gps信号發生器的應用介紹

GPS信号發生器是什麼？

如果您正在開發依賴GPS等衛星信号的任何裝置，您一定需要確定它的性能可以滿足其既定任務的要求。但如何才能确定您已經做好準備，能夠在裝置投放市場之前滿足真實世界的需求呢？您需要使用GPS信号發生器執行适當的測試。

由于缺乏實際的天空信号，實驗室測試便具備了極端的重要性，尤其是當某些衛星尚未發射之時。衛星跟蹤将成為具備GPS能力的裝置取得成功的關鍵。如果未能對這一方面開展正确的測試，您的裝置剛一進入市場便可能以失敗收場。

GNSS/GPS模拟：一般原理GNSS即全球導航衛星系統，是提供全球覆寫的衛星導航系統的标準名稱。該術語涵蓋了GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDOU和其它區域衛星導航系統。

在GNSS出現之初，就有兩種可用于測試導航系統的替代方案：現場測試和實驗室模拟。今天，最佳慣例要求多數測試需在受控、可重複性的安全實驗室條件下執行。這樣不僅可以測試正常條件，還可以對極度惡劣的條件進行測試，包括測試性能的真實和理論極限。此外，這種做法還可以實作目前尚未推入使用或缺乏完整星群的接收機開發工作。

現實世界的真實天空測試存在巨大的缺陷，因為從本質上真實天空測試已經将受控測試排除在外。經過總結，與采用真實GNSS星群的真實天空測試相比，GNSS模拟器測試的優勢如下表所示：

1、采用實際GNSS星群的真實測試

2、對星群信号無控制

3、對環境條件的控制有限

4、總是在變化的條件導緻測試無法重複

5、會遭受調頻和雷達等的意外幹擾

6、多餘的信号多徑和遮擋

7、無法使用GNSS星群錯誤執行測試

8、現場測試和車輛試驗成本高昂

9、受制于GNSS星群的可用信号

10、競争者可以監視現場測試

11、采用GNSS模拟器的實驗室測試

12、可完全控制星群信号

13、可完全控制環境條件

14、完全可重複

15、無多餘的幹擾信号

16、無多餘的信号效應

17、使用GNSS星群錯誤可輕松測試各類場景

18、實驗室中的測試成本效益更高

19、可測試現有和未來的GNSS信号

20、測試可以安全的在實驗室中執行

21、執行GPS模拟器測試

搭建并運作一項使用模拟器的接收機測試相對比較簡單。這一過程可以歸納為兩個階段：

定義：定義階段是使用模拟器的控制軟體設定所需的測試參數。在此階段中，您需要：了解待測接收機的用途及其運作環境。

确定您需要執行的測試。

定義帶适當效應的測試場景。

了解如何将接收機連接配接至模拟器，以便保持适當的RF條件。

運作時：在運作時階段中，該場景将會運作，而模拟器硬體将産生所需的RF信号。在此階段中，您需要：

觀察被測接收機并對模拟器進行必要的操控。

分析接收機的性能。這項工作可以實時進行，也可以在測試後分析已記錄到的資料。對模拟資料的通路（用于建立測試信号的資料）可以通過多種方式實作，包括資料流、日志記錄和檔案等。這些資料接下來可用于與“事實”模拟資料對比得出接收機的性能。

GPS信号發生器的功能

可以為GPS接收機和依賴GPS的系統提供有效且高效的測試手段。GPS模拟器能夠為車輛和衛星運動、信号特征、大氣和其它效應建立模型，仿真出GPS接收機在運動平台上的環境，使該接收機能夠根據測試場景的參數實際執行導航。GPS接收機處理模拟信号的方式與處理實際GPS衛星信号的方式完全相同。

與使用真實環境中的實際GPS信号相比，我們的GPS模拟器可以提供出色的測試替代方案。與真實天空測試不同的是，使用模拟器執行的測試可以為模拟衛星信号和模拟的環境條件施加完全的控制。利用GPS模拟器，測試人員可以輕松的生成并運作多種不同的測試場景，實作不同類型的測試，并且可以完全控制如下内容：

