制定全面測(cè)試計(jì)劃：使用TS-GNSS模擬器助力接收器選擇

GPS/GNSS信號(hào)無處不在，也是目前定位導(dǎo)航應(yīng)用中最為關(guān)鍵的一環(huán)，而GNSS接收器芯片組的低成本和高性能使得將GNSS接收器更容易得集成到以前從未有過的產(chǎn)品中去。由于存在以多種頻率傳輸信號(hào)的多個(gè)GNSS星座，以及用于提高GNSS精度的各種可用技術(shù)，因此評(píng)估和選擇接收器以及制定GNSS測(cè)試計(jì)劃是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。通常需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來選擇接收器，然后需要進(jìn)行工程設(shè)計(jì)以將接收器集成到最終產(chǎn)品中。

系統(tǒng)集成商可能認(rèn)為他們的接收器已經(jīng)由制造商測(cè)試過，無需在最終產(chǎn)品中再次測(cè)試。然而，事實(shí)證明這并不是絕對(duì)保險(xiǎn)的。接收器的集成方式會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能產(chǎn)生重大影響，如果天線集成到產(chǎn)品中，則天線和相關(guān)組件的放置也很重要。此外，確保系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生干擾GNSS接收的噪聲是進(jìn)行測(cè)試的另一個(gè)關(guān)鍵原因。在產(chǎn)品運(yùn)行的環(huán)境和條件下進(jìn)行測(cè)試是產(chǎn)品開發(fā)中不可忽視的重要組成部分。

執(zhí)行此類GNSS測(cè)試的最佳方法便是使用GNSS模擬器，TS-GNSS模擬器允許在仿真環(huán)境中對(duì)帶有GNSS接收器的設(shè)備進(jìn)行重復(fù)、一致、可控的測(cè)試。而在開始任何測(cè)試之前，制定測(cè)試計(jì)劃非常重要。制定測(cè)試計(jì)劃可確保覆蓋任何給定應(yīng)用程序需要測(cè)試的內(nèi)容。

本文提供了指導(dǎo)和注意事項(xiàng)，可幫助您制定測(cè)試計(jì)劃來測(cè)試帶有GNSS接收器的設(shè)備。

一、測(cè)試項(xiàng)目

下列這一組基本的GNSS測(cè)試被定義為GNSS接收器的關(guān)鍵性能測(cè)試并被廣泛接受，這些測(cè)試包括：

1.首次穩(wěn)定時(shí)間（TTFF）

首次穩(wěn)定時(shí)間，即Time To First Fix（TTFF）是接收器初次報(bào)告其計(jì)算的日期、時(shí)間和位置（稱為定位）所需的時(shí)間量（通常以秒為單位），其中時(shí)間是從接收器重置到接收器報(bào)告穩(wěn)定的時(shí)間計(jì)算的。

可以在任何接收器上執(zhí)行三種不同類型的重置，這些被稱為冷啟動(dòng)、暖啟動(dòng)和熱啟動(dòng)。

● 當(dāng)執(zhí)行冷啟動(dòng)時(shí)，接收器的存儲(chǔ)被清除，并且接收器必須在不使用任何保存的信息的情況下執(zhí)行計(jì)算。有關(guān)衛(wèi)星星座（年歷）、每顆衛(wèi)星的精確軌道和時(shí)鐘數(shù)據(jù)（星歷）以及日期、時(shí)間和位置的數(shù)據(jù)將被刪除。接收器上的冷啟動(dòng)通常不是通過關(guān)閉設(shè)備電源來執(zhí)行的；通常需要向接收器發(fā)送單獨(dú)的命令來進(jìn)行冷啟動(dòng)。冷啟動(dòng)時(shí)首次穩(wěn)定的時(shí)間最長(zhǎng)。

● 暖啟動(dòng)通常是通過關(guān)閉然后重新打開設(shè)備電源來執(zhí)行的，暖啟動(dòng)會(huì)將年歷信息保留在內(nèi)存中，并刪除星歷表以及日期、時(shí)間和位置信息，這使得接收器比冷啟動(dòng)更快地獲得穩(wěn)定。

