GPS, Glonass, Galileo, BeiDou Receiver Performance-GNSS

1 GNSS简介 

全球导航卫星系统 (GNSS) 技术已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。应用范围涵盖消费、工业、汽车和军事领域。GNSS 的重要性继续增加，因为它有更多的潜力。趋势很明显，新的卫星系统正在世界各地部署。在消费市场，接收器越来越广泛，主要用于汽车和移动终端的导航和定位。

2.GNSS 信号仿真

测试 GNSS 接收器的一种方法是使用真实的卫星信号。接收器配有天线，可接收来自导航系统的真实信号。这种方法允许在包括多种影响的真实条件下测试接收器，但它也有严重的缺点。测试条件变化很大，在一定程度上是未知的。这使得不可能在完全相同的条件下重复测试。此外，接收器始终必须应对各种现实世界的影响，包括受限的卫星可见性、多径传播和干扰，仅举几例。
GNSS 信号模拟器可以克服这些问题。该仪器生成一个测试信号，模拟卫星信号和现场接收器看到的真实世界的影响。

3 测试设置

• 使用发射天线进行辐射（空口on air）
  
•  RF 电缆进行直接物理连接(connect)

测试信号的开放辐射不是一种非常可控且稳健的方法。

外部衰减器：

对于低至 –120 dBm 的电平，模拟器的指定绝对电平不确定性在 GNSS 频率下小于 0.5 dB。对于低至 –145 dBm 的电平，电平不确定性会增加。为了在低于 –120 dBm 的射频输出电平下也保持高精度，建议使用具有固定衰减（例如 30 dB）的外部衰减器。使用衰减精度高的优质电阻同轴衰减器。

区分接收器的冷启动、暖启动和热启动。下表给出了一个概览：

 

4.接收机

区分接收器的冷启动、暖启动和热启动。下表给出了一个概览：

冷、暖和热启动条件
类型	可用信息
cold启动	接收器不知道时间、位置、年历和星历表。
warm启动	接收器知道时间、100 公里内的位置和历书。     星历未知。
hot启动	接收器知道时间、100 公里内的位置、历书和星历表。

 

为了充分利用模拟器的优势，用户必须能够冷启动被测接收机——通过接收机控制软件或通过设备上的外部可访问按钮。

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。帧(页) 1500 比特 30 秒，导航信息25 页/帧 37500 比特= 12.5 分钟。

 

5 GNSS 接收机指标

为了确定接收器的一般性能，通常会测量一些基本参数。本文中介绍的方法和示例仅应视为基本指南。有许多替代方法可以表征接收器的性能。根据接收器的预期应用，某些测试可能比其他测试更相关。涵盖最常见的接收机测试，但不提供完整的测试集。以下部分描述了以下测试：

•        首次确定测量值的时间

•        重新获取时间测量

•        灵敏度测量

•        位置精度测量

•        移动接收器的动态测试

•        长期稳定性测量

•        干扰的影响

•        多径接收的影响

•        大气模型的影响

•        闰秒插入

•        1PPS信号

下表对使用的一些基本参数和技术术语进行了概述和简短解释。

 

技术术语的定义
技术术语	定义
首次定位时间 (TTFF)	接收器需要从接收到的卫星信号中获取第一个定位的时间。一是区分冷启动、温启动和热启动 TTFF。
重新获取时间	在卫星信号完全丢失和重新出现（例如隧道效应）后接收器需要重新获取定位的时间。
捕获灵敏度acquisition	接收器可以获取 GNSS 信号并因此获取定位的最小卫星功率电平。 (比如CN0:32dB-Hz)
追踪灵敏度tracking	接收器可以保持跟踪代码和载波相位并因此保持定位的最小卫星功率电平。跟踪灵敏度通常明显低于捕获灵敏度。(比如CN0:25dB-Hz)
定位精度	接收器可以确定其相对于真实位置的位置的空间精度。一种区分绝对、可重复和动态定位精度。 绝对：相对于固定的已知位置的定位精度。     可重复：为同一位置获得的定位之间的变化。  动态：使用移动接收器实现的定位精度。
多路径	从建筑物和其他城市物体反射回来的真实卫星信号通过多个传播路径到达接收器，每个卫星可能不同。因此，接收器不仅接收到直接视线信号，而且还接收到具有单独延迟、衰减和多普勒频移的到达接收器的信号复制品。
每秒一个脉冲 (1PPS)	由接收器生成的频率为 1 Hz 的脉冲 TTL 信号。它与 GPS 时间同步，因此可以用作精确的计时信号。

