如何理解全球导航卫星系统（GNSS）内各系统的融合?

全球卫星导航系统 GNSS 概述

全球卫星导航系统(GNSS- Global Navigation Satellite Systems) 是一个一般术语，用于描述使用卫星信号来确定用户接收机位置的系统。目前的全球卫星导航系统中，美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统处于完全运行状态，可以提供全球定位服务。此外，中国的北斗系统(也称为Compass)和欧盟的Galileo系统正在部署的进程中。

“全球卫星导航系统（GNSS）测试解决方案.测试GNSS接收机灵敏度需要仿真全球定位系统（GPS）、全球卫星导航系统（GLONASS）、伽利略卫星系统、北斗卫星导航系统和卫星增强系统（SBAS）的信号。”

在上述四种全球导航系统中，GPS是历史最悠久的系统，于1994年起提供全球定位服务。GPS系统也在不断的升级和更新中，来提供更多的信号和更精准的定位服务。2012年，该系统的Block IIF卫星正式投入使用，Block III卫星也在规划中。GLONASS系统最早始于1982年前苏联时期，由于苏联解体曾一度停滞。近年来，俄罗斯重启并完成了该系统。GLONASS系统已于2011年10月正式运行，提供全球定位服务。俄罗斯通过使用新型GLONASS-K卫星，发射与GPS和Galileo类似的信号，持续的对系统进行更新升级。

其它两个系统—Galileo和北斗—正处于部署进程中。Galileo系统是由欧盟和欧洲航天局开发的。2005年和2008年发射了两颗实验卫星，2011和2012年，发射了4颗在轨验证卫星。Galileo系统计划于2015年提供初始服务，整个系统预计于2020年部署完成。

北斗系统于2011年12月开始提供有限的初始服务，2012年9月正式公布。公布之初，北斗的空间段包括15颗卫星，向亚太地区提供区域定位服务。整个系统计划于2020年完成。由于中国政府直到2012年12月才发布接口控制文档(ICD)，北斗系统的相关产品开发也受到了一些限制。现如今，ICD已经发布，北斗产品的开发有望实现快速增长。

除了上述四种卫全球卫星导航系统之外，还存在一些其它的相关卫星系统。一种是星基增强系统 (SBAS)，通过使用地球同步卫星，为已有的全球卫星导航系统传递校正和完整性数据，进而提高GNSS接收机的定位精度。星基增强系统包括北美的广域增强系统(WAAS)、欧洲的地球同步轨道覆盖服务(EGNOS)、日本的基于多功能卫星的增强系统(MSAS)、印度的GPS和GEO增强导航系统(GAGAN)。另一种是区域卫星导航系统 (RNSS)，通过发射只在特定区域上空运行的卫星，提高特定区域的卫星覆盖率，从而增加可见星的数目。区域卫星导航系统包括日本的准天顶卫星系统 (QZSS)和印度的区域导航卫星系统 (IRNSS)。目前首颗QZSS卫星已经投入使用，已有支持该卫星的设备上市。IRNSS系统还处于开发阶段，预计将包括三颗地球静止卫星和四颗地球同步卫星。

“与地面系统一样，空间通信系统的容量和复杂程度也都在飞速增长。用户对更大容量的需求推动通信系统向更快数据速率和更大带宽演进，进而导致系统设计一步步逼近性能极限。信号功率始终是一个关键指标，而对更宽信道、更大功率的需求意味着功率放大器要在其非线性工作区域内工作更多时间。这样的后果将会是信号出现失真，系统设计人员需要设法减少失真或避免失真。为了解决这个问题，他们首先需要对失真进行精确、深入的测量。”

卫星导航系统GNSS技术应用和增长动力

卫星导航系统GNSS市场在很多因素的驱动下正在快速发展，其中最主要的驱动因素是手机和平板电脑中基于位置应用的迅速增长。还有些其它因素包括:车载导航的广泛应用，内置GPS的消费类电子设备(例如数码相机和运动手表)的出现，以及基于位置的跟踪应用的普及等等。举例来说，通过跟踪车队的汽车来获取实时的物流信息，使用个人跟踪应用来监控工人和保障年长者的安全，警方利用定位技术来监控软禁或获得假释的罪犯。另外，还出现了宠物追踪设备和服务。

正是由于卫星导航系统GNSS市场的快速增长，传统的WLAN和手机芯片厂商也在积极的进行GNSS芯片及模块的研发。卫星导航系统GNSS芯片向多模化的方向发展，即单一芯片支持多种卫星导航系统GNSS系统，比如GPS+GLONASS，GPS+Galileo，GPS+北斗等等。

此外，卫星导航系统GNSS系统在高精度领域也有应用，主要是一些行业应用，包括测绘、飞行器、航空航天及国防应用(无人机或导弹中的制导系统等)。本应用指南主要介绍消费类GNSS设备及应用的测试。