● 當(dāng)GNSS接收暫時(shí)中斷（例如穿過隧道）然后重新開始接收時(shí)，這稱為熱啟動(dòng)。接收器保留所有存儲(chǔ)的信息（年歷、星歷、日期/時(shí)間、位置），并且接收器可以很快再次獲得穩(wěn)定。

此測(cè)試對(duì)于用戶必須盡快獲取位置或時(shí)間信息的應(yīng)用非常重要。例如，對(duì)于汽車中用于行駛導(dǎo)航的GNSS接收器來說，這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)橛脩粜枰蕾嚩ㄎ慌c導(dǎo)航指引，而在獲得穩(wěn)定之前無法提供支持。對(duì)于固定應(yīng)用中的授時(shí)接收器來說，較長(zhǎng)的TTFF并不那么重要，在固定應(yīng)用中，設(shè)備始終運(yùn)行，啟動(dòng)時(shí)間實(shí)際上僅在安裝或維護(hù)期間適用。

GNSS模擬器支持針對(duì)單個(gè)星座與多個(gè)星座的測(cè)試場(chǎng)景，支持實(shí)時(shí)調(diào)整方案參數(shù)以匹配應(yīng)用程序要求，如對(duì)于靜態(tài)或移動(dòng)車輛，或在存在多路徑和/或干擾的情況。此外，GNSS模擬器提供了一個(gè)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)試的接收器發(fā)送命令，只需最少的編程技能，輕松實(shí)現(xiàn)TTFF測(cè)試的自動(dòng)化。

2.位置精度

位置精度是通過將GNSS模擬器的真實(shí)數(shù)據(jù)與接收器報(bào)告的位置進(jìn)行比較來測(cè)量的。位置精度是在不同的運(yùn)動(dòng)曲線下和/或在不同的位置測(cè)量的。

位置精度測(cè)試通常包括在一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行測(cè)試并按一定時(shí)間間隔收集位置誤差（例如：運(yùn)行一小時(shí)的測(cè)試并每秒收集測(cè)量結(jié)果）。模擬器可以實(shí)時(shí)執(zhí)行精度測(cè)試；此外，統(tǒng)計(jì)分析可以作為后處理步驟完成。測(cè)試地點(diǎn)的例子包括北半球或南半球、半球與北極的交叉點(diǎn)等。測(cè)試地點(diǎn)的選擇取決于產(chǎn)品及其應(yīng)用。

GNSS模擬器支持在模擬器內(nèi)部直接通過串口、以太網(wǎng)接入接收機(jī)模塊并分析NMEA數(shù)據(jù)，無需任何編程與操作，即可實(shí)現(xiàn)仿真信號(hào)與接收信號(hào)的解碼與對(duì)比，并提供多維度的可視化界面，高效快速的完成定位精度的測(cè)試。

3.授時(shí)精度

通過將來自GNSS模擬器的秒脈沖信號(hào)（1 PPS）與被測(cè)接收機(jī)生成的1 PPS信號(hào)進(jìn)行比較來執(zhí)行定時(shí)精度測(cè)試。使用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器或示波器，可以確定接收器的定時(shí)精度。與位置精度測(cè)試一樣，測(cè)量值是在一段時(shí)間內(nèi)每秒收集的。當(dāng)應(yīng)用程序需要精確授時(shí)時(shí)，授時(shí)精度測(cè)試非常重要。如果應(yīng)用程序用于定位和導(dǎo)航，則可能不需要授時(shí)精度測(cè)試。

