輕松掌握基本GNSS測(cè)試——首次定位時(shí)間（TTFF）

首次定位時(shí)間（TTFF）是指從GNSS單元打開到能夠輸出具有給定性能級(jí)別的有效導(dǎo)航解決方案之間的時(shí)間。根據(jù)接收機(jī)的規(guī)格，用于驗(yàn)證導(dǎo)航解決方案的性能標(biāo)準(zhǔn)可以是跟蹤衛(wèi)星的數(shù)量（即用于2D或3D定位）/跟蹤星座或位置精度。該測(cè)試確定設(shè)備在各種潛在情況下對(duì)反復(fù)啟動(dòng)和關(guān)閉的反應(yīng)。

對(duì)于TTFF測(cè)試，接收機(jī)要測(cè)試的三個(gè)最重要的條件是冷啟動(dòng)、暖啟動(dòng)和熱啟動(dòng)。下表解釋了這三個(gè)啟動(dòng)條件的含義。

首次定位時(shí)間的測(cè)試建議：

• 每個(gè)接收機(jī)針對(duì)每個(gè)單元啟動(dòng)條件（冷、暖和熱）至少執(zhí)行200次TTFF測(cè)試，以確保有足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)來較為精準(zhǔn)的確定啟動(dòng)時(shí)間的典型值。（注意：GNSS接收機(jī)的規(guī)格通常需要平均值或95%置信度值）。通過自動(dòng)化測(cè)試，執(zhí)行的測(cè)試數(shù)量可以更高。
• 建議在不同的模擬場(chǎng)景（例如位置、歷書、時(shí)間）中評(píng)估接收機(jī)的TTFF，以應(yīng)對(duì)不同的星座配置。應(yīng)調(diào)整方案參數(shù)以匹配實(shí)際應(yīng)用的要求，如對(duì)于靜態(tài)或移動(dòng)車輛、存在多路徑和/或干擾的情況。

在有多個(gè)衛(wèi)星星座可用的時(shí)代（除了GPS以外，現(xiàn)在還有北斗、GLONASS，伽利略等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），必須評(píng)估接收機(jī)支持的每個(gè)星座的TTFF。如果能夠在接收機(jī)上單獨(dú)激活每個(gè)星座，建議可以這樣測(cè)試接收機(jī)支持星座的TTF，但如果接收機(jī)沒有這個(gè)功能，也可以選擇在虹科Safran Skydel GNSS模擬器上進(jìn)行測(cè)試，一次啟用一個(gè)星座，但接收機(jī)的算法不會(huì)被優(yōu)化為搜索此可見星座的“僅信號(hào)”。

為了正確評(píng)估接收機(jī)的TTFF，有必要從大量場(chǎng)景點(diǎn)開始，并經(jīng)常更改模擬星座配置。為此，虹科Safran Skydel模擬器提供了強(qiáng)大的API，能夠自動(dòng)啟動(dòng)連續(xù)的Skydel場(chǎng)景，并向正在測(cè)試的接收機(jī)發(fā)送自動(dòng)關(guān)閉/啟動(dòng)命令。只需簡(jiǎn)單的編程，就可以使用Skydel模擬器輕松實(shí)現(xiàn)TTFF測(cè)試的自動(dòng)化。

測(cè)試流程

在這個(gè)案例中，將評(píng)估u-blox EVK-M8N接收機(jī)在多個(gè)TTFF場(chǎng)景中的性能。虹科Safran Skydel模擬器具備強(qiáng)大的靈活性，接收機(jī)可以很容易地在不同的星座模式和啟動(dòng)條件下進(jìn)行測(cè)試。例如，選擇驗(yàn)證單個(gè)星座（分別是GPS C/A和Galileo E1）以及混合模式（同時(shí)使用GPS和Galileo）在冷/熱啟動(dòng)條件下的性能。接收機(jī)性能還可以使用Skydel軟件的干擾功能在GNSS信號(hào)的采集和跟蹤期間激活干擾來進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于每個(gè)性能點(diǎn)評(píng)估（一個(gè)星座在一個(gè)起始條件下），接收機(jī)將在200個(gè)不同的場(chǎng)景中啟動(dòng)5次。

