陳 佳

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601）

引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車導航漸漸成為標配，導航GPS模塊是通過射頻技術(shù)實現(xiàn)定位的，市場上關(guān)于射頻的問題也時有發(fā)生，但對射頻指標的認識及測試方法仍有所缺乏?；赑XI技術(shù)平臺快速發(fā)展，給射頻信號的測試帶來新的方向，在一個平臺上通過配置專用模塊PXI板卡，實現(xiàn)不同功能集成，完成不同頻段的射頻信號收發(fā)模擬以及關(guān)鍵指標采集測量，可以有效對GPS性能指標進行測試評價。

1 GPS定義及組成

GPS是全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)的簡稱，由空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接收系統(tǒng)三部分組成。

空間衛(wèi)星系統(tǒng)由均勻分布在6個軌道平面上的24顆高軌道工作衛(wèi)星構(gòu)成，空間系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星每12小時沿近圓形軌道繞地球一周，由星載高精度原子鐘控制無線電發(fā)射機發(fā)射L1、L2兩種載波，向全球的用戶接收系統(tǒng)連續(xù)的播發(fā) GPS導航信號。GPS工作衛(wèi)星網(wǎng)保障全球任一時刻、任一地點都可對 4顆以上的衛(wèi)星進行觀測，這樣 GPS可以有效的進行2D（平面地圖）3D（立體地圖）定位。所能接收到的衛(wèi)星數(shù)越多，譯碼出來的位置就越精確。

地面監(jiān)控系統(tǒng)：由分布在全球的主控站、注入站和監(jiān)測站組成，負責完成數(shù)據(jù)采集、故障診斷、跟蹤監(jiān)測、衛(wèi)星調(diào)度、導航電文編輯和注入等工作。

GPS接收設(shè)備： GPS信號接收機主要由天線單元和接收單元兩部分組成，作用是接收放大GPS信號并對信號進行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航電文，解調(diào)信號的傳播時間和載波相位差，實時地獲得導航定位數(shù)據(jù)。汽車GPS性能測試的就是接收機的性能。

2 GPS射頻信號測試條件及原理

2.1 測試條件

①工作環(huán)境：環(huán)境溫度：15℃～35℃，無濕度及其他要求；

②硬件設(shè)備：矢量信號收發(fā)儀 NIPXIe-5840，屏蔽箱或通過有線連接GPS信號；

③軟件設(shè)備：通過LabVIEW軟件來編程實現(xiàn)，GPS射頻信號發(fā)生波段：1575.42MHz，GPS信號電平最小為-152dBm。

2.2 測試原理

射頻信號測試的主要設(shè)備為矢量信號收發(fā)儀-PXIe 5840，能夠發(fā)射和接受頻率9KHz-6GHZ，大小-80dbm-20dbm之間的任一信號，利用軟件調(diào)試可以模擬發(fā)送波段均為1575.42MHz，大小不等的 GPS信號，將模擬的信號發(fā)射至導航主機。GPS射頻信號測試臺架原理如圖1 所示，通過編制好的Labview軟件來發(fā)射射頻信號，能有效減少測試過程中信號的失真，使用的設(shè)備更少，測量更準確方便。

圖1 GPS射頻信號測試臺架原理

3 GPS射頻性能指標及測試方法

根據(jù) GPS 射頻模塊功能性能要求，結(jié)合歐洲標準、國內(nèi)相關(guān)標準及對市場要求，行業(yè)對GPS的評價指標包括GPS搜星能力、首次定位時間、位置精度、接收靈敏度、干擾測試等，一般車輛GPS模塊指標如下：（備注中帶☆表示暫時無法通過射頻臺架來測試）

表1

3.1 搜星能力

搜星能力是汽車導航的重要性能之一，理論上來說，GPS只要能夠接收空中三顆衛(wèi)星，就能夠通過計算得出當前所處位的三維（經(jīng)度、維度、高度）位置信息確定車輛所在的具體坐標。但如果三顆衛(wèi)星之一被阻礙的話就會出現(xiàn)信號中斷、定位不準等情況。因此為保證GPS性能，要求搜星個數(shù)至少為4顆。一般導航主機上顯示的是12顆衛(wèi)星的信號強弱，根據(jù)不同的位置有不同的要求。如圖2所示：

圖2 導航主機衛(wèi)星顯示

3.2 GPS首次定位時間

首次定位時間用于衡量接收機信號搜索過程的快慢程度，也稱“信號捕獲”。GPS首次定位時間是指在不同的模式下的定位時間，因為GPS模塊開機定位時間在不同的啟動模式下有很大不同，一般分為三類：

冷啟動：冷啟動時間是指模塊內(nèi)部沒有保存任何有助于定位的數(shù)據(jù)的情況，為接收機上電至捕獲第一個有效當行數(shù)據(jù)點之間的時間，一般要求≤45S。