卫星导航系统GNSS系统描述
卫星导航系统GNSS系统分为三个主要部分。

• 空间段由卫星或航天器(SV)组成，用于传输包含卫星轨道、位置、传输时间的导航电文。

• 控制段指地面监测站和主控中心，用于跟踪卫星信号、收集伪距测量数据和大气层模型数据、提供导航信息更新、大气信息和校正信息以及进行卫星控制。

• 用户段是指GNSS接收机。

图 1. GNSS系统的三个主要部分

卫星导航系统GNSS接收机通过三边测量法来计算自身位置。它使用导航电文中的传输时间和位置数据，测量卫星信号的时延，并由此计算接收机与卫星的距离(伪距)。首先，距离某颗卫星特定距离(伪距)的GNSS接收机所有的可能位置构成了一个球面。两个球面的交集是一个圆环。三个球面的交集则是两个点。最后需要第四个数据来确定接收机的正确位置。第四个数据可以是地球表面，也就是说，如果接收机位于地球表面，则位于地球表面上的点就是接收机的正确位置。对于更普遍的解决方案，则需要第四颗卫星的伪距，来进行定位。同时通过对四颗卫星进行测量，不仅可以确定接收机的位置信息，即经度、纬度和高度，还可以校正接收机的时钟误差，确定正确时间。

图 2. 利用三边测量法，GNSS接收机可以计算与至少三颗卫星的距离。使用卫星伪距球面的交叉点确定接收机的位置

卫星导航系统GNSS卫星信号的传输功率很低。在地球表面，功率电平大约为-155至-160dBW(-125至-130dBm)。在复杂的城市环境，特别是存在遮挡的时候，信号功率还会更低。GNSS接收机通过低噪声放大器和信号处理，来恢复GNSS信号。

GPS

GPS导航系统的空间段最初设计为24颗卫星，围绕6个轨道平面运行。在2011年，卫星数目增加到27颗。实际中，通常有31或32颗卫星在轨运行，包括备用卫星。GPS系统中，卫星的轨道高度为20,200千米，每天围绕地球运行两周。GPS的卫星轨道设计使得在任意时刻、地球上任意位置，可见卫星不少于6颗，最多可以看到15颗卫星。

GPS 信号
GPS卫星传输的信号主要由三个部分组成：

• 载波

• 测距码 (伪随机码)

• 导航电文

每颗卫星使用两种不同的测距码来对导航电文进行扩频，粗略码(C/A)，也称为民码，免费提供给全球用户使用，精细码(P)，也称为军码，主要用于政府和军事机构中的高精度应用。C/A码是长度为1,023比特的伪随机码，传输速率为1.023Mbps，即每毫秒重复一次。GPS系统采用码分多址技术，每颗卫星使用不同C/A码，在同一频率上传输信号，接收机通过对C/A码的识别来确定信号来自哪颗卫星。P码是码长为6.1871X1012比特的伪随机码，传输速率为10.23Mbps，P码的周期很长，每周重复一次。

图 3. GPS信号由导航电文和C/A或P码组成，调制在L1和L2载波上

自1994年起，为了反电子欺骗，P码被W码加密得到Y码，通常称为P(Y)码，仅限于军事应用。

导航电文，经测距码扩频后，调制到射频载波上。L1载波1575.42MHz频带上同时调制了C/A和P(Y)码信号。L2载波1227.6MHz频带上只调制了P(Y)码信号。

GPS导航电文

导航电文由一个含有37,500比特的主帧组成，传输速率为50bps，电文的传送时间为12.5min。主帧分成25个页面或帧，每帧由5个子帧构成，包括时间和钟差改正数、卫星健康状况、当前卫星的星历或精密的轨道信息、以及一部分历书(包含所有卫星粗略轨道信息)。

接收机接收每颗卫星的星历数据，来确定卫星的位置。它还需要传输时间和钟差改正数来计算伪距，进而确定接收机的位置。这些信息在前三个子帧中传输，接收机至少需要16秒(在最坏情况下是30秒)来获取这些必要信息。

图 4. GPS导航信息

A-GPS

手机通过使用A-GPS(辅助GPS)可以更快速地完成定位。A-GPS系统是由美国的E911法案以及其它国家的类似服务所推动的，旨在提供快速、精确的手机定位。这种系统在室内或是在可见卫星数量不足的情况下，尤为重要。在A-GPS系统中，GPS辅助服务器持续监测GPS卫星，接收GPS信号，获取导航电文，生成GPS辅助数据。GPS辅助数据发送到蜂窝网络的基站中，并通过蜂窝网络传输到手机，从而使手机迅速确定自身大致位置以及所在位置的可见卫星。

