gnssgps接收機基本性能參數(shù)及其測試

1、目 錄適用對象3簡介3射頻仿真3典型GPS 仿真器4GNSS 環(huán)境46. 基本性能參數(shù)4冷啟動TTFF 時間4仿真器測試5溫啟動TTFF5仿真器測試5熱啟動TTFF6仿真器測試6捕獲靈敏度6仿真器測試66.5靈敏度66.5.1. 仿真器測試6重捕獲時間7仿真器測試7靜態(tài)導航精度7仿真器測試8動態(tài)導航精度9仿真器測試9射頻干擾9仿真器測試107. 結(jié)論10參考文檔11術(shù)語定義11其它信息121. 適用對象本應用說明適用于GNSS品能夠在預定環(huán)境中正常工作。及其系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)、集成商和測試，這些都需要確保其產(chǎn)思博倫建議您對導航的原理有一些基本的了解，并將RF仿真作為一種期望的測試方法。2. 簡介

2、在新老市場中，GNSS導航系統(tǒng)的使用量正在穩(wěn)步增長。GNSS日益廣泛的使用使人們對該技術(shù)的依賴逐漸增強。個人、企業(yè)和機構(gòu)正依靠該技術(shù)來滿足從個人、安全，到實現(xiàn)特定商業(yè)便利等諸多領(lǐng)域的應用。在此背景下，這些產(chǎn)品的設(shè)計、制造商和消費者就非常有必要了解GNSS系統(tǒng)的預期能力，以及該系統(tǒng)本身的各類限制及問題，因為這些問題有可能導致技術(shù)或系統(tǒng)的脆弱、易錯及失效。本應用說明了適用于GNSS系統(tǒng)司的全系列GNSS或系統(tǒng)的性能參數(shù)的一些基本參數(shù)。除此之外，它還展示了思博測試解決方案如何幫助您創(chuàng)建和運行受控的、可重復的仿真場景，它確保您能針對特定的GNSS射頻仿真器能夠模擬這些測試所需的條件。本文并不會給出特定

3、的或精確的測試方法及進行基準測試，步驟，讀者需要根據(jù)其自身的研究要求來定義適當?shù)膒ass/fail參數(shù)，這些參數(shù)由特定的應用所決定，而不同應用其重點關(guān)注的參數(shù)之間可能存在顯著的差異。例如， 對于汽車應用， T TFF 的性能是一項關(guān)鍵性指標，但對于靜態(tài)定位勘測卻并不太重要。重新捕獲（Reacquisiton）在海洋應用中并不是主要的考慮，因為在海洋環(huán)境中，外部物理阻礙幾乎沒有，但對于車輛應用卻非常關(guān)鍵，因為車輛行駛環(huán)境中常會出現(xiàn)隧道和橋梁等阻隔信號的情況。3. 射頻仿真射頻星座仿真器（RFConslation Simulator）通過對車輛及運動、信號特性、大氣和其它效應的建模，重現(xiàn)GNSS可

4、以根據(jù)測試場景（Scenario）中的參數(shù)執(zhí)行實際的導航。在動態(tài)中的環(huán)境，使從本質(zhì)上來說，仿真就是對真實世界的 表現(xiàn) 。仿真不可能完全重現(xiàn)真實世界的豐富多樣。通常的誤解是，只有精確重現(xiàn)真實條件的GNSS仿真測試才是有效的。然而，這并非必需。那些經(jīng)由仿真而實現(xiàn)的對各類典型效應的應并足以鑒識其極限，從而為設(shè)計的重點及優(yōu)化作出貢獻，在超過25年的時間里這用，已被證明可以用來驗證樣的測試一直在進行。更重要的是，輸入到的仿真信號是完全可重復的、可控的，及能夠?qū)υ撔盘栕龅街边_bits級的完整的、準確的掌控。在測試中使用真實世界的GNSS信號是不可能做到這一點的。因此，應當將仿真器測試看作對真實世界的 代表

5、 ，而非真實世界的。圖1顯示的是仿真的概念（使用GSS6560仿真器）3控制PC專有控制數(shù)據(jù)定義：信號條件及錯誤車輛位置及運動日期及時間等射頻信號發(fā)生器運行場景實時改變參數(shù)方案及日志數(shù)據(jù)：用于車輛運動信號數(shù)據(jù)數(shù)射頻信號被測設(shè)備圖1：射頻仿真流程. 典型 GPS 仿器的所有測試都可以在任何一種思博倫多通道仿真器上執(zhí)行。SimGEN是GSS6560、GSS7000和本應用說明中GSS8000系列仿真器的控制和場景定義。SimPLEX是STR4500仿真器的場景重放和控制。如欲了解思博倫m 并itioning，或全系列仿真器的信息，請接洽您的思博倫代表，或航 （SaNavigation）擊。. GN

