一种星载接收机校时功能测试系统及方法
【专利摘要】一种星载接收机校时功能测试系统及方法，主要应用到航天领域星(船)载导航接收机校时功能的测试和评估。本系统具有以下几个特征：(1)测试精度较传统方式有所提高，采用高稳时钟和硬件定时，并对测试系统自身零值进行评估，校时测试精度达到十纳秒级；(2)测试覆盖性好，采用FPGA硬件定时控制，可设定校时指令延时步长，每次递进，实现整秒时刻的全覆盖，满足校时时刻的随机性测试；(3)能够实现功能集成化测试，参数设定后，基本由设备自动执行，测试人员无需操作，待测试结束后，可自动生成测试结果。
【专利说明】一种星载接收机校时功能测试系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种星载接收机校时功能测试系统及测试方法，实现了星载接收机校 时功能的集成化、自动化测试，能够达到较高的测试精度，属于卫星测试【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着航天工程技术的不断发展，星载导航接收机扮演越来越重要的角色，授时功 能是导航接收机的核心功能之一，直接关系到整星的性能。
[0003] 测试星载导航接收机的校时功能，是综合测试中的重要一环，需要对接收机的校 时功能进行验证、对其精度进行准确测量。以便确保接收机校时功能的完备，进而保证整星 正常工作。传统的星载接收机校时功能测试多采用人工+通用仪器的方式，测试系统搭建 过程较为繁琐，测试过程较为复杂，必须由经验丰富的测试工程师完成，且测试精度相对较 低，测试覆盖性不足，仅能在较为固定时间（整秒）进行校时。
[0004] 随着用户对校时精度和性能要求日益提高，这种测试方法存在着瓶颈。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决的问题是：克服现有测试手段的不足，提供了一种星载接收机 校时功能测试系统及测试方法，采用嵌入式技术将测试过程集成至测试系统中，实现了校 时功能测试的自动化和实时输出并将校时功能的测试精度提高到十纳秒级，具有实用性 强、效率高的特点。
[0006] 本发明的技术解决方案是：一种星载接收机校时功能测试系统，包括：时间码转 换模块、小数秒遍历模块、零值校准模块、校时指令发送模块、高稳时钟模块、差值统计模 块、处理模块、示波器和导航信号仿真器；
[0007] 导航信号仿真器产生秒脉冲和与秒脉冲对应的时间码，并将秒脉冲发送给小数秒 遍历模块和示波器，将时间码发送给时间码转换模块，所述时间码为GPS的周内秒整秒值；
[0008] 时间码转换模块将导航信号仿真器输出的时间码信息进行提取，并将提取出的时 间码转换成UTC时间，然后将转换后的UTC时间实时输出给校时指令发送模块，作为校时指 令数据的整秒部分；
[0009] 高稳时钟模块采用高稳晶振模块，高稳晶振为校时指令发送模块和小数秒遍历模 块提供时钟基准；
[0010] 小数秒遍历模块在接收到导航信号仿真器发送的秒脉冲时刻之前将预先设定的 延时时间值发送给校时指令发送模块，小数秒遍历模块接收到导航信号仿真器发送的秒脉 冲后，根据预先设定的延时时间值对秒脉冲进行延时，并通过高稳时钟模块提供的主频时 钟进行内部计数器的累加，当内部计数器的时间值与预先设定的延时时间值相等时，将延 时后的秒脉冲输出给校时指令发送模块和零值校准模块；
[0011] 校时指令发送模块将时间码转换模块输出的UTC时间码与小数秒遍历模块输出 的延时时间值相加，作为校时指令的内容，小数秒遍历模块输出的延时后的秒脉冲触发校 时指令发送模块，将校时指令内容发送给被测的星载导航接收机；
[0012] 被测的星载导航接收机接收到校时指令发送模块输出的校时指令后，提取出校时 指令中的UTC时间码以及延时时间值，并与内部的标准计时进行比较，得出时间差值，然后 输出给差值统计模块；
[0013] 差值统计模块对接收到的时间差值进行统计并存储，并将统计后的时间差值发送 给处理模块；
[0014] 零值校准模块接收小数秒遍历模块输出的延时后的秒脉冲并输出给示波器，波器 接收导航信号仿真器输入的秒脉冲和零值校准模块输入的秒脉冲，并计算导航信号仿真器 输入的秒脉冲和零值校准模块输入的秒脉冲之间的时间差，即为测试系统零值；示波器将 测试系统零值实时输出给处理模块；
