GPS全球定位系统接收机测试-GPS应用测试(温故知新篇)
GPS全球定位系统接收机测试-GPS应用测试(温故知新篇)
GPS(全球定位系统)是一种通过卫星进行定位的技术。它可以利用构成卫星星座的多个卫星广播的导航信号来确定用户在某时间点上的位置。目前的GPS星座由24颗工作卫星组成，它们在距离地球大约11,500英里的轨道上运行。每颗卫星绕地球运行一周需要12个小时。GPS星座中还包括一部分在轨备用卫星，当工作卫星出现故障时，可以启用备用卫星进行替代。相关阅读：
目前的GPS系统(又称为NAVSTAR)是由美国开发的，归美国国防部拥有并运营。1978年，首颗卫星发射升空。到1994年，由24颗卫星组网的完整星座最终建成。这些卫星通常可以工作8到12年，美国会定期发射新的卫星来替代旧卫星。在过去几年中，卫星一直在不断改进，目前还有许多新技术(包括新信号)正在规划中。
随着GPS技术的普及，GPS接收机制造商正在寻找适合的标准测试来验证GPS接收机性能。验证过程需要在一个便于精确重复测试的可控环境中进行。大多数情况下，使用通过天线接收到的真实GPS卫星信号无法提供这样的环境。本文讨论了目前在GPS接收机验证中采用的典型GPS接收机测试。另外，文中还介绍了一个实时的GPS信号仿真应用软件和平台，它能够生成所需的GPS信号，创建一个灵活且可重复的测试环境。
在当前的GPS卫星星座中，每颗卫星广播两个不同的导航信号，分别称为L1和L2。L1信号的广播频率是1575.42MHz，L2信号的广播频率是1227.60MHz。L2信号经过加密，只能由授权用户接收并解密－通常属于军事应用。L2信号提供高度可靠和精确的时间和位置解决方案。L1信号不进行加密，全世界的用户在每天24小时都可以接受到该信号，不需要交费或预订。GPS导航信号采用圆极化技术进行广播。请参见图1。
对于L1和L2信号，所有卫星都是在同一频率上进行广播。每颗卫星发射不同的编码来区分信号。这种方式称为“码分多址”或CDMA。
CDMA使用两种不同的编码速率。一种是1.023MHz，每毫秒重复一次，称为粗捕获码(CoarseAcquisitioncode)或C/A码。另一种是10.23MHz，每周重复一次，称为精码或P码。通常，P码经过加密后构成P(Y)码。每颗卫星都分配有唯一的C/A和P码编码序列。通过称为PRN(伪随机)ID的数字来识别这些序列。
导航信号将信息传送到GPS接收机，包括精密定时信息和系统状态、每颗卫星的轨道信息以及卫星工作状态信息。根据这些信息，接收机可以使用三角测量法确定与每颗卫星的间距，还可以确定位置和时间。
导航信号使用相当低的功率进行广播，在海平面上最低为-155dBm。在建筑物中或树荫下，信号的电平甚至可能更低。因为这些信号电平极低，所以需要大幅度放大和基带处理才能复原。
图1.GPS信号结构
虽然GPS接收机已经上市多年，但是最初的设计非常庞大，而且价格昂贵，耗电量极大。为此，GPS应用始终局限于高端商业和军事应用领域。
近些年，GPS接收机越来越多地采用商业技术，成本已经显著下降。由此带来的结果是，GPS接收机技术最近在消费类产品中的重要性日渐上升，例如手持式接收机、车载接收机、移动电话和其他跟踪设备等。
美国联邦通信委员会E911法案要求为紧急呼叫调度员快速确定手机位置。在这一需求的推动下，A-GPS获得迅猛发展。A-GPS可以极大减少首次定位时间(TTFF)，使GPS接收机可以识别功率电平更低的卫星。
基站提供“辅助数据”来帮助手机识别可见的卫星。手机随后可以迅速找到这些卫星，并计算自己的位置。一般情况下，TTFF可以从60秒缩短到10秒以内。
