如果您正在开发依赖GPS等卫星信号的任何设备,您一定需要确保它的性能可以满足其既定任务的要求。但如何才能确定您已经做好准备,能够在设备投放市场之前满足真实世界的需求呢?您需要使用GPS模拟器执行适当的测试。

由于缺乏实际的真实天空信号,实验室测试便具备了极端的重要性,尤其是当某些卫星尚未发射之时。

卫星跟踪将成为具备GPS能力的设备取得成功的关键。如果未能对这一方面开展正确的测试,您的设备刚一进入市场便可能以失败收场。

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GNSS/GPS模拟:一般原理

GNSS即全球导航卫星系统,是提供全球覆盖的卫星导航系统的标准名称。该术语涵盖了GPS、GLONASS、Galileo、北斗和其它区域性卫星导航系统。

Icon在GNSS出现之初,就有两种可用于测试导航系统的替代方案:现场测试和实验室模拟。今天,最佳惯例要求多数测试需在受控、可重复的安全实验室条件下执行。这样不仅可以测试正常条件,还可以对极恶劣的条件进行测试,包括测试性能的真实和理论极限。此外,这种作法还可以实现目前尚未推入使用或缺乏完整星群的接收机开发工作。

现实世界的真实天空测试存在巨大的缺陷,因为从本质上真实天空测试已经将受控测试排除在外。经过总结,与采用真实GNSS星群的真实天空测试相比,GNSS模拟器测试的优势如下表所示。

采用实际GNSS星群的真实测试

对星群信号无控制s
对环境条件的控制有限
总是在变化的条件导致测试无法重复
会遭受调频和雷达等的意外干扰
多余的信号多径和阻挡
无法使用GNSS星群错误执行测试
现场测试和车辆试验成本高昂
受制于GNSS星群的可用信号
竞争者可以监视现场测试

采用GNSS模拟器的实验室测试

可完全控制星群信号
可完全控制环境条件
完全可重复
无多余的干扰信号
无多余的信号效应
使用GNSS星群错误可轻松测试各类场景
实验室中的测试成本效益更高
可测试现有和未来的GNSS信号
测试可以安全的实验室中执行

执行GPS模拟器测试

搭建并运行一项使用模拟器的接收机测试相对比较简单。这一过程可以归纳为两个阶段:

定义:定义阶段是使用模拟器的控制软件设定所需的测试参数。在此阶段中,您需要:

  • 了解待测接收机的用途及其运行环境。
  • 确定您需要执行的测试。
  • 定义带适当效应的测试场景。
  • 了解如何将接收机连接至模拟器,以便保持适合的RF条件。*

运行时:在运行时阶段中,该场景将会运行,而模拟器硬件将产生所需的RF信号。在此阶段中,您需要:

  • 观察被测接收机并对模拟器进行必要的操控。
  • 分析接收机的性能。这项工作可以实时进行,也可以在测试后分析已记录到的数据。对模拟数据的访问(用于创建测试信号的数据)可以通过多种方式实现,包括数据流、日志记录和文件等。这些数据接下来可用于与“事实”模拟数据对比接收机的性能。

什么是GPS RF模拟器?

Satellite dishGPS模拟器可以为GPS接收机和依赖GPS的系统提供有效且高效的测试手段。GPS模拟器能够为车辆和卫星运动、信号特征、大气和其它效应建立模型,仿真出GPS接收机在动态平台上的环境,使接收机能够根据测试场景的参数实际执行导航。GPS接收机处理模拟信号的方式与处理实际GPS卫星信号的方式完全相同。

与使用真实环境中的实际GPS信号相比,我们的GPS模拟器可以提供出色的测试替代方案。与真实天空测试不同的是,使用模拟器执行的测试可以为模拟卫星信号和模拟的环境条件施加完全的控制。利用GPS模拟器,测试人员可以轻松生成并运行多种不同的测试场景,实现不同类型的测试,并且可以完全控制如下内容:

  • 日期、时间和位置。模拟器可以生成任意位置和时间的GPS星群信号。全世界任意地点或太空中的场景,以及过去、现在和未来的时间,都可以接受测试,而且测试人员完全无需离开实验室。
  • 车辆运动。模拟器可以为包含GPS接收机的载具建立运动模型,例如飞机、船舶、航天器或地面车辆。包含载具动态的场景,涵盖世界上任意地点不同的路线和轨迹,都可以接受测试,而且根本无需实际移动被测的设备。
  • 环境条件。模拟器可为影响GPS接收机性能的效应建立模型,例如大气条件、阻挡、多径反射、天线特性和干扰信号等。这些效应的各种组合和不同水平也都可以在同样的受控实验室环境中得到测试。
  • 信号错误和不精确问题。模拟器可以控制GPS星群信号的内容和特点。通过运行测试,可以确定设备在各种GPS星群信号错误发生时会有怎样的表现。

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为什么要使用GPS模拟器?

