHz频标信号、10.23MHz频标信号、1PPS脉冲信号，并对所生成的时间频率信号进行放大和分配；
测试控制评估分系统，用于对各分系统中设备的工作状态进行监视，并对设备故障进行告警提示；用于根据测试需要生成动态仿真数据和上行注入信息；用于对于接收到的下行导航电文进行分类提取和保存，并以图形化的形式实时显示接收的多个通道的观测伪距；用于对各分系统中的设备进行指令操作，通过发送控制指令和设置工作参数，实现各个分系统设备的工作设置和变化，从而完成自动化测试，实现对卫星接收上注控制指令的可靠性以及执行准确性检测，并检验接口控制文件中的控制指令，检验导航卫星的自主完好性，检验卫星导航电文的加解密正确性，检验导航卫星星地信息流程的正确性，对卫星性能进行全面的测试评估，并输出测试评估结果；
数据管理与分析分系统，用于对在轨测试过程中产生的所有测试数据、监控信息、日志信息进行数据库管理，完成对在轨测试数据的分类存储、提取和分析处理，实现对卫星在轨测试数据的有效管理。
一种导航卫星测试方法，基于如上所述的地面代理系统对导航卫星进行测试，包括以下步骤：
(1)基于空间信号接口控制文件、研制技术要求以及信号特征信息，生成时延测量基准、空间信号接口规范测量基准、服务性能测量基准；
(2)在测试控制评估分系统的统一调度下，断开卫星信号，发射与卫星信号相同的自检信号，完成对接收链路的自检；
(3)通过下行接收测试分系统接收卫星下行广播的导航信号，对下行信号各个支路进行卫星零值、空间信号接口规范、导航系统服务性能三类指标计算，计算结果传给测试控制评估分系统；
(4)测试控制评估分系统对导航卫星的对外接口匹配性、信息流程、导航卫星测距精度、发射相位一致性、卫星绝对零值和相对零值、空间信号测距误差、空间信号精度误差、空间信号测距率误差、空间信号连续性和可用性评估指标进行测试评估，将测试数据传输给数据管理与分析分系统；
(5)基于时延测量基准、空间信号接口规范测量基准、服务性能测量基准，对卫星信号的卫星零值、空间信号接口规范、导航系统服务性能三类指标性能进行评估。
进一步的，若导航卫星为地面卫星，则通过有线电缆采集卫星信号，若导航卫星为在轨卫星，则通过抛物面天线采集卫星信号。
本发明与现有技术相比的有益效果为：
1、本发明的地面代理系统能够全面代表地面系统特征和星地接口规范的标准化，从而可以不依赖地面运控系统对卫星进行测试，保障了卫星测试的准确性，提升了测试效率。
2、本发明测试方法能够形成卫星零值、空间信号接口规范、系统服务性能测试评估基准，为星座测试提供了统一化测量标尺，解决了多星座卫星测试存在一致性偏差和溯源问题，实现了导航卫星权威可靠测试，提升了卫星测试效率、可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的原理示意图。
图2为本发明实施例中导航卫星测试方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的说明。
如图2所示，一种导航卫星测试方法，可对地面出厂发射前卫星或在轨运行服务前的导航卫星进行测试评估，包括如下步骤：
(1)通过导航卫星测试系统发送控制指令使地面卫星和在轨卫星发射信号，对地面卫星采用有线电缆或在轨卫星采用增益大于30dB的抛物面天线采集卫星信号。
(2)建立一套全面代表地面系统特征和星地接口规范的标准化设备(即“地面代理系统”)；
(3)基于空间信号接口控制文件、研制技术要求、信号特征等信息，生成时延测量基准、空间信号接口规范测量基准、服务性能测量基准；
(4)基于监测评估基准，对卫星信号卫星零值、空间信号接口规范、系统服务性能三类指标性能进行评估。
如图1所示，地面代理系统包括代表地面系统上行注入站、主控站、监测站特征的上行注入分系统、下行接收分系统、时间频率分系统、转发器测试分系统、测试控制评估分系统和数据管理与分析分系统，各个分系统功能如下：