有两种方法可以发送和接收辅助数据。一个是控制面，另一个是IP数据信道(用户面)。
在商业应用中，GPS用户体验受到多个因素的影响。GPS设备提供的用户体验越好，其销量就会越高。因此制造商都尽力让自己的接收机与众不同。决定用户体验质量的因素包括:
当然对用户来说，还有许多其他因素也非常重要，例如费用、用户界面、路线导航、语音指令等等，但是这些与GPS接收机的性能关系不大。
在商业或军事应用中，许多其他类型的GPS条件可能会变得非常重要，例如:
接下来，本应用指南将主要介绍商业GPS应用的测试。
从全局来看，GPS单元像是一种能够感知导航信号的天线，并且可以通过I/O端口或屏幕输出某类结果，比如报告状态、位置和时间。
GPS接收机的典型方框图包括天线、射频前端/下变频器、基带处理单元以及计算单元。在某些情况下，这些单元可能会集成到一个极小的模块中(大约几平方厘米)。请参见图2。
图2.GPS接收机方框图
如前所述，在地球表面的导航信号功率非常低。为了成功还原导航信号，有源天线通常具有20或30dB的增益。接收机会利用接收信号的电缆，给有源天线提供一个直流电压。在大多数商业实施的设备中，天线集成到接收机单元中。在某些情况下，可能还会提供一个用于外接天线的端口。
为了测试GPS接收机，我们可以使用天线尝试接收空中信号。虽然这种方法是符合现实的，但是它只能提供有限的信息，因为提供给接收机的信号变化多端，不可重复。此外，在特殊条件(例如远程位置或高速度)下进行的测试不仅费用高昂，而且不切实际。
为了解决这个问题，可以使用GPS信号仿真器。这些设备可以生成输出信号来仿真GPS接收机将会接收到的信号－来自许多不同卫星、具有不同时延、多普勒频偏和功率电平的混合信号。如果给接收机提供了适合的信号，接收机就可以执行信号捕获和跟踪，并提供导航解决方案(修正方位)。
信号可以通过在一个特殊的时间点对卫星的运动进行建模来生成。在接收机具体位置(经度、纬度、海拔高度)已知的条件下，信号发生器可以模拟和重新生成导航信号在传播到接收机位置时的属性。这些属性可能包括路径损耗、大气效应导致的失真、相对论效应，以及信号从卫星发射机传送到接收机天线过程中的传输时间效应。
使用包含适当模型的信号仿真器，即可为GPS接收机提供一个可重复的已知信号，以便通过测试确定该接收机在不同条件下、不同位置和时间、不同运动中的工作性能。
GPS测试的类型
传统的数字系统接收机测试通常包括在特定的功率、噪声、衰落和干扰条件下对比特误码率(BER、FER、PER、BLER)进行的测试。在GPS测试中，我们不仅要考虑信号的数字内容的还原，而且接收机也必须紧紧跟踪信号的到达时间(同步)。
要正确地跟踪到达时间，需要非常小心地跟踪信号的定时。在大多数GPS接收机中，都是对载波相位进行跟踪，即跟踪载波的波长以及接收机与发射机之间的载波波长差。在L1频率上，分辨率为C(光速)除以载频F0=1575420000Hz。这样就可以达到纳秒级的分辨率。
在跟踪的同时，接收机与每颗卫星之间还存在速度相对论效应。这种情况会导致称为多普勒频移的现象，意味着接收机会发现信号的频率发生了某种程度的偏移，其大小由相对速度决定。因此，接收机不仅必须跟踪每颗卫星发射信号的时间，还要跟踪每个信号的多普勒频偏。对于静止的接收机，多普勒频移可能在±5000Hz左右。
此外，GPS信号的数据速率仅为每秒50比特，因此按95％置信度测试1,000,000个比特中有1个误码的比特误码率，意味着进行一次测试需要花费数百个小时。显然，我们必须另辟蹊径。
此外，对于GPS接收机来说，需要还原数据比特的时间非常短－每几个小时中只有18秒。在剩余时间内，接收机必须跟踪载波相位。