日期、時間和位置。模拟器可以生成任意位置和時間的GPS星群信号。全世界任意地點或太空中的場景，以及過去、現在和未來的時間，都可以接受測試，而且測試人員完全無需離開實驗室。

車輛運動。模拟器可以為包含GPS接收機的載具建立運動模型，例如飛機、船舶、航天器或地面車輛。包含載具動态的場景，涵蓋世界上任意地點不同的路線和軌迹，都可以接受測試，而且根本無需實際移動被測的裝置。

環境條件。模拟器可為影響GPS接收機性能的效應建立模型，例如大氣條件、阻擋、多徑反射、天線特性和幹擾信号等。這些效應的各種組合和不同水準也都可以在同樣的受控實驗室環境中得到測試。

信号錯誤和不精确問題。模拟器可以控制GPS星群信号的内容和特點。通過運作測試，可以确定裝置在各種GPS星群信号錯誤發生時會有怎樣的表現。

為什麼要使用GPS模拟器？

當您在考慮一種完全營運的GNSS系統時，例如GPS，您很容易會認為測試接收要時隻需連接配接至一個适合的天線，将天線放在最近的視窗，或者車輛或建築物的頂上就可以檢查接收機是否能夠使用接收到的GNSS信号來實作定位、跟蹤和導航。從某種程度上來說，這種想法是可以接受的。這種方法，即在本文中被稱為"真實天空"測試，确實可以驗證接收機的基本RF和處理線路是否具備基礎的工作能力。

然而，我們感興趣的是測試，而不僅僅是檢查是否能夠運作。是以，真實天空隻适用于簡單的運作檢查，确認在存在真實的損傷時機是否能夠成功運作，但在産品的概念規劃、設計、開發、生産和內建生命周期中，我們卻無法依賴它來執行測試。使用真實世界中的信号确實是确認存在真實損傷或真實運作挑戰時接收機性能的最簡單方式。記錄與回放系統能夠為GNSS模拟器的能力提供補充，将真實世界環境完整的"豐富性"捕捉下來，并在實驗室中加以回放。

我們将對這些事實背後的原因做一些詳細的分析。

真實天空測試存在的問題

在執行真實天空測試時必須面對許多的未知因素。這些未知因素包括：

衛星時鐘錯誤

從長遠看，這些錯誤會在導航消息和修正廣播中得到糾正，但由于此類消息的更新頻率很低，時鐘錯誤在糾正之前确實會存在一段時間。

模拟器的優勢：通過使用衛星模拟器，衛星時鐘是不存在錯誤的，除非您希望它存在，而且無論是存在還是不存在，您都可以準确地了解它們并且在已知的時間予以實施。

衛星軌道錯誤

導航消息中标稱的每顆衛星的位置與其在軌道中的實體位置是不同的。這是因為太陽、月球和地球的引力效應會部分導緻軌道錯誤，進而累積形成了衛星軌道的微擾。

模拟器的優勢：利用模拟器，我們可以消除所有的軌道錯誤，并使用"完美"的星群，也可以通過受控的方式實作完全可量化的錯誤。

導航資料錯誤

與任何資料傳輸系統一樣，資料在調制、解調和傳輸過程中都可能發生錯誤。例如，為了提高強健性，GPS系統導航消息的每個字中最後6位為奇偶校驗位，用于探測位錯誤。然而，錯誤仍然可能發生，而且這些錯誤不會得到糾正。

SYN5203型GPS信号模拟器的優勢：利用模拟器時不可能有導航資料錯誤發生，除非是故意施加的。

大氣錯誤

GPS信号必須穿過大氣中各層，而它們主要由兩個部分構成，即電離層和對流層。電離層（地球表面上方70至1000千米）中的自由電子會導緻GPS信号的調制發生延遲，延遲的程度與電子密度呈正比（信号穿過電離層的傳播速度會以地面速度表示）。同樣的條件也會導緻RF載波的相位發生等量的提前。（信号穿過電離層的傳播速度會以相位速度表示）

