車載GPS接收機(jī)測(cè)試

GPS 工作原理

GPS 系統(tǒng)的英文全名是“Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Position System”，其意為“衛(wèi)星測(cè)時(shí)測(cè)距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng)”，縮寫為 NAVSTAR/GPS，簡稱 GPS 系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，于 1994 年全面建成。GPS 全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，開始時(shí)只用于軍事目的，現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于商業(yè)和科學(xué)研究上。GPS 系統(tǒng)能為各類用戶提供精密的三維位置、三維速度，并給出精確的衛(wèi)星時(shí)間基準(zhǔn)。

GPS 系統(tǒng)包括三大部分: 空間部分-GPS 衛(wèi)星星座; 地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng); 用戶設(shè)備部分-GPS 信號(hào)接收機(jī)。GPS 衛(wèi)星星座 GPS 工作衛(wèi)星及其星座由 21 顆工作衛(wèi)星和 3 顆在軌備用衛(wèi)星組成 GPS 衛(wèi)星星座，衛(wèi)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(wèi)星，相鄰兩軌道上的衛(wèi)星相隔 40 度，位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到 11 顆。

目前的 GPS 接收機(jī)一般為 12 通道，即可同時(shí)監(jiān)測(cè) 12 顆衛(wèi)星，它的主要工作是捕獲待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的 GPS 信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，基帶芯片進(jìn)一步解譯出 GPS 衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，以便得到 GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，實(shí)時(shí)地計(jì)算出所在的位置和時(shí)間。GPS 接收機(jī)收到 3 顆衛(wèi)星的信號(hào)可以輸出 2D (就是 2 維) 數(shù)據(jù)，只有經(jīng)緯度，沒有高度，如果收到4顆以上的衛(wèi)星，就輸出 3D 數(shù)據(jù)，可以提供海拔高度。

GPS 接收機(jī)的定位精度是由所使用的擴(kuò)展碼決定的。GPS 系統(tǒng)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(jī)利用 C/A 碼計(jì)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(tǒng)發(fā)送的導(dǎo)航數(shù)據(jù)速率只有 50 bps，通過擴(kuò)展碼擴(kuò)展到 1.023 Mcps，然后通過 BPSK 調(diào)制到射頻，頻率為 L1 (1575.42 MHz) 和L2 (1227.6 MHz)，接收機(jī)主要使用L1。

根據(jù) GPS Standard Positioning Service SignalSpecification 標(biāo)準(zhǔn) (第二版)，GPS 信號(hào)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(dǎo)航數(shù)據(jù)。導(dǎo)航數(shù)據(jù)主要有衛(wèi)星的位置信息 (Ephemeris) 和時(shí)鐘信息(Almanac)。也就是說，如果 GPS 接收機(jī)要解算出位置信息，GPS 信號(hào)中必須包括這些有效的信息比特。

圖一

GPS 信號(hào)分為 5 種不同的子幀，每個(gè)子幀時(shí)間長度為 6 秒鐘，發(fā)送 300 比特有效數(shù)據(jù)，比特率為 50 bps，經(jīng)
過 (Ranging Code) 的擴(kuò)展達(dá)到 1.023 MHz 的碼片速率 (C/A 碼)。GPS 子幀的幀結(jié)構(gòu)分為 3 個(gè)部分: TLM、HOW 和導(dǎo)
航數(shù)據(jù) (Navigation Data)。

基本的 GPS 接收機(jī)測(cè)試

典型的 GPS 接收機(jī)測(cè)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(dǎo)航精度，接收
機(jī)靈敏度，射頻干擾等，典型的測(cè)試連接如圖 2 所示。

圖二

首次定位時(shí)間測(cè)試

首次定位時(shí)間，即 Time to First Fix (TTFF)，測(cè)量 GPS 接收機(jī)從冷啟動(dòng)到實(shí)現(xiàn) GPS 導(dǎo)航定位所需的時(shí)間。冷啟動(dòng)是指接收機(jī)在不使用當(dāng)前星歷表的情況下開機(jī)。通常，將接收機(jī)關(guān)閉至少 2 小時(shí)后再開機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)。TTFF 是指 GPS 接收機(jī)啟動(dòng) (接通電源) 到通過仿真獲得第一個(gè)有效的 3D 導(dǎo)航數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。