随着其它GNSS系统的应用，3GPP和3GPP2标准组织正在开发新的标准，来扩展A-GPS功能，实现A-GNSS(辅助GNSS系统)定位。

GLONASS

GLONASS导航系统的空间段由24颗卫星组成(与GPS类似)，分布在3个轨道平面上，每个轨道平面上有8颗卫星，卫星的轨道高度为19,100km，略低于GPS卫星。GLONASS系统在高纬度区域(接近南极、北极区域)可以提供比GPS更好的覆盖，在俄罗斯和北欧地区的覆盖具有一定优势。目前，24颗卫星均在轨运行。当前GLONASS系统中，大部分卫星都是2003年开始部署的GLONASS-M系列卫星。GLONASS系统也在不断的更新中。最新的GLONASS-K卫星是在2011年发射，将提供其它类型的卫星信号。

目前，支持GPS+GLONASS双系统的导航设备得到了普遍的应用，通过支持GPS和GLONASS两个系统，接收机可以使用更多的可见卫星，特别是在类似城市峡谷区域，高楼大厦可能会遮挡某些卫星，双模设备更能发挥作用。通过支持双系统，接收机可以更迅速地获得更精确的位置信息。

GLONASS信号

GLONASS-M卫星使用相同的伪随机码，在不同的频率(14个频率)通道上，发送信号，因此GLONASS系统实际上是频分多址(FDMA)系统。由于位于同一轨道面对径上的两颗卫星可以分配同一通道来实现，因此使用14种频率通道足以支持24颗卫星。与GPS类似，GLONASS提供适合公众使用的标准精度信号和适合特定用户群(国防和军事应用领域)的高精度信号。两种信号都在L1和L2频段内传输。

L1频段:

—信号在1602MHz频率传输，相邻通道频率间距为562.5kHz(~1597-1606MHz)
—L1频率=1602MHz+(K*562.5kHz)，其中通道K=-7,-6,...,5,6
L2频段:
—信号在1246MHz频率传输，相邻通道频率间距为437.5kHz(~1238-1254MHz)
—L2频率=1246MHz+(K*437.5kHz)，其中通道K=-7,-6,...,5,6

图 5. GPS和GLONASS的L1标准精度(C/A)信号的比较

新一代GLONASS-K卫星同时传输这种FDMA信号和最新的CDMA信号。CDMA信号与GPS和Galileo系统类似，不同卫星使用不同的测距码(伪随机码)，在同一频率上传输信号。要使用新的CDMA信号提供定位服务，可能还需要几年的时间才能有足够数量的GLONASS-K卫星在轨运行。现在，所有GLONASS接收机都将继续使用FDMA信号，也就是下面所介绍的信号。

GLONASS信号构成
GLONASS信号具有以下组成部分：

• 载波

• 测距码

• 导航电文

• 明德码(Meander code)

GLONASS信号的大部分都与GPS相似，但也有非常大的不同。正如前文所述，对于GLONASS，每颗卫星都会使用不同的L1和L2载波频率，取决于信号传输所选择的频率通道。再有就是测距码和导航电文。GPS系统中，不同的卫星使用不同的测距码，包括C/A码和P码，而所有的GLONASS卫星则使用相同的测距码。GLONASS系统的C/A码长度比GPS系统的C/A码短，码速率为511kbps，而P码的码速率为5.11Mbps。明德码是GLONASS独有的组成部分，通过模二加法器与测距码、导航电文合并。图6显示了GLONASS信号的生成过程。

图 6. 在 GLONASS系统中, 标准精度和高精度信号都同时在L1和L2频段传输

GLONASS导航电文

标准精度GLONASS信号的导航电文具有超帧结构。一个超帧持续2.5分钟，分为5帧，每帧30秒，由15个串(String)组成。每帧的前4个串包含发射卫星的星历数据、卫星钟改正、卫星健康状况以及卫星载波频率与标准值得偏差。其余的串包含系统中所有卫星的历书数据。每个串包含导航数据和明德码模二加、校验位和时间标记。时间标记为固定的长度为30比特的伪随机序列，传输速率为100bps。

图 7. GLONASS导航信息结构

Galileo

当部署完成时，Galileo导航系统的空间段将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成。卫星分布在3个轨道平面上，轨道高度为23,222km。每颗Galileo卫星都在4个不同的频点上传输信号:
—E1(1575.42MHz)
—E6(1278.75MHz)
—E5a(1176.45MHz)
—E5b(1207.14MHz)
不同频点传输的信号结构和调制方式有着明显的不同。本应用指南主要关注消费类设备及应用，以下描述只针对E1开放服务(OS)信号。

