汽车GPS射频信号性能测试研究

陈 佳

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，汽车智能网联技术安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601）

引言

随着电子技术的发展，汽车导航渐渐成为标配，导航GPS模块是通过射频技术实现定位的，市场上关于射频的问题也时有发生，但对射频指标的认识及测试方法仍有所缺乏。基于PXI技术平台快速发展，给射频信号的测试带来新的方向，在一个平台上通过配置专用模块PXI板卡，实现不同功能集成，完成不同频段的射频信号收发模拟以及关键指标采集测量，可以有效对GPS性能指标进行测试评价。

1 GPS定义及组成

GPS是全球定位系统(Global Positioning System)的简称，由空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统三部分组成。

空间卫星系统由均匀分布在6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，空间系统的每颗卫星每12小时沿近圆形轨道绕地球一周，由星载高精度原子钟控制无线电发射机发射L1、L2两种载波，向全球的用户接收系统连续的播发 GPS导航信号。GPS工作卫星网保障全球任一时刻、任一地点都可对 4颗以上的卫星进行观测，这样 GPS可以有效的进行2D（平面地图）3D（立体地图）定位。所能接收到的卫星数越多，译码出来的位置就越精确。

地面监控系统：由分布在全球的主控站、注入站和监测站组成，负责完成数据采集、故障诊断、跟踪监测、卫星调度、导航电文编辑和注入等工作。

GPS接收设备： GPS信号接收机主要由天线单元和接收单元两部分组成，作用是接收放大GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解调信号的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据。汽车GPS性能测试的就是接收机的性能。

2 GPS射频信号测试条件及原理

2.1 测试条件

①工作环境：环境温度：15℃～35℃，无湿度及其他要求；

②硬件设备：矢量信号收发仪 NIPXIe-5840，屏蔽箱或通过有线连接GPS信号；

③软件设备：通过LabVIEW软件来编程实现，GPS射频信号发生波段：1575.42MHz，GPS信号电平最小为-152dBm。

2.2 测试原理

射频信号测试的主要设备为矢量信号收发仪-PXIe 5840，能够发射和接受频率9KHz-6GHZ，大小-80dbm-20dbm之间的任一信号，利用软件调试可以模拟发送波段均为1575.42MHz，大小不等的 GPS信号，将模拟的信号发射至导航主机。GPS射频信号测试台架原理如图1 所示，通过编制好的Labview软件来发射射频信号，能有效减少测试过程中信号的失真，使用的设备更少，测量更准确方便。

图1 GPS射频信号测试台架原理

3 GPS射频性能指标及测试方法

根据 GPS 射频模块功能性能要求，结合欧洲标准、国内相关标准及对市场要求，行业对GPS的评价指标包括GPS搜星能力、首次定位时间、位置精度、接收灵敏度、干扰测试等，一般车辆GPS模块指标如下：（备注中带☆表示暂时无法通过射频台架来测试）

表1

3.1 搜星能力

搜星能力是汽车导航的重要性能之一，理论上来说，GPS只要能够接收空中三颗卫星，就能够通过计算得出当前所处位的三维（经度、维度、高度）位置信息确定车辆所在的具体坐标。但如果三颗卫星之一被阻碍的话就会出现信号中断、定位不准等情况。因此为保证GPS性能，要求搜星个数至少为4颗。一般导航主机上显示的是12颗卫星的信号强弱，根据不同的位置有不同的要求。如图2所示：

图2 导航主机卫星显示

3.2 GPS首次定位时间

首次定位时间用于衡量接收机信号搜索过程的快慢程度，也称“信号捕获”。GPS首次定位时间是指在不同的模式下的定位时间，因为GPS模块开机定位时间在不同的启动模式下有很大不同，一般分为三类：

冷启动：冷启动时间是指模块内部没有保存任何有助于定位的数据的情况，为接收机上电至捕获第一个有效当行数据点之间的时间，一般要求≤45S。

温启动：GPS关机后在两小时之后完成定位的时间，需要一般要求≤30S；

热启运：GPS关机后在两小时之内定位的时间，一般要求≤10S。

3.3 固定位置定位

固定位置定位测试是GPS性能最基本和最必要的测试，也是建立射频信号测试台架最主要的测试目的，包含精度测试、动态范围测试、灵敏度测试、捕获灵敏度测试、跟踪灵敏度测试、损耗测试等。具体解释及定义如下：

