GPS信号仿真器校准方法

陈海咏 金雷鸣/上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

2011年4月10日4时47分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭，成功地将第八颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道，标志着我国卫星定位系统的建设又向前迈进了一步。

GPS自20世纪90年代开始发展到现在，十几年来已由原先专用于军事领域转而普及到了民用范围。尤其是近几年GPS终端设备在国内需求猛增，汽车、手机、PDA等，几乎每个种类的电子产品都能看到GPS的身影。随着人们生活质量不断提升，对相关产品的要求也越来越高。生产商早早看到了这块市场的美好前景，各种不同类型的移动定位设备层出不穷。为了测试此类产品的综合性能，制造商过去使用天线接收实际GPS信号作为测试手段的方式既不灵活，投资成本又高，而GPS信号仿真技术就能很好地解决这一技术难题。各类GPS信号仿真器已经成为GPS终端制造商广泛使用的测试仪器，因此对仿真器的量值溯源显得尤为重要。

1 GPS信号特点及仿真器性能

GPS导航系统的基本原理是测量已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可测算出接收机的具体位置。

传统的GPS卫星在主频率L1（1575.42 MHz）和次频率L2（1227.60 MHz）上发射导航信号，它们的频率分别是基本频率10.23 MHz的154倍和120倍，这些载波频率由扩频码和一个共同的导航数据电文进行调制。所有卫星以CDMA的形式在相同的载波频率上发射信号。

全球定位系统GPS卫星的定时信号提供纬度、经度和高度的信息。准确的距离测量需要准确的时钟，因此，其内部晶体振荡器和频率合成的准确度至关重要。

GPS导航卫星L1信号卫星发射机功率为26 W，卫星天线增益12 dB，卫星至地面的路径损耗约为-182.5 dB，因此，GPS信号到达地面时已经很弱，深埋在噪声信号中。仿真器能够模拟这种小信号输出模式，但也给校准带来了困难。

GPS仿真器具备了多卫星GPS 配置，通过采用模块化设计，能够轻松地适应不同应用的需求。它可以在一个信号发生器装置中支持多个RF载波信号，而且有多种星座和信号可供选择。如果需要更多的信号与输出，可以将多个装置组合到一起，构成一套集成化的、同步的信号发生系统。

仿真器还提供了真实的卫星数据(发送多普勒频移和导航信息的同步卫星)，以及模拟环境的能力，包括模拟大气效应、多路径反射、地形障碍、天线接收增益/相位模式和差分校正等，为陆地、航空、航海和航天交通工具生成轨迹。

GPS信号仿真器工作方式见图1。

图1 GPS信号仿真器工作方式

2 主要参数的校准方法

由于现在国家还没有校准规范专门针对该类信号仿真器，但其大部分参量国家已经有相关的校准规范。我们在参照这些相关校准规范及生产厂家的校准手册的基础上，摸索行之有效的校准方法，对信号仿真器的主要项目：频率、电平、调制等参数进行校准。

进行校准前，被校信号仿真器和校准用设备应该预热30～60min。

2.1 频率准确度校准

频率准确度是数字信号源的重要技术指标，其内部晶体振荡器的校准参照JJG180-2002 《电子测量仪器内石英晶体振荡器检定规程》进行。

在测试普通数字调制信号发生器输出单频信号的合成频率时，可以直接通过频率计读数，但在测试GPS仿真器时，会稍微复杂一些。GPS信号的特征之一是其信号相当微弱，往往会被环境噪声或是一些旧型号仪器的本底噪声湮没，所以它的信号强度要低于频率计的最高灵敏度，使频率计无法捕捉到信号。我们用一个具备较高频率分辨力的频谱仪来完成这项校准。检测时先使仿真器输出单点频载波信号，调节仿真器输出电平至最大，为了得到最高的频率准确度，需调节频谱仪的中频滤波器带宽至最小；然后放大SPAN，使用频谱仪的MARK功能测试信号峰值电平，直接读出频率值。

对于GPS仿真器通常选取1575.42 MHz和1227.60 MHz两个常用的频率校准点。

2.2 电平准确度校准

与测试合成频率类似，为了模拟地面收到的GPS小信号，GPS仿真器的最大输出电平一般在-50 dB左右，衰减最小能到-130 dB。造成测量接收机无法捕捉频率而难以测量其调谐电平值。

