便携式GPS导航简介

目录
1．GPS导航简介
2．伽利略导航简介
3．Aeroflex GPS测试产品简介
4．GPSG-1000测试应用

高敏兰

2019-7-24 14:08:59

1．GPS导航简介
NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging)，GPS (Global Positioning System) 是以卫星为基础的导航系统，最初用于军用导航，由美国国防部建立和控制。现在部分GPS功能可用于民用。
民用GPS全天候提供精度高于100米的三维定位和精确时间。GPS通过三角定位方式计算位置。当已知卫星位置、卫星至接收机的距离，多颗卫星就可以精确定位接收机。GPS通过测算时间来计算距离。
GPS系统由三部分组成
空间部分
控制部分
用户部分

空间部分
空间由空间飞行器（SV）或卫星组成，通常有24颗卫星和备用卫星。每颗卫星在20200公里高空12小时轨道上，每天以同样的地面轨迹运行。任何地点均可以看到5到12颗卫星。
6条轨道平面均匀地分布在地球周围，相互夹角60度，与赤道夹角55度。平面命名为A到F。每个轨道平面有四颗卫星，空间位置不是平均分布，临近卫星位置从31.13度至119.98度。每个平面上均有不同的卫星角度间隔。一个计算机模型计算卫星空间位置，以便在某一卫星故障时依然能够保持理想的卫星几何分布。

GPS SV 框图

GPS SV信号数据结构
每一GPS卫星发射具有独特编码签名的相同载波信号。此签名由1023位伪随机噪声（PRN）编码构成，以1 ms周期重复发射。PRN码与50bit/s的导航数据异或计算。合成的编码以BPSK方式调制1575.42MHz载波。最终产生扩频信号。
控制部分
在全球分布有6个未命名的监测站。每一监测站连续监测和接收GPS卫星发出的信息，并传送轨道和时钟信息至主控制站。五个控制站（除Hawaii外）可向GPS卫星上载信息。Colorado Springs被用于主控制站（MCS）。MCS从其它监测站连续接收GPS卫星、轨道和时钟信息。MCS对数据进行必要的精确修正，并通过地面天线向GPS卫星发送历书（ephemeris）信息。

GPS控制部分的作用：
通过非经常的、指令控制的小动作运动，使卫星保持正确的运行轨道
修正和调整卫星时钟和数据
跟踪GPS卫星，生成并上载导航数据至每颗卫星
在卫星故障时调制卫星位置以减小影响
用户部分
GPS卫星发射的信号使GPS接收机可以计算时间和距离。GPS接收机仅接收信号，不发射信号。GPS发射的信号具有两个频率：L1（1575.42MHz）和L2 (1227.6MHz)。L1频段可用于民用，L2频段主要用于军用。
GPS现代化
GPS系统现代化进程正在布署，增加了新的信号，以提高精度和完整性。

GPS现化代信号
L2CS
L2CS提供了L2频率的民用信号。由于硬件结构不同，它仅在名为Block IIR-M及之后的卫星上发射。L2CS信号用于增强导航精度、快速跟踪和抗干扰。不同于C/A码，L2CS包含两组不同的PRN码序列：民用中等长度码（CM码）和民用长码（CL码）。CM码有10230位长，20ms重复一次。CL码长度767250位，1500ms重复一次。它们的传输速率均为5115500位/秒，两种编码总计速率1023000位/秒。CM码由导航信息CNAV调制，CL码无数据调制，因此其相关性可以比L1 C/A码高24dB，更易于信号跟踪。
L5
民用生命安全信号随GPS IIF（2009）开始发布。两组PRN码在L5载波上发射：同相码（I5）和正交码（Q5），长度无为10230位，速率10.23MHz（1ms重复）。I5为10位Neuman-Hofman码以1KHz调制，Q5为20位Neuman-Hofman以1KHz调制。L5加载导航数据，Q5无数据加载。
改进的信号结构增强系统的性能
比L1和L2更高的发射功率
宽带宽提供更高的增益
使用了海事无线电导航服务频段（1176.45MHz）
L1C
民用信号，在L1频段广播。PRN码长度10230位，速率1.023Mbps，包括训练载波和数据载波，如L2C。使用BOC调制方式。将增强与Galileo L1波段信号协同工作的能力。
M码（军用）
（略）