上行注入分系统主要完成对卫星“上行注入载荷”的接口规范和性能测试评估，包括接口匹配性、测距性能、接收注入数据的信息解调正确性、误码率等指标。
下行接收分系统主要完成对卫星下行直发载荷发送的各频点导航信进行接口和性能测试，并对设备自身接收设备闭环零值进行实时监测。
转发器测试分系统通过模拟产生并接收导航系统中通信链路中的扩频信号，对导航卫星转发器的增益、转发时延、时延稳定性等关键指标进行测试评估，同时通过模拟转发链路对发射和接收时延进行监测和校正。
时间频率分系统为导航卫星测试系统提供时基标准，包括测试所需要的10MHz频标信号、10.23MHz频标信号、1PPS脉冲信号等，并对所生成的时间频率信号进行放大和分配。
测试控制评估分系统包括测试控制与评估软件、工作站、交换机等，主要对系统内各分系统设备的工作状态监视，并对设备故障进行告警提示；根据测试需要生成动态仿真数据和上行注入信息；对于接收到的下行导航电文进行分类提取和保存，并以图形化的形式实时显示接收的多个通道的观测伪距；对测试数据进行处理并生成测试报告。对各个分机设备进行指令操作，通过发送控制指令和设置工作参数，实现各个分系统设备的工作设置和变化。
测试控制评估分系统通过上述各种操作组合控制，可以完成自动化测试，实现对卫星接收上注控制指令的可靠性以及执行准确性，并检验接口控制文件中的控制指令，检验导航卫星的自主完好性；检验卫星导航电文的加解密正确性；检验导航卫星星地信息流程的正确性，对卫星性能进行全面的测试评估，并输出测试评估结果。
数据管理与分析分系统对在轨测试过程中产生的所有测试数据、监控信息、日志信息等进行数据库管理，完成对在轨测试数据的分类存储、提取和分析处理，实现对卫星在轨测试数据的有效管理。
此外，依据星地的射频信号、时频信号、信息的特征，建立导航卫星测试射频信号接口、时频信号接口、信息交互接口，各个接口功能定义如下：
“射频信号接口”是卫星测试系统与天线设备的有线连接接口；
“时频信号接口”是时频信号输入测试测试系统的接口，为卫星测试系统提供统一的时间基准信号；
“信息交互接口”包括加解密接口和以太网信息接口，使得卫星测试系统可以进行加解密的相关测试，以太网接口包括与测通共用设备接口。
上述方法中，步骤(3)的具体步骤包括：
(301)根据GNSS控制接口文件要求仿真生成理想信号文件，作为信号分析评估的参考基准，除了按照GNSS控制接口文件要求规定的调制方式外，还需要按照采集信号时刻的电文和伪码进行理想信号生成，保证与测试信号的一致性。
(302)依据GNSS服务性能规范、卫星研制技术要求和理想信号监测评估结果，形成卫星零值、空间信号接口规范、系统服务性能测试监测评估基准。
(303)在测试控制评估分系统的统一调度下，系统发射自检信号，发射自检信号时，其自检信号与卫星信号相同，需断开卫星信号，完成对接收链路的自检，形成对卫星测试系统链路时延自检定。
(304)下行接收测试分系统接收卫星下行广播的导航信号，对下行信号各个支路进行零值、空间信号接口规范、服务性能三类指标计算，计算结果送测试控制与评估分系统收集。
(305)测试控制评估分系统对导航卫星对外接口匹配性、信息流程、导航卫星测距精度、发射相位一致性、卫星绝对零值和相对零值、SISRE(空间信号测距误差)、SISAE(空间信号精度误差)、SISRRE(空间信号测距率误差)、空间信号连续性和可用性评估等指标进行测试评估，并监测测试数据传输给数据管理与分析系统，进行数据管理。
本方法针对传统卫星测试模式缺乏信号质量监测手段，导致卫星故障诊断不深入不全面，多星座卫星测试存在一致性偏差和溯源的难题，采用代表卫星导航地面状态的集成模拟架构，形成卫星导航“系统零值、空间信号接口规范、系统服务性能”三要素测量基准，保障了导航卫星测试统一化标尺，进而能够实现北斗卫星导航服务质量精准控制。
以下为一个结合北斗三号MEO-1卫星出厂前星地对接测试的更具体的例子：
一种导航卫星测试方法，包括如下步骤：
