卫星导航信号采集回放仪通用性能检测

卫星导航信号采集回放仪通用性能检测

摘要卫星导航信号采集回放仪用于卫星导航领域的计量和测试。卫星导航信号采集回放仪可以接收和记录空间中的实际卫星导航信号并根据需要进行回放。随着我国北斗卫星导航系统发展逐步完善，卫星导航信号采集回放仪的应用范围也越来越广，因此本文对卫星导航信号采集回放仪的通用技术要求、检定条件、检定项目、检定方法进行了研究，以统一测试标准。

关键词卫星导航信号；采集回放仪；检测方法

0 引言

北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施[1]。

随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。北斗导航产品的质量作为北斗导航产业发展的生命，不仅关系着国防安全和国民经济发展，并对国家主权、安全和民族尊严有着重要影响，同时也关系着人民群众的切身利益。因此，很有必要对北斗导航相关产品进行检测来保障其产品质量。

目前，导航终端的测试方法主要包括以下几种方式：导航信号模拟源模拟测试、直接对天测试和导航信号采集回放测试等。卫星导航信号模拟源设备可定量地测试导航设备的接收灵敏度、首次定位时间、定位精度等指标，但由于模拟信号的不真实性，这种方法无法评估接收机在实际工作环境中的性能，因此还需要采用真实的对天信号对接收机终端在各类典型场景下的工作状态进行评估。但是，目前基于对天信号的静态和动态测试存在测试环境不稳定、测试标准不统一、测试场景无法复现、测试效率低下、测试成本高等问题。卫星导航信号采集回放仪可以很好地解决这一问题。卫星导航信号采集回放仪是一种射频信号高保真记录与回放设备，能够采集实际场景的导航信号，并在实验室内进行重复多次的回放，构建室内的真实信号测试场景。借助于高精度位置标定系统和其他传感器系统，还可实现对卫星导航终端的定量化测试。

目前国外Sprient，Labsat等公司都推出了各自的采集回放仪产品，国内做采集回放仪的公司更是有数十家，每个厂家都定义了各自的功能性能指标。但是目前国内还没有制定关于采集回放仪的相关标准，其功能、性能指标应如何定义，怎么测试都没有标准可依。因此，为统一采集回放仪的技术状态，为其性能测试提供依据，推动北斗卫星导航产业的发展，迫切需要制定明确的采集回放仪的性能指标要求以及通用性能检测方法。

1 采集回放仪通用性能指标

1.1 系统组成

卫星导航信号采集回放仪主要由射频前端模块、时频基准模块、数模模数转换模块、数

字信号处理模块、存储控制模块等构成，各模块功能如下：

（1）射频前端模块

采集时将输入的射频信号下变频至中频信号输出，回放时将输入的中频信号上变频至射

频输出。

（2）时频基准模块

可以给各模块提供时钟基准信号。

（3）数字信号处理模块

采集时将中频信号进行抽样量化成数字信号，回放时将数字信号数模转化成中频信号。

（4）存储控制模块

采集时将中频信号经AD转换后的数字信号流盘进行存储。回放时将数字信号转换为中

频信号输出。

2.2 功能要求

2.2.1 频点覆盖要求

卫星信号采集回放仪应覆盖四大导航系统[2]至少一个频点，见表1。四大导航系统的频点分布总带宽为200 MHz的一个频带范围内，采集回放仪可以按照表1中的频点对信号进行采集，可以独立采集，也可以同步采集。

2.2.2 时频输出以及校准功能

采集回放仪应具有时频输出以及校准的功能。能输出内部时钟源，也能接受外部时钟源

的校准。

2.2.3 采集功能

采集回放仪应具有接收输入的射频信号并转化为数字信号存储至硬盘的功能。同时，采

样位宽应设计可选。多通道采集回放仪通道开启关闭应保持同步，通道间（开启关闭）时差

应小于5μs。

2.2.4 回放功能

采集回放仪将硬盘存储的数字信号转换为射频信号进行输出的功能。输出信号的功率可调，多通道采集回放仪通道开启关闭应保持同步，通道间（开启关闭）时差应小于5μs。

2.2.5 文件管理功能

采集回放仪应具有硬盘文件管理功能，能支持包括文件浏览、删除、导入、导出的操作。

2.2.6 串口同步功能

采集回放仪应具有同步采集回放串口信息的能力。

2.3 性能要求

2.3.1 采集回放通道性能

（1）回放信号频偏

回放信号频偏是指回放时输出的信号相较于采集时输入的信号中心频率的偏差值，应小于20Hz。

（2）杂散分量

指通带内的不属于有效信号的频率分量，通道通带内频谱应底噪均匀、无杂散分量，频谱功率峰值应不超过底噪10dB。

（3）带外抑制

指通道通带外信号受抑制程度，通道的带外抑制应达到40dBc

（4）噪声系数

噪声系数是指输入端信噪比与输出端信噪比的比值，通道噪声系数应小于1.5。

（5）三阶交调

三阶交调（IMD3）指两个信号在一个线性系统中，由于非线性因素存在使一个信号的二次谐波与另一个信号的基波产生差拍（混频）后所产生的寄生信号。通道三阶交调抑制值应大于50dBc

