GPS接收機(jī)性能驗(yàn)證測試設(shè)計(jì)方案

一、引言

GPS（全球定位系統(tǒng)）作為現(xiàn)代導(dǎo)航和定位技術(shù)的重要組成部分，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括交通導(dǎo)航、農(nóng)業(yè)管理、科學(xué)研究以及軍事用途等。GPS接收機(jī)的性能直接影響其定位精度和可靠性，因此，對GPS接收機(jī)進(jìn)行性能驗(yàn)證測試至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹GPS接收機(jī)性能驗(yàn)證測試的設(shè)計(jì)方案，包括測試目標(biāo)、測試環(huán)境、測試設(shè)備、測試方法以及主控芯片型號及其在設(shè)計(jì)中的作用。

二、測試目標(biāo)

GPS接收機(jī)性能驗(yàn)證測試的主要目標(biāo)是評估接收機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，確保其在實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足需求。具體測試目標(biāo)包括：

1. 首次定位時(shí)間（TTFF）：測量接收機(jī)從冷啟動(dòng)到實(shí)現(xiàn)首次GPS導(dǎo)航定位所需的時(shí)間。

2. 定位精度：評估接收機(jī)定位仿真位置的準(zhǔn)確性。

3. 信號捕獲能力：測試接收機(jī)在信號阻斷后重新捕獲導(dǎo)航定位所需的時(shí)間。

4. 抗干擾能力：驗(yàn)證接收機(jī)在輸入端接收到干擾信號時(shí)保持正常工作的能力。

5. 靈敏度：測試接收機(jī)在不同GPS信號功率電平下的信號強(qiáng)度（C/N，載噪比）。

三、測試環(huán)境

測試環(huán)境對于GPS接收機(jī)性能驗(yàn)證測試至關(guān)重要。為了模擬真實(shí)應(yīng)用場景，測試環(huán)境應(yīng)盡可能接近實(shí)際使用條件。本方案采用深圳摩爾實(shí)驗(yàn)室（MORLAB）的測試環(huán)境，并引進(jìn)Agilent公司的GPS接收機(jī)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下功能：

1. 多衛(wèi)星GPS配置：最多支持8顆衛(wèi)星的仿真。

2. 實(shí)際場景仿真：能夠仿真多個(gè)城市的實(shí)際場景。

3. 實(shí)時(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)：與發(fā)送多普勒頻移和導(dǎo)航信息的衛(wèi)星同步。

4. 可見衛(wèi)星數(shù)量調(diào)整：支持1顆到8顆衛(wèi)星的調(diào)整。

5. 自動(dòng)波形回放：使用SCPI命令進(jìn)行自動(dòng)波形回放。

6. A-GPS模擬：可配合5515C等設(shè)備完成A-GPS部分的模擬。

四、測試設(shè)備

為了完成GPS接收機(jī)性能驗(yàn)證測試，需要以下設(shè)備：

1. Agilent GPS接收機(jī)測量系統(tǒng)：用于提供仿真衛(wèi)星信號和實(shí)時(shí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2. 信號發(fā)生器：用于模擬不同強(qiáng)度的干擾信號。

3. 衛(wèi)星信號模擬器：用于模擬GPS衛(wèi)星信號。

4. 功率計(jì)：用于測量信號強(qiáng)度。

5. 計(jì)算機(jī)及測試軟件：用于數(shù)據(jù)記錄和分析。

五、測試方法

1. 首次定位時(shí)間（TTFF）測試

首次定位時(shí)間是指GPS接收機(jī)從冷啟動(dòng)到實(shí)現(xiàn)首次GPS導(dǎo)航定位所需的時(shí)間。測試步驟如下：

1. 冷啟動(dòng)條件設(shè)置：通過關(guān)閉接收機(jī)至少2小時(shí)，或者使其星歷數(shù)據(jù)在相隔1000公里以上的兩個(gè)距離間進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)。

2. 測試開始：啟動(dòng)接收機(jī)，記錄從開機(jī)到獲得第一個(gè)有效的3D導(dǎo)航數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的時(shí)間。

3. 數(shù)據(jù)記錄：重復(fù)測試多次，記錄每次測試的結(jié)果，并計(jì)算平均值。

2. 定位精度測試

定位精度測試的目標(biāo)是評估接收機(jī)定位仿真位置的準(zhǔn)確性。測試步驟如下：

1. 靜態(tài)場景設(shè)置：使用靜止場景作為GPS仿真信號。

2. 數(shù)據(jù)記錄：記錄接收機(jī)輸出的定位數(shù)據(jù)。

3. 誤差計(jì)算：計(jì)算接收機(jī)輸出的定位數(shù)據(jù)與仿真位置之間的誤差。

4. 數(shù)據(jù)分析：重復(fù)測試多次，分析誤差數(shù)據(jù)，得出定位精度的結(jié)論。

3. 信號捕獲能力測試

信號捕獲能力測試的目的是確定在正常工作期間，所有GPS信號出現(xiàn)短暫阻斷后，GPS接收機(jī)重新捕獲導(dǎo)航定位所需的時(shí)間。測試步驟如下：