这意味着实际上有两个灵敏度级别－一个用于数据还原，另一个用于跟踪。
当接收机打开时，它必须执行某种搜索以寻找卫星信号－这个过程称为捕获。随后，它必须跟踪信号并计算定位。从开机到获得第一个有效修正方位的时间称为首次定位时间或TTFF。TTFF是GPS接收机测试的一项关键参数。它与希望尽快获得修正方位的用户意愿有直接关系。
当测试GPS接收机时，您经常会听到热启动(HotStart)、冷启动(ColdStart)和温启动(WarmStart)等术语。这些术语是指当接收机启动时，接收机可以获得的数据。大多数GPS接收机都配备一些永久性存储器，其中存储着日期、时间和卫星轨道的预测参数。当您启动这些接收机时，它们将使用这些数据作为“线索”以便更容易地搜索工作卫星信号。
当接收机关闭时间较短(小于1或2个小时)且移动距离不大(小于等于100米)时，它将拥有相当精确的卫星相关信息，通常可以使用这一信息来捕获卫星信号，并较快地计算出位置。这一场景称为热启动，常见于短暂停电或更换电池的情况。
如果接收机已经关闭较长时间，或在关机状态下移动了较远距离，再次开机称为温启动。在温启动时，接收机拥有足够的数据来计算时间(大约值)，但是它实际上无法得知其具体位置。温启动的一个必要条件就是接收机拥有称为“历书”的数据。
卫星历书是关于卫星轨道的长期预测，通常在24小时内非常精确，而在几天内误差逐渐增大。通常，7天后其精度就变得非常差。历书由每颗卫星发送。为了接收所有卫星历书，需要从至少一颗卫星接收大约15分钟的良好信号。该数据在几天之内都是非常精确的。请参见图4的卫星导航信息说明。
为了达到温启动条件，接收机必须以更高性能工作来捕获信号，这意味着TTFF变得更长。
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图4.卫星导航信息
GPS接收机启动时没有获得任何关于时间或地点的数据，称为冷启动模式。在此模式中，接收机的第一个工作就是捕获卫星信号。为此，它必须搜索每个可用的CDMA编码，以及在±5000Hz多普勒频偏范围内的频率空间。这是一项非常困难的任务，需要信号具有较强的幅度，并且可能需要花费很长的时间。老式接收机可能需要花费几分钟。新接收机已经显著缩短了搜索时间，只需要10到20秒左右。
在冷启动中，接收机必须从每颗卫星接收至少18秒的有效数据，以便接收到卫星轨道的精确描述数据(称为“星历数据”)。一旦接收完毕，接收机将获得足够的信息来计算其首个修正方位。冷启动的TTFF通常比热启动或温启动长。现代接收机的TTFF可能缩短到1分钟内。冷启动TTFF是GPS接收机的一个重要参数，通常也是GPS接收机测试中最先要测试的一个参数。
为GPS接收机提供信号可能会遇到许多难题，这些问题包括:
如果接收机没有外部连接，则必须提供辐射信号。这种测试称为辐射测试或空中(OTA)测试。它需要将信号发生器连接到某类特殊天线，将信号辐射到接收机天线。由于这些辐射信号可能会干扰真实的GPS信号，所以辐射测试只能在屏蔽实验室内进行，以避免干扰。
这一场景带来了另外一些问题:
具有外部连接的接收机遇到的问题则少一些。它们需要进行“传导”测试，这种测试不会在空中辐射任何信号。请参见图5。由于以下几个问题，信号发生器通常不能直接连接到接收机:
接收机与信号发生器的连接—一般情况
在辐射测试和传导测试中，要想获得有效的、可重复的测试结果，必须对提供给接收机的功率进行仔细的校准。对于来自8颗工作卫星的典型信号，提供给接收机的净功率需要在-125到-150dBm之间。