模拟器的優勢：利用模拟器，我們可以完全禁用大氣層，進而消除這些錯誤。相反，我們也可以将這些錯誤施加在已知模型上，并對其加以全面記錄。

多徑

GPS信号屬于視線信号，可以被看作類似于一束光線。如果信号束以小于内反射臨界角的角度落在RF反射表面上，就會發生反射，并出現一定的衰減。是以，接收機可能不僅接收到直射的視線信号束，還可能收到反射的版本。接收機根本不可能知道它們中的哪一個是真正的視線信号，是以會将兩個都利用起來，并且繼承反射信号中呈現出的延遲錯誤。

模拟器的優勢：使用模拟器時，我們可以完全消除多徑，也可以使用各種多徑模型向信号施加多徑。通過這種已知、受控的方式，我們能夠施加多徑，使其在接收機性能上的效應得到準确的分析，并采取适當的設計修改或多徑消減措施。而在真實天空條件下，我們根本不可能對任意某個時刻的多徑條件加以量化，是以也就不可能分析和改進接收機在應對多徑時的性能。

幹擾

GPS信号在到達接收機天線時已經非常弱，這是因為它們要穿越很長的距離才能從衛星到達接收機。這使它們很容易受外部來源的幹擾。這些幹擾可能是故意的（即人為幹擾或欺騙），也可能是非有意的。GPS在面臨幹擾時的漏洞已經得到了廣泛記載，鑒于篇幅原因本頁将不再深入讨論。

幹擾不僅會在接收機的位置計算中引入錯誤，還可能使其導航完全停止。在真實天空測試中，存在幹擾的問題将非常明顯，而且根本無法停止。

模拟器的優勢：幸運的是，在使用模拟器時根本不存在預設狀态下的幹擾，但如果需要，我們也可以通過可控且可重複的方式模拟出幹擾。利用思博倫GSS7765等幹擾模拟系統，我們可以施加與接收機間存在不同距離的幹擾源。

可重複性

當您在GPS接收機上執行測試并發現其設計中存在弱點時，正常的流程是對設計進行修改，目的是改進接收機。為了确認改進是否有效，您需要重複執行完全相同的測試。如果使用的是真實天空，我們就不可能確定後面執行的測試能夠讓接收機經曆與最初測試相同的條件。

最明顯的差異是，由于時間不同，接收機可見的星群也将完全不同。這些因素本身就已經決定測試條件是不可能重複的。另外一些不可能保持原樣的特性就是大氣影響和衛星的性能。

是以，真實天空不适用于旨在實作設計改進的測試。

SYN5203型GPS信号模拟器的優勢：利用星群模拟器，每次運作一個場景時所産生的信号都是完全相同的。場景會在相同日期的相同時間啟動，而且衛星的位置也将是相同的，甚至連不同信号間的相對相位偏移與是一樣的。通過這種方式，您就可以確定每次運作接收機測試時都為其模拟完全相同的信号。

可控制性

在任何全面的測試中，對測試條件擁有确定性的精确控制都是必不可少的。設計或系統參數的精确調整也需要對測試條件實施精确控制的小幅微調。

模拟器的優勢：當使用真實天空測試方法時，我們幾乎沒有什麼可以控制的東西。除了測試天線的實體位置外，其它的條件都不在我們的控制之下。您不可能讓時間復原，禁用大氣，調整衛星信号、錯誤、資料、軌道－而所有這一切正是您需要完全控制的内容。

