车载GPS接收机测试

车载 GPS 导航系统是汽车电子的重要应用，随着汽车进入普通家庭并迅速普及，对车载 GPS 的需求也在急速增长。车载 GPS 导航系统由车载 GPS 接收机和导航软件组成，其中车载 GPS 接收机的性能指标直接影响到导航应用的用户体验，是影响产品性能的关键部分。目前车载 GPS 接收机测试并没有统一的标准，与行业大量应用的手机 GPS 测试相比，需要增加面向汽车应用的测试要求，形成更加全面的符合汽车性能特点的车载 GPS 测试方法。本文将主要探讨 GPS 系统原理，车载 GPS 接收机测试主要考虑的问题以及相应的测试方法。

GPS 工作原理

GPS 系统的英文全名是"Navigation Satellite Timing And Ranging/Global Position System"，其意为"卫星测时测距导航/全球定位系统"，缩写为 NAVSTAR/GPS，简称 GPS 系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，于 1994 年全面建成。GPS 全球卫星定位导航系统，开始时只用于军事目的，现在也广泛应用于商业和科学研究上。GPS 系统能为各类用户提供精密的三维位置、三维速度，并给出精确的卫星时间基准。

GPS 系统包括三大部分: 空间部分-GPS 卫星星座; 地面控制部分-地面监控系统; 用户设备部分-GPS 信号接收机。GPS 卫星星座 GPS 工作卫星及其星座由 21 颗工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座，卫星高度约 20200 公里，分布在六条升交点互隔 60 度的轨道面上，每条轨道上均匀分布四颗卫星，相邻两轨道上的卫星相隔 40 度，位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到 11 颗。

目前的 GPS 接收机一般为 12 通道，即可同时监测 12 颗卫星，它的主要工作是捕获待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的 GPS 信号进行变换、放大和处理，基带芯片进一步解译出 GPS 卫星所发送的导航数据，以便得到 GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，实时地计算出所在的位置和时间。GPS 接收机收到 3 颗卫星的信号可以输出 2D (就是 2 维) 数据，只有经纬度，没有高度，如果收到4颗以上的卫星，就输出 3D 数据，可以提供海拔高度。

GPS 接收机的定位精度是由所使用的扩展码决定的。GPS 系统有两种码，即 C/A 码和P码。C/A 码的误差是 29.3 m 到 2.93 米。一般民用的接收机利用 C/A 码计算定位。P 码的误差为 2.93 米到 0.293 米是 C/A 码的十分之一。但是P码只能美国军方使用。GPS 系统发送的导航数据速率只有 50 bps，通过扩展码扩展到 1.023 Mcps，然后通过 BPSK 调制到射频，频率为 L1 (1575.42 MHz) 和L2 (1227.6 MHz)，接收机主要使用L1。

根据 GPS Standard Positioning Service SignalSpecification 标准 (第二版)，GPS 信号格式如图 1 所示，主要包括三个部分: TLM (Telemetry)、HOW (Handover Wo r d ) 和导航数据。导航数据主要有卫星的位置信息 (Ephemeris) 和时钟信息(Almanac)。也就是说，如果 GPS 接收机要解算出位置信息，GPS 信号中必须包括这些有效的信息比特。

图一

GPS 信号分为 5 种不同的子帧，每个子帧时间长度为 6 秒钟，发送 300 比特有效数据，比特率为 50 bps，经
过 (Ranging Code) 的扩展达到 1.023 MHz 的码片速率 (C/A 码)。GPS 子帧的帧结构分为 3 个部分: TLM、HOW 和导
航数据 (Navigation Data)。

基本的 GPS 接收机测试

典型的 GPS 接收机测试包括首次定位时间 (TTFF)，暖启动首次定位时间，重新捕获时间，静态导航精度，接收
机灵敏度，射频干扰等，典型的测试连接如图 2 所示。

图二

首次定位时间测试

首次定位时间，即 Time to First Fix (TTFF)，测量 GPS 接收机从冷启动到实现 GPS 导航定位所需的时间。冷启动是指接收机在不使用当前星历表的情况下开机。通常，将接收机关闭至少 2 小时后再开机就可以实现冷启动。TTFF 是指 GPS 接收机启动 (接通电源) 到通过仿真获得第一个有效的 3D 导航数据点之间的时间间隔。

测试方法是首先启动矢量信号源上的 GPS 仿真模式，然后接通 GPS 接收机。测试至少应收集 20 个 TTFF的有效采样，然后分析这些采样的平均值、最小值和最大值，再计算出标准偏差。如图 3 所示。

图三

暖启动首次定位时间

暖启动首次定位时间测量 GPS 接收机从暖启动到实现 GPS 导航定位所需的时间。这个测试与之前的冷启动TTFF 测试类似。此测试中的接收机包括所有仿真卫星的当前星历数据。通常，可以通过将之前处于开机状态的接收机关闭一小段时间，然后再启动，来实现暖启动。
测试方法是首先启动矢量信号源上的 GPS 仿真。接着启动 GPS 接收机进行定位。这将确保获得 GPS 接收机的当前星历数据。然后关闭 GPS接收机一小段时间，之后再启动。从启动到实现有效的3D 定位之间的时间间隔就是TTFF。测试至少应收集 50 个TTFF 的有效采样，然后分析这些采样的平均值、最小值和最大值，再计算出标准偏差。