陈强

2019-7-24 14:09:22

2．伽利略导航简介
Galileo是欧洲全球导航卫星系统，为民用提供高精度、具有保证的全球定位服务。标准的双频配置，可提供精度达1米的定位。伽利略系统保证在除极端情况外的各种环境下服务，使其适用于安全性要求高的应用，如运行的火车、导航车和着陆的飞机。
首颗试验卫星于2003年发射。2005和2008各发射一颗测试卫星。2010和2011计划发射4颗IOV卫星。伽利略全部运行将包括30颗卫星（27颗运行+3颗备用），在3个距离地面23222Km的中距轨道运行，与赤道夹角56度。
数量众多的卫星、优化的星座位置及3颗备用星，使得单颗卫星故障不会影响用户使用。通过使用BOC（二进制偏移载波）技术，减少了与GPS BPSK信号的相互干扰。
地面部分：
2个Galileo控制中心，位于欧洲，功能包括轨道控制、完整性和任务控制、卫星控制、服务产品、精确时间设备（PTF）
15个Galileo上行站：位于全球各地，5个Telemertry、Telelcommand和Tracking站，9个任务上行站
30个Galileo监测站：位于全球各地，监视卫星导航信号服务质量
Galileo服务包括：
OS（开放服务）：免费发射，最大的用户群，提供时间和定位（1米精度）
CS（商用服务，加密）：高数据速率，定位精度达厘米。确保为付费者的服务。
SoL（生命安全）：开放服务，用于对精度要求高的应用，提供完整性信息。
PRS（公共管理服务，加密）：在危急时刻仍然能提供服务，主要客户为***机构
SAR（搜救服务）：收集遇险信标位置信息，可发送反馈信息，确认救援正在路上。

Galileo信号

王晾其

2019-7-24 14:09:37

3．Aeroflex GPS测试产品简介
Aeroflex提供有两款GPS仿真测试设备：
单星测试设备：GPS-101
6星/12星测试设备：GPSG-1000
GPS-101全球定位模拟器能够对全球卫星定位(GPS)系统接收机进行精确和可重复的测试。这种测试能力通过模拟一颗全球定位卫星，并生成一个特定的卫星(SV)和导航(NAV)数据码型来实现。结合远程载入的GPS星历信息和RF电平/频率控制，GPS-101为验证GPS系统操作完整性提供了一款轻松便携的测试解决方案。
快速验证GPS接收机的操作完整性
可选择卫星（SV）数据和导航（NAV）数据
可调整RF电平，范围从-85 dBm至-145 dBm，步长为1 dB
多普勒频移控制使操作人员可以选择大约4 kHz的载波频移
使用实时时钟存储GPS星历
直接（或通过天线耦合器）连接接收机
采用电池供电，轻巧便携
GPSG-1000 是一种可通过软件升级的单载波、多信道模拟器，便携式、电池供电，具有6通道和12通道两种配置。拥有6信道配置的 GPSG-1000 提供三维位置模拟，其中五个信道支持 RAIM 运行，一个信道用于 SBAS、WAAS 或 EGNOS 模拟。12信道配置具有与6信道单元相同的功能，并增加了六个信道。从而可选择对可见人造卫星（SV）进行任意组合。
模拟 GPS 信号：L1、L1C、L2C、L5
模拟 Galileo 信号：E1、E5、E5a、E5b、E6
同时模拟 GPS/Galileo 信号
模拟 SBAS 卫星
WAAS/EGNOS L1、L5
MSAS
GAGAN
静态模拟或通过航路点录入系统模拟多航段动态位置
6或12信道配置，提供升级服务 (支持RAIM)
可编程人造卫星 (SV) 参数和健康状况
用户或 UTC 基准时间和日期
直接连接接收机或利用天线耦合器工作
配有直观用户界面的超大触摸屏显示器
远程控制接口 USB/LAN
NMEA 0183 数据输入