[0015] 处理模块接收差值统计模块输入的统计后的时间差值和示波器输入的测试系统 零值后，根据测试系统零值去除统计后的时间差值中的系统零值误差，得到校时功能测试 结果并输出。
[0016] 所述系统的校时精度为不大于0· 075 μ s。
[0017] 一种基于星载接收机校时功能测试系统的测试方法，步骤如下：
[0018] (1)判断处理模块是否接收到测试系统的零值测量结果，若已收到，则进入步骤 (2);若未收到，则进入步骤（9);
[0019] (2)对测试系统中的各模块进行初始参数设置，各模块返回初始参数设置回读参 数；
[0020] (3)根据回读参数判断初始参数是否配置成功，若配置成功，则进入步骤（4)，若 没有配置成功，则进入步骤（2);
[0021] (4)小数秒遍历模块判断是否接收到导航信号仿真器发送的秒脉冲，若接收到秒 脉冲，则进入步骤（5)，若没有接收到秒脉冲，则持续进行判断，直至接收到秒脉冲；
[0022] (5)测试系统将导航信号仿真器发送的时间码转化成UTC时间码，然后将转换后 的UTC时间实时输出给校时指令发送模块，作为校时指令数据的整秒部分；同时触发校时 发送计数器，进入步骤（6);
[0023] (6)判断校时发送计数器的值是否等于预先设置的延时时长，若校时发送计数器 的值等于预先设置的延时时长，则进入步骤（7);若校时发送计数器的值小于等于预先设 置的延时时长，则校时发送计数器的值加1，重新判断校时发送计数器的值是否等于预先设 置的延时时长；
[0024] (7)校时指令发送模块根据时间码转换模块发送的UTC时间码和预先设定的延时 时间值生成校时指令并传输给被测星载导航接收机；
[0025] (8)测试系统判断是否收到被测星载导航接收机发送的时间差值信号，若收到，则 进入步骤（12)，若没有收到，则持续进行判断，直至收到被测星载导航接收机发送的时间差 值信号；进入步骤（12);
[0026] (9)示波器接收导航信号仿真器发送的秒脉冲和零值校准模块发送的零值测量 脉冲，计算两者之间的差值，即为零值测量值，并将零值测量值发送给处理模块；进入步骤 (10);
[0027] (10)处理模块判断收到零值测量值的次数是否等于预设的次数，若等于预设的次 数，则进入步骤（11);若小于预设的次数，则收到零值测量值的次数加1，返回步骤（9);
[0028] (11)处理模块输出零值测量值的均值，进入步骤（12);
[0029] (12)系统中的差值统计模块和处理模块利用步骤（8)中接收到的被测星载导航 接收机发送的时间差值信号和步骤（11)中计算得到的零值测量值的均值，对时间差值信 号和零值测量值的均值进行比较，获得校时功能测量结果，并将测量结果输出。
[0030] 本发明与现有技术相比的有益效果：
[0031] (1)本发明中的系统将各个功能模块进行集成，采用一体化设计，将传统需要的纷 繁复杂的专用设备和通用设备，以模块化的方式集成起来；测试人员只需对一台测试系统 进行操作，提高了测试效率，降低了测试系统使用的复杂度；
[0032] (2)本发明中的系统采用FPGA进行任务中断触发和时间标定，配以高稳时钟，为 测试精度提供了工具保证；该系统的设计，为提高校时测试的精度和覆盖性提供了有效保 证；
[0033] (3)本发明中的方法强调对校时测量的各个环节进行定量标定，考虑自身零值等 因素；将对零值的校准计入测试过程，大幅提高了校时测试的精度；
[0034] (4)本发明中的方法充分利用FPGA进行校时测量，实现了校时功能在整秒任意时 刻（毫秒步进）的遍历测量，同时实现了精确定时；提高了测试的覆盖性、有效性和测试精 度；
[0035] (5)本发明中的方法采用自动化测试的方式，测试人员编写测试用例，将测试指令 进行序列化编排，利用集成系统的优势，将人工操作简化，基本实现一键式测试；有效提高 了测试效率，降低了对测试人员的专业要求，提高了校时测试一致性。
【专利附图】
【附图说明】
[0036] 图1校时功能测试系统组成图；
[0037] 图2校时测试流程图；
