目  錄

1．GPS導(dǎo)航簡介

2．伽利略導(dǎo)航簡介

3．Aeroflex GPS測試產(chǎn)品簡介

4．GPSG-1000測試應(yīng)用

1．GPS導(dǎo)航簡介

NAVSTAR (Navigation Satellite Timing And Ranging)，GPS (Global Positioning System) 是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的導(dǎo)航系統(tǒng)，最初用于軍用導(dǎo)航，由美國國防部建立和控制?，F(xiàn)在部分GPS功能可用于民用。

民用GPS全天候提供精度高于100米的三維定位和精確時(shí)間。GPS通過三角定位方式計(jì)算位置。當(dāng)已知衛(wèi)星位置、衛(wèi)星至接收機(jī)的距離，多顆衛(wèi)星就可以精確定位接收機(jī)。GPS通過測算時(shí)間來計(jì)算距離。

GPS系統(tǒng)由三部分組成

空間部分

控制部分

用戶部分

空間部分

空間由空間飛行器（SV）或衛(wèi)星組成，通常有24顆衛(wèi)星和備用衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星在20200公里高空12小時(shí)軌道上，每天以同樣的地面軌跡運(yùn)行。任何地點(diǎn)均可以看到5到12顆衛(wèi)星。

6條軌道平面均勻地分布在地球周圍，相互夾角60度，與赤道夾角55度。平面命名為A到F。每個(gè)軌道平面有四顆衛(wèi)星，空間位置不是平均分布，臨近衛(wèi)星位置從31.13度至119.98度。每個(gè)平面上均有不同的衛(wèi)星角度間隔。一個(gè)計(jì)算機(jī)模型計(jì)算衛(wèi)星空間位置，以便在某一衛(wèi)星故障時(shí)依然能夠保持理想的衛(wèi)星幾何分布。

GPS SV 框圖

GPS SV信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

每一GPS衛(wèi)星發(fā)射具有獨(dú)特編碼簽名的相同載波信號(hào)。此簽名由1023位偽隨機(jī)噪聲（PRN）編碼構(gòu)成，以1 ms周期重復(fù)發(fā)射。PRN碼與50bit/s的導(dǎo)航數(shù)據(jù)異或計(jì)算。合成的編碼以BPSK方式調(diào)制1575.42MHz載波。最終產(chǎn)生擴(kuò)頻信號(hào)。

控制部分

在全球分布有6個(gè)未命名的監(jiān)測站。每一監(jiān)測站連續(xù)監(jiān)測和接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信息，并傳送軌道和時(shí)鐘信息至主控制站。五個(gè)控制站（除Hawaii外）可向GPS衛(wèi)星上載信息。Colorado Springs被用于主控制站（MCS）。MCS從其它監(jiān)測站連續(xù)接收GPS衛(wèi)星、軌道和時(shí)鐘信息。MCS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的精確修正，并通過地面天線向GPS衛(wèi)星發(fā)送歷書（ephemeris）信息。

GPS控制部分的作用：

通過非經(jīng)常的、指令控制的小動(dòng)作運(yùn)動(dòng)，使衛(wèi)星保持正確的運(yùn)行軌道

修正和調(diào)整衛(wèi)星時(shí)鐘和數(shù)據(jù)

跟蹤GPS衛(wèi)星，生成并上載導(dǎo)航數(shù)據(jù)至每顆衛(wèi)星

在衛(wèi)星故障時(shí)調(diào)制衛(wèi)星位置以減小影響

用戶部分

GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)使GPS接收機(jī)可以計(jì)算時(shí)間和距離。GPS接收機(jī)僅接收信號(hào)，不發(fā)射信號(hào)。GPS發(fā)射的信號(hào)具有兩個(gè)頻率：L1（1575.42MHz）和L2 (1227.6MHz)。L1頻段可用于民用，L2頻段主要用于軍用。

GPS現(xiàn)代化

GPS系統(tǒng)現(xiàn)代化進(jìn)程正在布署，增加了新的信號(hào)，以提高精度和完整性。

GPS現(xiàn)化代信號(hào)