下面是在GPS接收机上执行的典型测试。大多数接收机用不着进行所有测试，或者只在某些设计验证阶段才会进行所有测试。在制造阶段，工程师可能会对接收机进行其他测试，以确定它是否可以根据期望或指定的参数做出响应。
也许最常见的测试是冷启动TTFF和位置精度。另一些越来越常见的测试还包括在TTFF和位置精度的基础上进行的灵敏度和多径测试。
总之，所有这些测试对卫星的精确位置和运动都非常敏感。这意味着测试结果可能会改变，除非是在完全相同的时间和场景中重复进行测试。此外，这种“可重复的”数据通常并不是接收机的典型性能。典型测量必须是在不同的起始时间、日期和位置等条件下进行的。随后对这些测量获得的结果进行平均计算，得出一个有效的平均值。
在此测试中，将接收机置于冷启动状态－一般是通过测试连接向接收机发出某条命令－然后发送一个足够强的信号。记录接收机确定其首次精确修正方位所用的时间。通常，现代芯片组所提供的数据是在40秒至50秒的范围内。这也许是对GPS接收机进行的最常见的一类测试。正常情况下，工程师会在多种条件下多次执行这一测试，然后对测试结果求平均值。
由于在不同的场景中，甚至在相同场景的不同时间内，卫星的数量和位置都不同，所以取决于场景以及进入该场景的时间，冷启动TTFF时间可能会发生变化。如果是在相同时间和相同场景中进行TTFF测量，那么获得的结果大部分是可重复的。然而，这个可重复的时间不能代表所有的场景。
一个良好的设计表征测试(测试、设计验证)将会在不同位置进行成百上千次冷启动TTFF测试。
良好的制造变化测试将会在相同的时间、相同的场景中对冷启动TTFF执行多次测试(每次测试都会在相同时间重启场景)。
2.温启动TTFF
温启动TTFF测试比冷启动TTFF测试用得少。该测试一般是通过向接收机发出“温启动”命令来执行。此类测试比较困难，因为接收机必须先置于场景中大约15分钟，以便接收到完整的卫星历书。
其他特征与冷启动TTFF测试几乎完全相同。以相同场景时间(置于该场景中大约15分钟)重复执行此测试可能需要很长时间，除非信号发生器可以重启15分钟进入该场景。
3.热启动TTFF
热启动测试比冷启动TTFF测试用得少，但是可能比温启动测试用得多一点。该测试一般是通过向接收机发出“热启动”命令来执行。此类测试比较困难，因为接收机必须先置于场景中大约15分钟，以便接收到完整的卫星历书。
其他特征与冷启动TTFF测试几乎完全相同。以相同场景时间(置于该场景中大约15分钟)重复执行此测试可能需要很长时间，除非信号发生器可以“扭曲时间”重启15分钟进入该场景。
(可预测、可重复、相对)
位置精度是指到达尽量接近预期位置的修正方位的能力，包括可重复性和精度。位置精度测试有以下多个变种:
在此测试中，我们对接收机性能进行表征所使用的场景是:信号在短时间内显著减小或出现中断，然后重新恢复。例如在穿过隧道的车辆或在某些茂密的树荫下。在此情况下，接收机暂时无法跟踪大部分或全部的卫星，但是当“可见度”恢复时，它必须重新捕获(跟踪)信号。通过短暂地降低信号发生器的功率或关闭信号发生器，然后恢复原状，即可仿真这一场景，无需重启场景。
另一种相关的测试可能会只中断来自一部分卫星的信号。例如车辆行驶到建筑物或丘陵背面的情况，此时建筑物或丘陵会暂时阻挡住来自部分卫星的信号。
此测试的结果将用来与最低灵敏度级别(良好信号条件)以上的信号进行比较。
GPS接收机实际上有两个不同的灵敏度级别－捕获灵敏度和跟踪灵敏度。
捕获灵敏度
捕获灵敏度是指允许接收机在指定期限内成功执行冷启动TTFF的最低信号电平。信号捕获过程中的信号电平必须高于跟踪过程中的信号电平，因为时间同步是未知的。例如，允许成功执行100秒或更短时间的冷启动TTFF的最低功率电平。