与频率测试不同的是，电平测试所接触的信号更小，测试难度更大。同样，采用一台低噪声、高灵敏度的频谱分析仪来完成功率电平及其衰减的校准。

测试时，要调整频谱仪设置，使其达到最高灵敏度，提高读数可重复性，以完成小信号的校准，可以有三个方法。

首先，用尽可能小的输入衰减以得到最好的灵敏度。因为当降低后的衰减量加到检波器的信号电平时，中放增益会同时增加10 dB来补偿这个损失，其结果使仪表显示的信号幅度保持不变。但是，噪声信号却会很大程度上受放大器的影响，其电平会被放大，增加10 dB。既然内部噪声主要由中放的第一级产生，因而输入衰减器不影响内部噪声电平，但输入衰减器影响混频器的信号电平，并降低了信噪比。

其次，也可用尽可能小的分辨力带宽设置得到最好的灵敏度。频谱仪中频滤波器会对中放产生的宽带白噪声有频带抑制功能，所以RBW越小，通过中频滤波器的噪声能量越小，则通过建波后显示噪声的能量越低。显示的噪声电平和分辨力带宽RBW之间的关系：

噪声电平变化(dB) = 10 log(分辨带宽2/分辨带宽1)

第三，用以上两种方法后，当被测信号继续衰减，接近噪声电平时，附加的噪声叠加在扫描线上，致使信号读取困难。此时可以通过视频滤波器VBW的低通处理，用以平均噪声起伏。虽然它不能改善灵敏度，但能改善鉴别力和在低信噪比情况下测量的可重复性。减小VBW不会对显示的载波信号造成影响，因为载波信号检波输出为DC信号，通过低通滤波处理时，不会被滤波器带宽所影响。需要注意的是:减小VBW可以对噪声信号进行平滑，但并不是得到该噪声电平的功率平均值。

个别仪器仍旧会碰到信号抖动的情况，可以使用求平均值的功能来读得相对稳定的信号。

通过以上方法，可以准确、快速地在指定频率点上测得电平值。

2.3 数字调制参数校准

GPS信号是以CDMA形式发送，其调制方式其实是QPSK（四进制相移键控）。图2为理想的QPSK星座图。

图2 QPSK理想调制星座图

CDMA无线信号是频域、时域、码域及调制域的综合特征函数。QPSK调制性能直接影响码域参数。测试实例可以证实，在波形质量因数Rho合格的情况下，如果误差矢量幅度EVM存在严重误差，将会增加码域噪声，产生码域互调。在QPSK调制中，Rho正常的情况下，EVM未必正常；反之，EVM正常，Rho大多正常。因此，对QPSK调制而言，Rho只是反映调制质量的一个侧面，仅以Rho来判断调制是否正常是不全面的。如果Rho不与EVM及星座图相结合，往往不能比较客观地、完整地反映总的调制质量。在CDMA网络的测量中，普遍存在Rho合格而EVM不合格的现象，这是只重视Rho而忽视了EVM的结果，必须引起足够的重视。

因此，在测试仿真器的调制参数时，被校仿真器应置于模拟GPS单星信号，调节输出电平至最大（即-50 dB），矢量信号分析仪的参考电平置于适当值，选取与GPS通信标准制式相对应的标准解调方式，取其平均值，先查看星座图状态，然后直接测出其Rho与EVM。

3 注意事项

任何事物都有双重性，计量校准也不例外。要得到频域的高分辨率和高灵敏度时，需要减小RBW的设置值，但是较窄滤波器响应的时间就会较长；而当扫描时间太快时，滤波器又不能充分响应，并且幅度、频率和显示值的准确度变差，即幅度下降，而频率向上移。为了保持正确的读数状态，应该满足以下条件：扫描时间≥k(Span/RBW2)VBW＞RBW。也就是说，频谱仪测试分辨率和灵敏度提高了，测试速度就要下降。无论何时，测试哪个参数，其设置都必须在这两者之间选取一个最佳点，以保证良好的溯源。

由于校准参量是GPS小信号，任何可能引起测试误差的细节都要予以关注，测试时需使用隔离度在100 dB以上的线缆、高质量的射频转接头、功分器等使插入损耗达到最小。

[1]李明峰，冯宝红，刘三枝.GPS定位技术及其应用[M].北京: 国防工业出版社，2006.

[2]吴幼璋，赵海宁，于汇东，等.数字调制质量参数的校准和量值溯源[J].北京: 计量学报，2005，26（3）：271-274.