精度

SYN5203型GPS信号模拟器是一種精密的測試裝置，如果維護得當，它的性能将非常精确且完全可控。模拟器信号的保真度遠高于來自真實GPS系統的信号，不僅可以用于測試接收機真實的"實驗室"性能，還意味着模拟器帶來的信号噪音遠低于熱噪音的水準，是以不會給測試帶來任何噪音錯誤。

模拟器的優勢：與精度密切關聯的兩項因素是品質和可靠性。模拟器設計和建造過程中的精确工程，以及管理這些技術門類的品質控制程序，都将確定裝置在多年内都能提供可靠的服務。

記錄與回放系統的作用不容小觑

要想對接收機的性能做出全面的評價，就需要對上述的各項損傷的來源做出評估。執行這種測試的一種新興技術就是記錄RF信号并在之後在實驗室中回放出來。

模拟器優勢：模拟器可以絕對控制測試環境，并随意在其中添加或删除單個的損傷來源。模拟還可以用來評價目前尚未在軌運作的信号，或者是非常昂貴或難以試驗的載具運動極限。的确，通過數學模型産生的合成信号代表着的是終極的控制能力。

商業競争力

如果沒有合理的商業案例，沒有任何項目能夠生存下來。負責項目管理和預算設定的人們必須對這一問題認真對待。通常的錯誤想法是，與複雜平台上涉及高動态應用的現場試驗相比，模拟隻是一種省錢的辦法。例如，很明顯我們不可能将航天級的接收機發射到軌道上，目的隻是測試它是否能夠正常工作。但不太明顯的是，模拟可以在不那麼複雜的應用中證明自己具有更高的成本效益。幾個月的駕駛測試在成本上足以抵得上一台模拟器，而且在許多情況下模拟器也是比真實作場測試更具學術意義的選擇。

模拟器的優勢：一家領先的歐洲汽車制造商曾經計算過，執行真實駕駛測試的總成本為每天5000英磅。除了我們已經讨論過的真實測試的技術問題外，僅财務方面的優勢就足以證明模拟的巨大競争力。

GPS模拟的方法

SYN5203型GPS信号模拟器可以為載具和衛星的運動、信号特征、大氣和其它效應建立模型，重制GPS接收機在動态平台上經曆的環境，使接收機能夠根據測試場景的各項參數，在模拟的RF信号中實作導航。但模拟器并不是能夠完全重制真實世界的神奇魔盒，它不是一種限制，而是一項重大的優勢。當RF設計工程師在需要一個受控和可量化的測試信号時，他們肯定不會随機選擇一種噪音發生器。同樣，GPS接收機測試人員在需要可控且可重複的模拟GPS測試信号時，也不會随便選擇一種真實信号重制裝置。

由于衛星離地面距離遙遠，發射的GPS信号到達地面已經十分微弱，加上GPS信号難以維持不變，直接使用衛星發射的GPS信号作為分析信号來研究GPS信号結構特征并不友善。而gps信号發生器因其具有的可控性、可重複性以及靈活性等特點，可以為GPS系統級仿真實驗提供盡量接近于真實的仿真測試環境，進而為接收機的性能測試、研制開發帶來了極大的便利。是以，對于GPS信号模拟器的研究在涉及衛星導航定位的各個研究領域都有着十分重大的意義。

SYN5203型GPS信号模拟器廣泛應用在基本型和授時型使用者裝置的研制、開發、生産和測試過程的各個環節.可以完成測距精度測試、導航電文測試、失鎖重捕測試、定位精度測試、測速精度測試、通道時延測試、一緻性測試、誤碼率測試等，将大大提升工作效率。

同時也适用于依賴衛星導航定位功能的相關産品的研制開發測試工作，如共享單車，共享汽車，導航定位裝置，電子圍欄裝置等應用環境。可極大提高效率，避免頻繁的現場實地測試，大大提高了産品開發測試部署的速度。

gps信号發射器作為一個時間定位領域的完整的應用系統，就目前實作的功能而言還不能滿足地面的測試需求，還有很多關鍵技術有待解決，很多功能需要增加和完善。