(1)通过导航卫星测试系统发送控制指令，使地面卫星发射信号，采用有线电缆采集卫星信号。
(2)建立一套全面代表北斗地面系统特征和星地接口规范的标准化设备(即“地面代理系统”)，包括上行注入分系统、下行接收分系统、时间频率分系统、转发器测试分系统、测试控制评估分系统和数据管理与分析分系统，构成北斗卫星测试系统。
(3)基于空间信号接口控制文件、研制技术要求、信号特征等信息，生成时延测量基准、空间信号接口规范测量基准、服务性能测量基准，具体步骤包括：
(301)根据北斗三号控制接口文件及设计要求，获取北斗三号卫星频点中心频点、信号调制方式、带宽、电文速率、扩频码、复用方式等信号体制参数，参数形式如下表。采集解调卫星发出的B1信号的电文信息，基于获取的信号体制和电文信息，由测试控制评估分系统生成理想信号。
表1北斗三号卫星信号体制参数
Figure BDA0003116818260000081
Figure BDA0003116818260000091
(302)依据GNSS服务性能规范、卫星研制技术要求和理想信号监测评估结果，形成卫星零值、空间信号接口规范、系统服务性能测试监测评估基准。
卫星零值评估基准可以分为单颗卫星绝对零值评估基准、单颗卫星通道间相对零值、不同卫星间通道相对零值，三类零评估方法流程如下：
若卫星S信号分量X的评估值TdS,X和评估基准值TtS,X，单颗卫星通道绝对零值评估基准计算法方法如下：
Figure BDA0003116818260000092
其中，索引X为北斗三号B1I、B1C_data、B1C_pilot、B2ad、B2ap、B2bd、B2bp、B3I,表示索引对应的评估值和评估基准值。
若单颗卫星S信号分量X和X′间评估值TdX，X′和评估基准值TS,X,X′，单颗卫星通道间相对零值评估基准计算法方法如下：
Figure BDA0003116818260000093
其中，索引X和X′为北斗三号B1I、B1C_data、B1C_pilot、B2ad、B2ap、B2bd、B2bp、B3I，X≠X′。
若两颗卫星S和S′，信号分量X和X′间评估值TdX，X′和评估基准值TS,X,X′，单颗卫星通道间相对零值评估基准计算法方法如下：
Figure BDA0003116818260000094
其中，索引X和X′为北斗三号B1I、B1C_data、B1C_pilot、B2ad、B2ap、B2bd、B2bp、B3I，S≠S′。
空间信号接口监测评估基准包括信号体制接口规范、时频信号接口和电气接口监测评估基准，相关基准与对应的阈值进行比较，评估该卫星信号体制设计是否符合设计要求涉及到的评估参数如下：
表2北斗三号信号接口规范包含的评价指标及测试要求
Figure BDA0003116818260000101
服务性能监测评估基准，主要包括信号码伪距精度、载波相位精度、卫星轨道精度、卫星钟差精度、空间信号测距误差、空间信号测距加速度误差、空间信号测距加加速度误差，与相应阈值比较，评判卫星设计是否符合设计要求。
(303)在测试控制与评估分系统的统一调度下，系统发射自检信号，即B1、B2和B3频点复用后的信号，信号设计参数参考表1，通道零值、接口状态和服务性能已知，启动测试系统，检定链路在通道零值、接口规范和服务性能等三类指标存在的测试误差，测试指标项参考表2。
(304)测试控制评估分系统和数据管理与分析分系统发送卫星工作指令，启动卫星发射信号，下行接收测试分系统接收卫星下行广播的导航信号，对各个支路信号，如B1I、B1C_data、B1C_pilot或B2ad等，表1所示的指标的计算，计算结果送测试控制与评估分系统收集。
(305)测试控制评估分系统对表2指标进行评估，并测试数据传输给数据管理与分析系统，进行数据管理。
(4)基于监测评估基准，对卫星信号卫星零值、空间信号接口规范、系统服务性能三类指标性能进行评估，从而找出不合标准的性能指标。
