車(chē)載GPS接收機測試

GPS 工作原理

GPS 系統的英文全名是“Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Position System”，其意為“衛星測時(shí)測距導航/全球定位系統”，縮寫(xiě)為 NAVSTAR/GPS，簡(jiǎn)稱(chēng) GPS 系統。該系統是以衛星為基礎的無(wú)線(xiàn)電導航定位系統，于 1994 年全面建成。GPS 全球衛星定位導航系統，開(kāi)始時(shí)只用于軍事目的，現在也廣泛應用于商業(yè)和科學(xué)研究上。GPS 系統能為各類(lèi)用戶(hù)提供精密的三維位置、三維速度，并給出精確的衛星時(shí)間基準。

GPS 系統包括三大部分: 空間部分-GPS 衛星星座; 地面控制部分-地面監控系統; 用戶(hù)設備部分-GPS 信號接收機。GPS 衛星星座 GPS 工作衛星及其星座由 21 顆工作衛星和 3 顆在軌備用衛星組成 GPS 衛星星座，衛星高度約 20200 公里，分布在六條升交點(diǎn)互隔 60 度的軌道面上，每條軌道上均勻分布四顆衛星，相鄰兩軌道上的衛星相隔 40 度，位于地平線(xiàn)以上的衛星顆數隨著(zhù)時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見(jiàn)到4顆，最多可見(jiàn)到 11 顆。

目前的 GPS 接收機一般為 12 通道，即可同時(shí)監測 12 顆衛星，它的主要工作是捕獲待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的 GPS 信號進(jìn)行變換、放大和處理，基帶芯片進(jìn)一步解譯出 GPS 衛星所發(fā)送的導航數據，以便得到 GPS信號從衛星到接收機天線(xiàn)的傳播時(shí)間，實(shí)時(shí)地計算出所在的位置和時(shí)間。GPS 接收機收到 3 顆衛星的信號可以輸出 2D (就是 2 維) 數據，只有經(jīng)緯度，沒(méi)有高度，如果收到4顆以上的衛星，就輸出 3D 數據，可以提供海拔高度。

GPS 接收機的定位精度是由所使用的擴展碼決定的。GPS 系統有兩種碼，即 C/A 碼和P碼。C/A 碼的誤差是 29.3 m 到 2.93 米。一般民用的接收機利用 C/A 碼計算定位。P 碼的誤差為 2.93 米到 0.293 米是 C/A 碼的十分之一。但是P碼只能美國軍方使用。GPS 系統發(fā)送的導航數據速率只有 50 bps，通過(guò)擴展碼擴展到 1.023 Mcps，然后通過(guò) BPSK 調制到射頻，頻率為 L1 (1575.42 MHz) 和L2 (1227.6 MHz)，接收機主要使用L1。

根據 GPS Standard Positioning Service SignalSpecification 標準 (第二版)，GPS 信號格式如圖 1 所示，主要包括三個(gè)部分: TLM (Telemetry)、HOW (Handover Wo r d ) 和導航數據。導航數據主要有衛星的位置信息 (Ephemeris) 和時(shí)鐘信息(Almanac)。也就是說(shuō)，如果 GPS 接收機要解算出位置信息，GPS 信號中必須包括這些有效的信息比特。

圖一

GPS 信號分為 5 種不同的子幀，每個(gè)子幀時(shí)間長(cháng)度為 6 秒鐘，發(fā)送 300 比特有效數據，比特率為 50 bps，經(jīng)
過(guò) (Ranging Code) 的擴展達到 1.023 MHz 的碼片速率 (C/A 碼)。GPS 子幀的幀結構分為 3 個(gè)部分: TLM、HOW 和導
航數據 (Navigation Data)。

基本的 GPS 接收機測試

典型的 GPS 接收機測試包括首次定位時(shí)間 (TTFF)，暖啟動(dòng)首次定位時(shí)間，重新捕獲時(shí)間，靜態(tài)導航精度，接收
機靈敏度，射頻干擾等，典型的測試連接如圖 2 所示。

圖二

首次定位時(shí)間測試

首次定位時(shí)間，即 Time to First Fix (TTFF)，測量 GPS 接收機從冷啟動(dòng)到實(shí)現 GPS 導航定位所需的時(shí)間。冷啟動(dòng)是指接收機在不使用當前星歷表的情況下開(kāi)機。通常，將接收機關(guān)閉至少 2 小時(shí)后再開(kāi)機就可以實(shí)現冷啟動(dòng)。TTFF 是指 GPS 接收機啟動(dòng) (接通電源) 到通過(guò)仿真獲得第一個(gè)有效的 3D 導航數據點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。

