GPS接收机性能验证测试设计方案

一、引言

GPS（全球定位系统）作为现代导航和定位技术的重要组成部分，已经广泛应用于各种领域，包括交通导航、农业管理、科学研究以及军事用途等。GPS接收机的性能直接影响其定位精度和可靠性，因此，对GPS接收机进行性能验证测试至关重要。本文将详细介绍GPS接收机性能验证测试的设计方案，包括测试目标、测试环境、测试设备、测试方法以及主控芯片型号及其在设计中的作用。

二、测试目标

GPS接收机性能验证测试的主要目标是评估接收机的各项性能指标，确保其在实际应用中能够满足需求。具体测试目标包括：

1. 首次定位时间（TTFF）：测量接收机从冷启动到实现首次GPS导航定位所需的时间。

2. 定位精度：评估接收机定位仿真位置的准确性。

3. 信号捕获能力：测试接收机在信号阻断后重新捕获导航定位所需的时间。

4. 抗干扰能力：验证接收机在输入端接收到干扰信号时保持正常工作的能力。

5. 灵敏度：测试接收机在不同GPS信号功率电平下的信号强度（C/N，载噪比）。

三、测试环境

测试环境对于GPS接收机性能验证测试至关重要。为了模拟真实应用场景，测试环境应尽可能接近实际使用条件。本方案采用深圳摩尔实验室（MORLAB）的测试环境，并引进Agilent公司的GPS接收机测量系统。该系统具有以下功能：

1. 多卫星GPS配置：最多支持8颗卫星的仿真。

2. 实际场景仿真：能够仿真多个城市的实际场景。

3. 实时卫星数据：与发送多普勒频移和导航信息的卫星同步。

4. 可见卫星数量调整：支持1颗到8颗卫星的调整。

5. 自动波形回放：使用SCPI命令进行自动波形回放。

6. A-GPS模拟：可配合5515C等设备完成A-GPS部分的模拟。

四、测试设备

为了完成GPS接收机性能验证测试，需要以下设备：

1. Agilent GPS接收机测量系统：用于提供仿真卫星信号和实时卫星数据。

2. 信号发生器：用于模拟不同强度的干扰信号。

3. 卫星信号模拟器：用于模拟GPS卫星信号。

4. 功率计：用于测量信号强度。

5. 计算机及测试软件：用于数据记录和分析。

五、测试方法

1. 首次定位时间（TTFF）测试

首次定位时间是指GPS接收机从冷启动到实现首次GPS导航定位所需的时间。测试步骤如下：

1. 冷启动条件设置：通过关闭接收机至少2小时，或者使其星历数据在相隔1000公里以上的两个距离间进行切换，实现冷启动。

2. 测试开始：启动接收机，记录从开机到获得第一个有效的3D导航数据点之间的时间。

3. 数据记录：重复测试多次，记录每次测试的结果，并计算平均值。

2. 定位精度测试

定位精度测试的目标是评估接收机定位仿真位置的准确性。测试步骤如下：

1. 静态场景设置：使用静止场景作为GPS仿真信号。

2. 数据记录：记录接收机输出的定位数据。

3. 误差计算：计算接收机输出的定位数据与仿真位置之间的误差。

4. 数据分析：重复测试多次，分析误差数据，得出定位精度的结论。

3. 信号捕获能力测试

信号捕获能力测试的目的是确定在正常工作期间，所有GPS信号出现短暂阻断后，GPS接收机重新捕获导航定位所需的时间。测试步骤如下：

1. 信号阻断设置：通过断开卫星信号模拟器至接收机的馈线实现信号阻断。

2. 测试开始：在信号阻断后，记录接收机重新捕获导航定位所需的时间。

3. 数据记录：重复测试多次，记录每次测试的结果，并计算平均值。

4. 抗干扰能力测试

抗干扰能力测试的目的是确定接收机在输入端接收到干扰信号时保持正常工作的能力。测试步骤如下：

1. 干扰信号设置：使用信号发生器生成不同强度的干扰信号。

2. 测试开始：在干扰信号的作用下，记录接收机的定位数据。

3. 数据记录：记录不同干扰强度下接收机的定位数据。

4. 数据分析：分析数据，得出接收机在不同干扰强度下的性能表现。

5. 灵敏度测试

灵敏度测试的目的是通过在不同GPS信号功率电平下测量信号强度（C/N，载噪比），来验证接收机的灵敏度。测试步骤如下：

1. 信号强度设置：使用卫星信号模拟器设置不同强度的GPS信号。

2. 数据记录：记录不同信号强度下接收机的定位数据和信号强度。

3. 数据分析：分析数据，得出接收机在不同信号强度下的灵敏度表现。

六、主控芯片型号及其在设计中的作用

主控芯片是GPS接收机的核心部件，其性能直接影响接收机的整体性能。以下是一些常见的GPS接收机主控芯片型号及其在设计中的作用：

1. SiRF starIIe

SiRF starIIe是第一块高性能的GPS芯片，发布于2002年。其低功耗版本SiRFstarⅡe/LP（GSW2.3）同样具备出色的性能。这两款芯片都采用1920次/频率的相关器，冷开机/暖开机/热开机的时间分别达到45s/35s/8s，可同时追踪12个卫星信道。

设计中的作用：

• 快速定位：通过高频率的相关器，提高信号捕获速度，缩短首次定位时间。

• 多卫星追踪：支持同时追踪多个卫星信道，提高定位精度和可靠性。

2. SiRF starIII

SiRF starIII是SiRF芯片在2004年发布的第三代芯片，其性能在民用GPS芯片中达到了顶峰。通过采用20万次/频率的相关器，提高了灵敏度，冷开机/暖开机/热开机的时间分别达到42s/38s/8s，可同时追踪20个卫星信道。

设计中的作用：

• 更高灵敏度：更高的相关器频率提高了信号捕获的灵敏度，使得接收机在弱信号环境下也能保持良好的性能。

• 更多卫星追踪：支持同时追踪更多卫星信道，进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，其特点是RF射频芯片和基带芯片集成在一起，具有-152dBm的高灵敏度。

设计中的作用：

• 高度集成：RF射频芯片和基带芯片的集成减少了芯片数量和电路板面积，降低了成本。

• 高灵敏度：高灵敏度使得接收机在弱信号环境下也能保持良好的性能。

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

Nemerix NJ1006和NJ1030分别是RF射频芯片和基带芯片，组合使用具有高灵敏度和低功耗的特点。采用此芯片的GOPASS GPT-700在850mAh的锂电池下可以连续工作20小时。

设计中的作用：

• 低功耗：低功耗设计使得接收机在长时间使用时能够减少能耗，延长电池寿命。

• 高灵敏度：高灵敏度使得接收机在弱信号环境下也能保持良好的性能。

5. Evermore

Evermore是台湾本地的IC制造商，其GPS芯片在性价比方面表现出色。采用此芯片的HAICOM 303E在性能上优于HOLUX 270U。

设计中的作用：

• 高性价比：在保证性能的同时，降低了成本，使得接收机在价格上具有竞争力。

• 稳定性能：通过优化设计和生产工艺，确保接收机的稳定性能。

七、结论

GPS接收机性能验证测试是确保接收机在实际应用中能够满足需求的重要步骤。通过详细的测试方案，包括测试目标、测试环境、测试设备、测试方法以及主控芯片型号及其在设计中的作用，可以全面评估接收机的性能指标。在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的主控芯片和测试方案，以确保接收机的性能满足要求。随着技术的不断发展，GPS接收机的性能将会不断提升，为各个领域提供更加精确和可靠的定位服务。