一种模拟星载GNSS接收机在轨工作的测试系统和方法与流程

本发明涉及一种基于对星载gnss接收机工作性能测试和评估的系统和方法，尤其一种模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统和方法，属于导航领域。

背景技术

目前常用的gnss系统包括美国的gps系统，中国的北斗系统，俄罗斯的glonass和欧洲的galileo等等，gnss接收机的应用十分广泛，其载体从手机、汽车到船舶、卫星不一而足。通过接收4颗及以上的导航卫星信号，即可求出接收机的位置和钟差，实现单点定位，由于单点定位的观测方程是非线性的，因此定位解算的需要求解非线性方程组，目前最常用的方位为卡尔曼滤波和最小二乘法。

无论采取何种解算方法，接收机的定位结果必定存在误差，需要通过测试系统对其性能进行测试与评估。对于星载gnss接收机，目前常用的测试主要采用整星在轨测试、整星联合地面测试、静态地面定点测试等方式，其中，整星在轨测试投入巨大，成本高，且对测试人员的素质要求高，同时测试过程中发现问题后整改困难；整星联合地面测试同样需要搭建复杂的测试环境、实验组件，大量测试人员，工作效率相对较低；静态地面定点测试只能进行单点定位测试，无法模拟卫星实际工作状态下的动态场景，测试项目不够充分。

技术实现要素：

本发明提供了一种模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统和方法，用以克服现有测试方法中经济成本和人力成本高、工作效率低、测试项目不充分和整改不易等缺陷。

本发明的技术方案为：一种模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统，包括：gnss模型仿真模块、半物理仿真模块、pc控制观测模块；

gnss模型仿真模块，能够构建出gnss系统模型用于仿真真实的gnss系统，模拟卫星导航接收机在轨工作的场景条件，生成导航卫星的仿真信号，并输出至半物理仿真模块；

半物理仿真模块，接收导航卫星的仿真信号，并根据导航卫星的仿真信号，按照预设的定位解算算法，得到卫星导航接收机仿真在轨工作状态下的参数，根据pc控制观测模块的控制指令，输出参数给pc控制观测模块；

pc控制观测模块，接收并观测半物理仿真模块送来的参数；同时，能够根据测试要求向半物理仿真模块输出控制指令，观测半物理仿真模块对控制指令的工作反馈。

gnss系统模型由全球导航系统(gps，24颗卫星)和北斗卫星导航系统(bds，目前已发射16颗卫星)两个星座组成，两者为并列关系。

gnss模型仿真模块生成的生成导航卫星的仿真信号包含：全球导航系统(gps)l1频点(1575.4mhz)，仿真信号的调制方式分别为bpsk，带宽为1.023mhz，传输速率为50bit/s；北斗卫星导航系统(bds)b1频点(1561.098mhz)，仿真信号的调制方式分别为qpsk，带宽为2.046mhz，传输速率为50bit/s。

在轨工作的场景条件为轨道六根数和场景时间。

半物理仿真模块对接收的导航卫星的仿真信号，进行放大、滤波，然后根据预设的定位解算算法、解算星历信息，得到卫星导航接收机仿真在轨工作状态下的参数，包括：时间信息、位置信息和轨道信息。

半物理仿真模块，包括：导航芯片与主控cpu，导航芯片能够按照预设的定位解算算法进行结算，解算得到的参数发送给主控cpu；主控cpu将所有参数按照格式进行打包后，通过rs422接口电路传送到pc控制观测模块；主控cpu还能够通过gpio发送内部使能信号给导航芯片，实现对导航芯片的控制。

