制定全面测试计划：使用TS-GNSS模拟器助力接收器选择

 

GPS/GNSS信号无处不在，也是目前定位导航应用中最为关键的一环，而GNSS接收器芯片组的低成本和高性能使得将GNSS接收器更容易得集成到以前从未有过的产品中去。由于存在以多种频率传输信号的多个GNSS星座，以及用于提高GNSS精度的各种可用技术，因此评估和选择接收器以及制定GNSS测试计划是一项艰巨的任务。通常需要花费大量的时间和精力来选择接收器，然后需要进行工程设计以将接收器集成到最终产品中。

系统集成商可能认为他们的接收器已经由制造商测试过，无需在最终产品中再次测试。然而，事实证明这并不是绝对保险的。接收器的集成方式会对产品性能产生重大影响，如果天线集成到产品中，则天线和相关组件的放置也很重要。此外，确保系统不会产生干扰GNSS接收的噪声是进行测试的另一个关键原因。在产品运行的环境和条件下进行测试是产品开发中不可忽视的重要组成部分。

 

 

执行此类GNSS测试的最佳方法便是使用GNSS模拟器，TS-GNSS模拟器允许在仿真环境中对带有GNSS接收器的设备进行重复、一致、可控的测试。而在开始任何测试之前，制定测试计划非常重要。制定测试计划可确保覆盖任何给定应用程序需要测试的内容。

本文提供了指导和注意事项，可帮助您制定测试计划来测试带有GNSS接收器的设备。

 

一、测试项目

下列这一组基本的GNSS测试被定义为GNSS接收器的关键性能测试并被广泛接受，这些测试包括：
 

1.首次稳定时间（TTFF）

首次稳定时间，即Time To First Fix（TTFF）是接收器初次报告其计算的日期、时间和位置（称为定位）所需的时间量（通常以秒为单位），其中时间是从接收器重置到接收器报告稳定的时间计算的。

 

可以在任何接收器上执行三种不同类型的重置，这些被称为冷启动、暖启动和热启动。

● 当执行冷启动时，接收器的存储被清除，并且接收器必须在不使用任何保存的信息的情况下执行计算。有关卫星星座（年历）、每颗卫星的精确轨道和时钟数据（星历）以及日期、时间和位置的数据将被删除。接收器上的冷启动通常不是通过关闭设备电源来执行的；通常需要向接收器发送单独的命令来进行冷启动。冷启动时首次稳定的时间最长。

● 暖启动通常是通过关闭然后重新打开设备电源来执行的，暖启动会将年历信息保留在内存中，并删除星历表以及日期、时间和位置信息，这使得接收器比冷启动更快地获得稳定。

● 当GNSS接收暂时中断（例如穿过隧道）然后重新开始接收时，这称为热启动。接收器保留所有存储的信息（年历、星历、日期/时间、位置），并且接收器可以很快再次获得稳定。

此测试对于用户必须尽快获取位置或时间信息的应用非常重要。例如，对于汽车中用于行驶导航的GNSS接收器来说，这一点非常重要，因为用户需要依赖定位与导航指引，而在获得稳定之前无法提供支持。对于固定应用中的授时接收器来说，较长的TTFF并不那么重要，在固定应用中，设备始终运行，启动时间实际上仅在安装或维护期间适用。

GNSS模拟器支持针对单个星座与多个星座的测试场景，支持实时调整方案参数以匹配应用程序要求，如对于静态或移动车辆，或在存在多路径和/或干扰的情况。此外，GNSS模拟器提供了一个强大的API，能够自动启动连续的Skydel场景，并向正在测试的接收器发送命令，只需最少的编程技能，轻松实现TTFF测试的自动化。

 

 

2.位置精度

位置精度是通过将GNSS模拟器的真实数据与接收器报告的位置进行比较来测量的。位置精度是在不同的运动曲线下和/或在不同的位置测量的。

位置精度测试通常包括在一段时间内运行测试并按一定时间间隔收集位置误差（例如：运行一小时的测试并每秒收集测量结果）。模拟器可以实时执行精度测试；此外，统计分析可以作为后处理步骤完成。测试地点的例子包括北半球或南半球、半球与北极的交叉点等。测试地点的选择取决于产品及其应用。

