北斗导航信号源发展现状分析谢金石(北京环球信息应用开发中心)摘要：北斗导航信号源是检测北斗用户机性能的重要测试设备，它通过仿真卫星星座、卫星星钟、电离层等环境效应、用户轨迹等来模拟再现北斗导航卫星信号。

本文分析了国内外导航信号源的发展现状以及信号源的功能特点，指出未来导航信号源的发展趋势。

关键词：北斗，导航信号源，发展趋势中图分类号: TN967.1 文献标识码: A 文章编号The analysis of BD Navigation Simulators actual developmentXie Jin Shi（Beijing Global Information Center of Application and Exploitation）Abstract: BD Navigation Simulator is the most important testing instrumnet to verify the performance of BD Receivers .The Simulator emulates and replays the BD navigation signal by emulating the user’s trajectory and the environmental effects of navigation constellation、satellite clock and Ionosphere. The thesis analyses the development actuality of national and international navigation simulators and the function features of the simulators, it also indicates the development trend of navigation simulator.Key Words:. BD Navigation Simulator, development trend1引言随着我国北斗卫星导航系统的正式运行，北斗导航产品在民用和军用市场扮演着越来越重要的角色。

而北斗导航产品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。

北斗导航产品质量检测、研发和生产测试均需要依靠导航信号源。

虽然对天接收实际卫星信号测试也可以定性的说明问题，但是这种测试由于卫星轨道、钟差、电离层、多径、电磁干扰等误差因素不可控，因此测试不具备可重复性、可控制性，不利于导航产品的测试比对和研发改进。

导航信号源由于各种误差因素均是仿真产生，完全可重复可控制，因此是测试导航产品的首选设备[1]。

导航终端的种类繁多，按照功能划分，导航终端可分为基本型、兼容型、双模型、授时型、高动态型、抗干扰型、天线阵接收机、测量型监测接收机等。

按照应用划分，导航终端可分为手持型、车载型、测量型、机载型、舰载型、弹载型等。

不同类型的终端产品功能性能也不尽相同，比如除了实现基本的导航、定位、测速功能之外，双模型用户机要实现位置报告，抗干扰型用户机要进行抗干扰性能测试评估，高动态型用户机要能在高动态条件正常工作，测量型监测接收机要求具有很高的载波相位测距精度和多径抑制能力等。

导航信号源必须适应上述各种测试需求。

作为用户而言，需要了解导航信号源应该具备怎样的功能性能才能满足测试需求，需要了解怎样测试信号源才能判定其符合测试要求。

本文在回答上述问题的基础上，进一步分析了目前国内外的信号源发展现状以及未来的发展趋势。

2信号源需求分析导航信号源应该具备星座仿真、轨迹仿真、环境仿真、异常仿真、交互仿真控制功能，基于测试场景模拟再现接收机接收到的北斗卫星信号环境。

这些场景定义了接收机在给定仿真时刻的位置、运动状态，以及卫星星座参数、电离层和对流层参数、多径、遮挡、干扰等环境的影响。

使用北斗导航信号源能够很容易的模拟实现很有挑战性的真实场景，包括弱信号条件、强干扰条件、高动态、多路径干扰，以测试接收机在这些极端环境下的性能。

信号源还能模拟实现卫星导航系统的异常状态，以测试接收机在出错环境下的性能如何[2]。

在卫星导航信号模拟源中，各种时频信号的非理想性，射频通道的非线性等会引入误差，使信号质量恶化，导航接收终端伪距载波相位测量值引入不可控误差。

这就需要导航信号模拟源提供高质量的信号生成，以更精确地模拟接收的导航信号，这样可以排除各种由于信号非理想引入的误差因素，达到各种误差因素可控，评估各种误差因素的影响。

除了上述共性需求，不同类型的用户终端，不同的应用场景对导航信号源的需求不尽相同：（1）从运行控制系统的高精度监测接收机、地面站系统，到应用系统的高动态应用终端、授时型终端、测试型终端等的测试验证，均需要高精度的测试设备：监测接收机的测量精度达到厘米级，与普通用户机的定位精度为10米相比，高了几个数量级，因此它对于信号源的高精度需求比普通的用户机要高，需要更高精度的信号源；（2）研发测试、验收测试等应用场合，需要信号源具备闭环测试评估功能：闭环测试评估以控制计算机为任务调度中心，通过标准化接口实现控制计算机和导航信号源、频谱仪、时间间隔计数器等测试仪器的通信，通过串口实现控制计算机和被测设备间的通信。

采用标准的测试方法，利用控制计算机完成对测试仪器和被测设备的设置与操作，按照规范的测试大纲把测试步骤程序化、规范化、自动化，实现测试控制与流程的自动化。

自动测试系统可同时进行多个测试设备的测试，可串行执行多个测试项目的测试，实现测试的高效化。

按照规范的测试大纲对各种测量数据进行统计处理，采用模式识别技术对统计结果进行达标判读，并且能够将测试结果按照模板格式生成测试结果报表，实现数据评估的自动化和测试报表的自动生成。