6、SS境，GNSS如果能夠清晰地、無阻斷的觀察到軌道就可以通過發(fā)送的距離和導航信號而良好地工作。但是在許多情況下，現(xiàn)實條件并非如此理想，致使的距離測量值受到影響。影響的程度取決于的應用和環(huán)境情況而定。然而，在衡量的基本性能方面，有幾個基礎(chǔ)性參數(shù)，如果加以優(yōu)化，便可確保發(fā)揮出良好的基本性能，并可通過對設(shè) 的裁 而滿足特性應用的要求。. 基本性能數(shù)本應用說明側(cè)重的是關(guān)鍵參數(shù)的測試，目的是確定GNSS G S 1 C/A編碼信號。6. . 冷啟動 TTFF間的基本性能。除特別指明，測試中所指的均是首次定位時間TTFF（Ti e o Fir t Fix）用于衡量包括兩個范疇。其一是所謂的C/A碼范疇，與

7、信號搜索過程的快慢程度。搜索過程， 稱 信號 獲 ，的PRN碼相關(guān)，其二是范疇與載波相關(guān)。在執(zhí)行搜索，其PRN碼的不確定性可以最多至1023個碼片（chips，即G S C/A碼的一個完整代碼過程中，針對冷啟動的4NMEA數(shù)據(jù)段的總數(shù)）的代碼不確定性，以及約+/-11 kHz的不確定性。一些采用的是串行搜索過程，還有一些采用并行（多相關(guān)器）過程。更快的設(shè)計采用的是匹配濾波器(Matched Filter)或快速變化（FFT）技術(shù)。的技術(shù)采用的是多種代碼的混合技術(shù)，而立的代碼。冷啟動TTFF（在參考1中）的定義為下條件：加電至其捕獲第一個有效導航數(shù)據(jù)點之間的時間，但需滿足如時間未知當前歷書（Al

8、manac）和星歷(ephemeris)未知位置未知nnn由于該過程具有隨機性，（參考1中建議20）需要在不同TTFF值并取其平均值。幾何分布（SatalliteGeometries）條件下測試若干6.1.1. 仿真器測試利用仿真器執(zhí)行冷啟動TTFF測試非常簡便。首先是仿真一個靜態(tài)車輛位置，對功率水平進行設(shè)置，使得天線的功率水平大概為-120 dBm。在運行該場景（并將進入連接至仿真器）后，功率便施加在捕獲第一個定位后，停止該場景，退回（如可行）并將場景時間前進至少8個小時，確保上。當仿真的可視星群的幾何分布的改變。將仿真位置改變數(shù)千公里也可以達到同樣的效果。清除的所有導航數(shù)據(jù)和時間信息，并切

9、斷電源。重新運行修改后的場景并重新向程，得出TTFF結(jié)果的平均值。加電。按要求的次數(shù)重復該過的器是否已完全清除，您可以為場景選擇一個完全不同的地點和/或時間（相隔數(shù)如果您不能確定年）。通過這種方法，即使6.2 溫啟動 TTFF保留了部分過去的導航數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也不會發(fā)揮作用。（參考1）中對溫啟動的定義,為加電至其捕獲第一個有效導航數(shù)據(jù)點之間的時間，但需滿足如下條件：n 時間已知n 歷書已知n 無星歷（或數(shù)據(jù)存在時間超過4個小時）n 位置距上次定位點100公里以內(nèi)6.2.1. 仿真器測試在仿真器測試中，您可以使用與冷啟動TTFF相同的場景，此時參數(shù)（例如清除星歷，但不清除歷書）都已通過進行了設(shè)定

10、。從完整導航消息中收集歷書（該過程耗時約12.5分鐘）。 將場景前的匹配時間。如果無法清除星歷，必須首先允許進4個小時（使星歷老化），并設(shè)置56.3 熱啟動 TTFF（參考1）中將熱啟動定義為加電至其第一次捕獲有效導航數(shù)據(jù)點之間的時間，但需滿足如下條件：n 時間已知n 歷書已知n 星歷已知n 位置距上次定位點100公里以內(nèi)6.3.1. 仿真器測試與溫啟動一樣，您可以使用相同的場景。由于不需要清除器內(nèi)容，因此不需要停止場景來改變?nèi)蔚拿總€TTFF測試可做加電循環(huán)。與溫啟動相同的是，應允許何參數(shù)。收集完整的導航數(shù)據(jù)（耗時約12.5分鐘）。6.4 捕獲靈敏度捕獲靈敏度是發(fā)生 第一次定位 時能夠接收到的