測試方法是首先啟動(dòng)矢量信號源上的 GPS 仿真模式，然后接通 GPS 接收機。測試至少應收集 20 個(gè) TTFF的有效采樣，然后分析這些采樣的平均值、最小值和最大值，再計算出標準偏差。如圖 3 所示。

圖三

暖啟動(dòng)首次定位時(shí)間

暖啟動(dòng)首次定位時(shí)間測量 GPS 接收機從暖啟動(dòng)到實(shí)現 GPS 導航定位所需的時(shí)間。這個(gè)測試與之前的冷啟動(dòng)TTFF 測試類(lèi)似。此測試中的接收機包括所有仿真衛星的當前星歷數據。通常，可以通過(guò)將之前處于開(kāi)機狀態(tài)的接收機關(guān)閉一小段時(shí)間，然后再啟動(dòng)，來(lái)實(shí)現暖啟動(dòng)。
測試方法是首先啟動(dòng)矢量信號源上的 GPS 仿真。接著(zhù)啟動(dòng) GPS 接收機進(jìn)行定位。這將確保獲得 GPS 接收機的當前星歷數據。然后關(guān)閉 GPS接收機一小段時(shí)間，之后再啟動(dòng)。從啟動(dòng)到實(shí)現有效的3D 定位之間的時(shí)間間隔就是TTFF。測試至少應收集 50 個(gè)TTFF 的有效采樣，然后分析這些采樣的平均值、最小值和最大值，再計算出標準偏差。

重新捕獲時(shí)間

重新捕獲時(shí)間是確定在正常的工作期間所有 GPS 信號出現短暫阻斷后, 重新獲得導航定位所需的時(shí)間。實(shí)現阻斷信號的方法有很多種，兩種最常見(jiàn)的方法是在饋線(xiàn)中插入一個(gè)至少60 dB 的衰減器或者直接斷開(kāi)仿真器到接收機的饋線(xiàn)來(lái)衰減信號。測量數據與 TTFF 測量數據相似。

測試方法是首先啟動(dòng)矢量信號源上的GPS 仿真。接著(zhù)啟動(dòng)GPS 接收機進(jìn)行定位。之后斷開(kāi)GPS接收機輸入端的GPS信號(射頻電纜)，以仿真信號的短暫阻斷。最后再重新連接信號。重新捕獲時(shí)間是重新連接GPS信號和第一次從仿真獲得有效的導航數據點(diǎn)的時(shí)間間隔。測試至少應收集50個(gè)重新捕獲的有效采樣，然后分析這些采樣的平均值、最小值和最大值，再計算出標準偏差。

靜態(tài)導航精度

靜態(tài)導航精度是確定接收機定位仿真位置的精度。在此項測試中，靜態(tài) (非移動(dòng)) 場(chǎng)景用作 GPS 仿真信號。測試方法是首先啟動(dòng)矢量信號源上的 GPS 仿真。接著(zhù)啟動(dòng) GPS 接收機進(jìn)行定位。典型的 GPS 測評軟件提供位置確定信息。這些數據 (通常為經(jīng)度、緯度和高度信息) 可以轉換成地心固地笛卡爾坐標 (ECEF)，用于測評仿真位置與 GPS 接收機計算的置。參見(jiàn)圖 3 的典型定位信息。

接收機靈敏度

接收機靈敏度主要確定 GPS 接收機在最低極限信噪比條件下的工作能力，有 2 種測試方法，分別是單星法和定位法
單星法可以測量 GPS 接收機獲取 GPS 衛星信號的精確的功率電平，測試方法是首先啟動(dòng)矢量信號源上的GPS 仿真，設置可視衛星的數量應為 1。設置矢量信號源的功率電平精確反映出單個(gè)衛星信號的總功率，以便GPS 接收機可以識別單一 GPS 衛星信號。然后降低 GPS衛星信號的功率電平，直到 GPS 接收機無(wú)法跟蹤這顆衛星。收集此時(shí)功率電平和相應的 GPS 接收機 C/No比 數據。單星法測試速度快，配置簡(jiǎn)便，測試成本較低，除了研發(fā)測試外，更多地應用在生產(chǎn)測試中定位法測試 GPS 接收機靈敏度測試是在丟失 3D 定位時(shí)，測量功率電平和 C/No 比電平。這需要仿真至少 4 顆衛星的 GPS 信號。在此項測試中，首先啟動(dòng)矢量信號源上的 GPS 仿真。接著(zhù)啟動(dòng) GPS 接收機進(jìn)行定位。然后降低矢量信號源 GPS 信號的功率電平，直到丟失 3D 定位。再次記錄下功率電平和相應 GPS 接收機 C/No 比數據。