（3）对于系统级测试验收单位、大型用户机研发生产企业，要求信号源具备持续的技术服务和升级能力：北斗导航系统还处在建设阶段，大系统的各种信号体制、误差模型、接口协议、测试流程等都会不停的变动升级，因此信号源也要随之相应的进行技术升级；另外在测试过程中遇到的各种问题也需要得到及时的响应解决。

（4）对于用户机研发单位，还需要以信号源为主构成的闭环测试系统具备增值服务功能：测试系统不仅仅给出指标是否合格，还应该把测试过程中产生的各种数据进行深度挖掘和信息加工，把出问题的数据分时、分段的以图表形式显示给用户，方便用户快速的定位问题，为用户创造附加价值。

从上述需求可以看出，信号源研制单位必须具备综合技术优势和顽强的长期生存能力，才能为用户提供优质、可靠、满意的信号源产品。

3信号源的测试方法北斗导航信号源本身是一个测试验证设备，需要保证其精度等性能指标满足测试、验证要求。

对于信号源通用性能指标，可以采用通用仪器进行测试，对于导航信号特有的性能指标，需要研制专用的测试设备，主要包括时延测量设备和导航信号接收设备等，由于导航信号模拟设备和接收设备均属于研制设备，存在相互验证的问题。

此外，还需要对导航信号源进行单机、系统等层面的闭环验证，确保其各种指标、功能和接口能够满足系统测试需求，同时进一步复核测试结果的有效性。

北斗导航信号源功能、性能指标测试验证方案如下图所示，主要包括通用指标测试、零值标校、信号质量分析等测试，单机闭环验证、系统性闭环验证等主要是完成信号精度、信号接口、信息接口等验证。

图 1 信号模拟源功能指标测试验证（1）通用指标测试系统基于通用仪器搭建自动化测试验证系统，对导航信号源进行相应的指标测试。

具体来说，包括时域指标测试、频域指标测试、调制域指标测试测试等，依托通用测试仪器进行，包括示波器、功率计、相位噪声分析仪、频谱仪、矢量信号分析仪等。

示波器用于测量时域波形；功率计用于测量信号功率范围、分辨率；相位噪声分析仪用于测量发射信号的相位噪声指标；时间间隔计数器用于测量时频输出信号的时延稳定性指标。

采用频谱仪在频域测量导航射频信号的频谱形状，信号电平，带外抑制、杂散谐波等指标。

采用矢量信号分析仪在调制域测量导航射频信号的正交误差、载波抑制、相位误差等信号调制质量指标，可以观察眼图、星座图和基带波形是否正常。

（2）理想接收机测试零值导航信号源作为监测接收机、用户机、接收终端的测试设备，在测试各类接收机接收零值时，模拟源的发射时延指标（零值）需要首先标定出来。

利用高速示波器进行测试的精度受信号调制方式、占用带宽等因素影响较大。

对调制方式为BPSK的导航信号，其TtC可以利用高速示波器观察相位翻转点的方式进行测量。

对于卫星通信信道中常用的恒包络调制方式如OQPSK而言，利用这种方法进行测量误差更大，测量精度不优于5ns。

射频直接采样的零值测量接收机本身不会引入额外的时延，其对信号源零值测量的精度仅受扩频测距信号特性（载噪比等的）影响，可以视为理想接收机（Golden Receiver）。

而信号源输出的扩频测距信号一般为载噪比很高的理想纯信号，因此使用射频采样的零值测量接收机可以实现很高精度的零值测量，其零值测量能达到0.1ns的测量精度，零值测量精度为绝对的时延值测量精度，目前已经实现的零值测量精度指标可以保证和测量不同频点之间、不同系统之间的通道时延一致性指标(0.05m)。

射频采样的零值测量接收机简化框图以及相应通道绝对时延标定的实现结构如下图所示：图 2 利用理想接收机进行信号源零值标定（3）导航信号质量分析测试通用测试仪器一般不具备大容量、高速率的数据采集和分析能力。

为了对导航信号模拟源的指标和质量进行长时间评测和分析，需要搭建一套导航信号质量测试系统，利用高速数据采集和数字信号处理手段，从时域、频域、相关域、调制域对导航信号参数进行精确估计与特性提取。

频域参数包括信号的EIRP、中心频点、功率谱密度、正弦波滚降、带内杂散功率、极化纯度等；时域参数包括码片赋形、码片速率、眼图、码片/码片一致性、码片/数据一致性等；调制域参数包括信号的星空图、矢量图；相关域参数包括相关曲线、相关损耗。

（4）与导航接收机联调测试验证导航信号源生成的导航信号直接连接各种导航接收机，可与地面运控导航信号接收设备、应用系统接收机、多体制兼容导航接收机等组成闭环，测试验证信号精度、动态参数、多径模拟、导航电文等指标，验证各通道伪距测量，用户位置解算，以及导航电文信息等应用系统接口的正确性。

4国内外现状国外的卫星导航信号模拟器产品有多种，下面只介绍应用最多的GPS信号模拟器。

GPS信号模拟器国外有多家公司生产，包括英国的Spirent公司、美国的Aeroflex公司、Agilent公司、Litepoint公司、芬兰Naviva公司等。