11、最低功率水平。該靈敏度的子集包括了在冷啟動、溫啟動和熱啟動條件下的獨立測量值。6.4.1. 仿真器測試在仿真器測試中，您可以使用一個簡單的靜態(tài)場景。仿真器允許您在很寬的動態(tài)范圍內(nèi)，以高分辨率，通過多種方式控制仿真信號的功率水平功率控制可以在場景運行時實時進行，也可以使用預先編制好的命令集進行控制。實時控制可以使用SimGEN圖形用戶界面來實施，也可以使用命令（如果仿真器是由系統(tǒng)控制的）?？梢詫蝹€的功率獨立控制，也可以同時控制所有的功率，而且功率水平可以按絕對功率或相對功率的形式顯示。功率控制的分辨率（GSS6560仿真器）非常精細，在-130dBm（+15dB、-20dB）范圍內(nèi)，可達0.1

12、dB。這樣便可以準確地確定的捕獲靈敏度。和TTFF測量一樣，您可以通過在不同幾何因子（DOP）條件下運行多個測試來取得捕獲靈敏度的平均結(jié)果。6.5靈敏度鎖相環(huán)（PLL）所謂靈敏度就是能夠連續(xù)保持鎖定所需要的最低功率水平。閾值與由環(huán)路中的誤差源而導致的測試誤差有著密切的關(guān)系。相位誤差、動態(tài)應力誤差（dynamic stress error）和熱噪聲是主要的誤差來源。將這些減至最小可以使能夠以更低的功率連續(xù)信號。在任何情況下，閾值應低于捕獲敏感度。6.5.1. 仿真器測試在仿真器測試中，您可以簡單的采用同時降低所有信道功率的方法，直到失鎖。這種方法應該在不同的組合及幾何分布下重復進行多次，使用的技

13、術(shù)在第6.1節(jié)中有具體描述。66.6 重捕獲時間重捕獲時間是指在丟失所有接收信號狀態(tài)下，重新接收到信號到獲得第一個有效導航數(shù)據(jù)點所需的時間。較快的重捕獲時間對于車輛導航來說。設(shè)想一輛車從隧道中快速駛出，期間該車已失去所有的信號。在駛出隧道后，馬上就有一個路口，而駕駛者必須在此駛出道路。在這種情況下，導航系統(tǒng)需要迅速地恢復導航，以給出正確的 現(xiàn)在駛出 的指令。6.6.1. 仿真器測試在仿真器重新捕獲時間測試中，必須將所有上的功率全部降低最少60dB。實現(xiàn)該目標的最好辦法是將指定為 關(guān)閉 。SimPLEX和SimGEN允許您在場景運行過程中關(guān)閉所有的。利用SimGEN，您還每顆可以創(chuàng)建一個預先定義

14、的 用戶動作 文件，其中有一個以時間排序開/關(guān) 。令。這些命令之一便是 功率利用SimPLEX，您可以實時用戶的并從文件中將它們重放出來。設(shè)置所有關(guān)閉一定的時間，以確保完全失鎖，從而獲得有效的重新捕獲。6.7 靜態(tài)導航精度靜態(tài)導航精度是的相較于一個已知位置點的精度。該精度具備三個特點：可性相對于一個已知、標定的位置點，解算的位置與之比較應處于該精度范圍內(nèi)。要求兩基于相同的大地坐標系（geodeti datum）?？芍貜驮谠撿o態(tài)導航精度范圍內(nèi)，用戶可以返回到此前用同一測知的某坐標 。相性意味著一個用戶測得的位置與另一用戶在同一時間使用相同測得位置都處于該精度范圍內(nèi)。在特定條 下的 位置估 誤差

15、（EPE，estima ed ofition）。應用下列公式，可以獲得（等式（1）通常代表一維的EP ）：PE (1-sigPE (1-sig aa = H O * U RE (1-sig a) 1)= H O * U RE (1-sigma)H O * U R* 2相乘得出等式（2）中的 PE (2drms)，通常代表（二維）水平誤差的概率為95%。而對于一個半徑為2drms的橢圓，水平誤差介于0.95至0.98置信區(qū)間的概率，取決于橢圓半長軸之間的比率。PE (2dr s* H O * S RT U E + UE 2 2)7HDOP、GDOP、PDOP和VDOP值決定于天線相關(guān)的接收掩角上