TS軟件定義GNSS模擬器的主要優(yōu)勢(shì)之一是它能夠利用GPU的強(qiáng)大功能以數(shù)字方式生成基帶中的每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，同一頻段上的所有衛(wèi)星信號(hào)都使用相同的硬件組件從基帶信號(hào)合成到射頻信號(hào)。因此，Skydel模擬器只需針對(duì)兩個(gè)GNSS頻段校準(zhǔn)一次，并且同一載波上每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)之間的延遲完全等于零。此外Skydel GNSS模擬器從一開始就被設(shè)計(jì)為與外部參考時(shí)鐘同步，硬件端口上支持時(shí)間同步信號(hào)（1 PPS+10 MHz）輸入輸出，從而支持快速時(shí)間同步與授時(shí)精度測(cè)試。

4.靈敏度

接收器靈敏度是GNSS信號(hào)可以具有的最低功率電平，以便GNSS接收器能夠鎖定它們并繼續(xù)跟蹤。靈敏度有兩種重要類型：捕獲和跟蹤。

捕獲靈敏度是接收器首次鎖定GNSS信號(hào)所需的功率電平，跟蹤靈敏度是接收器在捕獲后持續(xù)跟蹤信號(hào)所需的功率電平，一般而言信號(hào)捕獲需要的功率電平會(huì)比維持跟蹤所需的功率電平更高。這些測(cè)試在產(chǎn)品開發(fā)過程中非常重要，因?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)本身有可能干擾GNSS接收。

這些測(cè)試可以在沒有添加任何損傷或錯(cuò)誤的設(shè)備上執(zhí)行，以便為設(shè)備在理想條件下如何運(yùn)行提供良好的基線。具體所執(zhí)行的測(cè)試內(nèi)容與方式將根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行選擇。

軟件定義GNSS模擬器提供高基準(zhǔn)的RF信號(hào)，輸出功率范圍從-25~-120 dBm，并可通過衰減器擴(kuò)展至-160 dBm，功率精度為±0.5 dB，最小步進(jìn)為0.1 dB，滿足接收機(jī)靈敏度測(cè)試的范圍需求。此外，借助Skydel軟件基于命令操縱的底層架構(gòu)，支持快速自動(dòng)化測(cè)試用例的低編程化生成與導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)靈敏度測(cè)試的自動(dòng)化與重復(fù)使用。

5.GNSS誤差和損傷

生活環(huán)境中存在自然發(fā)生的和人為的條件，這些條件會(huì)對(duì)這些基本測(cè)試的結(jié)果產(chǎn)生影響。在設(shè)備預(yù)期運(yùn)行的環(huán)境中測(cè)試設(shè)備或產(chǎn)品非常重要。如果沒有這些額外的測(cè)試，GNSS產(chǎn)品可能在理想環(huán)境中運(yùn)行良好，但在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中根本無法運(yùn)行良好。

增加誤差并影響GNSS接收器性能或干擾接收器穩(wěn)定能力的關(guān)鍵因素是電離層、對(duì)流層、多徑、本地RF干擾和有限的天空視野等。此外，GNSS系統(tǒng)本身也可能存在錯(cuò)誤，例如星歷數(shù)據(jù)不正確或消息損壞。

● 當(dāng)GNSS信號(hào)從衛(wèi)星傳輸?shù)降厍蚋浇虻厍蛏系慕邮掌鲿r(shí)，它會(huì)穿過電離層和對(duì)流層。選擇用于測(cè)試的任何模擬器都應(yīng)該能夠改變大氣模型并將誤差添加到電離層中，以便可以在不同的誤差條件下測(cè)試接收設(shè)備。

● 當(dāng)來自衛(wèi)星的信號(hào)從物體或地面反射并導(dǎo)致主信號(hào)的多個(gè)回波到達(dá)接收器時(shí)，就會(huì)發(fā)生多徑效應(yīng),接收器必須辨別使用哪些信號(hào)以及拒絕哪些信號(hào)。多徑現(xiàn)象在任何環(huán)境中都可能發(fā)生，但建筑物越密集，多徑現(xiàn)象就越多，幾乎每個(gè)應(yīng)用程序都應(yīng)該關(guān)注多徑測(cè)試。