该方法通过建立一套全面代表地面系统特征和星地接口规范的标准化设备，基于空间信号接口控制文件、研制技术要求、信号特征等信息，生成时延测量基准、空间信号接口规范测量基准、服务性能测量基准，基于监测评估基准，能够对卫星出厂前和在轨服务前卫星信号卫星零值、空间信号接口规范、系统服务性能三类指标性能进行评估。
总之，本发明采用代表卫星导航地面状态的集成模拟架构，基于空间信号接口控制文件、研制技术要求、信号特征等信息等要素形成卫星导航“系统零值、空间信号接口规范、系统服务性能”三要素测量基准，解决了传统测试方法中多星座卫星测试存在一致性偏差和溯源的难题，保障了导航卫星测试统一化标尺，实现导航卫星高效、精确准测试。

Claims (3)

1.一种用于导航卫星测试的地面代理系统，其特征在于，包括上行注入分系统、下行接收分系统、转发器测试分系统、时间频率分系统、测试控制评估分系统、数据管理与分析分系统，其中：
上行注入分系统，用于完成对卫星上行注入载荷的接口规范和性能测试评估，评估指标包括接口匹配性、测距性能、接收注入数据的信息解调正确性、误码率；
下行接收分系统，用于完成对卫星下行信号载荷各频点导航信进行接口和性能测试，并对设备自身接收设备闭环零值进行实时监测；
转发器测试分系统，通过模拟产生并接收导航系统中通信链路中的扩频信号，对导航卫星转发器的增益、转发时延、时延稳定性进行测试评估；此外，通过模拟转发链路对发射和接收时延进行监测和校正；
时间频率分系统，为导航卫星测试系统提供时基标准，包括测试所需要的10MHz频标信号、10.23MHz频标信号、1PPS脉冲信号，并对所生成的时间频率信号进行放大和分配；
测试控制评估分系统，用于对各分系统中设备的工作状态进行监视，并对设备故障进行告警提示；用于根据测试需要生成动态仿真数据和上行注入信息；用于对于接收到的下行导航电文进行分类提取和保存，并以图形化的形式实时显示接收的多个通道的观测伪距；用于对各分系统中的设备进行指令操作，通过发送控制指令和设置工作参数，实现各个分系统设备的工作设置和变化，从而完成自动化测试，实现对卫星接收上注控制指令的可靠性以及执行准确性检测，并检验接口控制文件中的控制指令，检验导航卫星的自主完好性，检验卫星导航电文的加解密正确性，检验导航卫星星地信息流程的正确性，对卫星性能进行全面的测试评估，并输出测试评估结果；
数据管理与分析分系统，用于对在轨测试过程中产生的所有测试数据、监控信息、日志信息进行数据库管理，完成对在轨测试数据的分类存储、提取和分析处理，实现对卫星在轨测试数据的有效管理。
2.一种导航卫星测试方法，其特征在于，基于如权利要求1所述的地面代理系统对导航卫星进行测试，包括以下步骤：
（1）基于空间信号接口控制文件、研制技术要求以及信号特征信息，生成时延测量基准、空间信号接口规范测量基准、服务性能测量基准；
（2）在测试控制评估分系统的统一调度下，断开卫星信号，发射与卫星信号相同的自检信号，完成对接收链路的自检；
（3）通过下行接收测试分系统接收卫星下行广播的导航信号，对下行信号各个支路进行卫星零值、空间信号接口规范、导航系统服务性能三类指标计算，计算结果传给测试控制评估分系统；
（4）测试控制评估分系统对导航卫星的对外接口匹配性、信息流程、导航卫星测距精度、发射相位一致性、卫星绝对零值和相对零值、空间信号测距误差、空间信号精度误差、空间信号测距率误差、空间信号连续性和可用性评估指标进行测试评估，将测试数据传输给数据管理与分析分系统；
（5）基于时延测量基准、空间信号接口规范测量基准、服务性能测量基准，对卫星信号的卫星零值、空间信号接口规范、导航系统服务性能三类指标性能进行评估。
3.根据权利要求2所述的一种导航卫星测试方法，其特征在于，若导航卫星为地面卫星，则通过有线电缆采集卫星信号，若导航卫星为在轨卫星，则通过抛物面天线采集卫星信号。
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