16、方的當前可見的幾何分布特性。由于地形、植被、建筑物、車輛結(jié)構(gòu)等原因，DOP值可能會（變大）。URE（User Range Error） 是 空間信號 誤差的估計值，這些誤差包括如星歷數(shù)據(jù)、時鐘、電離層延遲以及對流層延遲等。通過差分和多頻技術(shù)，可以大幅度減少這些誤差。差分修正的來源包括用戶提供的參考站、社區(qū)、信標傳輸、FM子載波傳輸以及地球同步傳輸信號等。UEE（User Estimated Error）包括以大幅度減少UEE的誤差來源。噪聲、多徑效應、天線方向性、EMI/RFI。和天線如設(shè)計得當，可根據(jù)設(shè)備、信號和用途的不同，位置誤差的范圍可能從數(shù)十米（休閑應用）至數(shù)毫米（勘測應用）不等。專業(yè)

17、的繪圖和勘測設(shè)備通常包括可由用戶設(shè)置的參數(shù)的最小閾值，例如信噪比、掩角、DOP、使用數(shù)量等。UERE（User Equivalent Range Error）稱為用戶等效距離誤差，以表1顯示的方式計算（適用于L1 C/A）DGPS錯誤來源偏差隨機總計2.12.04.00.51.00.50.00.70.50.51.00.22.12.14.00.71.40.50.00.00.40.21.40.5星歷數(shù)據(jù)時鐘電離層 對流層 多徑測量值UERE (1-sigma RMS)過濾后的UERE, RMS5.15.11.40.45.35.11.61.5垂直1-sigma誤差（VDOP = 2.5）水平m1-s

18、igma誤差（HDOP=2.0）表1 L1 C/A用戶等距離錯誤（UERE）12.810.23.93.16.7.1. 仿真器測試在仿真器測試中，您可以通過禁用大氣效應及刻意不在仿真中包括任何星歷誤差、時鐘誤差、多徑或EMI/RFI來消除UERE和某些UEE誤差。這在使用真實信號時是無法實現(xiàn)的。因此，除使用GNSS仿真器外，不可能用其它方法從物理上測量的絕對導航精度。為測量靜態(tài)導航精度，您需要定義一個場景及其靜態(tài)位置（0度和0高度通常都是好的位置，因為任何變化都會以非零數(shù)字顯示出來）。該場景應當至少運行24個小時（正如參考1中所述），而且功率水平一定不能超過-160 dBw（參考3中定義的最低射

19、頻信號接收強度）。8某些有一種模式，可以在探測到速度低于某個臨界值時固定位置。這種所謂的 靜態(tài)模式 在車載接收機上非常有用，可以在車輛時避免顯示 抖動 。然而，在執(zhí)行靜態(tài)位置精度測試時，該模式必須禁用，避免干擾結(jié)果。參考4給出了如何測量精度性能的詳細解釋。6.8 動態(tài)導航精度在x、y、z中的一軸或全部三軸上處于運動狀態(tài)。動態(tài)導航精度與靜態(tài)導航精度基本相同，區(qū)別在于6.8.1. 仿真器測試在仿真器測試中，應使用SimGEN的車輛模型命令定義一個帶簡單軌跡的場景。為確保數(shù)據(jù)不相互關(guān)聯(lián)，應在至少三個時間段內(nèi)運試，每次運行的時間長度不少于一個小時。每個時間段必須包含至少1000個有效的導航數(shù)據(jù)點。三個

20、測試場景應在24小時的時間段內(nèi)等間隔分開。對于特定應用的動態(tài)精度性能測試，仿真器可以執(zhí)行幾乎您所希望的任何動態(tài)軌跡模式。思博倫仿真器的這一高動態(tài)性能使之可以對任何與動態(tài)運動相關(guān)的進試，從海上緊急信標浮移，到以每秒數(shù)百轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)的6.9 射頻干擾等。RFI定義為任何無益的信號，這些信號會導致導航性能下降、部分損失或完全損失。此類信號通常被稱為干擾 （Jamming）信號。Jamming是一個被廣泛使用的術(shù)語，定義為妨礙所需無線電信號被正常接收的信號。干擾可以是故意的，也可以是無意的。故意的干擾是蓄意GNSS使用GNSS系統(tǒng)。在戰(zhàn)場上可能會出現(xiàn)，包含轉(zhuǎn)發(fā)GNSS信號，使這種情況，即當敵方試圖另一方

