如何測試黑科技“雙頻GPS”

王立群 中國信息通信研究院

1 引言

近期很多人會被一個新的黑科技名詞所洗腦：“雙頻GPS”。強(qiáng)調(diào)一下雙頻不是雙模，目前手機(jī)等大家常見的導(dǎo)航終端都只是多模單頻，比如同時支持GPS L1+北斗B1，其工作頻率都在L1頻段內(nèi)。雙頻GPS這個概念其實(shí)很早就有，時間可追溯到1980年1月6日GPS系統(tǒng)開始啟用，那時每顆GPS衛(wèi)星就同時發(fā)射兩個 不 同 頻 率 的 信 號 ：L1（1575.42MHz）、L2（1227.6MHz）。在很長一段時間中，使用雙頻GPS技術(shù)的設(shè)備的價格都十分昂貴，動輒幾萬至十幾萬美金，其定位精度最高可到毫米。由于GPS L2信號在設(shè)計(jì)初始沒有考慮到民用，美國從2010年左右開始發(fā)射帶有新民用信號L5（1176.45MHz）的BlockIIF衛(wèi)星，這時的GPS衛(wèi)星實(shí)際上開始發(fā)射3個不同的頻率了。作為新的民用信號L5，從一出生就自帶光環(huán)，抗多徑，抗衰落能力都很強(qiáng)。擁有L1L5的雙頻GPS設(shè)備雖然性能提高了，但是對于終端的要求也提高了，接收天線、功耗、射頻及帶內(nèi)干擾、信號選優(yōu)的策略，都需要精心的設(shè)計(jì)和全面的測試。

思博倫通信憑著30年GPS/GNSS測試經(jīng)驗(yàn)適時推出了GSS7000測試平臺，該平臺可同時輸出包括GPS L1L2L5、Beidou B1i B1c B2i B2a、Galileo E1E5、GLONASS L1L2、QZSS L1L2L5、SBAS L1L5在內(nèi)的所有信號，為多頻多模導(dǎo)航設(shè)備保駕護(hù)航。

2 GPS L5信號的前生今世

2.1 GPS L5信號的由來

GPSL5信號不是自GPS系統(tǒng)一開始就有的，而是隨著衛(wèi)星定位技術(shù)被廣泛使用，人們對定位系統(tǒng)要求越來越高應(yīng)運(yùn)而生的。

GPS系統(tǒng)是美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的簡稱，從1980年發(fā)射至今已經(jīng)經(jīng)歷了30多年。GPS系統(tǒng)初始目的只是為了服務(wù)美國全球軍事活動而設(shè)計(jì)，每顆衛(wèi)星都發(fā)射兩個載頻的信號L1（1575.42MHz）L2（1227.6MHz）。我們現(xiàn)在常用的L1C/A碼的信號在初期的設(shè)計(jì)上不是用來定位的，而是用來幫助捕獲P碼的，因此C/A稱為粗碼或捕獲碼，P碼稱為精碼。然而美國政府沒想到的是民用接收機(jī)技術(shù)發(fā)展很快，即使使用C/A碼也可以達(dá)到最高3米的定位精度，同時帶動的GPS產(chǎn)業(yè)也十分巨大。在此背景下美國政府決定進(jìn)行開展GPS現(xiàn)代化，即在新發(fā)射的GPS衛(wèi)星上增加更好的民用信號L5。

2.2 GPS L5信號有哪些特點(diǎn)，解決了哪些問題

作為早期設(shè)計(jì)的定位信號GPSL1 C/A有很多缺陷，比如：

●互相關(guān)性不好，會影響到信號的截獲和信號的完好性。

●C/A碼自相關(guān)旁峰不夠低，有可能影響信號截獲。

●抗干擾能力，包括抗窄帶干擾的能力弱。

●易受多徑影響。

●沒有糾錯編碼。

新的GPS L5信號從設(shè)計(jì)初始來解決L1 C/A的問題：

●L5的載頻是1176.45MHz，因此波長更長，衍射能力更好，自由空間衰減更小，達(dá)到地面的功率也會更高。同一條件下，L5信號比L1信號的功率高6個dB也就是4倍左右。