射頻干擾

射頻干擾是確定 GPS 接收機在輸入端接收到干擾信號時(shí)保持正常工作的能力。在此項測試中，干擾信號功率電平以 1 dB 的幅度遞增，直到 GPS 接收機的性能出現明顯衰減。這種干擾通常是由于一顆呈拋物線(xiàn)運動(dòng)的衛星所造成。干擾信號功率電平緩慢增加，直到 GPS 接收機丟失其 3D 導航定位。參見(jiàn)圖 4 的測試設置。

圖四

針對車(chē)載 GPS 接收機的主要測試

由于汽車(chē)移動(dòng)的特點(diǎn)，針對車(chē)載 GPS 接收機應該增加移動(dòng)場(chǎng)景定位測試和多徑衰落場(chǎng)景定位測試

移動(dòng)場(chǎng)景定位測試

移動(dòng)場(chǎng)景定位測試是確定 GPS 接收機在一定移動(dòng)速度和移動(dòng)軌跡條件下定位的能力。在此項測試中，動(dòng)態(tài)移動(dòng)場(chǎng)景用作 GPS 仿真信號。
測試方法是首先啟動(dòng)矢量信號源上的 GPS 仿真，啟動(dòng)動(dòng)態(tài)移動(dòng)場(chǎng)景，設置一定的移動(dòng)軌跡，連續運行仿真。接著(zhù)啟動(dòng) GPS 接收機進(jìn)行定位。典型的 GPS 測評軟件提供位置確定信息。這些數據 (通常為經(jīng)度、緯度和高度信息) 可以轉換成地心固地笛卡爾坐標 (ECEF)，用于測評仿真位置與 GPS 接收機計算的位置的偏差，同時(shí)測量移動(dòng)速度的精度，還可以通過(guò)地圖查看移動(dòng)軌跡是否正確。參見(jiàn)圖的典型移動(dòng)軌跡信息。

圖五

多徑衰落場(chǎng)景定位測試

多徑衰落場(chǎng)景定位測試是確定 GPS 接收機在多徑衰落條件下的工作能力。由于汽車(chē)移動(dòng)在變換的環(huán)境中，大多數場(chǎng)景中存在多徑傳播，其中主路徑是衛星直線(xiàn)傳播的信號，稱(chēng)為 LOS 信號，即 Line of Sight，其他接收信號則是同一信號經(jīng)過(guò)折射或反射等作用后的信號，比如建筑物或山的影響。多徑傳播引起問(wèn)題主要是由于不同路徑的無(wú)線(xiàn)電信號到達接收機的時(shí)間不同，因為各路徑經(jīng)歷的長(cháng)度不同，長(cháng)的路徑時(shí)間延遲大。多徑傳播會(huì )造成時(shí)延擴散，嚴重時(shí)會(huì )降低 GPS 接收機的定位精度，影響首次鎖定時(shí)間 TTFF，重新鎖定時(shí)間等這項測試要求矢量信號源的 GPS 仿真通道數大于需要模擬的衛星數量，并利用多個(gè)仿真通道模擬衛星信號的多徑傳播效應，如圖6所示。

圖六

車(chē)載 GPS 接收機測試方案

N5106A 配置 N 7 1 0 9 A 可以完全覆蓋以上的車(chē)載 GPS 接收機測試要求。除了要求的測試功能外，還提供下列靈活的功能:
● 模擬靜態(tài)和動(dòng)態(tài) GPS 接收環(huán)境
● 模擬多徑傳播效應
● 調整衛星可見(jiàn)性，可以部分或完整關(guān)閉衛星信號
● 可以實(shí)時(shí)開(kāi)啟和關(guān)閉單個(gè)衛星信號
● 可以實(shí)時(shí)調整單個(gè)衛星信號的功率電平
● Ionospheric and tropospheric modeling capability
● 可以調整衛星信號播放起始點(diǎn)時(shí)間
● 可以產(chǎn)生需要位置的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)移動(dòng)場(chǎng)景文件
● 可以在移動(dòng)場(chǎng)景文件輸入 NMEA 模式
● 提供編輯衛星傳播通道功能
● 可以在改變功率，時(shí)延或多普勒頻移條件下測試 GPS跟蹤能力
● 支持 A-GPS 測試
● 支持產(chǎn)生其他各種標準無(wú)線(xiàn)通信信號

圖七