車載 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)是汽車電子的重要應(yīng)用，隨著汽車進(jìn)入普通家庭并迅速普及，對車載 GPS 的需求也在急速增長。車載 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)由車載 GPS 接收機(jī)和導(dǎo)航軟件組成，其中車載 GPS 接收機(jī)的性能指標(biāo)直接影響到導(dǎo)航應(yīng)用的用戶體驗，是影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵部分。目前車載 GPS 接收機(jī)測試并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，與行業(yè)大量應(yīng)用的手機(jī) GPS 測試相比，需要增加面向汽車應(yīng)用的測試要求，形成更加全面的符合汽車性能特點的車載 GPS 測試方法。本文將主要探討 GPS 系統(tǒng)原理，車載 GPS 接收機(jī)測試主要考慮的問題以及相應(yīng)的測試方法。
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)星測時測距導(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)隨著時間和地點的不同而不同，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，即可同時監(jiān)測 12 顆衛(wèi)星，它的主要工作是捕獲待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)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(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，以便得到 GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時間，實時地計算出所在的位置和時間。GPS 接收機(jī)收到 3 顆衛(wèi)星的信號可以輸出 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 信號格式如圖 1 所示，主要包括三個部分: 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，每個子幀時間長度為 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 個部分: TLM、HOW 和導(dǎo)
航數(shù)據(jù) (Navigation Data)。
基本的 GPS 接收機(jī)測試
典型的 GPS 接收機(jī)測試包括首次定位時間 (TTFF)，暖啟動首次定位時間，重新捕獲時間，靜態(tài)導(dǎo)航精度，接收
機(jī)靈敏度，射頻干擾等，典型的測試連接如圖 2 所示。
圖二
首次定位時間測試
首次定位時間，即 Time to First Fix (TTFF)，測量 GPS 接收機(jī)從冷啟動到實現(xiàn) GPS 導(dǎo)航定位所需的時間。冷啟動是指接收機(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 小時后再開機(jī)就可以實現(xiàn)冷啟動。TTFF 是指 GPS 接收機(jī)啟動 (接通電源) 到通過仿真獲得第一個有效的 3D 導(dǎo)航數(shù)據(jù)點之間的時間間隔。
測試方法是首先啟動矢量信號源上的 GPS 仿真模式，然后接通 GPS 接收機(jī)。測試至少應(yīng)收集 20 個 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(biāo)準(zhǔn)偏差。如圖 3 所示。
圖三
暖啟動首次定位時間
暖啟動首次定位時間測量 GPS 接收機(jī)從暖啟動到實現(xiàn) GPS 導(dǎo)航定位所需的時間。這個測試與之前的冷啟動TTFF 測試類似。此測試中的接收機(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)閉一小段時間，然后再啟動，來實現(xiàn)暖啟動。
測試方法是首先啟動矢量信號源上的 GPS 仿真。接著啟動 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)一小段時間，之后再啟動。從啟動到實現(xiàn)有效的3D 定位之間的時間間隔就是TTFF。測試至少應(yīng)收集 50 個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(biāo)準(zhǔn)偏差。
重新捕獲時間
重新捕獲時間是確定在正常的工作期間所有 GPS 信號出現(xiàn)短暫阻斷后, 重新獲得導(dǎo)航定位所需的時間。實現(xiàn)阻斷信號的方法有很多種，兩種最常見的方法是在饋線中插入一個至少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。測量數(shù)據(jù)與 TTFF 測量數(shù)據(jù)相似。