Galileo E1开放服务信号

Galileo开放服务信号包括E1b数据通道和E1c引导信号通道，采用二进制偏移副载波调制技术(CBOC)调制方式。Galileo E1频点和GPS L1频点传输频率相同。GPS采用BPSK调制方式，频谱形状类似sinc(x)函数，主瓣信号在中心频率附近。BOC调制将能量扩散到2个旁瓣，而中心频率处为空值，从而将GPS信号的干扰降至最低。BOC信号通常被称为BOC(m,n)或BOC(fs,fc)，其中副载波频率(fs)=m*1.023MHz，扩频码速率(fc)=n*1.023MHz。CBOC采用窄带BOC(1,1)与宽带BOC(6,1)信号的组合，提供更好的抗多径性能。

图 8.频率 (MHz) Figure 8. Spectrum of GPS L1 C/A signal compared to Galileo CBOC signal

Galileo信号构成

Galileo E1信号包含以下组成部分，如图9所示:

• 测距码

• 导航数据

• 二次编码

• 载波，在图中使用Data CBOC Spreader和Pilot CBOC Spreader表示

E1b数据通道中，导航数据以250bps的速率传输，通过与长度为4092比特的测距码(传输速率为1.023Mbps)合并，构成E1b数据流。与GPS系统类似，Galileo系统中，每颗卫星的测距码均不同。对于E1c引导信号通道，二次编码与测距码(而不是导航数据)合并，生成引导信号。二次编码是一个固定的25比特序列—对于所有卫星都是一样—传输速率为250bps。E1b和E1c比特流都在载波上进行调制，在Galileo系统中，载波不是简单的正弦波，而是由BOC(1)分量—频率为1.023MHz的方波和BOC(6)分量—频率为6.138MHz的方波组成。这些分量各占一定比例，BOC(1)分量占用了10/11的功率，而BOC(6)分量占用了1/11的功率。两种分量相加即为Data CBOC Spreader，相减即为Pilot CBOC Spreader。

图 9. E1b和E1c信号的结构

Galileo导航电文

在GalileoICD中，E1开放服务的导航电文类型为I/NAV，其结构如图10所示。该导航电文采用帧结构，每帧由24个子帧组成，长度为720秒。每个子帧长度为30秒，包含15个页面。每个页面长度为2秒钟，由同步比特、页面的偶数部分和页面的奇数部分构成。下图显示了导航电文中不同部分的数据构成。

图 10. Galileo E1开放服务导航电文的结构

北斗

中国GNSS的正式名称是北斗卫星导航系统，又称为北斗系统(BDS)。该系统之前被称为北斗-2，用以区分更早的试验系统北斗-1。英文名称是Compass，来源于卫星的名称。
与其它仅使用中轨道卫星(MEO)的GNSS系统不同，北斗系统中还包含5颗地球同步轨道(GEO)卫星和3颗倾斜轨道同步卫星(IGSO)。截止到2013年1月，共有14颗卫星在轨运行。

2012年12月发布的ICD中描述了位于1561.098MHz频段的B1I开放服务信号。北斗系统还发射B2和B3频段的信号，与Galileo的E5b和E6频段有重叠。B2，B3频段信号的定义尚未正式公布，因而本应用指南仅描述B1I信号。

北斗信号

与GPS和Galileo相同，北斗系统也是不同卫星使用不同测距码的CDMA系统。MEO和IGSO卫星所传输的信号与GEO卫星所传输的信号不同。

北斗信号构成

• 北斗信号包含以下部分，如图11所示：

• 测距码

• 二次(Neumann-Hoffman)编码

• 导航数据

• 载波

对于MEO和IGSO卫星，2046比特长的测距码与二次编码(Neumann-Hoffman)相乘，NH码是长度为20比特，速率为1kbps的码序列。该数据随后与D1导航数据(传输速率为50bps)相乘，所生成的数据流调制到位于1561.098MHz的B1载波上，使用QPSK的调制方式。由于ICD文档中只定义了信号的I(实部)分量，信号可以看做是BPSK调制。

GEO卫星所传输的信号不使用二次编码，并且传输不同的导航电文。测距码与D2导航数据(传输速率为500bps)相乘，使用QPSK的调制方式调制到B1载波上。

图 11. 北斗B1I信号的组成

北斗导航电文

北斗导航电文的结构与GPS的类似。图12显示了由MEO和IGSO卫星播发的D1导航电文。D1导航电文具有超帧结构，每个超帧长度为36,000比特，包含24个帧或页面。每帧由5个子帧组成。前3个子帧包含卫星的基本导航信息，包括时间、钟差、健康状况、星历、电离层模型参数。子帧4和5包含部分历书数据以及其它GNSS系统的时间同步信息。每个子帧由10个字组成。每个子帧的第一个字都有相同的格式，包括帧同步码、子帧ID、数据的周内秒计数、奇偶校验位。其余的字包含22比特数据和8比特奇偶校验位。