溫啟動：GPS關(guān)機后在兩小時之后完成定位的時間，需要一般要求≤30S；

熱啟運：GPS關(guān)機后在兩小時之內(nèi)定位的時間，一般要求≤10S。

3.3 固定位置定位

固定位置定位測試是GPS性能最基本和最必要的測試，也是建立射頻信號測試臺架最主要的測試目的，包含精度測試、動態(tài)范圍測試、靈敏度測試、捕獲靈敏度測試、跟蹤靈敏度測試、損耗測試等。具體解釋及定義如下：

3.3.1 精度測試

GPS信號電平為-130dBm的定位準確性，要求測試定位到的偏差≤10m。

3.3.2 動態(tài)范圍測試

GPS信號電平分別為-125dBm、-128dBm、-131dBm、-134dBm、-137dBm、-140dBm、-143dBm、-146dBm、-149dBm、-152dBm的定位準確性，要求測試定位到的偏差≤15m。

3.3.3 靈敏度測試

GPS信號電平為-147dBm的定位準確性，要求測試定位到的偏差≤15m。

3.3.4 捕獲靈敏度測試

捕獲靈敏度是GPS發(fā)生“第一次定位”時能夠接收到的最低功率水平。該靈敏度的子集包括了在冷啟動、溫啟動和熱啟動條件下的獨立測量值，一般要求≤-141dBm。

3.3.5 跟蹤靈敏度測試

跟蹤靈敏度就是接收機能夠連續(xù)保持鎖定所需要的最低功率水平，一般要求≤-152dBm。

3.4 移動場景定位

設(shè)定GPS信號電平為-130dBm，模擬車輛以60km/h速度的定位準確性。（目前測試臺架暫不支持移動場景的實車測試，只能在導航實車標定過程中進行確認）

3.5 固定位置定位+信號干擾

3.5.1 精度測試

設(shè)定GPS信號電平為-130dBm，測試導航主機在加信號干擾(通話、WIFI傳輸或模擬射頻干擾源發(fā)送頻率為1575.42MHz的信號)的定位準確性。

3.5.2 動態(tài)范圍測試

GPS信號電平分別為-125dBm、-128dBm、-131dBm、-134dBm、-137dBm、-140dBm、-143dBm、-146dBm、-149dBm、-152dBm，加信號干擾的定位準確性。

3.5.3 靈敏度測試

GPS信號電平為-147dBm，加信號干擾的定位準確性。

3.6 移動場景定位+信號干擾

設(shè)定GPS信號電平為-130dBm，加信號干擾(通話、WIFI傳輸或模擬射頻干擾源)，模擬車輛以60km/h速度的定位準確性(可用戶自定義速度)；要求測試0小時、8小時、16時的衛(wèi)星星群，每次測試30分鐘。（目前測試臺架暫不支持移動場景的實車測試，只能在導航實車標定過程中進行確認）。

3.7 測試方法及步驟

下面以江淮某款 MPV為例進行測試，測試方法及步驟如下：

①連接電源，將矢量信號收發(fā)儀發(fā)射端口與導航主機GPS接口相連（如圖4、圖5所示）。

圖4 GPS測試臺架示意圖

圖5 GPS實物測試臺架

②打開GPS軟件界面，設(shè)置GPS射頻信號的大小、衛(wèi)星數(shù)量、以及相關(guān)經(jīng)緯度，如圖6GPS信號發(fā)出界面所示，設(shè)置合肥南站的經(jīng)緯度（北緯N31°48′1.99″，東經(jīng)E117°17′5.12″），衛(wèi)星數(shù)量為6個（最少為4個），軟件自動計算地點上方的衛(wèi)星（G1、G3、G6、G7、G14、G16），然后觀察MP5主機顯示的衛(wèi)星數(shù)量及型號及地圖顯示地點。

按圖7中MP5主機顯示的合肥南站地點，可以得出定位的偏差。

圖6 GPS信號發(fā)出界面

圖7 MP5地圖顯示

③將GPS信號設(shè)置為-147dBm，定位其他地址，測試靈敏度；再測試不同信號值-125dBm、-128dBm、-131dBm、-134dBm、-137dBm、-140dBm、-143dBm、-146dBm、-149dBm、-152dBm時的定位準確性，測試GPS的動態(tài)范圍，捕獲靈敏度和跟蹤靈敏度也可以類似進行測試。

4 結(jié)論

隨著汽車行業(yè)產(chǎn)品智能化配置逐漸豐富，無線射頻通訊產(chǎn)品在整車廣泛應(yīng)用。為充分驗證無線射頻通訊信號傳遞精度和準確性，汽車行業(yè)各整車廠或零部件廠商均在建立或提升自身對射頻通訊模塊的驗證能力。

本文首先對GPS的定義和功能進行了介紹，然后明確了汽車GPS模塊射頻性能的評價指標如GPS接收機的首次定位時間、定位精度、接收靈敏度、抗干擾性能等要求，通過PXI板卡及LabVIEW軟件對GPS的各種指標進行測試，可以有效確認GPS的性能，減少市場抱怨。

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