半物理仿真模块外围设有温度传感器，采集温度数据，传感器数据的处理由主控cpu完成。

pc控制观测模块，将接收到参数从十六进制转化为十进制并在观测界面相应的位置显示。

输出给pc控制观测模块的参数需要考虑pc控制观测模块的需求，pc控制观测模块的需求为测试工作人员需要观测的数据种类。

还包括：信号转换模块，用于连接gnss模型仿真模块和半物理仿真模块、半物理仿真模块和pc控制观测模块，实现信号传递。

gnss模型仿真模块通过sma接口和射频线与半物理仿真模块相连；半物理仿真模块通过232转rs422数据转换器与pc控制观测模块相连。

测试要求，包括且不限于：切换不同的工作模式下；输出不同的数据；开启或关闭半物理仿真模块的部分功能开关；执行上注功能等。

对控制指令的工作反馈通过半物理仿真模块输出至pc控制观测模块的参数值体现。

本发明一种模拟星载gnss接收机在轨工作的测试方法，步骤如下：

(1)构建出gnss系统模型用于仿真真实的gnss系统，模拟卫星导航接收机在轨工作的场景条件，生成导航卫星的仿真信号

(2)根据步骤(1)的导航卫星的仿真信号，按照预设的定位解算算法，得到卫星导航接收机仿真在轨工作状态下的参数，根据控制指令，输出参数；

(3)接收并观测步骤(2)的输出参数，同时，能够根据测试要求输出控制指令，观测对控制指令的工作反馈。

本发明相对于现有技术的优点在于：

(1)本发明提供的模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统中，gnss模型仿真模块可以根据星载gnss接收机在轨工作的场景条件，建立gnss系统仿真模型并输出相应的仿真信号，极大地降低搭建实验环境的成本，提高工作效率；

(2)本发明提供的模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统中，半物理仿真模块接收上述的仿真信号，按照预设的定位解算算法，得到仿真运行状态下的各项参数，根据控制观测模块的需求输出，保证测试项目的充分性；

(3)本发明提供的模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统中，pc控制观测模块，接收半物理仿真模块的输出数据并将其由十六进制转换为十进制，使得测试人员可以直接观测数据并进行初步的评估，无需保存数据再用软件转化后观测，极大地简化工作流程，提高工作效率。

(4)本发明提供的模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统中，pc控制观测模块，接收并观测半物理仿真模块的输出数据，无需连接星务系统，简化实验环境，提高工作效率。

附图说明

图1为本发明提供的模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统的实施例结构示意图；

图2为本发明提供的一种模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统的具体实施例结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提供一种模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统和方法，根据星载gnss接收机在轨工作的场景条件，建立gnss系统仿真模型，生成并输出相应导航卫星的仿真信号；半物理仿真模块，用于接收上述的仿真信号，按照预设的定位解算算法，得到仿真运行状态下的各个参数，按照控制观测模块的需求输出；pc控制观测模块，根据测试细则发送控制指令，同时接收并观测半物理仿真模块的输出信号，并将其从十六进制转化为十进制，从而对仿真模块的性能进行观测评估。本系统测试环境搭建简便，整体成本低，工作效率高，为星载gnss接收机的在轨仿真测试提供一种简便、高效、可靠的方式。

本发明用于gnss接收机的地面测试，模拟其在轨的工作环境并进行全面充分的测试。如图1所示，包括：gnss模型仿真模块、半物理仿真模块、pc控制观测模块；

其中，gnss模型仿真模块，能够构建出gnss系统模型用于仿真真实的gnss系统，模拟卫星导航接收机在轨工作的场景条件，生成导航卫星的仿真信号，并输出至半物理仿真模块；

半物理仿真模块，接收导航卫星的仿真信号，并根据导航卫星的仿真信号，按照预设的定位解算算法，得到卫星导航接收机仿真在轨工作状态下的参数，根据pc控制观测模块的控制指令，输出参数给pc控制观测模块；

pc控制观测模块，接收并观测半物理仿真模块送来的参数；同时，能够根据测试要求向半物理仿真模块输出控制指令，观测半物理仿真模块对控制指令的工作反馈。

本发明提供的模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统中，gnss模型仿真模块构建的gnss系统模型，由全球导航系统(gps，24颗卫星)和北斗卫星导航系统(bds，目前已发射16颗卫星)两个星座组成，两者为并列关系。gps系统是目前国际上最成熟、最常用的导航系统，bds系统是我国自行研制、重点推广的导航系统，由其两者组成的gnss模型充分模拟了现实场景并满足测试需求。

具体的，gnss模型仿真模块生成的生成导航卫星的仿真信号包含：全球导航系统(gps)l1频点(1575.4mhz)，仿真信号的调制方式分别为bpsk，带宽为1.023mhz，传输速率为50bit/s；北斗卫星导航系统(bds)b1频点(1561.098mhz)，仿真信号的调制方式分别为qpsk，带宽为2.046mhz，传输速率为50bit/s。l1频点和b1频点为常用的民用频点，能够充分满足测试需求。