[0038] 图3校时精度测量时序图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细地阐述。
[0040] 如图1所示为本发明的系统框图，由图1可知，本发明提出的一种星载接收机校 时功能测试系统，包括：时间码转换模块、小数秒遍历模块、零值校准模块、校时指令发送模 块、高稳时钟模块、差值统计模块、处理模块、示波器和导航信号仿真器；
[0041] 导航信号仿真器产生秒脉冲和与秒脉冲对应的时间码，并将秒脉冲发送给小数秒 遍历模块和示波器，将时间码发送给时间码转换模块，所述时间码为GPS的周内秒整秒值； [0042] 时间码转换模块将导航信号仿真器输出的时间码信息进行提取，并将提取出的时 间码转换成UTC时间，然后将转换后的UTC时间实时输出给校时指令发送模块，作为校时指 令数据的整秒部分；UTC(Coordinated Universal Time)时间即为协调世界时，是一种国际 标准时间，是世界时和国际原子时两者之间的一种折中方案，时间格式解析如：2005年12 月31日23时59分58秒。
[0043] 高稳时钟模块采用高稳晶振模块，高稳晶振为校时指令发送模块和小树秒遍历模 块提供1?精度时钟基准；所选用1?稳晶振的精度为：< ±0. 2ppm ;稳定度为：< ± lppm/ year。
[0044] 小数秒遍历模块在接收到导航信号仿真器发送的秒脉冲时刻之前将预先设定的 延时时间值发送给校时指令发送模块，小数秒遍历模块接收到导航信号仿真器发送的秒脉 冲后，根据预先设定的延时时间值对秒脉冲进行延时，并通过高稳时钟模块提供的主频时 钟进行内部计数器的累加，当内部计数器的时间值与预先设定的延时时间值相等时，将延 时后的秒脉冲输出给校时指令发送模块和零值校准模块；
[0045] 校时指令发送模块将时间码转换模块输出的UTC时间码与小数秒遍历模块输出 的延时时间值相加，作为校时指令的内容，小数秒遍历模块输出的延时后的秒脉冲触发校 时指令发送模块，将校时指令内容发送给被测的星载导航接收机；
[0046] 被测的星载导航接收机接收到校时指令发送模块输出的校时指令后，提取出校时 指令中的UTC时间码以及延时时间值，并与内部的标准计时进行比较，得出时间差值，然后 输出给差值统计模块；
[0047] 差值统计模块对接收到的时间差值进行统计并存储，并将统计后的时间差值发送 给处理模块；所述的统计方法包括取平均值和最小二乘法，统计方法可以在软件界面进行 配置，测试人员可选择其中一种统计方法。本文中所述的精度为单次测量精度。
[0048] 零值校准模块接收小数秒遍历模块输出的延时后的秒脉冲并输出给示波器，波器 接收导航信号仿真器输入的秒脉冲和零值校准模块输入的秒脉冲，并计算导航信号仿真器 输入的秒脉冲和零值校准模块输入的秒脉冲之间的时间差，即为测试系统零值；示波器将 测试系统零值实时输出给处理模块；
[0049] 处理模块接收差值统计模块输入的统计后的时间差值和示波器输入的测试系统 零值后，根据测试系统零值去除统计后的时间差值中的系统零值误差，得到校时功能测试 结果并输出。
[0050] 如图2所示为本发明中的方法流程图，由图2可知，本发明提出的一种基于测试系 统的星载接收机校时功能测试方法，步骤如下：
[0051] (1)判断测试系统是否已完成零值测量，若已完成零值测量，则进入步骤（2);若 未完成零值测量，则进入步骤（9);
[0052] (2)对测试系统中的各模块进行初始参数设置，各模块返回初始参数设置回读参 数；
[0053] (3)根据回读参数判断初始参数是否配置成功，若配置成功，则进入步骤（4)，若 没有配置成功，则进入步骤（2);
[0054] (4)小数秒遍历模块判断是否接收到导航信号仿真器发送的秒脉冲，若接收到秒 脉冲，则进入步骤（5)，若没有接收到秒脉冲，则持续进行判断，直至接收到秒脉冲；
[0055] (5)测试系统将导航信号仿真器发送的时间码转化成UTC时间码，然后将转换后 的UTC时间实时输出给校时指令发送模块，作为校时指令数据的整秒部分；同时触发校时 发送计数器，进入步骤（6);