Cell Phone Antenna当您在考虑一种完全运营的GNSS系统时,例如GPS,您很容易会认为测试接收要时只需连接至一个适合的天线,将天线放在最近的窗口,或者车辆或建筑物的顶上就可以检查接收机是否能够使用接收到的GNSS信号来实现定位、跟踪和导航。从某种程度上来说,这种想法是可以接受的。这种方法,即在本文中被称为“真实天空”测试,确实可以验证接收机的基本RF和处理线路是否具备基础的工作能力。

然而,我们感兴趣的是测试,而不仅仅是检查是否能够运行。因此,真实天空只适用于简单的运行检查,确认在存在真实的损伤时机是否能够成功运行,但在产品的概念规划、设计、开发、生产和集成生命周期中,我们却无法依赖它来执行测试。使用真实世界中的信号确实是确认存在真实损伤或真实运行挑战时接收机性能的最简单方式。记录与回放系统能够为GNSS模拟器的能力提供补充,将真实世界环境完整的“丰富性”捕捉下来,并在实验室中加以回放。

我们将对这些事实背后的原因做一些详细的分析。

真实天空测试存在的问题


在执行真实天空测试时必须面对许多的未知因素。这些未知因素包括:


卫星时钟错误icon

从长远看,这些错误会在导航消息和修正广播中得到纠正,但由于此类消息的更新频率很低,时钟错误在纠正之前确实会存在一段时间。

模拟器的优势:通过使用卫星模拟器,卫星时钟是不存在错误的,除非您希望它存在,而且无论是存在还是不存在,您都可以准确地了解它们并且在已知的时间予以实施。


卫星轨道错误Icon

导航消息中标称的每颗卫星的位置与其在轨道中的物理位置是不同的。这是因为太阳、月球和地球的引力效应会部分导致轨道错误,从而累积形成了卫星轨道的微扰。

模拟器的优势:利用模拟器,我们可以消除所有的轨道错误,并使用“完美”的星群,也可以通过受控的方式实现完全可量化的错误。


导航数据错误icon

与任何数据传输系统一样,数据在调制、解调和传输过程中都可能发生错误。例如,为了提高强健性,GPS系统导航消息的每个字中最后6位为奇偶校验位,用于探测位错误。然而,错误仍然可能发生,而且这些错误不会得到纠正。

模拟器的优势:利用模拟器时不可能有导航数据错误发生,除非是故意施加的。


大气错误icon

GPS信号必须穿过大气中各层,而它们主要由两个部分构成,即电离层和对流层。电离层(地球表面上方70至1000千米)中的自由电子会导致GPS信号的调制发生延迟,延迟的程度与电子密度呈正比(信号穿过电离层的传播速度会以地面速度表示)。同样的条件也会导致RF载波的相位发生等量的提前。(信号穿过电离层的传播速度会以相位速度表示)

模拟器的优势:利用模拟器,我们可以完全禁用大气层,从而消除这些错误。相反,我们也可以将这些错误施加在已知模型上,并对其加以全面记录。


多径Icon

GPS信号属于视线信号,可以被看作类似于一束光线。如果信号束以小于内反射临界角的角度落在RF反射表面上,就会发生反射,并出现一定的衰减。因此,接收机可能不仅接收到直射的视线信号束,还可能收到反射的版本。接收机根本不可能知道它们中的哪一个是真正的视线信号,因此会将两个都利用起来,并且继承反射信号中呈现出的延迟错误。

模拟器的优势:使用模拟器时,我们可以完全消除多径,也可以使用各种多径模型向信号施加多径。通过这种已知、受控的方式,我们能够施加多径,使其在接收机性能上的效应得到准确的分析,并采取适当的设计修改或多径消减措施。而在真实天空条件下,我们根本不可能对任意某个时刻的多径条件加以量化,因此也就不可能分析和改进接收机在应对多径时的性能。


干扰icon

GPS信号在到达接收机天线时已经非常弱,这是因为它们要穿越很长的距离才能从卫星到达接收机。这使它们很容易受外部来源的干扰。这些干扰可能是故意的(即人为干扰或欺骗),也可能是非有意的。GPS在面临干扰时的漏洞已经得到了广泛记载,鉴于篇幅原因本页将不再深入讨论。

干扰不仅会在接收机的位置计算中引入错误,还可能使其导航完全停止。在真实天空测试中,存在干扰的问题将非常明显,而且根本无法停止。

模拟器的优势:幸运的是,在使用模拟器时根本不存在默认状态下的干扰,但如果需要,我们也可以通过可控且可重复的方式模拟出干扰。利用思博伦GSS7765等干扰模拟系统,我们可以施加与接收机间存在不同距离的干扰源。