●L5兩個通道的偽隨機(jī)碼的速率均為10.23Mcps，周期為1ms或10230個基碼，而不是C/A碼的1.023Mcps和1023個基碼。碼速率提高了10倍因此碼片的長度變小了10倍，抗多徑的能力自然也提高了。（關(guān)于多徑的問題我們會在后面作為單一主題進(jìn)行討論）。

●導(dǎo)航（電文）數(shù)據(jù)本身的速率仍是50bit/s，然而在L5中要對其作1/2比率的前向糾錯卷積編碼，其速率變成了100sps。此時的L5信號具有了導(dǎo)航電文糾錯能力，可提高在低功率環(huán)境下定位速度。

●L5信號由兩個幅度相等而相位正交的分量組成，一個分量載有衛(wèi)星的導(dǎo)航電文（或叫做數(shù)據(jù)信號），一個未載有數(shù)據(jù)稱之謂無數(shù)據(jù)（或?qū)ьl）信號。無數(shù)據(jù)通道沒有180模糊性，從而改善了載波恢復(fù)能力，可實(shí)現(xiàn)瞬時載波模糊性解。

2.3 思博倫多星群多頻模擬器GSS7000

思博倫自1980年向美國宇航局NASA提供第一臺GPS模擬器以來，專注模擬器研發(fā)與生產(chǎn)30余年，積累了大量相關(guān)測試經(jīng)驗(yàn)，提供完善的GNSS測試解決方案。

思博倫模擬器產(chǎn)品的最大特點(diǎn)，是所有仿真模擬基于原初理論“FirstPrinciple”。從仿真所有衛(wèi)星運(yùn)動軌道開始，實(shí)時計(jì)算生成完全的導(dǎo)航電文，按ICD標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)制，在信號中加入鐘差、軌道誤差、相對論誤差、電離層、對流層等誤差，并同時仿真出載體接收天線在各種運(yùn)動狀態(tài)下的信號。所有計(jì)算均實(shí)時完成，無需提前下載數(shù)據(jù)或預(yù)執(zhí)行場景。

思博倫GSS7000可支持目前世界上已有的和將要發(fā)布的所有衛(wèi)星導(dǎo)航信號，是目前支持導(dǎo)航系統(tǒng)最全面的衛(wèi)星定位模擬器，其可支持的信號見表1。

表1 GSS7000可支持的信號

GSS7000多星群信號仿真器可實(shí)現(xiàn)單表仿真輸出以上所有信號的同時輸出，最多可同時輸出256個衛(wèi)星信號，為用戶提供最全面、最靈活的測試方案。

2.4 如何測試雙頻GPS

我們了解了GPS新的L5信號的起源、優(yōu)點(diǎn)及特性。但是無論信號在設(shè)計(jì)上多么出色，技術(shù)上多么先進(jìn)，如果終端產(chǎn)品沒有進(jìn)行合理的優(yōu)化，充分的測試，在用戶端也無法給出優(yōu)秀的評價來。因此，任何新技術(shù)的使用必然帶來新的測試方法。這里要指出的是，因?yàn)椴煌瑧?yīng)用對定位、導(dǎo)航和授時的要求不同，衛(wèi)星定位接收機(jī)測試沒有通用的標(biāo)準(zhǔn)，只有相應(yīng)應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 基本性能指標(biāo)測試

基本性能指標(biāo)指的是衛(wèi)星定位接收機(jī)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下可以達(dá)到的性能指標(biāo)。在雙頻GPS的時代，同樣需要測試如表2所示性能，但是項(xiàng)目會更復(fù)雜。芯片及系統(tǒng)集成商需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，來測試同一終端在單獨(dú)L1信號和L1L5信號下的基本性能指標(biāo)，尤其是多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多頻的環(huán)境下。比如，某款芯片其在GPSL1L5信號條件下比單獨(dú)GPSL1的捕獲靈敏度差，則設(shè)置策略在信號捕獲階段先只捕獲GPSL1信號，這樣既節(jié)約了功率又提高了捕獲靈敏度。更多信號的引入給了我們更多的選擇，但如何選擇完全決定于測試。完善而又合理的測試可以讓我們更全面理解產(chǎn)品，從而做出正確的應(yīng)對方案，提高最終用戶的體驗(yàn)。