图 12. MEO/IGSO卫星播出的D1导航信息的结构

图13显示了由GEO卫星播发的D2导航电文。与D1导航电文相比，D2导航电文包含更多的数据，它是一个由180,000比特数据组成的超帧(是D1的5倍)，分为120个页面或帧。由于D2导航电文的传输速率是D1的10倍，传输一个D2超帧仅需6分钟(D1需要12分钟)。

D2导航电文帧、子帧和字的结构与D1类似。D2仅使用子帧1来传输广播卫星的基本导航信息。子帧2、3和4用于传输系统完好性和差分校正信息。子帧5用于传输历书数据、格网点电离层信息以及与其它系统的时间同步信息。

图 13. GEO卫星播出的D2导航信息的结构

卫星导航系统GNSS接收机测试

对于大多数无线数字系统而言，接收机测试都包含一些误码率测试及类似测试(例如，BER、FER、PER或BLER)。而在GNSS系统中，大多数的导航电文传输速率一般只有50bps，典型的BER测试需要106比特，进行这种测试将耗费很长时间，因此很少进行BER测试。GNSS接收机测试的重点是验证接收机捕获和跟踪卫星信号的能力，以及测试接收机在不同功率电平和不同测试条件下实现定位的能力。

典型卫星导航系统GNSS接收机测试

最常见的GNSS接收机验证测试包括首次定位时间(TTFF)、接收机灵敏度和定位准确度的测试。TTFF是指GNSS接收机在启动之后到实现首次定位所需要的时间，可分为冷启动、暖启动和热启动等不同测试用例。在冷启动时，GNSS接收机的存储器中没有任何卫星数据，接收机必须对每个可能的测距码进行搜索，考虑到卫星信号的多普勒频移，需要在±5kHz频率范围内进行搜索。冷启动时，接收机需要接收到每颗卫星的星历数据来确定卫星的位置。对于GPS，这需要至少18秒的数据。冷启动下测试TTFF，典型的GNSS接收机需要经过30至45秒实现定位。在暖启动时，接收机中保存了大概时间、上一次定位位置、历书数据等，接收机尝试通过使用这些数据来捕获卫星信号。在热启动时，接收机记录了上次定位所使用的卫星，尝试直接对这些卫星进行捕获，这仅适用于接收机刚刚关机不久并且没有大幅度移动的情况。大部分情况下，使用接收机的控制软件(通常由芯片供应商提供)可以直接对这些不同启动模式来进行设置和更改。

图 14. 典型GNSS接收机测试

灵敏度是指接收机能够实现卫星捕获或跟踪所需要的最低信号功率。由于灵敏度测试只需要单颗卫星信号，不需要完成定位，因此灵敏度测试比TTFF测试更加快速，简单。测试所需要的单星信号只需要静止的卫星信号或波形文件，而不需要真实的导航电文。

定位准确度是指接收机所汇报的位置与实际或仿真位置的偏差。相对准确度是指多次测试结果之间的差别，绝对准确度是指接收机汇报的位置和仿真位置的差别。定位准确度测试还包括静态或移动GNSS接收机的定位准确度。还可以进行一些其它测试，例如重新捕获时间测试和干扰测试等，但不太常用。

TTFF和定位准确度测试都需要使用多颗卫星信号进行测试，从而接收机可以计算并汇报所在位置。在研发和系统验证阶段通常会进行这些测试。由于所需要的测试时间的较长，生产测试中很少进行这些测试。在生产测试中，通常使用简单的单颗卫星信号来进行灵敏度测试。

卫星导航系统GNSS接收机测试的要求

通过使用天线接收空中的GNSS信号来进行GNSS接收机测试，是简单可实现的，但是这种测试存在很多问题。首先它只能提供有限的信息，由于空中的GNSS信号受多种因素影响，在持续的变化，因此很难保证测试信号的可控性和可持续性。再有，在特定的位置和时间上，有可能没有足够的可用卫星信号可以接收。此外，一些特殊情况下的测试，例如远程测试和高速运动的场景测试，测试费用高昂，而且很难实现。

存储和回放系统可以提供仿真的GNSS信号，进行接收机测试。虽然这类系统能够提供可重复的测试信号，但是它不能对所存储的信号进行修改，不能调整单个卫星的信号，或是在信号回放时实时添加减损。

为了解决这些问题，可以使用GNSS信号仿真器来进行GNSS接收机测试。GNSS信号仿真器可以仿真GNSS接收机所接收的信号:来自于多颗卫星的GNSS信号，每颗卫星的信号具有不同的时延、多普勒频偏和功率电平。实时GNSS仿真器允许在信号生成的过程中对信号进行修改。GNSS仿真器的另一个优势是能够仿真实际中不存在的卫星，从而可以在系统中(例如Galileo和北斗)全部卫星完成部署之前，对系统进行早期测试。