● 當(dāng)附近有發(fā)射器以擾亂GNSS的頻率進(jìn)行發(fā)射時(shí)，就會(huì)發(fā)生本地射頻干擾。它可能與GNSS頻率相同，也可能是諧波或非常強(qiáng)的帶外信號(hào)，干擾可以始終存在、按計(jì)劃存在或隨機(jī)發(fā)生。建議測(cè)試接收器性能時(shí)因應(yīng)包含這一項(xiàng)，用于檢查地表上或附近任何重要應(yīng)用操作設(shè)備的接收機(jī)抗干擾情況。

● 衛(wèi)星發(fā)送的GNSS信號(hào)包含一個(gè)數(shù)據(jù)流，其中包含有關(guān)星座和每顆衛(wèi)星的信息，該數(shù)據(jù)流稱為導(dǎo)航消息，接收器使用這些信息來準(zhǔn)確計(jì)算衛(wèi)星位置，以便利用它們來獲得定位。如果數(shù)據(jù)不正確，計(jì)算也可能不正確，而任何數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都有可能被損壞，接收器能拒絕損壞和不正確的數(shù)據(jù)消息的能力非常重要，這樣接收器就不會(huì)使用壞數(shù)據(jù)。此測(cè)試通常由接收器制造商執(zhí)行，但如果無法確認(rèn)，則可能有必要將此類測(cè)試添加到測(cè)試計(jì)劃中。

● 還存在故意破壞環(huán)境的威脅，此類威脅的目的主要是破壞GNSS接收器或誤導(dǎo)GNSS接收器，因此可能會(huì)產(chǎn)生更大的影響，任何關(guān)鍵或自主應(yīng)用程序都應(yīng)該針對(duì)故意干擾和欺騙進(jìn)行測(cè)試。

TS-GNSS模擬器提供針對(duì)GNSS信號(hào)從產(chǎn)生，到傳輸最終到接收處的全面仿真，根據(jù)用戶的測(cè)試需求，手動(dòng)或自動(dòng)設(shè)置相關(guān)的場(chǎng)景，為測(cè)試帶來最準(zhǔn)確與高效的體驗(yàn)。

二、測(cè)試開發(fā)注意事項(xiàng)

1.星座和頻率

現(xiàn)在地球上到處都有四個(gè)GNSS系統(tǒng)。這些系統(tǒng)是：GPS、GLONASS、伽利略和北斗。盡管它們各自由世界不同地區(qū)的不同政府管理，但它們傳輸?shù)拈_放服務(wù)信號(hào)可供世界各地的每個(gè)人使用。還有兩個(gè)區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)向印度（NavIC）和日本（QZSS）提供服務(wù)。對(duì)于四個(gè)星座，可能的組合數(shù)量為24種。而且這還不考慮不同的信號(hào)類型和頻率。

這些星座中的每一個(gè)都在多個(gè)頻率上傳輸多種信號(hào)類型。如果我們考慮每個(gè)星座（平均）傳輸三個(gè)不同的頻率，則它會(huì)顯著增加要測(cè)試的可能組合的數(shù)量。

這張GNSS頻譜海報(bào)顯示了GNSS衛(wèi)星傳輸?shù)牟煌亲托盘?hào)類型。

考慮到所有這些可能性，決定測(cè)試什么以及采用哪種組合可能會(huì)讓人不知所措。

2.注意事項(xiàng)

在決定測(cè)試哪些星座、執(zhí)行哪些測(cè)試以及在哪些損傷或錯(cuò)誤條件下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，需要考慮以下一些因素。

● 該應(yīng)用程序有多重要？

用于生命安全操作的應(yīng)用程序有其自己的測(cè)試規(guī)范，應(yīng)遵循測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。對(duì)于沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)但被認(rèn)為至關(guān)重要的用例（例如電信授時(shí)），在所有操作條件下都進(jìn)行測(cè)試非常重要。對(duì)于可穿戴智能設(shè)備、健身輔助智能器件之類的設(shè)備，如果設(shè)備由于干擾等導(dǎo)致結(jié)果稍微不太準(zhǔn)確，那此類測(cè)試并不是必要的。