[0056] (6)判断校时发送计数器的值是否等于预先设置的延时时长，若校时发送计数器 的值等于预先设置的延时时长，则进入步骤（7);若校时发送计数器的值小于等于预先设 置的延时时长，则校时发送计数器的值加1，重新判断校时发送计数器的值是否等于预先设 置的延时时长；
[0057] (7)校时指令发送模块根据时间码转换模块发送的UTC时间码和预先设定的延时 时间值生成校时指令并传输给被测星载导航接收机；
[0058] (8)测试系统判断是否收到被测星载导航接收机发送的时间差值信号，若收到，则 进入步骤（12)，若没有收到，则持续进行判断，直至收到被测星载导航接收机发送的时间差 值信号；进入步骤（12);
[0059] (9)示波器接收导航信号仿真器发送的秒脉冲和零值校准模块发送的零值测量 脉冲，计算两者之间的差值，即为零值测量值，并将零值测量值发送给处理模块；进入步骤 (10);
[0060] (10)处理模块判断收到零值测量值的次数是否等于预设的次数，若等于预设的次 数，则进入步骤（11);若小于预设的次数，则收到零值测量值的次数加1，返回步骤（9);
[0061] (11)处理模块输出零值测量值的均值，进入步骤（12);
[0062] (12)系统中的差值统计模块和处理模块利用步骤（8)中接收到的被测星载导航 接收机发送的时间差值信号和步骤（11)中计算得到的零值测量值的均值，对时间差值信 号和零值测量值的均值进行比较，获得校时功能测量结果，并将测量结果输出。
[0063] 本发明的工作原理：
[0064] 校时功能集成测试系统的实施主要是：系统机箱为采购的标准CPCI总线接口机 箱、控制器为采购的标准主控模块；时间码转换模块以及小数秒遍历模块主要由校时功能 模块上的FPGA实现；零值校准模块主要由校时功能模块上的FPGA实现；高稳时钟模块为 工业级高稳时钟芯片；差值统计模块和分析软件为上位机自研开发软件。
[0065] 校时功能的测试方法主要是：仿真器发出秒脉冲，经过测试系统处理，发送校时指 令，再由接收机返回差值，对差值进行校正，评估校时精度。时序图如图3所示。
[0066] ttdl :秒脉冲传输延时，即仿真器到测试系统的电缆传输延时；
[0067] :测试系统接收零值，测试系统接收秒脉冲到小数秒遍历模块延时；
[0068] tpd :测试系统小数秒遍历模块的处理延时；
[0069] ttz :测试系统发送零值，总线发送校时指令延时；
[0070] ttd2 :指令传输延时，总线传输校时指令延时；
[0071] tb :返回差值：校时差值，用于与接收机返回值进行比对；
[0072] 接收机接收总线指令至内部处理模块的延时，由星载导航接收机设计师将测量或 评估（零值测量和理论计算相结合）结果提供给测试工程师。
[0073] 由时序图可知：
[0074] tb = ttdl+trz+ttz+ttd2
[0075] 按照这种方法进行校时功能测试，假设接收机返回的差值为trt，而实际上则测试 要得到的校时测量结果％为
[0076] ts = | trb-tb
[0077] tpd并不在计算公式内，因为tpd是测试系统已知的数值，测试系统发送的校时指令 会将t pd的数值计入，因此接收机返回的差值不包含tpd。但由于tpd为实际编程延时，与理 论编程延时t' ^的差值会对校时精度测量造成影响。
[0078] 进一步整理公式得到：
[0079]
【权利要求】
1. 一种星载接收机校时功能测试系统，其特征在于包括：时间码转换模块、小数秒遍 历模块、零值校准模块、校时指令发送模块、高稳时钟模块、差值统计模块、处理模块、示波 器和导航信号仿真器； 导航信号仿真器产生秒脉冲和与秒脉冲对应的时间码，并将秒脉冲发送给小数秒遍历 模块和示波器，将时间码发送给时间码转换模块，所述时间码为GPS的周内秒整秒值； 时间码转换模块将导航信号仿真器输出的时间码信息进行提取，并将提取出的时间码 转换成UTC时间，然后将转换后的UTC时间实时输出给校时指令发送模块，作为校时指令数 据的整秒部分； 高稳时钟模块采用高稳晶振模块，高稳晶振为校时指令发送模块和小数秒遍历模块提 供时钟基准； 小数秒遍历模块在接收到导航信号仿真器发送的秒脉冲时刻之前将预先设定的延时 