L2CS

L2CS提供了L2頻率的民用信號(hào)。由于硬件結(jié)構(gòu)不同，它僅在名為Block IIR-M及之后的衛(wèi)星上發(fā)射。L2CS信號(hào)用于增強(qiáng)導(dǎo)航精度、快速跟蹤和抗干擾。不同于C/A碼，L2CS包含兩組不同的PRN碼序列：民用中等長度碼（CM碼）和民用長碼（CL碼）。CM碼有10230位長，20ms重復(fù)一次。CL碼長度767250位，1500ms重復(fù)一次。它們的傳輸速率均為5115500位/秒，兩種編碼總計(jì)速率1023000位/秒。CM碼由導(dǎo)航信息CNAV調(diào)制，CL碼無數(shù)據(jù)調(diào)制，因此其相關(guān)性可以比L1 C/A碼高24dB，更易于信號(hào)跟蹤。

L5

民用生命安全信號(hào)隨GPS IIF（2009）開始發(fā)布。兩組PRN碼在L5載波上發(fā)射：同相碼（I5）和正交碼（Q5），長度無為10230位，速率10.23MHz（1ms重復(fù)）。I5為10位Neuman-Hofman碼以1KHz調(diào)制，Q5為20位Neuman-Hofman以1KHz調(diào)制。L5加載導(dǎo)航數(shù)據(jù)，Q5無數(shù)據(jù)加載。

改進(jìn)的信號(hào)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)系統(tǒng)的性能

比L1和L2更高的發(fā)射功率

寬帶寬提供更高的增益

使用了海事無線電導(dǎo)航服務(wù)頻段（1176.45MHz）

L1C

民用信號(hào)，在L1頻段廣播。PRN碼長度10230位，速率1.023Mbps，包括訓(xùn)練載波和數(shù)據(jù)載波，如L2C。使用BOC調(diào)制方式。將增強(qiáng)與Galileo L1波段信號(hào)協(xié)同工作的能力。

M碼（軍用）

（略）

2．伽利略導(dǎo)航簡介

Galileo是歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，為民用提供高精度、具有保證的全球定位服務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)的雙頻配置，可提供精度達(dá)1米的定位。伽利略系統(tǒng)保證在除極端情況外的各種環(huán)境下服務(wù)，使其適用于安全性要求高的應(yīng)用，如運(yùn)行的火車、導(dǎo)航車和著陸的飛機(jī)。

首顆試驗(yàn)衛(wèi)星于2003年發(fā)射。2005和2008各發(fā)射一顆測試衛(wèi)星。2010和2011計(jì)劃發(fā)射4顆IOV衛(wèi)星。伽利略全部運(yùn)行將包括30顆衛(wèi)星（27顆運(yùn)行+3顆備用），在3個(gè)距離地面23222Km的中距軌道運(yùn)行，與赤道夾角56度。

數(shù)量眾多的衛(wèi)星、優(yōu)化的星座位置及3顆備用星，使得單顆衛(wèi)星故障不會(huì)影響用戶使用。通過使用BOC（二進(jìn)制偏移載波）技術(shù)，減少了與GPS BPSK信號(hào)的相互干擾。

地面部分：

2個(gè)Galileo控制中心，位于歐洲，功能包括軌道控制、完整性和任務(wù)控制、衛(wèi)星控制、服務(wù)產(chǎn)品、精確時(shí)間設(shè)備（PTF）

15個(gè)Galileo上行站：位于全球各地，5個(gè)Telemertry、Telelcommand和Tracking站，9個(gè)任務(wù)上行站

30個(gè)Galileo監(jiān)測站：位于全球各地，監(jiān)視衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)服務(wù)質(zhì)量

Galileo服務(wù)包括：

OS（開放服務(wù)）：免費(fèi)發(fā)射，最大的用戶群，提供時(shí)間和定位（1米精度）

CS（商用服務(wù)，加密）：高數(shù)據(jù)速率，定位精度達(dá)厘米。確保為付費(fèi)者的服務(wù)。

SoL（生命安全）：開放服務(wù)，用于對(duì)精度要求高的應(yīng)用，提供完整性信息。

PRS（公共管理服務(wù)，加密）：在危急時(shí)刻仍然能提供服務(wù)，主要客戶為政府機(jī)構(gòu)

SAR（搜救服務(wù)）：收集遇險(xiǎn)信標(biāo)位置信息，可發(fā)送反饋信息，確認(rèn)救援正在路上。

Galileo信號(hào)

