聚焦丨复杂GNSS电磁环境下导航终端综合性能测试系统

     近些年，随着我国综合国力和世界影响力的不断提升，特别是北斗三号卫星导航系统开通全球服务以来，卫星导航产业与卫星导航技术迎来了快速发展和突破，各应用领域对支持北斗的导航终端产品需求日益增多。如何解决导航终端产品在各类复杂场景下的测试难题成为了大家关注的焦点与技术攻关方向，小编整理了行业内比较公认的几种PNT测试的手段和方法。

✦ 对天信号测试

接收对天实星信号进行功能验证测试，测试成本低，但测试一致性差、无法重复测试，且难以实现闭环与评估。

✦ 传导有线测试

在实验室条件下接收模拟器信号进行功能、性能测试，可以实现闭环测试与评估，但无法进行导航终端整机（含天线）性能测试，仅能满足芯片、模组和单板测试。

✦传统暗室OTA测试

在微波暗室环境下接收模拟器信号进行空口测试（OTA测试），可以实现导航终端整机（含天线）闭环测试与评估，基本满足整机常规定位、导航、授时（PNT）性能测试，无法开展GNSS复杂电磁干扰环境下的抗干扰、抗欺骗和实景结合测试。

✦ “满天星”暗室测试：北斗技术人员的梦想 

在实验室条件下构建真实场景复杂GNSS电磁干扰环境，实现全面的测试。

卫星导航复杂电磁环境模拟实验室（以下简称“复杂电磁环境模拟实验室”）通过构建无线测试环境来模拟开放环境中可见星座导航信号及可能面临的多种复杂干扰，模拟干扰信号与卫星信号之间夹角三维、动态连续变化，以便全面测试导航终端的动、静态性能及复杂电磁环境下的抗干扰性能。系统能够模拟以北斗为主的多种导航信号布局、相关频段的干扰信号布局，以及被测设备状态控制，结合Nav3D实景地形及多径模拟，完成对汽车、手机、5G、高精度GNSS模块、PNT模组、抗干扰天线的动、静态导航性能与抗干扰能力的定量测试和评估。

复杂电磁环境模拟实验室能够帮助我们的用户完善条件能力建设，更为重要的是可以全面改善提升用户体验。首次提出“基于数字孪生三维可视化与智能运维”和“智能高效的实时在线评估与多源数据智能融合评估”的概念，完全能够将我们的用户从日常繁琐、复杂和重复的测试工作中“解脱”出来，帮助用户优化测试计划重心，不需要再单单关注某一项指标或某一次测试，系统结合预设测试场景数据、实际终端性能数据、以及多源数据智能融合后的评估数据，立体全面地反映被测导航终端性能，大大降低反复查看结果和编辑数据之间的差异性，提高测试效率。

复杂电磁环境模拟实验室可以实现“满天星”RNSS/RDSS输出常规/抗干扰导航试验场景、“满天星”RTK输出常规/抗干扰导航试验场景、“满天星”组合导航输出常规/抗干扰导航试验场景。可以帮助用户主要解决以下测试需求：
✔  导航定位测试
✔  组合导航测试 
✔  高精度RTK测试
✔  短报文收发测试
✔  抗窄带压制干扰测试 
✔  抗宽带压制干扰测试
✔  抗分布协同干扰测试
✔  灵敏度测试
✔  北斗+5G测试
✔  抗转发式欺骗干扰测试
✔  抗生成式欺骗干扰测试 
✔  抗单站压制干扰能力测试
✔  抗多站压制干扰能力测试
✔  波束指向精度测试 
✔  干扰来向检测
✔  EIRP测试  
✔  手机测试 
✔  V2X测试

✦  模拟任意时间、位置，支持长时间连续仿真

✦  模拟卫星信号实际来波方向、路径与卫星运动轨迹

✦  模拟干扰信号与卫星信号之间夹角三维、动态连续变化

✦  模拟被测终端姿态角的动、静态连续变化，支持多自由度模拟

✦  模拟多种复杂GNSS电磁环境干扰，包括压制干扰、欺骗干扰、复合干扰等

✦  导航全要素信号模拟，可加入RTK、惯导、Nav3D多径模型仿真

✦  支持BDS、GPS、GLONASS、Galileo、NavIC、QZSS、SBAS多频率测试

✦  模拟北斗区域、全球短报文出站发射、入站信号接收处理和闭环测试

✦  支持实时在线、多源数据融合评估，立体、直观展示被测终端性能

✦  支持系统链路功率、传输时延、频率等参数的自动化标校

✦  系统三维可视化与智能运维监测，全方位掌握测试过程和系统运行状态

✦  内置丰富的测试场景库，覆盖导航终端90%以上测试需求

卫导信息的满天星暗室优势在哪里？

满天星暗室相比传统微波暗室,多布局了很多个导航天线,干扰滑轨,干扰天线等,需要关注每个导航天线对应的静区性能,干扰天线发射的大功率干扰信号在转台、滑轨等非金属部件引起的反射、散射信号会不会影响静区性能等,需要遍历仿真所有导航天线、干扰天线运动位置、转台不同姿态对应的不同频段的暗室静区性能。目前市面上的商用电磁仿真软件针对这种仿真需求都无法满足,即使配置最高端的电脑仿真几天也是进展甚微。

卫导信息独创的BeamSpaceSim仿真软件针对满天星暗室进行全要素建模仿真，包括吸波材料、天线、转台、天线支架等实体建模，构建包含多种反射机制的电磁环境复杂模拟。