測(cè)試設(shè)置

如下圖所示，設(shè)置虹科Safran Skydel模擬器的基本配置來進(jìn)行測(cè)試。GNSS 接收機(jī)使用USB電纜連接到控制器PC，由u-blox接收機(jī)的專有軟件界面管理連接。通過這種配置，Skydel模擬器和u-blox接收機(jī)可以在一臺(tái)PC上進(jìn)行輕松控制，而無需管理多個(gè)以太網(wǎng)接口。

系統(tǒng)設(shè)置完成后，首先使用Skydel GUI創(chuàng)建5種不同的模擬場(chǎng)景。每個(gè)場(chǎng)景都設(shè)置在地球上的不同位置，并使用不同的開始時(shí)間。這樣將確保在每個(gè)場(chǎng)景中都有一個(gè)單獨(dú)的GNSS星座。電離層和對(duì)流層傳播延遲是根據(jù)Klobuchar和STANAG模型定義的，所有其他誤差（如多路徑、時(shí)鐘隨機(jī)噪聲、偽距斜率）均被關(guān)閉。對(duì)于天頂上的GPS和伽利略參考衛(wèi)星，GNSS信號(hào)功率被設(shè)置為-50dBm（相當(dāng)于接收器輸入端的-110dBm），所有其他衛(wèi)星的功率會(huì)根據(jù)其仰角自動(dòng)調(diào)整。模擬持續(xù)時(shí)間是無限的，模擬場(chǎng)景的開始和停止時(shí)間將通過API進(jìn)行控制。

腳本概述

創(chuàng)建模擬器場(chǎng)景后，可以評(píng)估接收機(jī)的TTFF性能?？梢允褂霉δ軓?qiáng)大的虹科Safran Skydel API來實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果，而無需手動(dòng)執(zhí)行此操作。這個(gè)案例中使用的是Python API，除此之外，Skydel也附帶C++、C#以及Labview的API。以下Python命令作為示例提供，在實(shí)際使用中需要適應(yīng)配置，尤其是控制接收機(jī)的功能。

首先，從虹科Safran Skydel 庫中導(dǎo)入遠(yuǎn)程函數(shù)：

import skydelsdx from skydelsdx.commands import Open from skydelsdx.commands import Stop from skydelsdx.commands import Start from skydelsdx.commands import SetInterferenceChirp

創(chuàng)建Skydel遠(yuǎn)程模擬器的實(shí)例并連接到它：

sim = skydelsdx.RemoteSimulator(True) sim.connect()

然后循環(huán)之前創(chuàng)建的 Skydel 場(chǎng)景，這里有5個(gè)不同的場(chǎng)景：

TTFFlist = [] for scnNumber in range(1, totalScnNumber + 1):

在循環(huán)中，在Skydel模擬器上打開第一個(gè)場(chǎng)景：

sim.call(Open(“yourScenarioPath {0}.sdx”.format(totalScnNumber), True))

在這個(gè)案例中，激活了以L1為中心的線性調(diào)頻干擾，對(duì)于某些測(cè)試，其帶寬1MHz，掃描時(shí)間為100μs，J/S功率比為24dB。干擾可能已直接添加到此場(chǎng)景中，但為了保持啟用或禁用它的靈活性，可以使用遠(yuǎn)程命令添加干擾：

sim.call(SetInterferenceChirp(0, 0, 1.57542e+9, 24, 1e+6, 0.0001, True, "{8d18b359-1b21-44a6-b882-7b84e7dbadb4}"))

使用在計(jì)算所需TTFF啟動(dòng)量之間的函數(shù)來啟動(dòng)和停止Skydel場(chǎng)景。例如，這里對(duì)每個(gè)場(chǎng)景使用了40個(gè)啟動(dòng)：

• 對(duì)于所選星座
• 在定義的類型（冷、熱或熱條件）下

sim.start() TTFFlist = TTFFlist + TTFFStarts(runNumberForEachScn, GNSSconstellation, TTFFtype) sim.stop()