 

5.1 首次定位时间

此测量的目的是测试接收器获得第一定位的速度。TTFF 是一个重要的性能参数，因为它强烈影响接收器的可用性。

 

对于此测试， 模拟固定位置的真实卫星星座。用户可以从世界各地的许多预定义城市中选择一个位置或输入一个用户定义的位置。模拟卫星的数量也可以选择，范围从 4 到 24（设置卫星数量：例如 6）。对于 TTFF 测试，参考电平通常设置为远高于接收器的采集灵敏度电平的电平。(比如CN0:40dB-Hz，参考功率例如 -130 dBm)

通常，TTFF 测量会使用明显不同的模拟卫星星座重复多次，以在广泛的条件下测试接收器。最后对测得的 TTFF 进行平均。要修改场景，请更改以下内容之一： 

•        模拟时间（提前几个小时）

•        或模拟卫星的数量

•        或模拟位置

TTFF 测量可能非常耗时，尤其是冷启动 TTFF 测试，因为接收器需要一些时间才能从卫星信号的导航消息中收集足够的信息。因此，TTFF 测试在生产中不是很实用，但在研究和验证阶段却非常重要。

5.2 重新获取时间

此测量的目的是测试接收器在短时间内丢失所有信号后重新捕获卫星信号的速度。重新捕获时间是对车载 GNSS 接收器尤为重要的性能参数。例如，在离开所有卫星信号都被封锁的隧道后，接收器应该能够快速获得有效定位并恢复导航服务。  

对于此测试，使用“用户定位”模拟模式模拟固定位置的真实卫星星座。参考水平通常设置为远高于接收器的采集灵敏度水平的水平。(比如CN0:40dB-Hz，参考功率例如 -130 dBm)

步骤如下：

• 设置卫星数量：例如 6
• 让接收器获取 3D 位置定位
• 关闭所有卫星
• 等待接收者失去锁
• 等待接收者失去锁
• 量重新获取时间，即信号中断后的TTFF

要模拟暂时中断或受限的卫星可见性，用户可以 

•               关闭个别卫星

•               在不中断运行场景的情况下单独降低每颗卫星的功率。 

5.3 灵敏度

此测量的目的是找出接收器仍能够捕获或跟踪卫星信号并因此建立或保持有效定位的最小卫星信号功率。捕获和跟踪灵敏度是 GNSS 接收机最重要的两个性能参数。尽管按照规范定义，地球表面（清晰视野）上可接收的卫星信号功率至少约为 –130 dBm，但例如在建筑物内或树叶下，该电平可能会显着下降。然而，具有低灵敏度水平（例如–160 dBm）的接收器仍然可以在卫星信号因衰减而功率较低的区域中运行。接收器的灵敏度在研发中经过全面测试，通常是生产中测试的唯一参数。

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。

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 = 1575420000 Hz。

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±5000 Hz 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。

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。

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。

5.3.1 生产中的灵敏度测试

生产中的灵敏度测试通常使用非常简单的场景进行，只有一颗静态卫星。仅使用一颗卫星，不可能获得定位。因此，仅评估接收机为模拟卫星报告的 C/N0 比。在已知功率水平下，实际上可能大于实际灵敏度水平，接收器必须报告特定的 C/N0 比（测试限制）。这种方法节省了测试时间。相比之下，使用完整定位进行测试需要很长时间，因此很少在商业接收器的生产中执行。