具体的，如图2所示，gnss模型仿真模块分为主机和信号模拟器，在主机上调整在轨卫星的场景条件以更新gnss系统模型，信号模拟器生成并输出相应的导航卫星的仿真信号。在轨工作的场景条件为轨道六根数和场景时间。

此外，这里的gnss模型仿真模块输出的信号可能为正常的仿真信号，相应的，半物理仿真模块102生成的定位数据与时间数据为正确的、精度在要求范围内的；当然，这里的gnss模型仿真模块输出的仿真信号也有可能为不正常的仿真信号，包括信号强度低、部分导航卫星的信号被屏蔽等等，相应的，半物理仿真模块102生成的定位数据与时间数据所需的时间增加，精度下降或按照预设算法输出相应的数据。

本发明提供的模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统中，半物理仿真模块，接收gnss系统模型输出的仿真信号，按照预设的算法，得到仿真运行状态下的各个参数，根据pc控制观测模块的需求输出。

具体的，半物理仿真模块对，接收的导航卫星的仿真信号，进行放大、滤波，然后根据预设的定位解算算法、解算星历信息，得到卫星导航接收机仿真在轨工作状态下的参数，包括：时间信息、位置信息和轨道信息。

具体的，如图2所示，半物理仿真模块，包括：导航芯片、外部传感器与主控cpu，导航芯片按照预设的定位解算算法进行结算，解算得到的参数发送给主控cpu；外部传感器获取温度、电压等数据，并发送给主控cpu；主控cpu将所有参数按照格式进行打包后，通过rs422接口电路传送到pc控制观测模块，还能够通过gpio发送内部使能信号给导航芯片，实现对导航芯片的控制。

本发明提供的模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统中，pc控制观测模块，接收并观测半物理仿真模块送来的参数；同时，能够根据测试要求向半物理仿真模块输出控制指令，观测半物理仿真模块对控制指令的工作反馈。

具体的，pc控制观测模块，将接收到参数从十六进制转化为十进制并在观测界面相应的位置显示，这样做的好处是，测试人员可以直接观测数据，并通过与gnss模型仿真模块显示的基准数据对比后初步评估半物理仿真模块的工作性能，相比传统的测试方式减少了20％的时间。

具体的，pc控制观测模块，可以根据测试要求向半物理仿真模块发送控制指令；测试要求根据实际测试需要的项目制定，包括且不限于：切换不同的工作模式下；输出不同的数据；开启或关闭半物理仿真模块的某些功能开关；执行、结束上注功能等。

具体的，半物理仿真模块，对来自于pc控制观测模块控制指令的工作反馈通过其输出至pc控制观测模块的某些参数值体现，该类参数值在pc控制观测模块中从十六进制转化为十进制后可以直接观测。

具体的，本发明提供的模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统，因为pc控制观测模块能将接收到参数从十六进制转化为十进制并在观测界面相应的位置显示，则无需再连接星务系统，整个系统减少25％的组件和25％的测试人员，降低人力成本，提高效率。

此外，本发明提供的模拟星载gnss接收机在轨工作的测试系统还包含，信号转换模块，用于连接gnss模型仿真模块和半物理仿真模块、半物理仿真模块和pc控制观测模块，实现信号传递。

具体的，信号转换模块中，gnss模型仿真模块通过sma接口和射频线与半物理仿真模块相连；半物理仿真模块通过232转rs422数据转换器与pc控制观测模块相连。

在具体实施过程中，按照图二所示连接整个测试系统，在gnss模型仿真模块的主机上设置测试所需的在柜工作场景(时间与轨道六根数)，再从pc控制观测模块向半物理仿真模块发送控制指令，即可从pc控制观测模块的观测界面观测半物理仿真模块输出的参数，初步评估半物理仿真模块的工作性能。此外，使用专门软件对pc控制观测模块中保存的半物理仿真模块输出参数的处理，可以进一步评估半物理仿真模块的工作性能。

在表1中给出了传统的地面单板测试系统与本发明提出的测试系统相同工作量下，所需时间与测试人员数量的对比，可见本发明提出的测试系统节省20％的测试时间与25％的人力成本。此外，本发明提出的测试系统无需连接星务系统，相比传统的地面单板测试系统所需组件更少，搭建实验环境的成本更低。

表1传统地面单板测试系统与本发明提出测试系统的工作效率对比表

最后需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的专业技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改；这些修改并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。