3．Aeroflex GPS測試產(chǎn)品簡介

Aeroflex提供有兩款GPS仿真測試設(shè)備：

單星測試設(shè)備：GPS-101

6星/12星測試設(shè)備：GPSG-1000

GPS-101全球定位模擬器能夠?qū)θ蛐l(wèi)星定位(GPS)系統(tǒng)接收機(jī)進(jìn)行精確和可重復(fù)的測試。這種測試能力通過模擬一顆全球定位衛(wèi)星，并生成一個(gè)特定的衛(wèi)星(SV)和導(dǎo)航(NAV)數(shù)據(jù)碼型來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合遠(yuǎn)程載入的GPS星歷信息和RF電平/頻率控制，GPS-101為驗(yàn)證GPS系統(tǒng)操作完整性提供了一款輕松便攜的測試解決方案。

快速驗(yàn)證GPS接收機(jī)的操作完整性

可選擇衛(wèi)星（SV）數(shù)據(jù)和導(dǎo)航（NAV）數(shù)據(jù)

可調(diào)整RF電平，范圍從-85 dBm至-145 dBm，步長為1 dB

多普勒頻移控制使操作人員可以選擇大約4 kHz的載波頻移

使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘存儲(chǔ)GPS星歷

直接（或通過天線耦合器）連接接收機(jī)

采用電池供電，輕巧便攜

GPSG-1000 是一種可通過軟件升級(jí)的單載波、多信道模擬器，便攜式、電池供電，具有6通道和12通道兩種配置。擁有6信道配置的 GPSG-1000 提供三維位置模擬，其中五個(gè)信道支持 RAIM 運(yùn)行，一個(gè)信道用于 SBAS、WAAS 或 EGNOS 模擬。12信道配置具有與6信道單元相同的功能，并增加了六個(gè)信道。從而可選擇對(duì)可見人造衛(wèi)星（SV）進(jìn)行任意組合。

模擬 GPS 信號(hào)：L1、L1C、L2C、L5

模擬 Galileo 信號(hào)：E1、E5、E5a、E5b、E6

同時(shí)模擬 GPS/Galileo 信號(hào)

模擬 SBAS 衛(wèi)星

WAAS/EGNOS L1、L5

MSAS

GAGAN

靜態(tài)模擬或通過航路點(diǎn)錄入系統(tǒng)模擬多航段動(dòng)態(tài)位置

6或12信道配置，提供升級(jí)服務(wù) (支持RAIM)

可編程人造衛(wèi)星 (SV) 參數(shù)和健康狀況

用戶或 UTC 基準(zhǔn)時(shí)間和日期

直接連接接收機(jī)或利用天線耦合器工作

配有直觀用戶界面的超大觸摸屏顯示器

遠(yuǎn)程控制接口 USB/LAN

NMEA 0183 數(shù)據(jù)輸入

   來源：C114中國通信網(wǎng)

4．GPSG-1000測試應(yīng)用

4．1 連接方式

電纜直接連接：GPSG-1000內(nèi)部具有隔直模塊，不需外置

耦合器連接：GPSG-1000標(biāo)配的耦合器具有屏蔽功能，不需要屏蔽室

4．2 GPS接收機(jī)通訊

一些GPS接收機(jī)具有維護(hù)界面，可提供NMEA-183語句，用戶可以看到SV的參數(shù)。使用GSA語句可以檢測GPS接收機(jī)是否定位從而進(jìn)行TTFF（首次定位時(shí)間）測試。

4．3 靈敏度測試

4．3．1 跟蹤靈敏度：接收機(jī)能夠收到單顆星的最小接收電平

將GPSG-1000與接收機(jī)耦合，從SV列表中選擇仰角接近90度的衛(wèi)星，設(shè)置為ON，其它衛(wèi)星設(shè)置為OFF。改變電平，使接收機(jī)C/N值達(dá)到特別設(shè)定值，此時(shí)電平為跟蹤靈敏度。

4．3．2 捕獲靈敏度：接收機(jī)能夠進(jìn)行靜止定位的最小接收電平

將GPSG-1000與接收機(jī)耦合，將SV列表中的衛(wèi)星全部設(shè)置為ON。逐漸改變電平，使接收機(jī)實(shí)現(xiàn)定位，此時(shí)電平為捕獲靈敏度。

4．4 初次定位時(shí)間（TTFF）和定位精度測試

根據(jù)接收機(jī)保存的星歷、歷書和位置信息的狀態(tài)不同，GPS信號(hào)強(qiáng)度不同，初次定位時(shí)間也不同，測試分為冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)。

4．4．1 冷啟動(dòng)