（6）本振信号

本振信号是射频前端中混频器接受的、用以将信号在射频与中频间搬移的信号。

1）本振信号实际测量值与设计值频偏应小于200Hz。

2）本振信号相位噪声抑制应大于50dBc。

3）本振信号频率稳定度。

2.3.2时钟模块性能要求

（1）频率准确度

频率准确度是指频率源输出信号的实际频率偏离标称频率的程度，一般用相对频率偏差

表示。

（2）频率稳定度

频率稳定度是指频率源在连续运行一段时期中产生同一频率的程度，即频率随机起伏的程度。

（3）相噪

相噪是指频率源输出信号的随机相位或频率起伏。

设备工作时钟为内部时钟，通过频谱仪的相噪检测功能检测时钟相噪。

设备工作时钟为外部时钟，通过频谱仪的相噪检测功能检测时钟相噪。

（4）输出电平

设备工作时钟为内部时钟，通过频谱仪的观测时钟输出电平。

设备工作时钟为外部时钟，通过频谱仪的观测时钟输出电平。

2.3.3功率控制性能要求：

分辨率：应小于等于0.5dB；

准确度：应小于等于5dB；

步进衰减误差：应小于等0.1dB；

功率范围：标称值±20dB。

2.4 工作模式要求

采集回放仪应具有两种工作模式：

1）信号采集模式：工作在信号采集模式的采集回放仪可以将对应频点输入的卫星信号转化为数据文件存储在硬盘。

2）信号回放模式：工作在信号回放模式的采集回放仪可以将存储在硬盘中的数据文件转化为卫星信号输出。

3 采集回放仪检测方法

3.1 功能检测方法

3.1.1 采集回放功能及频点覆盖功能检测

测试设备：信号发生器、频谱分析仪

测试步骤：

1）用信号发生器在对应频点通带内进行扫频信号输出，并用采集回放仪将此信号采集并存储。

2）回放刚采集的信号至频谱分析仪，使用频谱分析仪查看信号是否与信号发生器产生的输入信号一致。

3.1.2 时频输出功能检测

测试设备：频谱分析仪。

测试步骤：用频谱分析仪连接采集回放仪时频输出接口，看是否有对应时频信号输出。

3.1.3 时频校准功能检测

测试设备：信号发生器、频谱分析仪。

测试步骤：

1）用频谱分析仪连接采集回放仪时频输出接口，记录输出时频信号的中心频率。

2）用标准信号发生器输出中心频率与时频信号中心频率相差500Hz的单音信号至时钟输入接口。

3）观察频谱分析仪上时频信号中心频率是否校准成与标准信号发生器输出信号中心频率一致。

3.1.4文件管理及数据导入导出功能检测

测试设备：PC（个人电脑）。

测试步骤：

1）用上位机连接采集回放仪。

2）通过上位机软件对文件列表进行浏览、删除等操作。

3）选择文件A作为通道测试文件，选择文件B作为串口测试文件（不大于1GB），比较这两个文件导入前的MD5校验值和导出后MD5校验值是否一致。

3.1.5串口同步采集回放功能检测

测试设备：PC（个人电脑）。

测试步骤：

1）采集时同时开启采集回放设备功能，采集一段确定的带时间标记的串口信息。

2）导出所采集的串口信息，将其同原始信息进行比对。

3）回放时同时回放串口信息，确认时间标记是否能对应上。

3.2 采集回放通道性能验证检测

3.2.1 回放信号频偏检测

测试设备：信号发生器、频谱分析仪。

测试步骤：

1）用标准信号发生器输出一个在通道通带内的单音信号并用采集回放仪采集下来。

2）回放采集的信号至频谱分析仪，比较其中心频率与信号发生器输出到频谱分析仪的信号的频偏。

3.2.2杂散分量测试

测试设备：频谱分析仪。

测试步骤：

1）采集回放仪空采一段信号（采集时RF输入端没有任何信号并与外界隔离）。

2）回放空采的信号至频谱分析仪，观察通带内是否有杂散分量。

3.2.3带外抑制测试

测试设备：信号发生器、频谱分析仪。

测试步骤：

1）用标准信号发生器在通道通带延拓10MHz宽度的范围内输出一段功率恒定的扫频信号，并用采集回放仪记录下来。

2）回放记录的信号，比较记录信号在带内带外的抑制情况。

3.2.4噪声系数测试

测试设备：噪声源、频谱分析仪。

测试步骤：