GNSS模拟器支持在模拟器内部直接通过串口、以太网接入接收机模块并分析NMEA数据，无需任何编程与操作，即可实现仿真信号与接收信号的解码与对比，并提供多维度的可视化界面，高效快速的完成定位精度的测试。

 

3.授时精度

通过将来自GNSS模拟器的秒脉冲信号（1 PPS）与被测接收机生成的1 PPS信号进行比较来执行定时精度测试。使用时间间隔计数器或示波器，可以确定接收器的定时精度。与位置精度测试一样，测量值是在一段时间内每秒收集的。当应用程序需要精确授时时，授时精度测试非常重要。如果应用程序用于定位和导航，则可能不需要授时精度测试。

TS软件定义GNSS模拟器的主要优势之一是它能够利用GPU的强大功能以数字方式生成基带中的每个卫星信号，同一频段上的所有卫星信号都使用相同的硬件组件从基带信号合成到射频信号。因此，Skydel模拟器只需针对两个GNSS频段校准一次，并且同一载波上每个卫星信号之间的延迟完全等于零。此外Skydel GNSS模拟器从一开始就被设计为与外部参考时钟同步，硬件端口上支持时间同步信号（1 PPS+10 MHz）输入输出，从而支持快速时间同步与授时精度测试。

 

4.灵敏度

接收器灵敏度是GNSS信号可以具有的最低功率电平，以便GNSS接收器能够锁定它们并继续跟踪。灵敏度有两种重要类型：捕获和跟踪。

捕获灵敏度是接收器首次锁定GNSS信号所需的功率电平，跟踪灵敏度是接收器在捕获后持续跟踪信号所需的功率电平，一般而言信号捕获需要的功率电平会比维持跟踪所需的功率电平更高。这些测试在产品开发过程中非常重要，因为产品设计本身有可能干扰GNSS接收。

这些测试可以在没有添加任何损伤或错误的设备上执行，以便为设备在理想条件下如何运行提供良好的基线。具体所执行的测试内容与方式将根据应用进行选择。

软件定义GNSS模拟器提供高基准的RF信号，输出功率范围从-25~-120 dBm，并可通过衰减器扩展至-160 dBm，功率精度为±0.5 dB，最小步进为0.1 dB，满足接收机灵敏度测试的范围需求。此外，借助Skydel软件基于命令操纵的底层架构，支持快速自动化测试用例的低编程化生成与导出，实现灵敏度测试的自动化与重复使用。

 

5.GNSS误差和损伤

生活环境中存在自然发生的和人为的条件，这些条件会对这些基本测试的结果产生影响。在设备预期运行的环境中测试设备或产品非常重要。如果没有这些额外的测试，GNSS产品可能在理想环境中运行良好，但在现实环境中根本无法运行良好。

增加误差并影响GNSS接收器性能或干扰接收器稳定能力的关键因素是电离层、对流层、多径、本地RF干扰和有限的天空视野等。此外，GNSS系统本身也可能存在错误，例如星历数据不正确或消息损坏。

● 当GNSS信号从卫星传输到地球附近或地球上的接收器时，它会穿过电离层和对流层。选择用于测试的任何模拟器都应该能够改变大气模型并将误差添加到电离层中，以便可以在不同的误差条件下测试接收设备。

● 当来自卫星的信号从物体或地面反射并导致主信号的多个回波到达接收器时，就会发生多径效应,接收器必须辨别使用哪些信号以及拒绝哪些信号。多径现象在任何环境中都可能发生，但建筑物越密集，多径现象就越多，几乎每个应用程序都应该关注多径测试。

● 当附近有发射器以扰乱GNSS的频率进行发射时，就会发生本地射频干扰。它可能与GNSS频率相同，也可能是谐波或非常强的带外信号，干扰可以始终存在、按计划存在或随机发生。建议测试接收器性能时因应包含这一项，用于检查地表上或附近任何重要应用操作设备的接收机抗干扰情况。

● 卫星发送的GNSS信号包含一个数据流，其中包含有关星座和每颗卫星的信息，该数据流称为导航消息，接收器使用这些信息来准确计算卫星位置，以便利用它们来获得定位。如果数据不正确，计算也可能不正确，而任何数字数据都有可能被损坏，接收器能拒绝损坏和不正确的数据消息的能力非常重要，这样接收器就不会使用坏数据。此测试通常由接收器制造商执行，但如果无法确认，则可能有必要将此类测试添加到测试计划中。