要准确测量灵敏度级别，必须准确知道接收器输入端施加的功率。模拟单个静态卫星，因为这种简单的场景可以精确确定施加的功率。在 设置参考功率时，用户需要考虑以下因素：

•        电缆损耗 

•        外部衰减器（可选）

•        缺少（有源）天线（可选）

为了补偿电缆损耗、应用的外部衰减和缺失的天线增益，只需将参考功率设置为相应的更高水平即可：

参考功率 = 所需测试电平 + 电缆损耗 + 外部衰减 + 天线增益

步骤如下：

• 设置卫星数量：1（默认）
• 选择测试级别，使黄金设备（参考接收器）报告 38 dB-Hz 至 40 dB-Hz 的 C/N0 比。
• 重置接收器：冷启动
• 让接收器获取信号
• 从接收器获取 C/N0 读数

在生产中，接收机的灵敏度大多在冷启动条件下进行测试。

5.3.2 研发中的灵敏度测试

研发中的敏感性测试可以使用：

•        静态卫星

•        动态卫星（像在现实生活中一样沿着特定轨道移动） 

在任何一种情况下，=RF 输出电平都应在测量期间保持恒定。

通过模拟一颗以上的卫星，可以测试系统间干扰（例如 GPS 和 Glonass 卫星之间）。

5.3.2.1   静态卫星

具有单个静态卫星的卫星场景是最简单的场景，可以轻松精确地确定应用的输入功率。因此，此场景用于生产测试和研发。具有多个静态卫星的卫星场景也是可能的。静态卫星的使用确保了用于灵敏度测试的可靠且恒定的卫星信号电平。 

由于接收器的灵敏度水平可以低至 –160 dBm，因此必须以高精度生成极低的信号水平。要达到如此低的水平并获得最佳水平精度，建议使用外部衰减器。设置 射频电平时，用户需要考虑应用的外部衰减以及电缆损耗和有源天线可能丢失的增益。请注意，对于 GNSS 标准，RF 电平是使用参数“Ref.”（间接）设置的。卫星功率电平是根据该参考功率计算的。例如，参考功率设置为 –130 dBm，每颗卫星的功率偏移设置为 0 dB。 

 

在使用静态卫星测试灵敏度时，评估接收器为每颗模拟卫星报告的 C/N 0比。在高信号电平下，接收器可以轻松捕获卫星信号，并且报告的 C/N0比值是稳定的值。当测试仪开始降低卫星信号电平时，C/N0 比也会降低但保持稳定值。通过逐步降低卫星信号电平来测试灵敏度，直到报告的 C/N0 读数最终变得不稳定（或超出约定时间）。

在这一点上，达到接收器的灵敏度水平。 

•        为测试捕获灵敏度（acq Sx），每次卫星信号电平降低一级时执行一次冷启动。 

•        为了测试跟踪灵敏度（tracking Sx），在测量开始时执行单次冷启动。一旦接收器捕获到卫星，信号电平就会降低，而无需执行进一步的冷启动。

步骤如下：

• 设置卫星数量：4 
• 设置参考功率，例如 -130 dBm 
• 激活所有 4 颗卫星
• 循环{ 逐步降低功率，重置接收器：冷启动，让接收器获取信号，从接收器获取一颗卫星的 C/N0 读数，检查 C/N0 读数是否低于定义的阈值 threshold = 15;  }

仅用于跟踪灵敏度测试：

步骤如下：

• 逐步降低功率
• 设置 RF 功率不丢失同步
• 从接收器获取一颗卫星的 C/N0 读数
• 检查 C/N0 读数是否低于定义的阈值 threshold = 15; 

5.4 干扰

此测量的目的是测试不需要的干扰信号如何影响接收器的性能。 

 

干扰可能来自各种各样的来源。由于 GNSS 信号功率极低，因此特别容易受到干扰。当接收器暴露于干扰信号时，其性能可能会下降，甚至可能无法捕获或跟踪卫星。例如，在手机甚至芯片组中集成了越来越多的功能，使得干扰测试变得不可或缺。

5.5 1PPS 信号

此测量的目的是测试接收器生成的每秒一个脉冲 (1PPS) 信号的准确性。 

 

许多 GNSS 接收器生成 1PPS 输出信号——频率为 1 Hz 的脉冲 TTL 信号——与 GPS 时间同步（在 GPS 接收器的情况下）：脉冲的上升沿与 GPS 秒对齐。这些定时脉冲可用于同步本地时钟，例如，在通信网络中。例如，CDMA 2000 标准使用 GPS 1PPS 信号进行基站时间同步。