GPS接收機(jī)沒有保存有效的星歷、歷書和位置信息，需要依次通過GPS衛(wèi)星信號(hào)下載星歷、歷書和位置信息。這需要幾分鐘時(shí)間。

4．4．2 溫啟動(dòng)

GPS接收機(jī)保存有近1周內(nèi)的星歷信息，但沒有有效的歷書信息。如果接收機(jī)的時(shí)間誤差在20秒以內(nèi)，位置誤差在100公里以內(nèi)，溫啟動(dòng)時(shí)間通常在60秒以內(nèi)，有時(shí)會(huì)是非常短的時(shí)間。
注：歷書4小更新一次。如果GPS接收機(jī)沒有溫啟動(dòng)功能，可以使其歷書過期進(jìn)行測試。

4．4．3 熱啟動(dòng)

GPS接收機(jī)保存有最新的星歷和歷書信息，關(guān)機(jī)時(shí)間小于2小時(shí)，位置移動(dòng)小于100米，則熱啟動(dòng)時(shí)間通常會(huì)在0.5秒至20秒。

4．4．4 TTFF測量精度

由于衛(wèi)星每12小時(shí)圍繞地球一周，衛(wèi)星的位置和角度在不斷變化，TTFF與衛(wèi)星分布、角度、信號(hào)強(qiáng)度都有關(guān)系，因此需要設(shè)置不同的UTC時(shí)間測試，以驗(yàn)證不同環(huán)境下性能。

4．4．5 位置精度

同樣，GPS衛(wèi)星的空間分布、角度和強(qiáng)度也會(huì)影響到位置精度，測試位置精度時(shí)，也需要在不同UTC時(shí)間下進(jìn)行，從而得到更準(zhǔn)確的測試結(jié)果。

4．5 接收機(jī)自體完好性監(jiān)控（RAIM）測試與SV幾何分布

具有RAIM功能的接收機(jī)需要至少5顆衛(wèi)星，通過比較不同衛(wèi)星組合方式測定的位置，判斷定位的可靠性并適時(shí)發(fā)出警告。

GPSG-1000可以提供6顆或12顆衛(wèi)星信號(hào)，用戶可以通過以下方式改變SV幾何分布，降低定位精度，從而啟動(dòng)接收機(jī)RAIM警告功能：

選擇低仰角衛(wèi)星，其它衛(wèi)星設(shè)置為非健康狀態(tài)BAD

選擇衛(wèi)星使其在一個(gè)小范圍內(nèi)，夾角小，其它衛(wèi)星設(shè)置為BAD狀態(tài)

設(shè)置極點(diǎn)位置：GPS衛(wèi)星的軌道產(chǎn)生了6個(gè)極點(diǎn)區(qū)域，這些區(qū)域上空衛(wèi)星稀少，可視衛(wèi)星的仰角低，定位精度差

4．6 輔助GPS（A-GPS）測試

手機(jī)內(nèi)置的GPS接收機(jī)可由基站向其傳送星歷、歷書和其它輔助數(shù)據(jù)，使其更加快速地定位。

GPSG-1000的A-GPS選件可用于與aeroflex 4400或其它CDMA/GSM手機(jī)測試儀協(xié)同工作，對(duì)內(nèi)置GPS接收功能手機(jī)進(jìn)行A-GPS協(xié)議的全面測試。

GPSG-1000要由用戶產(chǎn)生62.5分鐘的場景，或5個(gè)導(dǎo)航信息。這些數(shù)據(jù)文件由實(shí)時(shí)仿真軟件產(chǎn)生，通過遠(yuǎn)程控制由網(wǎng)口傳送。GPSG-1000可以存儲(chǔ)場景和相應(yīng)的文件。這些文件包括：

Acquisition: 時(shí)間標(biāo)記數(shù)據(jù)

Processed Navigation Data: 帶時(shí)間標(biāo)記的星歷和歷書數(shù)據(jù)，使用工程單位

Raw Navigation Data: (5 messages) 用于靈敏度協(xié)助

4400使用這三個(gè)帶有時(shí)間標(biāo)記的文件，產(chǎn)生協(xié)助數(shù)據(jù)，并傳送給被測手機(jī)。4400通過網(wǎng)口控制GPSG-1000仿真，并通過硬件觸發(fā)仿真。GPSG-1000的外部10MHz時(shí)鐘由4400提供，使得射頻信號(hào)與4400內(nèi)部用于仿真的數(shù)據(jù)同步。