单卫星灵敏度测试是一种捕获灵敏度测试。在此测试中，向接收机提供的是幅度和静态多普勒频移均已知的信号。执行接收机冷启动，测量捕获时间。随后降低功率电平，直到接收机无法捕获信号。
该测试可以在多种不同的多普勒频偏条件下重复进行，可以准备一组曲线来描述在这些条件下功率与捕获时间的关系。这些曲线可用来表征接收机在这些条件下的捕获灵敏度。
跟踪灵敏度
跟踪灵敏度是指允许接收机将修正方位保持在某个指定精度范围内的最小信号电平。这个信号电平通常比捕获灵敏度电平低得多。随着信号电平的降低，接收机恢复导航信息数据流的能力也将下降，导致比特误码率增加。然而，由于信号的多普勒频率和定时是已知的，跟踪环路仍可以正常工作。随着信号电平继续降低，最终噪声将变得足够大，跟踪环路中将引入噪声，时间和/或频率同步性能将会下降。这些条件将开始影响修正方位的精度。信号电平继续降低，系统将逐渐丧失跟踪卫星的能力，最终接收机将无法计算修正方位。
通常，跟踪灵敏度是指要精确地保持在一个特定位置上所需要的最低功率。该测量与场景和进入场景的时间有很大关系，因此只有在不同场景、不同时间进行多次测试，计算平均值才能得出有效的测量结果。
干扰是影响GPS接收机的一个常见问题。干扰可能来自传统的信号源，例如射频干扰、由于带外信号过强导致的接收机灵敏度降低、故意干扰传输或故意欺骗发射。
干扰测试是一种叠加测试，因为它通过叠加某类干扰信号来执行以上一些测试，例如位置精度或TTFF。
在某些情况下，一颗卫星发射的信号会通过两条或更多条路径到达接收机。通常一条路径是从卫星直接到接收机的路径，称为“视线”路径。其他路径是同一信号经过某个障碍物(例如建筑物或山峰)反射后到达接收机的路径。
在多径情况下，由于每条路径从发射机到接收机的路径长度是不同的，所以信号沿各条路径到达接收机的时间也不同，从而有可能产生问题。反射导致信号经过的路径较长，因此与经过直接路径到达接收机的信号相比，反射路径上的信号到达接收机的时间会晚一点。
多径条件可能导致接收机出现诸如位置精度降低、TTFF变长或重新捕获时间变长等问题。多径测试是一种叠加测试，因为它增加了由GPS信号仿真器提供的单颗或更多颗卫星的多径仿真，在此条件下执行以上一些测试。
电离层或对流层中的大气条件可能导致到达时间和信号强度的误差增加。这些误差通常可能导致位置精度降低。
由于在真实环境中没有理想的天线，实际的天线不具备各向同性响应模板。这意味着从空中不同点到达天线的同一个信号可能变强或变弱，且提供给接收机前端的信号相位也不同。
某些GPS信号仿真器允许用户输入天线响应模板并相应地修改来自卫星的信号强度，从而可以在传导测试中仿真这种情况。这也是一种叠加测试，通过使用不同的天线模板重复执行以上一些测试来完成。
如前所述，使用N7609CSignalStudio实时软件、N5106APXB和N5182A矢量信号源，能够生成所需的GPS信号来测试GPS接收机。在GPS卫星信号生成方面，N7609C将提供以下优势。可靠和可重复的GPS信号仿真能够执行标准的GPS接收机测试能够灵活地配置标准的GPS接收机测试能够生成用户场景，以创建定制场景测试GPS跟踪能力，用于测试在不同多普勒频偏、功率和时延设置(静止测试模式)下的任何卫星PRN能够通过8960集成到A-GPS测试解决方案中能够生成其他无线测试信号
图5.典型的GPS接收机测试设置
图5中显示了这些示例的测试设置。具体的测试场景由N7609CSignalStudio实时软件生成，实时基带GPS信号由N5106APXB生成，射频上变频由N5182A矢量信号源完成。
本文中，这些测试使用的GPS接收机是u-bloxEVK-5P测试套件，其中还包括u-bloxAG提供的U-center软件。