1. 信號阻斷設(shè)置：通過斷開衛(wèi)星信號模擬器至接收機(jī)的饋線實(shí)現(xiàn)信號阻斷。

2. 測試開始：在信號阻斷后，記錄接收機(jī)重新捕獲導(dǎo)航定位所需的時(shí)間。

3. 數(shù)據(jù)記錄：重復(fù)測試多次，記錄每次測試的結(jié)果，并計(jì)算平均值。

4. 抗干擾能力測試

抗干擾能力測試的目的是確定接收機(jī)在輸入端接收到干擾信號時(shí)保持正常工作的能力。測試步驟如下：

1. 干擾信號設(shè)置：使用信號發(fā)生器生成不同強(qiáng)度的干擾信號。

2. 測試開始：在干擾信號的作用下，記錄接收機(jī)的定位數(shù)據(jù)。

3. 數(shù)據(jù)記錄：記錄不同干擾強(qiáng)度下接收機(jī)的定位數(shù)據(jù)。

4. 數(shù)據(jù)分析：分析數(shù)據(jù)，得出接收機(jī)在不同干擾強(qiáng)度下的性能表現(xiàn)。

5. 靈敏度測試

靈敏度測試的目的是通過在不同GPS信號功率電平下測量信號強(qiáng)度（C/N，載噪比），來驗(yàn)證接收機(jī)的靈敏度。測試步驟如下：

1. 信號強(qiáng)度設(shè)置：使用衛(wèi)星信號模擬器設(shè)置不同強(qiáng)度的GPS信號。

2. 數(shù)據(jù)記錄：記錄不同信號強(qiáng)度下接收機(jī)的定位數(shù)據(jù)和信號強(qiáng)度。

3. 數(shù)據(jù)分析：分析數(shù)據(jù)，得出接收機(jī)在不同信號強(qiáng)度下的靈敏度表現(xiàn)。

六、主控芯片型號及其在設(shè)計(jì)中的作用

主控芯片是GPS接收機(jī)的核心部件，其性能直接影響接收機(jī)的整體性能。以下是一些常見的GPS接收機(jī)主控芯片型號及其在設(shè)計(jì)中的作用：

1. SiRF starIIe

SiRF starIIe是第一塊高性能的GPS芯片，發(fā)布于2002年。其低功耗版本SiRFstarⅡe/LP（GSW2.3）同樣具備出色的性能。這兩款芯片都采用1920次/頻率的相關(guān)器，冷開機(jī)/暖開機(jī)/熱開機(jī)的時(shí)間分別達(dá)到45s/35s/8s，可同時(shí)追蹤12個(gè)衛(wèi)星信道。

設(shè)計(jì)中的作用：

• 快速定位：通過高頻率的相關(guān)器，提高信號捕獲速度，縮短首次定位時(shí)間。

• 多衛(wèi)星追蹤：支持同時(shí)追蹤多個(gè)衛(wèi)星信道，提高定位精度和可靠性。

2. SiRF starIII

SiRF starIII是SiRF芯片在2004年發(fā)布的第三代芯片，其性能在民用GPS芯片中達(dá)到了頂峰。通過采用20萬次/頻率的相關(guān)器，提高了靈敏度，冷開機(jī)/暖開機(jī)/熱開機(jī)的時(shí)間分別達(dá)到42s/38s/8s，可同時(shí)追蹤20個(gè)衛(wèi)星信道。

設(shè)計(jì)中的作用：

• 更高靈敏度：更高的相關(guān)器頻率提高了信號捕獲的靈敏度，使得接收機(jī)在弱信號環(huán)境下也能保持良好的性能。

• 更多衛(wèi)星追蹤：支持同時(shí)追蹤更多衛(wèi)星信道，進(jìn)一步提高定位精度和可靠性。

3. Sony single chip solution CXD2951

Sony CXD2951是第三代GPS芯片，其特點(diǎn)是RF射頻芯片和基帶芯片集成在一起，具有-152dBm的高靈敏度。

設(shè)計(jì)中的作用：

• 高度集成：RF射頻芯片和基帶芯片的集成減少了芯片數(shù)量和電路板面積，降低了成本。

• 高靈敏度：高靈敏度使得接收機(jī)在弱信號環(huán)境下也能保持良好的性能。

4. Nemerix NJ1006 (RF) + NJ1030 (Baseband)

Nemerix NJ1006和NJ1030分別是RF射頻芯片和基帶芯片，組合使用具有高靈敏度和低功耗的特點(diǎn)。采用此芯片的GOPASS GPT-700在850mAh的鋰電池下可以連續(xù)工作20小時(shí)。

設(shè)計(jì)中的作用：

• 低功耗：低功耗設(shè)計(jì)使得接收機(jī)在長時(shí)間使用時(shí)能夠減少能耗，延長電池壽命。

• 高靈敏度：高靈敏度使得接收機(jī)在弱信號環(huán)境下也能保持良好的性能。

5. Evermore

Evermore是臺灣本地的IC制造商，其GPS芯片在性價(jià)比方面表現(xiàn)出色。采用此芯片的HAICOM 303E在性能上優(yōu)于HOLUX 270U。

設(shè)計(jì)中的作用：

• 高性價(jià)比：在保證性能的同時(shí)，降低了成本，使得接收機(jī)在價(jià)格上具有競爭力。

• 穩(wěn)定性能：通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，確保接收機(jī)的穩(wěn)定性能。

七、結(jié)論

GPS接收機(jī)性能驗(yàn)證測試是確保接收機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足需求的重要步驟。通過詳細(xì)的測試方案，包括測試目標(biāo)、測試環(huán)境、測試設(shè)備、測試方法以及主控芯片型號及其在設(shè)計(jì)中的作用，可以全面評估接收機(jī)的性能指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需求選擇合適的主控芯片和測試方案，以確保接收機(jī)的性能滿足要求。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，GPS接收機(jī)的性能將會不斷提升，為各個(gè)領(lǐng)域提供更加精確和可靠的定位服務(wù)。