測試方法是首先啟動矢量信號源上的GPS 仿真。接著啟動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(射頻電纜)，以仿真信號的短暫阻斷。最后再重新連接信號。重新捕獲時間是重新連接GPS信號和第一次從仿真獲得有效的導(dǎo)航數(shù)據(jù)點的時間間隔。測試至少應(yīng)收集50個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(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。在此項測試中，靜態(tài) (非移動) 場景用作 GPS 仿真信號。測試方法是首先啟動矢量信號源上的 GPS 仿真。接著啟動 GPS 接收機(jī)進(jìn)行定位。典型的 GPS 測評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)，用于測評仿真位置與 GPS 接收機(jī)計算的置。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 種測試方法，分別是單星法和定位法
單星法可以測量 GPS 接收機(jī)獲取 GPS 衛(wèi)星信號的精確的功率電平，測試方法是首先啟動矢量信號源上的GPS 仿真，設(shè)置可視衛(wèi)星的數(shù)量應(yīng)為 1。設(shè)置矢量信號源的功率電平精確反映出單個衛(wèi)星信號的總功率，以便GPS 接收機(jī)可以識別單一 GPS 衛(wèi)星信號。然后降低 GPS衛(wèi)星信號的功率電平，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)。單星法測試速度快，配置簡便，測試成本較低，除了研發(fā)測試外，更多地應(yīng)用在生產(chǎn)測試中定位法測試 GPS 接收機(jī)靈敏度測試是在丟失 3D 定位時，測量功率電平和 C/No 比電平。這需要仿真至少 4 顆衛(wèi)星的 GPS 信號。在此項測試中，首先啟動矢量信號源上的 GPS 仿真。接著啟動 GPS 接收機(jī)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(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時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(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動的衛(wèi)星所造成。干擾信號功率電平緩慢增加，直到 GPS 接收機(jī)丟失其 3D 導(dǎo)航定位。參見圖 4 的測試設(shè)置。
圖四
針對車載 GPS 接收機(jī)的主要測試
由于汽車移動的特點，針對車載 GPS 接收機(jī)應(yīng)該增加移動場景定位測試和多徑衰落場景定位測試
移動場景定位測試
移動場景定位測試是確定 GPS 接收機(jī)在一定移動速度和移動軌跡條件下定位的能力。在此項測試中，動態(tài)移動場景用作 GPS 仿真信號。
測試方法是首先啟動矢量信號源上的 GPS 仿真，啟動動態(tài)移動場景，設(shè)置一定的移動軌跡，連續(xù)運行仿真。接著啟動 GPS 接收機(jī)進(jìn)行定位。典型的 GPS 測評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)，用于測評仿真位置與 GPS 接收機(jī)計算的位置的偏差，同時測量移動速度的精度，還可以通過地圖查看移動軌跡是否正確。參見圖的典型移動軌跡信息。
圖五
多徑衰落場景定位測試
多徑衰落場景定位測試是確定 GPS 接收機(jī)在多徑衰落條件下的工作能力。由于汽車移動在變換的環(huán)境中，大多數(shù)場景中存在多徑傳播，其中主路徑是衛(wèi)星直線傳播的信號，稱為 LOS 信號，即 Line of Sight，其他接收信號則是同一信號經(jīng)過折射或反射等作用后的信號，比如建筑物或山的影響。多徑傳播引起問題主要是由于不同路徑的無線電信號到達(dá)接收機(jī)的時間不同，因為各路徑經(jīng)歷的長度不同，長的路徑時間延遲大。多徑傳播會造成時延擴(kuò)散，嚴(yán)重時會降低 GPS 接收機(jī)的定位精度，影響首次鎖定時間 TTFF，重新鎖定時間等這項測試要求矢量信號源的 GPS 仿真通道數(shù)大于需要模擬的衛(wèi)星數(shù)量，并利用多個仿真通道模擬衛(wèi)星信號的多徑傳播效應(yīng)，如圖6所示。
圖六
車載 GPS 接收機(jī)測試方案
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
● 可以實時開啟和關(guān)閉單個衛(wèi)星信號
● 可以實時調(diào)整單個衛(wèi)星信號的功率電平
● Ionospheric and tropospheric modeling capability
● 可以調(diào)整衛(wèi)星信號播放起始點時間
● 可以產(chǎn)生需要位置的靜態(tài)或動態(tài)移動場景文件
● 可以在移動場景文件輸入 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(biāo)準(zhǔn)無線通信信號
圖七
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