时间值发送给校时指令发送模块，小数秒遍历模块接收到导航信号仿真器发送的秒脉冲 后，根据预先设定的延时时间值对秒脉冲进行延时，并通过高稳时钟模块提供的主频时钟 进行内部计数器的累加，当内部计数器的时间值与预先设定的延时时间值相等时，将延时 后的秒脉冲输出给校时指令发送模块和零值校准模块； 校时指令发送模块将时间码转换模块输出的UTC时间码与小数秒遍历模块输出的延 时时间值相加，作为校时指令的内容，小数秒遍历模块输出的延时后的秒脉冲触发校时指 令发送模块，将校时指令内容发送给被测的星载导航接收机； 被测的星载导航接收机接收到校时指令发送模块输出的校时指令后，提取出校时指令 中的UTC时间码以及延时时间值，并与内部的标准计时进行比较，得出时间差值，然后输出 给差值统计模块； 差值统计模块对接收到的时间差值进行统计并存储，并将统计后的时间差值发送给处 理模块； 零值校准模块接收小数秒遍历模块输出的延时后的秒脉冲并输出给示波器，波器接收 导航信号仿真器输入的秒脉冲和零值校准模块输入的秒脉冲，并计算导航信号仿真器输入 的秒脉冲和零值校准模块输入的秒脉冲之间的时间差，即为测试系统零值；示波器将测试 系统零值实时输出给处理模块； 处理模块接收差值统计模块输入的统计后的时间差值和示波器输入的测试系统零值 后，根据测试系统零值去除统计后的时间差值中的系统零值误差，得到校时功能测试结果 并输出。
2. 根据权利要求1所述的一种星载接收机校时功能测试系统，其特征在于：所述系统 的校时精度为不大于〇. 075 μ s。
3. -种基于权利要求1中的测试系统的星载接收机校时功能测试方法，其特征在于步 骤如下： (1) 判断处理模块是否接收到测试系统的零值测量结果，若已收到，则进入步骤（2); 若未收到，则进入步骤（9); (2) 对测试系统中的各模块进行初始参数设置，各模块返回初始参数设置回读参数； (3) 根据回读参数判断初始参数是否配置成功，若配置成功，则进入步骤（4)，若没有 配置成功，则进入步骤（2); (4) 小数秒遍历模块判断是否接收到导航信号仿真器发送的秒脉冲，若接收到秒脉冲， 则进入步骤（5)，若没有接收到秒脉冲，则持续进行判断，直至接收到秒脉冲； (5) 测试系统将导航信号仿真器发送的时间码转化成UTC时间码，然后将转换后的UTC 时间实时输出给校时指令发送模块，作为校时指令数据的整秒部分；同时触发校时发送计 数器，进入步骤（6); (6) 判断校时发送计数器的值是否等于预先设置的延时时长，若校时发送计数器的值 等于预先设置的延时时长，则进入步骤（7);若校时发送计数器的值小于等于预先设置的 延时时长，则校时发送计数器的值加1，重新判断校时发送计数器的值是否等于预先设置的 延时时长； (7) 校时指令发送模块根据时间码转换模块发送的UTC时间码和预先设定的延时时间 值生成校时指令并传输给被测星载导航接收机； (8) 测试系统判断是否收到被测星载导航接收机发送的时间差值信号，若收到，则进入 步骤（12)，若没有收到，则持续进行判断，直至收到被测星载导航接收机发送的时间差值信 号；进入步骤（12); (9) 示波器接收导航信号仿真器发送的秒脉冲和零值校准模块发送的零值测量脉冲， 计算两者之间的差值，即为零值测量值，并将零值测量值发送给处理模块；进入步骤（10); (10) 处理模块判断收到零值测量值的次数是否等于预设的次数，若等于预设的次数， 则进入步骤（11);若小于预设的次数，则收到零值测量值的次数加1，返回步骤（9); (11) 处理模块输出零值测量值的均值，进入步骤（12); (12) 系统中的差值统计模块和处理模块利用步骤（8)中接收到的被测星载导航接收 机发送的时间差值信号和步骤（11)中计算得到的零值测量值的均值，对时间差值信号和 零值测量值的均值进行比较，获得校时功能测量结果，并将测量结果输出。
【文档编号】G01S19/23GK104155664SQ201410381934
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月5日 优先权日:2014年8月5日
【发明者】金星虎, 方兴, 宋汉松, 郭锦, 张瀛 申请人:航天恒星科技有限公司