1）噪声源输出端同时连接频谱分析仪以及采集回放仪的输入。

2）噪声源输出特定频率固定信噪比的信号。用频谱分析仪测量信噪比得出SN1，同时采集信号。

3）回放信号，同时测量信噪比SN2。

4）计算SN1/SN2，得出噪声系数。

3.2.5本振信号的频偏、相噪以及频率稳定度测试

测试设备：频谱分析仪。

测试步骤：

1）将射频输出口连接频谱分析仪，观察记录本振信号的中心频率。

2）记录频谱仪本振信号中心频率与本振信号设计中心频率差值。

3）记录频谱仪中心频率功率与距中心频率10kHz 、100kHz 、1MHz 的功率差值

4）使用频谱仪对信号中心频率进行取样，获取两组取样值，第一组以1s 间隔对时钟频率取样，取样个数为100个；第二组以10s 间隔对时钟频率取样，取样个数为100个。

5）根据阿伦方差公式计算参考时钟的短期频率稳定度：

δ=（1）

其中：

i f 、1i f +分别为第i 次、第i+1次取样值；

0f 为标称频率；

m 为取样个数。

3.2.6多通道采集回放仪通道同步性测试

测试设备：标准信号发生器、高速数字示波器、分频器。

测试步骤：

1）设置采集回放仪单通道采集模式。信号发生器输出同时连接高速示波器以及采集回放仪的输入。

2）用标准信号发生器产生对应频点BPSK 信号。

3）操作高速示波器，以 1PPS 信号作为触发信号，对单频点单颗卫星单支路的 BPSK 信号进行采集，测量被测频点 BPSK 调制信号的巴克码翻转点和 1PPS 上升沿的时延均值⊿T1，每秒记录 1 次时延，记录时长 60s ，同时采集信号。

4）回放信号至示波器，以 1PPS 信号作为触发信号测量⊿T2。

5）计算⊿T1和⊿T2的差值，得出⊿T3。

6）计算每个通道的⊿T3。

3.3 时钟模块测试

3.3.1 时频信号的频偏、相噪以及频率稳定度测试

测试设备：频谱分析仪。

测试步骤：

1）将时钟输出口连接频谱分析仪，观察记录时频信号的中心频率。

2）记录频谱仪时频信号中心频率与时频信号设计中心频率差值。

3）记录频谱仪时频信号中心频率功率与距中心频率1kHz、10kHz、100kHz的功率差值。

4）使用频谱仪对信号中心频率进行取样，获取两组取样值，第一组以1s间隔对时钟频率取样，取样个数为100个；第二组以10s间隔对时钟频率取样，取样个数为100个。

5）根据3.2.5节公式1计算参考时钟的短期频率稳定度。

3.4 系统回放信号实际效果测试

测试设备：高精度组合导航系统、分频器。

测试步骤：

在用采集回放仪采集对天信号的时候，使用分频器同时输入对天信号至高精度组合导航系统并解算、记录NMEA数据（注：对信号进行采集时，应尽量选取视野开阔可见星较多的地方。组合导航接收机上单系统可见卫星数目应不少于8颗，信噪比大于40dB的卫星应不少于4颗）。

回放信号至组合导航系统并解算、记录NMEA数据。

以UTC时间为标记计算两组数据同一时刻的可见星数量差、信噪比差以及定位误差。

4 总结

采集回放仪在卫星导航定位产品的质量检测中已经越来越普及，但由于各个生产厂商的产品，标准不一，测试方案各异，所以很有必要建立一套采集回放仪的通用性能指标以及检测方法。本文给出了采集回放仪的通用性能指标和检测方法，能够从一定意义上提高基于采集回放仪进行测试的可靠性和一致性。

参考文献

[1]北斗卫星导航系统介绍[EB/OL].(2017-10-11).https://www.wendangku.net/doc/035051511.html,/xt/xtjs/20 1710/t20171011_280.html.

[2]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航术语:BD 11001-2015[S].2015.

[3]中国卫星导航系统管理办公室.北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号(2.1版)[Z].2016.