車載 GPS 導航系統(tǒng)是汽車電子的重要應用，隨著汽車進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 導航系統(tǒng)由車載 GPS 接收機和導航軟件組成，其中車載 GPS 接收機的性能指標直接影響到導航應用的用戶體驗，是影響產(chǎn)品性能的關鍵部分。目前車載 GPS 接收機測試并沒有統(tǒng)一的標準，與行業(yè)大量應用的手機 GPS 測試相比，需要增加面向汽車應用的測試要求，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 接收機測試主要考慮的問題以及相應的測試方法。

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)星為基礎的無線電導航定位系統(tǒng)，于 1994 年全面建成。GPS 全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，開始時只用于軍事目的，現(xiàn)在也廣泛應用于商業(yè)和科學研究上。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。

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); 用戶設備部分-GPS 信號接收機。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 信號進行變換、放大和處理，基帶芯片進一步解譯出 GPS 衛(wèi)星所發(fā)送的導航數(shù)據(jù)，以便得到 GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，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 接收機的定位精度是由所使用的擴展碼決定的。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)送的導航數(shù)據(jù)速率只有 50 bps，通過擴展碼擴展到 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)，接收機主要使用L1。

根據(jù) GPS Standard Positioning Service SignalSpecification 標準 (第二版)，GPS 信號格式如圖 1 所示，主要包括三個部分: TLM (Telemetry)、HOW (Handover Wo r d ) 和導航數(shù)據(jù)。導航數(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 個部分: TLM、HOW 和導
航數(shù)據(jù) (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間 (TTFF)，暖啟動首次定位時間，重新捕獲時間，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

首次定位時間測試

首次定位時間，即 Time to First Fix (TTFF)，測量 GPS 接收機從冷啟動到實現(xiàn) GPS 導航定位所需的時間。冷啟動是指接收機在不使用當前星歷表的情況下開機。通常，將接收機關閉至少 2 小時后再開機就可以實現(xiàn)冷啟動。TTFF 是指 GPS 接收機啟動 (接通電源) 到通過仿真獲得第一個有效的 3D 導航數(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。測試至少應收集 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，再計算出標準偏差。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 接收機從暖啟動到實現(xiàn) GPS 導航定位所需的時間。這個測試與之前的冷啟動TTFF 測試類似。此測試中的接收機包括所有仿真衛(wèi)星的當前星歷數(shù)據(jù)。通常，可以通過將之前處于開機狀態(tài)的接收機關閉一小段時間，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 接收機進行定位。這將確保獲得 GPS 接收機的當前星歷數(shù)據(jù)。然后關閉 GPS接收機一小段時間，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，再計算出標準偏差。

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 接收機進行定位。之后斷開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。重新捕獲時間是重新連接GPS信號和第一次從仿真獲得有效的導航數(shù)據(jù)點的時間間隔。測試至少應收集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) 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 接收機進行定位。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 (ECEF)，用于測評仿真位置與 GPS 接收機計算的置。參見圖 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(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，設置可視衛(wèi)星的數(shù)量應為 1。設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 接收機無法跟蹤這顆衛(wèi)星。收集此時功率電平和相應的 GPS 接收機 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，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 接收機進行定位。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(shù)據(jù)。

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(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 接收機丟失其 3D 導航定位。參見圖 4 的測試設置。

圖四

針對車載 GPS 接收機的主要測試

由于汽車移動的特點，針對車載 GPS 接收機應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，設置一定的移動軌跡，連續(xù)運行仿真。接著啟動 GPS 接收機進行定位。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 (ECEF)，用于測評仿真位置與 GPS 接收機計算的位置的偏差，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接收機的時間不同，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散，嚴重時會降低 GPS 接收機的定位精度，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，如圖6所示。

圖六

車載 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)和動態(tài) GPS 接收環(huán)境
● 模擬多徑傳播效應
● 調(diào)整衛(wèi)星可見性，可以部分或完整關閉衛(wèi)星信號
● 可以實時開啟和關閉單個衛(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)生其他各種標準無線通信信號

圖七