3.3.1 精度测试

GPS信号电平为-130dBm的定位准确性，要求测试定位到的偏差≤10m。

3.3.2 动态范围测试

GPS信号电平分别为-125dBm、-128dBm、-131dBm、-134dBm、-137dBm、-140dBm、-143dBm、-146dBm、-149dBm、-152dBm的定位准确性，要求测试定位到的偏差≤15m。

3.3.3 灵敏度测试

GPS信号电平为-147dBm的定位准确性，要求测试定位到的偏差≤15m。

3.3.4 捕获灵敏度测试

捕获灵敏度是GPS发生“第一次定位”时能够接收到的最低功率水平。该灵敏度的子集包括了在冷启动、温启动和热启动条件下的独立测量值，一般要求≤-141dBm。

3.3.5 跟踪灵敏度测试

跟踪灵敏度就是接收机能够连续保持锁定所需要的最低功率水平，一般要求≤-152dBm。

3.4 移动场景定位

设定GPS信号电平为-130dBm，模拟车辆以60km/h速度的定位准确性。（目前测试台架暂不支持移动场景的实车测试，只能在导航实车标定过程中进行确认）

3.5 固定位置定位+信号干扰

3.5.1 精度测试

设定GPS信号电平为-130dBm，测试导航主机在加信号干扰(通话、WIFI传输或模拟射频干扰源发送频率为1575.42MHz的信号)的定位准确性。

3.5.2 动态范围测试

GPS信号电平分别为-125dBm、-128dBm、-131dBm、-134dBm、-137dBm、-140dBm、-143dBm、-146dBm、-149dBm、-152dBm，加信号干扰的定位准确性。

3.5.3 灵敏度测试

GPS信号电平为-147dBm，加信号干扰的定位准确性。

3.6 移动场景定位+信号干扰

设定GPS信号电平为-130dBm，加信号干扰(通话、WIFI传输或模拟射频干扰源)，模拟车辆以60km/h速度的定位准确性(可用户自定义速度)；要求测试0小时、8小时、16时的卫星星群，每次测试30分钟。（目前测试台架暂不支持移动场景的实车测试，只能在导航实车标定过程中进行确认）。

3.7 测试方法及步骤

下面以江淮某款 MPV为例进行测试，测试方法及步骤如下：

①连接电源，将矢量信号收发仪发射端口与导航主机GPS接口相连（如图4、图5所示）。

图4 GPS测试台架示意图

图5 GPS实物测试台架

②打开GPS软件界面，设置GPS射频信号的大小、卫星数量、以及相关经纬度，如图6GPS信号发出界面所示，设置合肥南站的经纬度（北纬N31°48′1.99″，东经E117°17′5.12″），卫星数量为6个（最少为4个），软件自动计算地点上方的卫星（G1、G3、G6、G7、G14、G16），然后观察MP5主机显示的卫星数量及型号及地图显示地点。

按图7中MP5主机显示的合肥南站地点，可以得出定位的偏差。

图6 GPS信号发出界面

图7 MP5地图显示

③将GPS信号设置为-147dBm，定位其他地址，测试灵敏度；再测试不同信号值-125dBm、-128dBm、-131dBm、-134dBm、-137dBm、-140dBm、-143dBm、-146dBm、-149dBm、-152dBm时的定位准确性，测试GPS的动态范围，捕获灵敏度和跟踪灵敏度也可以类似进行测试。

4 结论

随着汽车行业产品智能化配置逐渐丰富，无线射频通讯产品在整车广泛应用。为充分验证无线射频通讯信号传递精度和准确性，汽车行业各整车厂或零部件厂商均在建立或提升自身对射频通讯模块的验证能力。

本文首先对GPS的定义和功能进行了介绍，然后明确了汽车GPS模块射频性能的评价指标如GPS接收机的首次定位时间、定位精度、接收灵敏度、抗干扰性能等要求，通过PXI板卡及LabVIEW软件对GPS的各种指标进行测试，可以有效确认GPS的性能，减少市场抱怨。

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