測(cè)試方法是首先啟動(dòng)矢量信號(hào)源上的 GPS 仿真模式，然后接通 GPS 接收機(jī)。測(cè)試至少應(yīng)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(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量 GPS 接收機(jī)從暖啟動(dòng)到實(shí)現(xiàn) GPS 導(dǎo)航定位所需的時(shí)間。這個(gè)測(cè)試與之前的冷啟動(dòng)TTFF 測(cè)試類似。此測(cè)試中的接收機(jī)包括所有仿真衛(wèi)星的當(dāng)前星歷數(shù)據(jù)。通常，可以通過將之前處于開機(jī)狀態(tài)的接收機(jī)關(guān)閉一小段時(shí)間，然后再啟動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)暖啟動(dòng)。
測(cè)試方法是首先啟動(dòng)矢量信號(hào)源上的 GPS 仿真。接著啟動(dòng) GPS 接收機(jī)進(jìn)行定位。這將確保獲得 GPS 接收機(jī)的當(dāng)前星歷數(shù)據(jù)。然后關(guān)閉 GPS接收機(jī)一小段時(shí)間，之后再啟動(dòng)。從啟動(dòng)到實(shí)現(xiàn)有效的3D 定位之間的時(shí)間間隔就是TTFF。測(cè)試至少應(yīng)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(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)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(hào)出現(xiàn)短暫阻斷后, 重新獲得導(dǎo)航定位所需的時(shí)間。實(shí)現(xiàn)阻斷信號(hào)的方法有很多種，兩種最常見的方法是在饋線中插入一個(gè)至少60 dB 的衰減器或者直接斷開仿真器到接收機(jī)的饋線來衰減信號(hào)。測(cè)量數(shù)據(jù)與 TTFF 測(cè)量數(shù)據(jù)相似。

測(cè)試方法是首先啟動(dòng)矢量信號(hào)源上的GPS 仿真。接著啟動(dòng)GPS 接收機(jī)進(jìn)行定位。之后斷開GPS接收機(jī)輸入端的GPS信號(hào)(射頻電纜)，以仿真信號(hào)的短暫阻斷。最后再重新連接信號(hào)。重新捕獲時(shí)間是重新連接GPS信號(hào)和第一次從仿真獲得有效的導(dǎo)航數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間間隔。測(cè)試至少應(yīng)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(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)偏差。

靜態(tài)導(dǎo)航精度

靜態(tài)導(dǎo)航精度是確定接收機(jī)定位仿真位置的精度。在此項(xiàng)測(cè)試中，靜態(tài) (非移動(dòng)) 場(chǎng)景用作 GPS 仿真信號(hào)。測(cè)試方法是首先啟動(dòng)矢量信號(hào)源上的 GPS 仿真。接著啟動(dòng) GPS 接收機(jī)進(jìn)行定位。典型的 GPS 測(cè)評(píng)軟件提供位置確定信息。這些數(shù)據(jù) (通常為經(jīng)度、緯度和高度信息) 可以轉(zhuǎn)換成地心固地笛卡爾坐標(biāo) (ECEF)，用于測(cè)評(píng)仿真位置與 GPS 接收機(jī)計(jì)算的置。參見圖 3 的典型定位信息。

接收機(jī)靈敏度

接收機(jī)靈敏度主要確定 GPS 接收機(jī)在最低極限信噪比條件下的工作能力，有 2 種測(cè)試方法，分別是單星法和定位法
單星法可以測(cè)量 GPS 接收機(jī)獲取 GPS 衛(wèi)星信號(hào)的精確的功率電平，測(cè)試方法是首先啟動(dòng)矢量信號(hào)源上的GPS 仿真，設(shè)置可視衛(wèi)星的數(shù)量應(yīng)為 1。設(shè)置矢量信號(hào)源的功率電平精確反映出單個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的總功率，以便GPS 接收機(jī)可以識(shí)別單一 GPS 衛(wèi)星信號(hào)。然后降低 GPS衛(wèi)星信號(hào)的功率電平，直到 GPS 接收機(jī)無法跟蹤這顆衛(wèi)星。收集此時(shí)功率電平和相應(yīng)的 GPS 接收機(jī) C/No比 數(shù)據(jù)。單星法測(cè)試速度快，配置簡便，測(cè)試成本較低，除了研發(fā)測(cè)試外，更多地應(yīng)用在生產(chǎn)測(cè)試中定位法測(cè)試 GPS 接收機(jī)靈敏度測(cè)試是在丟失 3D 定位時(shí)，測(cè)量功率電平和 C/No 比電平。這需要仿真至少 4 顆衛(wèi)星的 GPS 信號(hào)。在此項(xiàng)測(cè)試中，首先啟動(dòng)矢量信號(hào)源上的 GPS 仿真。接著啟動(dòng) GPS 接收機(jī)進(jìn)行定位。然后降低矢量信號(hào)源 GPS 信號(hào)的功率電平，直到丟失 3D 定位。再次記錄下功率電平和相應(yīng) GPS 接收機(jī) C/No 比數(shù)據(jù)。