表2 測試性能表

除了基本性能指標(biāo)的測試，由于新信號引入了新的特性，因此針對新特性的測試也是必不可少的。

●多徑測試：因?yàn)長5信號碼速率的提高，其每個碼片的長度比原來大大減小，從原來C/A碼的300米左右減小到30m左右，因此模擬接收機(jī)在嚴(yán)重環(huán)境中定位情況，測試接收機(jī)在此環(huán)境下使用單獨(dú)GPSL1與GPS L1L5的定位精度差別。此測試需要在模擬器環(huán)境下完成，否則無法得到準(zhǔn)確的真值作對比。

●導(dǎo)航電文誤碼測試：L5信號具有前向糾錯能力，使用模擬器在導(dǎo)航電文中加入錯誤碼片，檢測接收機(jī)在單L1和L1L5信號環(huán)境下抗誤碼的能力。

●抗干擾測試：在任何測試中都可以引入干擾源進(jìn)行接收設(shè)備的抗干擾測試。L5信號因?yàn)槭褂昧薖ilot和Data的IQ分量，以及本身到達(dá)地表的功率就比L1強(qiáng)，其具有更好的抗干擾能力，但需要測試才能得到某款設(shè)備的具體數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

綜上所述，作為有著專業(yè)衛(wèi)星定位測試30年經(jīng)驗(yàn)的思博倫來說，提供給用戶的是交鑰匙解決方案，能在最大程度上保證設(shè)備的可用度和可信度，從而最終提高用戶在使用中的體驗(yàn)。

思博倫推出業(yè)界密度最高的400G以太網(wǎng)解決方案，用于下一代網(wǎng)絡(luò)測試

測試和測量領(lǐng)域的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者思博倫通信近日正式推出第一款8端口1U機(jī)架式解決方案，適用于400/200/100/50G以太網(wǎng)測試。思博倫全新的pX3400G測試設(shè)備是世界上密度最高的400GQSFP-DD測試儀。該產(chǎn)品專為驗(yàn)證下一代超大規(guī)模多TB路由器和交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)性能及服務(wù)質(zhì)量而設(shè)計(jì)，所有測試能力均被囊括在1U機(jī)身的小巧空間之內(nèi)。

單臺pX3400G測試儀提供8個端口，而且可以級連最多255個pX3單元，為總計(jì)2040個測試端口提供時鐘同步，進(jìn)行高精度時延和抖動測試。這些設(shè)備可與思博倫豐富的高速以太網(wǎng)測試模塊和機(jī)箱產(chǎn)品協(xié)同使用。全新的pX3400G設(shè)備融合了思博倫的“增強(qiáng)結(jié)果”特性，具備強(qiáng)大的相關(guān)內(nèi)容深入可視和數(shù)據(jù)挖掘功能，使用戶能夠迅速導(dǎo)航至特定的端口或流，在短短數(shù)秒內(nèi)查明問題，即使在面對最大和最復(fù)雜的測試配置時亦可輕松應(yīng)對。

長期以來，思博倫一直在高速以太網(wǎng)測試領(lǐng)域持續(xù)開發(fā)和投入，幫助客戶以更快的速度進(jìn)入市場，并且早在2015年就推出屢獲大獎的400G解決方案。

本次發(fā)布的最新集成式可擴(kuò)展設(shè)備將幫助芯片制造商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商和運(yùn)營商/服務(wù)商為下一波的最新速度做好準(zhǔn)備，充分滿足客戶需求。此外，思博倫將在未來發(fā)布的產(chǎn)品中延續(xù)高端口密度的標(biāo)準(zhǔn)，為客戶帶來更高的投資回報(bào)和更小的機(jī)架占用空間。