制定全面測試計劃：使用TS-GNSS模擬器助力接收器選擇

GPS/GNSS信號無處不在，也是目前定位導航應用中最為關鍵的一環(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的多個GNSS星座，以及用于提高GNSS精度的各種可用技術，因此評估和選擇接收器以及制定GNSS測試計劃是一項艱巨的任務。通常需要花費大量的時間和精力來選擇接收器，然后需要進行工程設計以將接收器集成到最終產(chǎn)品中。

系統(tǒng)集成商可能認為他們的接收器已經(jīng)由制造商測試過，無需在最終產(chǎn)品中再次測試。然而，事實證明這并不是絕對保險的。接收器的集成方式會對產(chǎn)品性能產(chǎn)生重大影響，如果天線集成到產(chǎn)品中，則天線和相關組件的放置也很重要。此外，確保系統(tǒng)不會產(chǎn)生干擾GNSS接收的噪聲是進行測試的另一個關鍵原因。在產(chǎn)品運行的環(huán)境和條件下進行測試是產(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)境中對帶有GNSS接收器的設備進行重復、一致、可控的測試。而在開始任何測試之前，制定測試計劃非常重要。制定測試計劃可確保覆蓋任何給定應用程序需要測試的內(nèi)容。

本文提供了指導和注意事項，可幫助您制定測試計劃來測試帶有GNSS接收器的設備。

一、測試項目

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

1.首次穩(wěn)定時間（TTFF）

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

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、暖啟動和熱啟動。

● 當執(zhí)行冷啟動時，接收器的存儲被清除，并且接收器必須在不使用任何保存的信息的情況下執(zhí)行計算。有關衛(wèi)星星座（年歷）、每顆衛(wèi)星的精確軌道和時鐘數(shù)據(jù)（星歷）以及日期、時間和位置的數(shù)據(jù)將被刪除。接收器上的冷啟動通常不是通過關閉設備電源來執(zhí)行的；通常需要向接收器發(fā)送單獨的命令來進行冷啟動。冷啟動時首次穩(wěn)定的時間最長。

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

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

此測試對于用戶必須盡快獲取位置或時間信息的應用非常重要。例如，對于汽車中用于行駛導航的GNSS接收器來說，這一點非常重要，因為用戶需要依賴定位與導航指引，而在獲得穩(wěn)定之前無法提供支持。對于固定應用中的授時接收器來說，較長的TTFF并不那么重要，在固定應用中，設備始終運行，啟動時間實際上僅在安裝或維護期間適用。

GNSS模擬器支持針對單個星座與多個星座的測試場景，支持實時調(diào)整方案參數(shù)以匹配應用程序要求，如對于靜態(tài)或移動車輛，或在存在多路徑和/或干擾的情況。此外，GNSS模擬器提供了一個強大的API，能夠自動啟動連續(xù)的Skydel場景，并向正在測試的接收器發(fā)送命令，只需最少的編程技能，輕松實現(xiàn)TTFF測試的自動化。

2.位置精度

位置精度是通過將GNSS模擬器的真實數(shù)據(jù)與接收器報告的位置進行比較來測量的。位置精度是在不同的運動曲線下和/或在不同的位置測量的。

位置精度測試通常包括在一段時間內(nèi)運行測試并按一定時間間隔收集位置誤差（例如：運行一小時的測試并每秒收集測量結(jié)果）。模擬器可以實時執(zhí)行精度測試；此外，統(tǒng)計分析可以作為后處理步驟完成。測試地點的例子包括北半球或南半球、半球與北極的交叉點等。測試地點的選擇取決于產(chǎn)品及其應用。

GNSS模擬器支持在模擬器內(nèi)部直接通過串口、以太網(wǎng)接入接收機模塊并分析NMEA數(shù)據(jù)，無需任何編程與操作，即可實現(xiàn)仿真信號與接收信號的解碼與對比，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試。

3.授時精度

通過將來自GNSS模擬器的秒脈沖信號（1 PPS）與被測接收機生成的1 PPS信號進行比較來執(zhí)行定時精度測試。使用時間間隔計數(shù)器或示波器，可以確定接收器的定時精度。與位置精度測試一樣，測量值是在一段時間內(nèi)每秒收集的。當應用程序需要精確授時時，授時精度測試非常重要。如果應用程序用于定位和導航，則可能不需要授時精度測試。

TS軟件定義GNSS模擬器的主要優(yōu)勢之一是它能夠利用GPU的強大功能以數(shù)字方式生成基帶中的每個衛(wèi)星信號，同一頻段上的所有衛(wèi)星信號都使用相同的硬件組件從基帶信號合成到射頻信號。因此，Skydel模擬器只需針對兩個GNSS頻段校準一次，并且同一載波上每個衛(wèi)星信號之間的延遲完全等于零。此外Skydel GNSS模擬器從一開始就被設計為與外部參考時鐘同步，硬件端口上支持時間同步信號（1 PPS+10 MHz）輸入輸出，從而支持快速時間同步與授時精度測試。

4.靈敏度

接收器靈敏度是GNSS信號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)跟蹤信號所需的功率電平，一般而言信號捕獲需要的功率電平會比維持跟蹤所需的功率電平更高。這些測試在產(chǎn)品開發(fā)過程中非常重要，因為產(chǎn)品設計本身有可能干擾GNSS接收。

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

軟件定義GNSS模擬器提供高基準的RF信號，輸出功率范圍從-25~-120 dBm，并可通過衰減器擴展至-160 dBm，功率精度為±0.5 dB，最小步進為0.1 dB，滿足接收機靈敏度測試的范圍需求。此外，借助Skydel軟件基于命令操縱的底層架構，支持快速自動化測試用例的低編程化生成與導出，實現(xiàn)靈敏度測試的自動化與重復使用。