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可重复性Icon

当您在GPS接收机上执行测试并发现其设计中存在弱点时,正常的流程是对设计进行修改,目的是改进接收机。为了确认改进是否有效,您需要重复执行完全相同的测试。如果使用的是真实天空,我们就不可能确保后面执行的测试能够让接收机经历与最初测试相同的条件。

最明显的差异是,由于时间不同,接收机可见的星群也将完全不同。这些因素本身就已经决定测试条件是不可能重复的。另外一些不可能保持原样的特性就是大气影响和卫星的性能。

因此,真实天空不适用于旨在实现设计改进的测试。

模拟器的优势:利用星群模拟器,每次运行一个场景时所产生的信号都是完全相同的。场景会在相同日期的相同时间启动,而且卫星的位置也将是相同的,甚至连不同信号间的相对相位偏移与是一样的。通过这种方式,您就可以确保每次运行接收机测试时都为其模拟完全相同的信号。


可控制性Icon

在任何全面的测试中,对测试条件拥有确定性的精确控制都是必不可少的。设计或系统参数的精确调整也需要对测试条件实施精确控制的小幅微调。

模拟器的优势:当使用真实天空测试方法时,我们几乎没有什么可以控制的东西。除了测试天线的物理位置外,其它的条件都不在我们的控制之下。您不可能让时间回滚,禁用大气,调整卫星信号、错误、数据、轨道 - 而所有这一切正是您需要完全控制的内容。


精度Icon

GPS RF星群模拟器是一种精密的测试设备,如果维护得当,它的性能将非常精确且完全可控。模拟器信号的保真度远高于来自真实GPS系统的信号,不仅可以用于测试接收机真实的“实验室”性能,还意味着模拟器带来的信号噪音远低于热噪音的水平,因此不会给测试带来任何噪音错误。

模拟器的优势:与精度密切关联的两项因素是质量和可靠性。模拟器设计和建造过程中的精确工程,以及管理这些技术门类的质量控制进程,都将确保设备在多年内都能提供可靠的服务。


记录与回放系统的作用不容小觑Icon

要想对接收机的性能做出全面的评价,就需要对上述的各项损伤的来源做出评估。执行这种测试的一种新兴技术就是记录RF信号并在之后在实验室中回放出来。

模拟器优势:模拟器可以绝对控制测试环境,并随意在其中添加或删除单个的损伤来源。模拟还可以用来评价目前尚未在轨运行的信号,或者是非常昂贵或难以试验的载具运动极限。的确,通过数学模型产生的合成信号代表着的是终极的控制能力。


商业竞争力Icon

如果没有合理的商业案例,没有任何项目能够生存下来。负责项目管理和预算设置的人们必须对这一问题认真对待。通常的错误想法是,与复杂平台上涉及高动态应用的现场试验相比,模拟只是一种省钱的办法。例如,很明显我们不可能将航天级的接收机发射到轨道上,目的只是测试它是否能够正常工作。但不太明显的是,模拟可以在不那么复杂的应用中证明自己具有更高的成本效益。几个月的驾驶测试在成本上足以抵得上一台模拟器,而且在许多情况下模拟器也是比真实现场测试更具学术意义的选择。

模拟器的优势:一家领先的欧洲汽车制造商曾经计算过,执行真实驾驶测试的总成本为每天5000英磅。除了我们已经讨论过的真实测试的技术问题外,仅财务方面的优势就足以证明模拟的巨大竞争力。

为什么真实信号可能损害您的品牌

Why testing GPS with live signals could damage your brand

GPS模拟的方法

RF星群模拟器可以为载具和卫星的运动、信号特征、大气和其它效应建立模型,重现GPS接收机在动态平台上经历的环境 ,使接收机能够根据测试场景的各项参数,在模拟的RF信号中实现导航。但模拟器并不是能够完全重现真实世界的神奇魔盒,它不是一种限制,而是一项重大的优势。当RF设计工程师在需要一个受控和可量化的测试信号时,他们肯定不会随机选择一种噪音发生器。同样,GPS接收机测试人员在需要可控且可重复的模拟GPS测试信号时,也不会随便选择一种真实信号重现设备。

根据错误的严重性和RF信号上所实施效应的不同,接收机的性能会呈现出巨大的差异。图1显示的是通过典型模拟器的信号流,并且会在其中添加各种效应,直到产生最后的RF输出,而这种复杂的RF信号将被输出给被测的接收机。这一原理适用于所有的模拟器,其中效应的数量取决于模拟器的能力及其目标用途。

图1:模拟信号流

图2显示的是一个更详细的典型设置。图中的是一台思博伦GSS6700模拟器。来自接收机的位置速度和时间数据(通常为NMEA 0183格式)可反馈至模拟器控制软件,并与模拟的“事实”数据进行对比。这样便可以根据模拟器信号的已知特性,非常精确地测量接收机的性能。

图2:模拟测试设置

 

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