用于研发和验证的GNSS测试信号

来看一下GNSS仿真器进行上述测试所必备的功能。表1介绍了一些关键功能以及这些功能可以满足的测试挑战。

表 1.GNSS信号仿真要求

在研发和验证阶段，卫星导航系统GNSS仿真器应该能够仿真至少4颗卫星，最好可以支持12颗卫星或更多卫星的仿真，从而支持用户可以仿真地球上任意位置处的所有可见星信号。仿真器应该能够仿真静态和移动接收机情景，以进行基本的TTFF测试和测试移动接收机跟踪卫星和维持定位的能力。通过实时调整卫星功率和控制卫星的可见性，可以测试接收机的灵敏度和重复捕获卫星信号的能力。在研发阶段，仿真器灵活生成任意时间，地点或任意运动轨迹(移动接收机)的场景的能力也是必要的。

对于研发应用而言，卫星导航系统GNSS仿真器必须能够添加信号减损，以便测试接收机在各种不同环境、条件下的性能。减损包括多径信号，主要是真实环境中，建筑物、树木及其它障碍物的反射所形成。多路径信号属于反射信号，与直达信号相比，通常到达接收机时，具有更低的信号功率，不同的延迟和多普勒频偏。通过控制卫星可见性可以模拟在真实环境中由于遮挡而造成的卫星信号消失，如隧道，山脉或者建筑物等。通过设置截止高度角，可以将可见卫星限制在高于所设定截止高度角的范围内，来模拟山区或者“城市峡谷地区”环境的遮挡。通过对电离层和对流层中的衰减和延迟进行建模，可为GNSS接收机提供更真实的信号。在GNSS信号中添加已校准的AWGN(加性高斯白噪声)，可以更精确的控制所产生GNSS信号的C/N。

表 2.GNSS信号减损

用于生产测试的卫星导航系统GNSS信号

生产测试中，有时需要测试TTFF。通常情况下，只需要使用简单的静态单颗卫星信号进行测试，来验证GNSS接收机捕获卫星信号、汇报接收功率以及跟踪卫星的能力。相比于定位测试需要30~45秒的时间，这类测试过程相对快速。测试所需的单星信号只需要静止卫星信号或波形文件而不需要真实的导航电文。

使用N7609B Signal Studio for GNSS进行GNSS接收机测试
是德科技的GNSS接收机测试解决方案，包括N7609B Signal Studio for GNSS软件和信号发生器，可以生成基带和射频导航信号，以进行GNSS接收机测试。

N7609B Signal Studio for GNSS软件能够实时仿真GPS和GLONASS系统中的L1C/A码卫星信号、Galileo系统中的E1开放服务信号以及北斗系统中的B1开放服务信号。每个星座最多可支持15颗可见卫星的仿真，GPS、GLONASS和/或北斗的可见信号与多径信号共享最多40个信道，Galileo额外支持16个信道。该软件能够实时控制卫星的可见性和功率、添加伪距误差或多径损耗。支持生成包含任意日期、时间和位置的定制场景，仿真静态或移动接收机的信号。

卫星导航系统GNSS接收机测试系统配置

图15显示了使用N7609B在测试GNSS接收机时的两种系统配置。第一种配置使用是德科技X系列信号发生器实时生成信号。在该配置下，N7609B软件运行在外部的PC中，用于配置信号参数和生成场景数据。数据被下载到X系列信号发生器中，控制仪器中的FPGA实时生成GNSS信号。EXG/MXG输出的射频GNSS信号连接至被测GNSS接收机，用于测试。接收机通过USB与PC连接。GNSS接收机的监控软件运行在PC上，汇报测量结果。

第二种配置使用N5106APXB基带发生器和信道仿真器。在这个配置中，N7609B软件作为仪器固化软件的一部分，在PXB内运行。它生成场景数据，并配置PXB实时生成基带GNSS信号。对于射频输出，需要使用EXG、MXG或ESG矢量信号发生器将PXB输出的基带I/Q信号上变频至射频信号。此时，EXG、MXG或ESG作为射频上变频器使用，仪器不需要基带发生器选件。

生产测试中，如果只需要简单的射频前端验证测试，不需要实时信号生成功能，可以使用N7609B的基本单卫星波形选件来生成波形文件，用于仿真GPS、GLONASS、Galileo、Beidou、SBAS或QZSS的单颗卫星。波形文件可以使用N5172BEXG、N5182A/BMXG、E4438CESG、E8267DPSG或M9381APXIe矢量信号发生器、E6607EXT或E6630A无线测试仪和N5106APXB进行回放。

本章节下面部分将集中介绍实时多星卫星导航系统GNSS信号仿真，用于更复杂的GNSS接收机测试。使用图15中的第一种配置，被测GNSS接收机是u-bloxAG的u-blox6评估套件。

