JJF1471《全球导航卫星系统(GNSS)信号模拟器校准规范》解读

JJF1471- 2014《全球导航卫星系统(GNSS)信号模拟

器校准规范》解读

【来源/作者】中国计量报【更新日期】2015-1-10 23:24:22

一、规范制定背景及目的

1.GNSS信号模拟器

在和卫星导航相关的科研、应用等过程中，仅依靠全球导航卫星系统(GNSS)接收机(以下简称“接收机”)来接收导航卫星信号的方式，会受到(如可视卫星数、天气、电磁环境等)诸多不可控因素影响科研、验证工作的进度和效率，并且受条件限制，无法得到多样化的导航卫星状态场景来满足需求。因此，利用GNSS信号模拟器来模拟各种导航卫星信号就成为首选项。GNSS信号模拟器(以下简称“模拟器”)是GNSS系统信号发生器，能够根据运动载体的状况，提供全球导航卫星系统信号仿真，精确模拟产生载体能够收到的GNSS卫星信号。卫星星座包括GPS、GALILEO、GLONASS、BDS等，可用在GNSS接收机的研发、生产和计量过程的各个环节，可对接收机的捕获、跟踪和测量准确度进行测量鉴定，是GNSS接收机校准过程中的关键计量器具。

图1为信号模拟器的基本结构和工作原理。数学仿真控制软件对导航卫星、信号传输环境和接收用户进行建模，模拟导航系统全星座的运行和用户的运动状态，运算产生信号模型参数，通过这些信号模型参数控制生成真实的动态导航射频信号。射频信号生成模块根据仿真计算得到的电文与各模拟通道的模型控制参数，按照各导航系统接口控制协议(ICD)要求，生成各种卫星导航射频信号。

图1 GNSS信号模拟器的基本结构和工作原理

目前，市场上的模拟器主要应用于进行接收机校准及其方法研究，并应用于日后各种接收机(包括高动态、高灵敏度接收机)的校准工作，在开发、资质审查、认证中对接收设备进行精确的测量和评估，减少或完全消除现场测试的高额费用，摆脱在实际环境中应用的限制。同时兼顾应用于接收机内部延时的测量及其研究，此项指标的测量是精密时间传递及其研究的基础。大部分模拟器产品为国外厂商生产(如Spirent等品牌)，其产品的各项指标较高、性能较先进。很多国内厂商已具备自主研发生产模拟器的能力，并且自主研发生产规模不断扩大，技术水平不断提高。

2.GNSS系统计量保障

为适应我国卫星导航定位技术的发展，满足卫星导航定位设备的精确校准，需要建立校准指标全面、准确度高且稳定可靠的模拟器校准装置及方法，这对于已存在和即将购置或生产的模拟器和接收机的校准具有重要意义。此前，国内尚无此类法规，不同模拟器厂商有各自不同的测量验证方法，这使得模拟器不能通过同一方法得到规范的量值溯源，难以保器的准确稳定工作，也无法为GNSS系统的有效准确工作提供有力保障。在此背景下，我们制定了JJF1471-2014《全球导航卫星系统(GNSS)信号模拟器校准规范》，并已于11月1日起实施。

JJF1471-2014的制定旨在为不同厂家、类型的模拟器，提供统一的校准规范和标准。既方便各用户的使用，也便于对不同厂家、类型模拟器之间的对比。JJF1471-2014的制定引用了JJF1001-2011 《通用计量术语及定义》、JJF1180-2007《时间频率计量名词术语及定义》、JJF1403-2013《全球导航卫星系统(GNSS)接收机(时间测量型)校准规范》、

GB/T19391-2003《全球定位系统术语及定义》，在叙述上更具有专业性。JJF1471-2014弥补了国内无模拟器校准规范的空白，为今后国内模拟器的校准提供了科学、合理的规范和参考标准，为进行更加科学、准确、合理的校准发挥了积极的推动作用。

二、规范制定的主要内容

1.内容提纲

包括规范适用范围、标明引用文献、解释相关术语及定义、概述法规中所述校准方法的实施过程、标明计量特性、规定校准条件并详细阐述校准项目和使用方法，及方法实施过程、数据处理方法及过程、给出校准证书包含内容、给定复校时间间隔，最终给出不确定度评定方法、校准数据及格式等。

2.内容介绍

(1)计量术语部分:旨在对规范中出现的术语进行解释说明，规范、明确所述内容。

(2)模拟器概述部分:介绍了模拟器作用、结构和工作方式。

(3)计量特性部分:射频信号载波频率偏差、功率控制、动态范围、误差控制、频谱纯度、内部时基频率特性和误差矢量幅度，给出了各校准项的参考指标，用于校准结果的对照和检验。

(4)校准环境部分:提出了校准环境要求(如室温、湿度、电磁环境等方面)，以保证所进行的校准符合测量要求，让被校准设备和校准标准设备处在适合的工作环境中，使得校准结果更加准确。

(5)对于参与校准的设备同样提出了定性要求，对其分辨力、量程等方面有一定的要求，从根本上保证校准的准确度和精确度。

(6)校准项目有8大类，共17个校准项目，其中包括外观及工作正常性检查、射频信号载波频率偏差、功率范围、功率分辨力、功率偏差、速度动态范围、加速度动态范围、加加速度动态范围、伪距分辨力、伪距率分辨力、内部通道延迟、谐波抑制、非谐波抑制、相位噪声、频率准确度、1s频率稳定度和误差矢量幅度。对于各校准项目，规范内除给定校准步骤、规范等，同时给出了灵活的其他参考方案，以适应不同情况下的校准测量。

按照JJF1071-2010 《国家计量校准规范编写规则》要求，附录主要包括校准结果的不确定度评定示例(附录A)、校准证书(首页)(附录B)、校准证书(内页)格式(附录C)、原始记录格式(附录D)。

三、规范执行中应注意的问题

由于校准系统由多种标准仪器构成，校准过程复杂，在校准中许多细节需要了解透彻才能操作。不同计量工作者对规范理解程度不同，掌握专业知识技能水平也不尽相同，本文仅对笔者认为规范中需要着重强调的内容举些实例(并非枚举)，为规范使用者提供参考。

1.功率校准中模拟器输出弱信号的处理例如，在校准功率范围时，模拟器射频口输出射频信号的功率强度往往较低，使用功率计或频谱仪进行测量，会出现测量结果抖动较大，无法直接确认测量值大小，进而影响测量准确度和精确度。为此，可以使用模拟器的校准输出口或大信号输出口测量，或者通过射频口外接低噪声放大器，在校准结果中只需将低噪声放大器的增益补偿放大。对于校准结果需要多次测量进行验证，可以避免或减小由单次测量造成的误差或错误。在其他对模拟器输出功率有要求的校准中，使用低噪声放大器的同时对于其放大倍数需要进行控制，如果放大倍数过大，功率值可能超过检测设备输入功率值要求的极限值，会对校准结果带来不确定性，增加了测量误差或出现错误值，甚至可能会对检测设备造成损坏。

2.功率校准中模拟器功率输出值非线性的处理对于不同类型、型号的模拟器，在具体校准细节上也有所区别。如，在校准某GPS-BD模拟器过程中，发现模拟器设置功率变化和模拟器输出功率变化相对是非线性的，因此在校准功率范围过程中，采用多个设置功率测量点