▲天线方向图建模

通过仿真发现“脆弱区域”，对多种敏感“脆弱区域”设定“预防方案”，确保系统仿真性能“所见即所得”。根据干扰反射电平和暗室静区指标给出不满足的区域，以供测评软件在测试场景中规避。

▲暗室静区分析

▲暗室干扰区分析

▲基于光束投射法（Ray Tracing）的信号建模

▲全卫星星座仿真建模

全面的抗干扰测试场景要求仿真初始时间、仿真时长等任意可设，并支持长时间连续仿真，即要求卫星星座模拟信号在空时上应能覆盖所有卫星信号来向动态模拟。针对这个需求目前有两种解决方案：

✦ 进行暗室分区（卫星分区），配置多台高性能GNSS多频率模拟器

该方案除了仿真卫星信号的不同来波方向以外，还可以仿真在长时间内卫星从一个分区运动到另一个分区的情况，并与真实星座卫星运动一致。采用暗室分区的方案技术路线成熟、可靠，但建设经费投入较大，一般单位和企业难以承受，而且多台模拟器同步技术难度大，伪距和载波相位通道间差异很难补充，分区信号切换时极易造成接收机信号失锁。

✦   引入微波开关矩阵设备，通过开关矩阵控制多路卫星信号选通

该方案主要从成本和技术实现难度考虑出发，基本可以满足满天星暗室测试需求，但无法进行长时间连续仿真和载波相位差分（RTK）测试。主要原因是微波开关矩阵的信号切换时间一般在100ns以上，不同次切换时间还存在一个差别，不可能通过事先标定完全消除，这会引起卫星信号中断和不连续，造成接收机信号失锁，伪距和载波相位观测值出现跳变，与真实情况不符，影响抗干扰性能的测试评估。

卫导信息经过多年的技术积累与沉淀，以客户和市场需求为导向，坚持通过自主研发和技术融合创新，首创了卫星信号天线间零延迟切换伪距无跳变技术，解决了复杂电磁环境长时间连续仿真和信号精度问题，该技术已申请国家专利保护，并在国内多家实验室成功应用，是唯一经过工程验证的复杂电磁环境模拟关键技术。

▲卫星信号天线切换

国内首次引入全景三维可视化实时监测与分析评估技术，注重全要素、全流程、全数据可视化设计，提供清晰、直观、高效的用户体验。基于NavTest软件的数据可视化，主要包含测试场景构建可视化、测试过程可视化和测试结果分析，具有增强数据全局细节、实时监测动态展现、多源数据智能融合评估等特点。

✦   亮点1：测试场景构建可视化

1) 场景构建元素立体直观

▲场景构建元素

2) 运行场景2D/3D可视化

▲2D/3D可视化

 ✦   亮点2：测试过程可视化

1) 用户轨迹

▲用户轨迹

2) 数据实时监测动态展现

▲数据监测

✦  亮点3：测试结果可视化

1) 预设场景与流程数据

2) 实际终端性能数据

3) 多源融合后的评估数据

 ✦   终极亮点：孪生可视+智能运维，系统三维可视化与故障诊断

系统可视化包含环境可视化、导航可视化、干扰可视化、终端可视化、轨迹可视化、天线可视化、暗室可视化、设备可视化和评测可视化9个部分，对系统所有需要表征的数据进行可视化分类处理，为用户提供更清晰、直观、高效的用户体验。

创新采用数字孪生技术构造虚拟的仿真评估平行系统，将被测设备状态及天线、转台、滑轨、机柜、线缆状态等要素全部虚拟孪生在平行系统中。当信号链路或设备出现故障时，虚拟的平行系统中对应的链路和设备及时告警，并可视化定位到具体部位，方便用户进行故障诊断和排查。

▲孪生可视

在三维可视化监控中，用户可以直观的看到系统内各组成部分之间的硬件关系，系统内部如果出现故障，将会以红色闪烁的形式发出告警提醒用户；在选中对应的设备后，设备外轮廓标黄并显示出该设备的基本信息（含故障原因）。

▲设备可视化

通过机柜与设备可视化的方式，科学建立并掌握系统重要设备，提高设备管理效率和系统集成度。

▲机柜与设备可视化

为提升系统可维护性，设计有线缆可视化界面，可对整个系统线缆进行建模并一一对应，完成故障预警和生产施工指导，提升布线安装和故障诊断效率。

▲线缆可视化

卫导信息的满天星暗室具有丰富全面的仿真测试场景，除以上关键技术和优势外，还应用了“多卫星、多干扰高效自动校准技术”、“实时在线闭环监测技术”等。

经过多年的技术积累与沉淀，湖南卫导通过自主研发和技术融合创新，解决了“满天星”复杂电磁环境卫星导航抗干反欺骗测试的关键技术，自主研发了真实三维场景及多径信号仿真模型、干扰测试场景构建、高动态高精度信号仿真模拟等关键技术，形成了满天星复杂电磁环境卫星导航模拟测试的综合解决方案，主要应用于各类导航终端产品性能全方位检测。我公司该系统拥有20多项发明专利，其中多项关键技术为国内首创，技术成熟先进，彻底打破了国外对华的技术封锁，填补国内高端模拟仿真测试系统空白，2020年荣获全国卫星导航定位协会科技进步二等奖。

湖南卫导信息科技有限公司是国内唯一一家具备核心仪器制造、系统设计论证、系统集成开发、实景地形及多径模拟、孪生可视+数字运维和全流程交付保障的单位。截至目前，湖南卫导已完成交付并投入使用的复杂电磁环境模拟测试系统近20套，我们为100多家用户单位提供了复杂GNSS电磁环境下导航终端产品的测试保障服务。