TTFFstart功能連接到u-blox接收機(jī)，設(shè)置星座模式，并通過內(nèi)存擦除重新啟動(dòng)接收機(jī)。在啟動(dòng)時(shí)間異常的情況下（即如果由于干擾功率高于規(guī)格而找不到GNSS信號(hào)），則為每種啟動(dòng)類型定義超時(shí)，然后函數(shù)在暖啟動(dòng)和熱啟動(dòng)條件下等待900秒，以從導(dǎo)航消息中檢索所有數(shù)據(jù)：

def TTFFStarts(runNumberForEachScn, GNSSconstellation, TTFFtype): u-blox = connectReceiver() setReceiverMode(ublox, GNSSconstellation) coldStart(ublox) if TTFFtype == TTFFtypes.cold: timeout = 90 time.sleep(900) elif TTFFtype == TTFFtypes.warm: timeout = 90 time.sleep(900) elif TTFFtype == TTFFtypes.hot: timeout = 15 sim.start() TTFFlist = TTFFlist + TTFFStarts(runNumberForEachScn, GNSSconstellation, TTFFtype) sim.stop()

然后，迭代所需的啟動(dòng)次數(shù)。在所選模式重新啟動(dòng)接收機(jī)之前，等待一段時(shí)間，以避免每次啟動(dòng)之間會(huì)出現(xiàn)的常見問題。然后，該函數(shù)等待接收機(jī)的修復(fù)并計(jì)算 TTFF。此功能將取決于對(duì)TTFF的定義（即位置計(jì)算中使用的衛(wèi)星數(shù)量、PDOP條件或規(guī)范中的其他標(biāo)準(zhǔn)）以及接收機(jī)的能力。在這里使用u-blox接收機(jī)自動(dòng)計(jì)算第一個(gè)2D修復(fù)的時(shí)間。 TTFFlist = [] for nb in range(1, runNumberForEachScn + 1): if TTFFtype == TTFFtypes.cold: time.sleep(random.uniform(0,30)) coldStart(ublox) elif TTFFtype == TTFFtypes.hot: time.sleep(random.random()) hotStart(ublox) TTFF = waitForFix(ublox, timeout) TTFFlist = TTFFlist + [TTFF] disconnectReceiver(ublox) return TTFFlist

TTFFlist包含200個(gè)啟動(dòng)中每個(gè)啟動(dòng)的TTFF值（即40個(gè)場(chǎng)景中每個(gè)場(chǎng)景的5個(gè)啟動(dòng)）。使用Python pickler保存此列表，以便后續(xù)使用其它的工具進(jìn)行分析。在本文中使用了Pyplot，它為圖形數(shù)據(jù)分析提供了強(qiáng)大的開源庫。

測(cè)試結(jié)果

下圖提供了u-blox接收機(jī)在無論有無干擾的情況下在GPS C/A、Galileo E1和混合模式下冷啟動(dòng)時(shí)的性能，在每種情況下，TTFF都以平均值和95個(gè)百分位值的形式提供。本文的目的不是詳細(xì)分析u-blox接收機(jī)的性能，但在純GPS模式下TTFF的特定分布也是非常有趣的，由于GPS C/A導(dǎo)航消息的特殊結(jié)構(gòu)，其值集中在30秒左右。僅使用GPS的TTFF性能也優(yōu)于僅使用伽利略，因?yàn)镚PS星歷數(shù)據(jù)分組在導(dǎo)航消息的開頭，而它們分散在伽利略導(dǎo)航消息中。

最后，可以看到混合模式并沒有提高整體性能，因?yàn)樵诿糠N情況下，都必須解碼至少一個(gè)星座的星歷表。當(dāng)干擾被激活時(shí)，可以看到對(duì)性能的影響，在這種情況下，幾次采集時(shí)間超過35秒時(shí)，GPS信號(hào)似乎比伽利略信號(hào)受到干擾的影響略大。整體性能下降在一定程度上可以通過信號(hào)采集期間更多的漏檢來解釋，但主要是由于導(dǎo)航消息解碼中的位丟失或錯(cuò)誤。（注：星歷解碼中缺少一個(gè)位可能意味著需要等待下一個(gè)星歷周期）。

同樣的分析可以在熱啟動(dòng)條件或其他衛(wèi)星采集模式下進(jìn)行。

總結(jié)

本文解釋了如何使用虹科Safran Skydel GNSS模擬器評(píng)估TTFF（GNSS接收機(jī)與性能相關(guān)的關(guān)鍵功能）。本文通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子突出了Skydel遠(yuǎn)程API的優(yōu)勢(shì)，它使用戶能夠非常輕松的執(zhí)行測(cè)試，而其他模擬器可能需要自定義工具或費(fèi)力的手動(dòng)測(cè)試程序。