21、的戰(zhàn)力時。故意干擾的更高形式被稱為誤認為自己正在正確導航，但事實并非如此。無意的干擾是未知的結(jié)果。這種干擾針對性較低，而且可能來自多種來源。例如：來自商業(yè)電視廣播站的諧波或來自飛機VOR/DME導航信標的脈沖干擾。GNSS信號在面對這兩類干擾時的主要弱點是，它們在到達實上，信號比背景噪音還要低約20 dB，因此必須使用出信號。天線時的功率極低（通常為 -120 dBm）。事中的信號處理增益（相關(guān)器）才能從噪音中提取在干擾條件下的弱點，據(jù)估計在L1頻率（1.57542GHz）上，1瓦的連續(xù)波干擾信號便可使10公里以為強調(diào)外已鎖定的GPS失鎖，并在最多85公里外捕獲鎖定。參考5對此有詳細未鎖定的。

22、96.9.1. 仿真器測試在仿真器測試中，有多種選擇方案。簡單的非相干干擾可以利用思博倫的GSS6560和GSS77xx/78xx及79xx系列仿真器輕松實現(xiàn)，因為它們都有一個射頻 干擾信號 輸入端口，使用戶可以通過受控的方式（使用仿真器中的定向耦合器）將外部RF信號注入到主GNSS信號路徑中。圖2顯示的便是這一概念。如果使用了 GSS4765選項則由 SimGEN控制射頻信號（生成干擾信號）SimGENGNSS仿真器干擾信號 輸入端口仿真器中的GNSS信號生成耦合器被測圖2：典型干擾仿真設(shè)置從第信號發(fā)生器注入的信號將無法與仿真器的GNSS信號相干。然而，思博統(tǒng)選項適用于GSS6560和GSS

23、77/78/79xx系列仿真器。這樣便可以使用SimGEN司的GSS7765干擾仿真系針對特定的信號發(fā)生器，在相干或不相干方式下，控制多種信號調(diào)制類型和功率模型，可模擬仿真干擾源針對仿真的GNSS位置的相對距離效應（例如，干擾源從上方飛越的所在位置）。如欲了解有關(guān)GSS7765干擾仿真選項的信號，請見參考6.7. 結(jié)論本應用說明描述了適用于所有GNSS的基本性能參數(shù)。這些參數(shù)必須在初期設(shè)計階段得到優(yōu)化。要想優(yōu)化就需要進行適當?shù)臏y試。本應用說明表明，GNSS仿真器可以幫助您開發(fā)測試，對化。SimGEN可提供非常高精度的信號控制和bit級的數(shù)據(jù)操作，重現(xiàn)最復雜的誤差效應，在其時，通過簡便易用的接口

24、實現(xiàn)直觀的測試。的設(shè)計加以優(yōu)運行強大模型的同事實表明，對于必須在高動態(tài)運動過程中經(jīng)受測試的，目前尚無替代仿真器測試的實際方法。108. 參考文檔1. ION STD 101mended Test Procedures FPS Receivers, I.O.N2. IS-GPS-200D Navstar GPS Spaegment/Navigation Usererfapecication, ReviD, 7th Dec 20043. ICD-GPS-200 Navstar GPS SpaApril 2000egment/Navigation Usererface Control, ReviIR

25、N-200C-004, 12th4. GPS SPS Signal Specication, Annex C, Means of measuring GPS performance5. Vulnerability assessment of the transporion infrastructure replying on the Globalitioning System John A. Volpe,NTSC, Aug 29th, 20016. MS3026 Lasue GSS4765erferenimulation System Product Specication7. DGP0090

26、2AAA Lasue SimPLEX Standard Scenario Descriptions9. 術(shù)語定義C/A CodeChiThe GPS SPS Coarse Acquisition ranging code （GPS 標準定位服務(wù)粗捕獲碼）the time betn transitionshe C/A code (not referred to as abitbecause the code does not carryinformation) （C/A碼碼片）D PDilution of Preci(GDOP = Geometric DOP, HDOP = Horizontal

27、 DOP, VDOP = Vertical DOP, PDOP =ition DOP, TDOP = Time DOP （精度因子）MI EPE FFT GN S PSPRElectro-Magneticerference （電磁干擾）Estimatedition Error （位置估算誤差）Fast Fourier Transform （快速變換）Global Navigation Salite System For exle: GPS, Glonass & Galileo（全球?qū)Ш较到y(tǒng)）GPS Preciseitioning Service, employing the P-code （G

28、PS精確定位服務(wù)，應用P碼）Pseudo-Random Number code. A code which appears comple y random when a portion of it is viewed, but which in reality repeats (for the GPS C/A code the repetition is 1mS, the GPS P-code takes 7 days to repeat) （偽隨機編碼）Radio Frequency （無線電射頻）RF RFS ena ioRadio Frequencyerference （無線電干擾）his context,