GPS测试所面临的问题

同时位于地平线上的卫星数随着时间地点而异，最少为4 颗，最多为12 颗。GPS 工作卫星编号按PRN（卫星采用的伪随机噪声码）编号。导航卫星有BLOCK I、BLOCK II、BLOCK III 三种。每个卫星上具有完全相同和准确的时钟，并保持有8 个卫星的准确位置信息，其时钟与建在地面的时钟准确保持同步。GPS卫星的核心部件是高精度时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及处理器。

其作用是：1、用L 波段的无线电连续不段地发送导航定位电文，由导航电文可以知道该卫星的当前位置和卫星工作状态；

2、当卫星飞越注入站上空时，接收地面S 波段发送到卫星的导航电文和其他有关信息；

3、接收地面主控站发送到卫星的调度命令；适时改正运行偏差

4、通过星载铯钟提供高稳定时间标准。当前GPS 接收机的主要发展

趋势是：集成化、小型化、多通道。GPS 系统特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作方便、应用广泛。GPS 抗干扰性能好，保密性强（如要破解，需要知道所有卫星所采用的伪随机码PRN 的种类、码长和初相，这显然不容易）。GPS 卫星信号包括3 种信号分量：载波、测距码和数据码时钟频率f0=10.23MHz，利用频率综合器产生所需要的频率。所有这些GPS 信号都是由10.23MHz 基准信号时钟产生的。GPS 卫星发送的信号为扩频信号，有L1 和L2 两个分量组成，两个载波之间频差为347.82MHz，等于L1 的28.3%。选择L 波段基频10.23MHz 分别154 和120 次倍频，选择这两个载频，目的是测量出消除由于电离层效应所产生的延时误差。

GPS 的两种测距码，即是C/A 和P 码（P 码又称Y 码），都是伪随机噪声码（Psendo Random Noise，简写PRN），简称伪码。特点是具有良好的自相关性和某种编码规则，其良好的单峰自相关特性及可复制性使得可准确测量GPS 卫星与接收机之间的信号传播时延，低的互相关性使得所有卫星在同一频率上发射信号而不造成相互干扰。GPS 系统正式利用了PRN 码的这些优点，使得伪随机噪声编码技术识别和分离各颗卫星信号，并提供无模糊度的测量数据。卫星导航信号的电波传播特性既具有了卫星通信的特点又具有移动通信的特点，它不但传输损耗大，而且还存在多普勒效应和多径效应，又由于导航系统的特点，还需要考虑对流层和电离层的传播延时，以及各种认为或实际环境中的干扰。即多径衰落、多普勒频移、噪声以及对流层和电离层传播延迟应成为关注的重点。

多径衰落

从一个卫星发射端发出的导航信号电波在从发送到接收的传播过程中，会由于在其传播路径上存在建筑物、树木、植被、起伏的地形、海面和水面等因素而引起信号电波的发射、散射和绕射，使得到达接收机的信号不是从单一路径传播来的，而是从许多条路径传播来的众多发射电波的合成。由于信号电波通过的各条路径的距离不同，因而出各条路径传播来的发射电波到达接收端的时间不同，相位也不同。不同相位的多个信号电波在接收端进行迭加，有时是同相迭加而增强，有时是反相迭加而减弱，从而使接收端的信号幅度急剧起伏，这就产生了多径衰落，它是一种快衰落。在接收卫星导航信号的过程中，由于用户端移动站的天线一般比较矮和较小且没有方向性，接收机会接收从各条传播路径而来的信号电波，因此卫星导航信号的电波必然会受到多径衰落的影响。我们称对传输信号造成多径衰落的信道为多径衰落信道。

多普勒频移

GPS 卫星不是对地球同步的，它们不断地相对地球移动，移动目标发射的某些类型能量波（例如光波、无线电或声波）将显示出多普勒频移。也就是说，如果它朝着原理接收器的方向移动，其频率将显得低于L1，而如果它朝着接收器方向移动，其频率将显得比L1 高。GPS 接收器的设计会考虑如何处理GPS 卫星的多普勒频移，因此仿真测试仪也必须用一种方法对其输出施加多普勒频移以确定接收器工作正常。此外，定位测试需要仿真至少4 颗卫星发送的信号，单通道测试系统一次仅能仿真一颗卫星，因此，为了准确测试定位特性，需要多通道的GPS 测试系统。

传播噪声

传播噪声是指卫星、卫星导航信号接收机天线收到的电波传播环境产生的噪声，包括太阳系噪声、宇宙噪声、大气噪声、降雨噪声、地面噪声和干扰噪声等，还有接收系统本身的内部噪声。

对流层延迟

对流层是大气较低的部分，对于低于15GHz 的频率来说它是非色散的，在这种介质中，与L1 和L1上GPS 载波和信号信息相关联的相速和群速，都相对自由空间传播被同等地延迟了。这种延迟随对流层折射率而变，而其折射率取决于当地的温度、压力和相对湿度。如果不补偿，则会影响接收机的定位精度。归纳而言，在一般性商业应用中，GPS 用户体验最为关键，决定用户体验质量的因素包括：

1） 从打开GPS 设备到确定接收机位置，需要多长时间？

2） 当遇到微弱信号或劣质信号时，接收机是否仍能确定其位置？

3） 如果信号中断随后恢复，接收机需要多长时间才能复原并重新计算其位置？

4） 计算位置的精度？

在高端商业或军事应用中，许多其他类型的GPS 条件可能会变得非常重要，例如：

1） 如何精确地确定位置或时间？

2） 这种解决方案的重复性如何？

3） 接收机对于干扰信号的灵敏度如何？

4） 接收机能够在多短时间内报告其位置(如果接收机正在快速移动-例如在飞机上)？针对上述提到的GNSS 接收设备测试过程中遇到的各种问题，全球几大知名测试测量厂商相继给出了各自的测试解决方案。相比起最早直接用室外天线根据实际的GPS 卫星信号来进行定性测试的原始方法，当前主流的测试方法即是采用信号模拟器来实现。GPS 卫星信号模拟器主要包括两部分，一部分是仿真数据生成和控制单元，另一部分是射频信号仿真单元。根据卫星轨道、卫星钟差、卫星设备时延、空间环境参数、用户运动轨迹，参考地球自转和相对论效应，仿真生成接收时刻的观测量、包括伪距时标、伪距、伪距变化速度伪距变化加速度、多普勒频移、载波相位等数据。数据仿真阶段，各种对卫星导航有影响的系统和环境因素，如卫星轨道、空间环境、用户轨迹、多径效应等因素都已完成建模，数学仿真利用这些模型计算出伪距、伪距率、多径延迟等参数，这些参数已经包含了GPS 射频信号仿真所需的全部信息，如大气传播效应已经折合在伪距之中，目标的运动速度体现在多普勒频移里。所以，GPS 射频信号仿真不需要进行系统建模和仿真计算工作，只需要将数据仿真的结果真实地“翻译”成GPS 卫星导航射频信号，核心问题是信号的精度和质量。射频信号仿真需要实现所有的GPS 卫星通道的射频信号。