射頻干擾

射頻干擾是確定 GPS 接收機(jī)在輸入端接收到干擾信號(hào)時(shí)保持正常工作的能力。在此項(xiàng)測(cè)試中，干擾信號(hào)功率電平以 1 dB 的幅度遞增，直到 GPS 接收機(jī)的性能出現(xiàn)明顯衰減。這種干擾通常是由于一顆呈拋物線運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星所造成。干擾信號(hào)功率電平緩慢增加，直到 GPS 接收機(jī)丟失其 3D 導(dǎo)航定位。參見圖 4 的測(cè)試設(shè)置。

圖四

針對(duì)車載 GPS 接收機(jī)的主要測(cè)試

由于汽車移動(dòng)的特點(diǎn)，針對(duì)車載 GPS 接收機(jī)應(yīng)該增加移動(dòng)場(chǎng)景定位測(cè)試和多徑衰落場(chǎng)景定位測(cè)試

移動(dòng)場(chǎng)景定位測(cè)試

移動(dòng)場(chǎng)景定位測(cè)試是確定 GPS 接收機(jī)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(xiàng)測(cè)試中，動(dòng)態(tài)移動(dòng)場(chǎng)景用作 GPS 仿真信號(hào)。
測(cè)試方法是首先啟動(dòng)矢量信號(hào)源上的 GPS 仿真，啟動(dòng)動(dòng)態(tài)移動(dòng)場(chǎng)景，設(shè)置一定的移動(dòng)軌跡，連續(xù)運(yùn)行仿真。接著啟動(dòng) GPS 接收機(jī)進(jìn)行定位。典型的 GPS 測(cè)評(píng)軟件提供位置確定信息。這些數(shù)據(jù) (通常為經(jīng)度、緯度和高度信息) 可以轉(zhuǎn)換成地心固地笛卡爾坐標(biāo) (ECEF)，用于測(cè)評(píng)仿真位置與 GPS 接收機(jī)計(jì)算的位置的偏差，同時(shí)測(cè)量移動(dòng)速度的精度，還可以通過地圖查看移動(dòng)軌跡是否正確。參見圖的典型移動(dòng)軌跡信息。

圖五

多徑衰落場(chǎng)景定位測(cè)試

多徑衰落場(chǎng)景定位測(cè)試是確定 GPS 接收機(jī)在多徑衰落條件下的工作能力。由于汽車移動(dòng)在變換的環(huán)境中，大多數(shù)場(chǎng)景中存在多徑傳播，其中主路徑是衛(wèi)星直線傳播的信號(hào)，稱為 LOS 信號(hào)，即 Line of Sight，其他接收信號(hào)則是同一信號(hào)經(jīng)過折射或反射等作用后的信號(hào)，比如建筑物或山的影響。多徑傳播引起問題主要是由于不同路徑的無線電信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，因?yàn)楦髀窂浇?jīng)歷的長度不同，長的路徑時(shí)間延遲大。多徑傳播會(huì)造成時(shí)延擴(kuò)散，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低 GPS 接收機(jī)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(xiàng)測(cè)試要求矢量信號(hào)源的 GPS 仿真通道數(shù)大于需要模擬的衛(wèi)星數(shù)量，并利用多個(gè)仿真通道模擬衛(wèi)星信號(hào)的多徑傳播效應(yīng)，如圖6所示。

圖六

車載 GPS 接收機(jī)測(cè)試方案

N5106A 配置 N 7 1 0 9 A 可以完全覆蓋以上的車載 GPS 接收機(jī)測(cè)試要求。除了要求的測(cè)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(yīng)
● 調(diào)整衛(wèi)星可見性，可以部分或完整關(guān)閉衛(wèi)星信號(hào)
● 可以實(shí)時(shí)開啟和關(guān)閉單個(gè)衛(wèi)星信號(hào)
● 可以實(shí)時(shí)調(diào)整單個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的功率電平
● Ionospheric and tropospheric modeling capability
● 可以調(diào)整衛(wèi)星信號(hào)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(wèi)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(cè)試 GPS跟蹤能力
● 支持 A-GPS 測(cè)試
● 支持產(chǎn)生其他各種標(biāo)準(zhǔn)無線通信信號(hào)

圖七