● 还存在故意破坏环境的威胁，此类威胁的目的主要是破坏GNSS接收器或误导GNSS接收器，因此可能会产生更大的影响，任何关键或自主应用程序都应该针对故意干扰和欺骗进行测试。

TS-GNSS模拟器提供针对GNSS信号从产生，到传输最终到接收处的全面仿真，根据用户的测试需求，手动或自动设置相关的场景，为测试带来最准确与高效的体验。

二、测试开发注意事项

1.星座和频率

现在地球上到处都有四个GNSS系统。这些系统是：GPS、GLONASS、伽利略和北斗。尽管它们各自由世界不同地区的不同政府管理，但它们传输的开放服务信号可供世界各地的每个人使用。还有两个区域导航系统向印度（NavIC）和日本（QZSS）提供服务。对于四个星座，可能的组合数量为24种。而且这还不考虑不同的信号类型和频率。

这些星座中的每一个都在多个频率上传输多种信号类型。如果我们考虑每个星座（平均）传输三个不同的频率，则它会显着增加要测试的可能组合的数量。

这张GNSS频谱海报显示了GNSS卫星传输的不同星座和信号类型。

考虑到所有这些可能性，决定测试什么以及采用哪种组合可能会让人不知所措。

 

2.注意事项

在决定测试哪些星座、执行哪些测试以及在哪些损伤或错误条件下进行测试时，需要考虑以下一些因素。

● 该应用程序有多重要？

用于生命安全操作的应用程序有其自己的测试规范，应遵循测试标准与规范。对于没有行业标准但被认为至关重要的用例（例如电信授时），在所有操作条件下都进行测试非常重要。对于可穿戴智能设备、健身辅助智能器件之类的设备，如果设备由于干扰等导致结果稍微不太准确，那此类测试并不是必要的。

● 额外的星座将如何在产品中使用？

在许多消费设备中，额外的星座用于提高卫星的可用性。在这种情况下，测试不同的星座组合并没有太大的价值。通常情况下，可以将所有将要使用的星座一起进行测试。为了确定接收器是否将在低可用性条件下运行，可以减少卫星的数量，而不是删除单个星座或信号。然而，如果产品将在高精或高可靠性下运行，则必须进行测试以确保星座和/或频率可以单独工作。

● 主要目的是基于授时还是定位？

当应用中不使用1 PPS信号时，通常不需要包括授时精度测试。同样，当主要应用是授时时，通常不需要测试不同条件下的位置精度。

● 主要运行环境是什么？

GNSS接收器可用于地面、空中和太空。地面设备的示例包括移动或可穿戴设备、道路车辆、铁路车辆、关键基础设施授时设备以及固定测量和基站设备。对于地面设备，主要考虑的是卫星可用性和定位精度的多径性能。重复的地面干扰也可能很重要，具体取决于应用的重要性。

空中使用的设备包括无人机、飞机和气球。低空飞行的无人机或靠近地面的飞机面临与地面设备类似的环境。使用六自由度（6DOF）考虑运动也很重要，其中包括典型的三个部分变量（X、Y、Z）以及俯仰、滚动和偏航。测试应仅针对产品运行的环境而设计。

下表说明了各种应用程序的一些典型测试环境注意事项，它是帮助测试开发的代表性指南，但并不包罗万象。

 

三、总结

GNSS信号广泛可用、使用成本低廉但技术上非常复杂。尽管测试任何正在开发的产品的GNSS功能至关重要，但当您考虑GNSS星座和信号的所有可能组合以及可能给GNSS解决方案添加错误的所有因素时，这可能是一项艰巨的任务。本文应有助于使这些任务变得更加容易，并提供为集成到其他产品中的GNSS接收器准备测试计划时的一些关键考虑因素。通过查看产品应用和使用场景，可以确定要测试产品的最重要的内容。创建总体测试计划大纲后，可以轻松地将其转化为选择GNSS模拟器的要求。

TS-GNSS模拟器是必要且先进的测试工具以覆盖每个测试用例，以帮助使任何GNSS设备在任何环境中运行时都更加稳健。德思特GNSS模拟器的强大之处在于它能够在一个软件内完成上述所有的测试内容与场景的搭建，且不会收到硬件的限制，并且提供强大的自动化与低学习成本的开发方式，使得GNSS测试方法得以简化，并能够被每一个人快速使用。

审核编辑 黄宇