图 15. N7609B Signal Studio for GNSS解决方案的配置

实时卫星导航系统GNSS信号生成

N7609B软件包含一系列预置的场景文件，用于帮助用户快速地开始测试。在使用这类场景文件生成信号时，用户启动 N7609B软件并进入“GNSS”主设置页面(如图16所示)进行设置。Simulation Mode参数的默认设置“Navigation”可生成包含导航电文的多卫星信号，用于接收机定位测试。另一种设置是“Static Test”，此时，导航数据和卫星的设置保持不变，直至用户输入一个变化值。Scenario Source参数允许用户选择“User Scenario File”模式(使用已保存的场景文件，最长可持续24小时非重复的生成信号)或“Scenario Generator Settings”模式(使用场景生成器中的设置，连续生成信号，可获得更长的仿真时间)。“Scenario Generator Settings”模式要求仪器与PC保持连接。使用”User Scenario File”模式，在场景文件下载到仪器后，仪器可以与PC断开连接。“User Scenario File”模式使用已保存的场景文件，点击Scenario File参数选择要使用的场景文件。N7609B软件提供若干个场景文件可供使用。

图 16. N7609B软件的GNSS主设置页面

Constellation Control允许您轻松地开启或关闭某个GNSS星座中的所有卫星，或对这个星座中的所有卫星添加相对功率偏置。Scenario Information显示了所选择场景文件的详细信息。从图中可见，默认的场景文件仿真的是一个静态场景，显示了所仿真地点的经度、纬度和高度信息，以及在场景开始时的可见卫星。

点击左侧面板的Instrument节点，设置输出功率，随后点击State On按钮，开始生成信号。

在信号播放时，接收机的监控软件能够提供被测接收机的信息。例如，图17显示了u-blox配套的u-Center软件的用户界面。从图中可以看到，接收机捕获和正在使用的卫星(绿色)、每颗卫星的C/N(底部中心窗口)、卫星星空视图(中右方窗口)、计算的位置信息、首次定位时间、HDOP和VDOP(右上方窗口)。

图 17. 接收机软件显示了用于导航的卫星的信息

卫星信号的实时控制

图18显示了“卫星设置”页面，用于在信号播放时，实时控制单颗或一组卫星的功率和可见性，为信号添加减损。

图 18. 卫星设置页面可对卫星信号进行实时控制

页面显示了全部可见卫星，“G”表示GPS卫星，“E”表示Galileo卫星，“R”表示GLONASS卫星，“B”表示北斗卫星。对于每颗卫星，可以使用“Enabled”栏开启或关闭卫星，输入相对功率偏置，添加伪距误差或多径损耗。在更改参数之前，通过“Group”栏中指定的多颗卫星作为一组，这样可以同时对一组卫星进行参数更改。实时控制允许对因障碍物或伪距误差引起的功率损耗或可见性损耗进行建模，并迅速查看它们对接收机的影响。

图 19. 情景发生器设置页面可用于创建静态场景

要创建静态场景，用户需要设置仿真的位置、起始日期和时间、持续时间(长达24小时)、截止高度角以及是否应用对流层和电离层模型。如果选择应用对流层、电离层模型，场景生成器会将相应的模型参数填入卫星的导航电文，并同时将该模型计算所得的偏差应用于GNSS仿真信号。

用户可以选择在场景中包含哪一个星座。对于每个星座，用户需要选择一个历书文件来描述在指定日期和时间，卫星的位置。要下载YUMA格式的GPS历书文件，请访问 http://www.navcen.uscg.gov/?pageName=gpsAlmanacs，下载 GLONASS的历书文件，请访问 ftp://ftp.glonass-iac.ru/MCC/ALMANAC。目前，还没有网站提供 Galileo或北斗系统的历书文件。对于Galileo和北斗系统，N7609B使用与GPS格式类似的历书文件。您能够编辑软件中的历书文件，根据仿真需要来修改历书中的时间和日期信息。

在进行辅助GNSS(A-GNSS)测试时，场景发生器可以设置星历文件，用于一致性测试。场景发生器还可以输出每个场景的星历数据和A-GNSS辅助数据。

场景发生器还可以创建动态场景，用于仿真移动GNSS接收机。图20显示了创建动态场景的设置，该设置与创建静态场景类似。不同之处是在生成动态场景时，接收机位置信息的设置是通过使用NMEA(GGA或RMC格式)信息文件(包含带有时间戳的位置序列)来描述接收机的运动轨迹。NMEA是指美国国家海洋电子协会，指定了在不同类型的船用电子设备之间进行数据通信的规范。GNSS接收机在数据输出时采用NMEA数据格式。N7609B软件提供若干个GGA文件可供使用，同时还可以使用轨迹发生器来生成此类文件(稍后介绍)。使用接收机厂商提供的接收机控制接口软件还可以记录GNSS接收机的GGA数据。