图6.U-center软件,在u-blox的书面许可下印刷
如图6所示，使用典型的GPS接收机测试软件可以推导出基本的TTFF、灵敏度和位置精度结果。在此图中，我们看到测试仪器计算出了TTFF，并给定了计算的位置(经度、纬度和海拔高度)，识别出卫星，给定了每颗卫星的C/No(dB-Hz)。对于TTFF计算，通过操作GPS接收机可以创建冷、温、热启动条件。要执行这项工作，您可以直接向接收机发出命令将其置于这些状态之一，也可以通过关闭GPS接收机一段指定时间来完成。根据GPS接收机从GPS信号中获取和保持导航定位的能力，可以进行灵敏度测试。通过上下调节GPS信号的总体射频功率电平，可以在场景回放期间测量灵敏度和各个卫星的功率电平。因为场景将从N7609B的用户界面回放，所以这项任务可以实时完成。从GPS接收机还可以推导出位置精度。修正方位(通常包括经度、纬度和海拔高度信息)可以转换成ECEF(地心地固)直角坐标系，用于测量GPS接收机位置的仿真结果和计算结果。
如图7所示，使用N7609B的用户界面，可以轻松设置这些基本测试所使用的信号。
图7.N7609CSignalStudio实时软件GPS设置选项
动态或运动GPS接收机场景对于表征GPS接收机也非常重要。图8显示了跟踪N7609B所生成的信号的GPS接收机。它以100千米/小时的速度沿着半径为1千米的圆形路径运动。
图8.运动GPS接收机场景
为了全面表征和验证GPS接收机性能，必须向GPS测试信号中引入损伤。必须引入到GPS信号中的损伤包括多径信号、卫星可见度(由于树木和高层建筑物等物体的阻碍，可见卫星的数量会减少，从而降低可见度)、卫星功率电平变化、电离层和对流层衰减等。这一功能必须使损伤精度是可靠和可重复的。
N7609CSignalStudio实时软件能够生成这些定制场景。在位置、日期和时间给定的情况下，场景发生器将可以生成在该时刻存在的GPS信号。如前所述，通过输入从以前的GPS接收机试验中收集到NMEA(GGA格式)输出文件，也可以创建运动GPS接收机场景。您可以启用电离层和对流层模型，也可以启用海拔高度模板，根据选定的海拔高度选择卫星可见度。N7609CSignalStudio实时软件具有一种非常强大的功能，即能够编辑场景。一旦创建完具体的场景，您可以对其进行修改，包括加入多径信号，对特定信道应用功率偏置，删除信道，将选定场景裁剪成更短的长度，均衡所有卫星的功率电平。图9显示了这一编辑功能的用户界面。简单的图形显示有助于记录编辑操作，显示已经对场景做出的更改。请参见图10。
图9.N7609CSignalStudio实时软件编辑场景的用户界面
图10.N7609CSignalStudio实时软件显示的已编辑场景的概览图我们已经介绍了在验证GPS接收机的过程中使用的基本测试。尽管测试的基本类型并不多(即TTFF、灵敏度和位置精度)，但是经过衍生以及在GPS信号中引入损伤，使得全面验证GPS接收机功能所需要进行的测试项迅速增多。要想以可靠和可重复的方式重新生成这些信号，需要使用射频GPS仿真器。仿真器必须能够仿真真实场景并具有实时信号生成能力，从而灵活地生成测试信号。用于GNSS的KeysightN7609CSignalStudio实时软件与N5106APXB和N5182A矢量信号源结合使用，能够提供这一功能。PXB/MXG平台的通用性使您不仅能够生成GPS测试信号，还能够灵活地生成用于其他无线标准的测试信号。
更新您现有的SignalStudio软件
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