● 額外的星座將如何在產(chǎn)品中使用？

在許多消費(fèi)設(shè)備中，額外的星座用于提高衛(wèi)星的可用性。在這種情況下，測(cè)試不同的星座組合并沒有太大的價(jià)值。通常情況下，可以將所有將要使用的星座一起進(jìn)行測(cè)試。為了確定接收器是否將在低可用性條件下運(yùn)行，可以減少衛(wèi)星的數(shù)量，而不是刪除單個(gè)星座或信號(hào)。然而，如果產(chǎn)品將在高精或高可靠性下運(yùn)行，則必須進(jìn)行測(cè)試以確保星座和/或頻率可以單獨(dú)工作。

● 主要目的是基于授時(shí)還是定位？

當(dāng)應(yīng)用中不使用1 PPS信號(hào)時(shí)，通常不需要包括授時(shí)精度測(cè)試。同樣，當(dāng)主要應(yīng)用是授時(shí)時(shí)，通常不需要測(cè)試不同條件下的位置精度。

● 主要運(yùn)行環(huán)境是什么？

GNSS接收器可用于地面、空中和太空。地面設(shè)備的示例包括移動(dòng)或可穿戴設(shè)備、道路車輛、鐵路車輛、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施授時(shí)設(shè)備以及固定測(cè)量和基站設(shè)備。對(duì)于地面設(shè)備，主要考慮的是衛(wèi)星可用性和定位精度的多徑性能。重復(fù)的地面干擾也可能很重要，具體取決于應(yīng)用的重要性。

空中使用的設(shè)備包括無人機(jī)、飛機(jī)和氣球。低空飛行的無人機(jī)或靠近地面的飛機(jī)面臨與地面設(shè)備類似的環(huán)境。使用六自由度（6DOF）考慮運(yùn)動(dòng)也很重要，其中包括典型的三個(gè)部分變量（X、Y、Z）以及俯仰、滾動(dòng)和偏航。測(cè)試應(yīng)僅針對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行的環(huán)境而設(shè)計(jì)。

下表說明了各種應(yīng)用程序的一些典型測(cè)試環(huán)境注意事項(xiàng)，它是幫助測(cè)試開發(fā)的代表性指南，但并不包羅萬象。

三、總結(jié)

GNSS信號(hào)廣泛可用、使用成本低廉但技術(shù)上非常復(fù)雜。盡管測(cè)試任何正在開發(fā)的產(chǎn)品的GNSS功能至關(guān)重要，但當(dāng)您考慮GNSS星座和信號(hào)的所有可能組合以及可能給GNSS解決方案添加錯(cuò)誤的所有因素時(shí)，這可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。本文應(yīng)有助于使這些任務(wù)變得更加容易，并提供為集成到其他產(chǎn)品中的GNSS接收器準(zhǔn)備測(cè)試計(jì)劃時(shí)的一些關(guān)鍵考慮因素。通過查看產(chǎn)品應(yīng)用和使用場(chǎng)景，可以確定要測(cè)試產(chǎn)品的最重要的內(nèi)容。創(chuàng)建總體測(cè)試計(jì)劃大綱后，可以輕松地將其轉(zhuǎn)化為選擇GNSS模擬器的要求。

TS-GNSS模擬器是必要且先進(jìn)的測(cè)試工具以覆蓋每個(gè)測(cè)試用例，以幫助使任何GNSS設(shè)備在任何環(huán)境中運(yùn)行時(shí)都更加穩(wěn)健。德思特GNSS模擬器的強(qiáng)大之處在于它能夠在一個(gè)軟件內(nèi)完成上述所有的測(cè)試內(nèi)容與場(chǎng)景的搭建，且不會(huì)收到硬件的限制，并且提供強(qiáng)大的自動(dòng)化與低學(xué)習(xí)成本的開發(fā)方式，使得GNSS測(cè)試方法得以簡(jiǎn)化，并能夠被每一個(gè)人快速使用。

審核編輯 黃宇