日期和时间信息可以直接NMEA信息文件中读取，作为默认值。用户也可以自行设置。

如欲了解场景发生器的更多信息，请参阅N7609B在线帮助。所有设置完成之后，用户可以点击“Create Scenario”按钮，来创建并保存场景文件。随后可以在“GNSS”主设置页面中选择此场景文件，用于实时生成GNSS信号。

图 20. 场景发生器设置页面可用于创建动态情景

例如，在图20的场景发生器设置页面中，将“Scenario Type”设为“Dynamic”，来创建动态情景。对于“NMEA Message File”参数，选择 N7609B软件提供的“Circle.gga”轨迹文件。其它设置可以保持默认值或根据需要进行修改。点击“Create Scenario”按钮，生成并保存场景文件。接下来，点击窗口左侧面板上的“GNSS”节点，选择此场景文件，再点击“State On”按钮实时生成信号。

图 21. NV08C-CSM接收机的测试结果显示了导航卫星和用于动态场景测试的接收机运动轨迹

图21显示了使用该信号测试NV08C-CSM评估套件(NVS Technologies)的结果，该套件支持GPS、GLONASS和Galileo。下图来自NVS Technologies提供的STOREGIS软件。在底部柱状图中，蓝色竖条表示GPS卫星的信噪比，红色竖条表示GLONASS卫星，橙色竖条表示Galileo卫星。右上方图片显示了接收机的运动轨迹，沿中心位置为北纬37.0度、西经122度，半径为1000米的圆圈移动。图中的“Position”窗口显示了当前的移动速度，约为100km/h。

编辑场景文件以提供重复减损

场景编辑功能可以修改情景文件并且添加减损，从而使场景文件能够重复使用，在相同条件下进行多种测试。场景编辑器允许您在一定时间内对一颗或多颗卫星添加功率偏置，使您能够仿真一些场景，例如卫星在经过隧道时的功率下降。如图22所示，还可以通过选择可见卫星，分配多径所占用的信道，指定起始/终止时间、多普勒频偏、延迟和功率偏置，来添加多径信号。场景编辑器还支持删除场景中的某个信道或修改场景长度。

图 22. 添加多径信号的设置

N7609B软件提供场景绘制(Scenario Graphics)功能，使您能够查看场景文件中任意时刻每个信道上的卫星，如图23所示。不同卫星通过颜色和ID加以识别。图中在窗口底部还会显示编辑场景文件时的变更记录。

图 23. Scenario Graphics显示屏显示了每个信道上的卫星以及编辑变更记录

轨迹发生器

轨迹发生器可以生成描述移动接收机运动轨迹的NMEA GGA消息文件，用于生成动态场景，以测试接收机在不同运动速度时，捕获、跟踪卫星以及汇报精确位置的能力。

用户通过创建一系列分段，例如直行、转弯、等待状态，并在每个分段中设置速度和加速度等信息，来描述接收机的运动轨迹。还可以在Google Earth或Google Maps中创建轨迹，并将其保存为*.KML文件，然后使用轨迹发生器中的KML Converter将所生成的KML文件转换为NMEA消息文件。

轨迹发生器软件支持:
—指定初始位置和采样率
—添加或删除等待、直行、转弯等分段，或选择预设形状
—指定速度和加速度与时间或距离的关系
—预览接收机路径
—将轨迹数据保存为NMEA GGA、Google Map HTML或Google Earth KML文件格式
—在Google Earth中创建路径，并将Google Earth KML文件转换为NMEA GGA文件

图 24. 轨迹预览图显示了轨迹发生器的设置对应的路径

天线模型应用

在GNSS接收机测试中，通常直接使用电缆将所产生的GNSS信号连接至接收机射频输入端口，这样的测试比包含了接收机天线影响的空中信号测试更简单。为了更好地评估测试过程中接收机天线的影响，N7609B 提供简单的图形用户界面，允许用户配置和应用天线方向图，对接收机天线的功率剖面进行建模。这个功能还可以用来模拟接收机附近的障碍物或是信号吸收。天线建模设置支持:
—指定方位角和仰角的分辨率
—指定特定方位角和仰角的功率偏置
—应用方位角旋转
—静态场景时，天线模型基于绝对方位角/仰角;动态场景时，天线模型基于与GNSS接收机的运动方向的相对值
—导入/导出自定义天线模型

图 25. 带有增益模板的天线模型应用到卫星信号中

卫星导航系统GNSS解决方案

现如今，基于位置的服务和应用的快速增长、导航设备在消费类电子产品中的广泛应用、GNSS系统的扩张以及最新系统的部署(例如GLONASS、北斗/Compass和Galileo)都对GNSS接收机测试提出了新的挑战。为了更全面的进行GNSS接收机测试，需要仿真多个GNSS星座的信号，并对卫星信号中的不同减损进行模拟。N7609B Signal Studio for GNSS软件提供实时GNSS信号仿真，可以满足现在多星座GNSS接收机测试的所有需求。