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，這些條件會對這些基本測試的結(jié)果產(chǎn)生影響。在設備預期運行的環(huán)境中測試設備或產(chǎn)品非常重要。如果沒有這些額外的測試，GNSS產(chǎn)品可能在理想環(huán)境中運行良好，但在現(xiàn)實環(huán)境中根本無法運行良好。

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

● 當GNSS信號從衛(wèi)星傳輸?shù)降厍蚋浇虻厍蛏系慕邮掌鲿r，它會穿過電離層和對流層。選擇用于測試的任何模擬器都應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試接收設備。

● 當來自衛(wèi)星的信號從物體或地面反射并導致主信號的多個回波到達接收器時，就會發(fā)生多徑效應,接收器必須辨別使用哪些信號以及拒絕哪些信號。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，幾乎每個應用程序都應該關注多徑測試。

● 當附近有發(fā)射器以擾亂GNSS的頻率進行發(fā)射時，就會發(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的帶外信號，干擾可以始終存在、按計劃存在或隨機發(fā)生。建議測試接收器性能時因應包含這一項，用于檢查地表上或附近任何重要應用操作設備的接收機抗干擾情況。

● 衛(wèi)星發(fā)送的GNSS信號包含一個數(shù)據(jù)流，其中包含有關星座和每顆衛(wèi)星的信息，該數(shù)據(jù)流稱為導航消息，接收器使用這些信息來準確計算衛(wèi)星位置，以便利用它們來獲得定位。如果數(shù)據(jù)不正確，計算也可能不正確，而任何數(shù)字數(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，這樣接收器就不會使用壞數(shù)據(jù)。此測試通常由接收器制造商執(zhí)行，但如果無法確認，則可能有必要將此類測試添加到測試計劃中。

● 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GNSS接收器，因此可能會產(chǎn)生更大的影響，任何關鍵或自主應用程序都應該針對故意干擾和欺騙進行測試。

TS-GNSS模擬器提供針對GNSS信號從產(chǎn)生，到傳輸最終到接收處的全面仿真，根據(jù)用戶的測試需求，手動或自動設置相關的場景，為測試帶來最準確與高效的體驗。

二、測試開發(fā)注意事項

1.星座和頻率

現(xiàn)在地球上到處都有四個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_放服務信號可供世界各地的每個人使用。還有兩個區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)向印度（NavIC）和日本（QZSS）提供服務。對于四個星座，可能的組合數(shù)量為24種。而且這還不考慮不同的信號類型和頻率。

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

這張GNSS頻譜海報顯示了GNSS衛(wèi)星傳輸?shù)牟煌亲托盘栴愋汀?/p>

考慮到所有這些可能性，決定測試什么以及采用哪種組合可能會讓人不知所措。

2.注意事項

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

● 該應用程序有多重要？

用于生命安全操作的應用程序有其自己的測試規(guī)范，應遵循測試標準與規(guī)范。對于沒有行業(yè)標準但被認為至關重要的用例（例如電信授時），在所有操作條件下都進行測試非常重要。對于可穿戴智能設備、健身輔助智能器件之類的設備，如果設備由于干擾等導致結(jié)果稍微不太準確，那此類測試并不是必要的。

● 額外的星座將如何在產(chǎn)品中使用？

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

● 主要目的是基于授時還是定位？

當應用中不使用1 PPS信號時，通常不需要包括授時精度測試。同樣，當主要應用是授時時，通常不需要測試不同條件下的位置精度。

● 主要運行環(huán)境是什么？

GNSS接收器可用于地面、空中和太空。地面設備的示例包括移動或可穿戴設備、道路車輛、鐵路車輛、關鍵基礎設施授時設備以及固定測量和基站設備。對于地面設備，主要考慮的是衛(wèi)星可用性和定位精度的多徑性能。重復的地面干擾也可能很重要，具體取決于應用的重要性。

空中使用的設備包括無人機、飛機和氣球。低空飛行的無人機或靠近地面的飛機面臨與地面設備類似的環(huán)境。使用六自由度（6DOF）考慮運動也很重要，其中包括典型的三個部分變量（X、Y、Z）以及俯仰、滾動和偏航。測試應僅針對產(chǎn)品運行的環(huán)境而設計。

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

三、總結(jié)

GNSS信號廣泛可用、使用成本低廉但技術上非常復雜。盡管測試任何正在開發(fā)的產(chǎn)品的GNSS功能至關重要，但當您考慮GNSS星座和信號的所有可能組合以及可能給GNSS解決方案添加錯誤的所有因素時，這可能是一項艱巨的任務。本文應有助于使這些任務變得更加容易，并提供為集成到其他產(chǎn)品中的GNSS接收器準備測試計劃時的一些關鍵考慮因素。通過查看產(chǎn)品應用和使用場景，可以確定要測試產(chǎn)品的最重要的內(nèi)容。創(chuàng)建總體測試計劃大綱后，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的測試工具以覆蓋每個測試用例，以幫助使任何GNSS設備在任何環(huán)境中運行時都更加穩(wěn)健。德思特GNSS模擬器的強大之處在于它能夠在一個軟件內(nèi)完成上述所有的測試內(nèi)容與場景的搭建，且不會收到硬件的限制，并且提供強大的自動化與低學習成本的開發(fā)方式，使得GNSS測試方法得以簡化，并能夠被每一個人快速使用。

審核編輯 黃宇