李路明

2019-7-24 14:09:50

4．GPSG-1000测试应用
4．1 连接方式
电缆直接连接：GPSG-1000内部具有隔直模块，不需外置

耦合器连接：GPSG-1000标配的耦合器具有屏蔽功能，不需要屏蔽室

4．2 GPS接收机通讯
一些GPS接收机具有维护界面，可提供NMEA-183语句，用户可以看到SV的参数。使用GSA语句可以检测GPS接收机是否定位从而进行TTFF（首次定位时间）测试。

4．3 灵敏度测试
4．3．1 跟踪灵敏度：接收机能够收到单颗星的最小接收电平
将GPSG-1000与接收机耦合，从SV列表中选择仰角接近90度的卫星，设置为ON，其它卫星设置为OFF。改变电平，使接收机C/N值达到特别设定值，此时电平为跟踪灵敏度。

4．3．2 捕获灵敏度：接收机能够进行静止定位的最小接收电平
将GPSG-1000与接收机耦合，将SV列表中的卫星全部设置为ON。逐渐改变电平，使接收机实现定位，此时电平为捕获灵敏度。

4．4 初次定位时间（TTFF）和定位精度测试
根据接收机保存的星历、历书和位置信息的状态不同，GPS信号强度不同，初次定位时间也不同，测试分为冷启动、温启动和热启动。

4．4．1 冷启动
GPS接收机没有保存有效的星历、历书和位置信息，需要依次通过GPS卫星信号下载星历、历书和位置信息。这需要几分钟时间。
4．4．2 温启动
GPS接收机保存有近1周内的星历信息，但没有有效的历书信息。如果接收机的时间误差在20秒以内，位置误差在100公里以内，温启动时间通常在60秒以内，有时会是非常短的时间。
注：历书4小更新一次。如果GPS接收机没有温启动功能，可以使其历书过期进行测试。
4．4．3 热启动
GPS接收机保存有最新的星历和历书信息，关机时间小于2小时，位置移动小于100米，则热启动时间通常会在0.5秒至20秒。
4．4．4 TTFF测量精度
由于卫星每12小时围绕地球一周，卫星的位置和角度在不断变化，TTFF与卫星分布、角度、信号强度都有关系，因此需要设置不同的UTC时间测试，以验证不同环境下性能。

4．4．5 位置精度
同样，GPS卫星的空间分布、角度和强度也会影响到位置精度，测试位置精度时，也需要在不同UTC时间下进行，从而得到更准确的测试结果。

4．5 接收机自体完好性监控（RAIM）测试与SV几何分布
具有RAIM功能的接收机需要至少5颗卫星，通过比较不同卫星组合方式测定的位置，判断定位的可靠性并适时发出警告。
GPSG-1000可以提供6颗或12颗卫星信号，用户可以通过以下方式改变SV几何分布，降低定位精度，从而启动接收机RAIM警告功能：
选择低仰角卫星，其它卫星设置为非健康状态BAD
选择卫星使其在一个小范围内，夹角小，其它卫星设置为BAD状态
设置极点位置：GPS卫星的轨道产生了6个极点区域，这些区域上空卫星稀少，可视卫星的仰角低，定位精度差

4．6 辅助GPS（A-GPS）测试
手机内置的GPS接收机可由基站向其传送星历、历书和其它辅助数据，使其更加快速地定位。
GPSG-1000的A-GPS选件可用于与aeroflex 4400或其它CDMA/GSM手机测试仪协同工作，对内置GPS接收功能手机进行A-GPS协议的全面测试。
GPSG-1000要由用户产生62.5分钟的场景，或5个导航信息。这些数据文件由实时仿真软件产生，通过远程控制由网口传送。GPSG-1000可以存储场景和相应的文件。这些文件包括：
Acquisition: 时间标记数据
Processed Navigation Data: 带时间标记的星历和历书数据，使用工程单位
Raw Navigation Data: (5 messages) 用于灵敏度协助

4400使用这三个带有时间标记的文件，产生协助数据，并传送给被测手机。4400通过网口控制GPSG-1000仿真，并通过硬件触发仿真。GPSG-1000的外部10MHz时钟由4400提供，使得射频信号与4400内部用于仿真的数据同步。

凌云志

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高敏兰

陈强

王晾其

李路明

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