如何测试黑科技“双频GPS”

王立群 中国信息通信研究院

1 引言

近期很多人会被一个新的黑科技名词所洗脑：“双频GPS”。强调一下双频不是双模，目前手机等大家常见的导航终端都只是多模单频，比如同时支持GPS L1+北斗B1，其工作频率都在L1频段内。双频GPS这个概念其实很早就有，时间可追溯到1980年1月6日GPS系统开始启用，那时每颗GPS卫星就同时发射两个 不 同 频 率 的 信 号 ：L1（1575.42MHz）、L2（1227.6MHz）。在很长一段时间中，使用双频GPS技术的设备的价格都十分昂贵，动辄几万至十几万美金，其定位精度最高可到毫米。由于GPS L2信号在设计初始没有考虑到民用，美国从2010年左右开始发射带有新民用信号L5（1176.45MHz）的BlockIIF卫星，这时的GPS卫星实际上开始发射3个不同的频率了。作为新的民用信号L5，从一出生就自带光环，抗多径，抗衰落能力都很强。拥有L1L5的双频GPS设备虽然性能提高了，但是对于终端的要求也提高了，接收天线、功耗、射频及带内干扰、信号选优的策略，都需要精心的设计和全面的测试。

思博伦通信凭着30年GPS/GNSS测试经验适时推出了GSS7000测试平台，该平台可同时输出包括GPS L1L2L5、Beidou B1i B1c B2i B2a、Galileo E1E5、GLONASS L1L2、QZSS L1L2L5、SBAS L1L5在内的所有信号，为多频多模导航设备保驾护航。

2 GPS L5信号的前生今世

2.1 GPS L5信号的由来

GPSL5信号不是自GPS系统一开始就有的，而是随着卫星定位技术被广泛使用，人们对定位系统要求越来越高应运而生的。

GPS系统是美国全球卫星定位系统的简称，从1980年发射至今已经经历了30多年。GPS系统初始目的只是为了服务美国全球军事活动而设计，每颗卫星都发射两个载频的信号L1（1575.42MHz）L2（1227.6MHz）。我们现在常用的L1C/A码的信号在初期的设计上不是用来定位的，而是用来帮助捕获P码的，因此C/A称为粗码或捕获码，P码称为精码。然而美国政府没想到的是民用接收机技术发展很快，即使使用C/A码也可以达到最高3米的定位精度，同时带动的GPS产业也十分巨大。在此背景下美国政府决定进行开展GPS现代化，即在新发射的GPS卫星上增加更好的民用信号L5。

2.2 GPS L5信号有哪些特点，解决了哪些问题

作为早期设计的定位信号GPSL1 C/A有很多缺陷，比如：

●互相关性不好，会影响到信号的截获和信号的完好性。

●C/A码自相关旁峰不够低，有可能影响信号截获。

●抗干扰能力，包括抗窄带干扰的能力弱。

●易受多径影响。

●没有纠错编码。

新的GPS L5信号从设计初始来解决L1 C/A的问题：

●L5的载频是1176.45MHz，因此波长更长，衍射能力更好，自由空间衰减更小，达到地面的功率也会更高。同一条件下，L5信号比L1信号的功率高6个dB也就是4倍左右。

●L5两个通道的伪随机码的速率均为10.23Mcps，周期为1ms或10230个基码，而不是C/A码的1.023Mcps和1023个基码。码速率提高了10倍因此码片的长度变小了10倍，抗多径的能力自然也提高了。（关于多径的问题我们会在后面作为单一主题进行讨论）。

●导航（电文）数据本身的速率仍是50bit/s，然而在L5中要对其作1/2比率的前向纠错卷积编码，其速率变成了100sps。此时的L5信号具有了导航电文纠错能力，可提高在低功率环境下定位速度。

●L5信号由两个幅度相等而相位正交的分量组成，一个分量载有卫星的导航电文（或叫做数据信号），一个未载有数据称之谓无数据（或导频）信号。无数据通道没有180模糊性，从而改善了载波恢复能力，可实现瞬时载波模糊性解。

2.3 思博伦多星群多频模拟器GSS7000

思博伦自1980年向美国宇航局NASA提供第一台GPS模拟器以来，专注模拟器研发与生产30余年，积累了大量相关测试经验，提供完善的GNSS测试解决方案。

思博伦模拟器产品的最大特点，是所有仿真模拟基于原初理论“FirstPrinciple”。从仿真所有卫星运动轨道开始，实时计算生成完全的导航电文，按ICD标准进行调制，在信号中加入钟差、轨道误差、相对论误差、电离层、对流层等误差，并同时仿真出载体接收天线在各种运动状态下的信号。所有计算均实时完成，无需提前下载数据或预执行场景。

思博伦GSS7000可支持目前世界上已有的和将要发布的所有卫星导航信号，是目前支持导航系统最全面的卫星定位模拟器，其可支持的信号见表1。

表1 GSS7000可支持的信号

GSS7000多星群信号仿真器可实现单表仿真输出以上所有信号的同时输出，最多可同时输出256个卫星信号，为用户提供最全面、最灵活的测试方案。

2.4 如何测试双频GPS

我们了解了GPS新的L5信号的起源、优点及特性。但是无论信号在设计上多么出色，技术上多么先进，如果终端产品没有进行合理的优化，充分的测试，在用户端也无法给出优秀的评价来。因此，任何新技术的使用必然带来新的测试方法。这里要指出的是，因为不同应用对定位、导航和授时的要求不同，卫星定位接收机测试没有通用的标准，只有相应应用的行业标准。

2.5 基本性能指标测试

基本性能指标指的是卫星定位接收机标准环境下可以达到的性能指标。在双频GPS的时代，同样需要测试如表2所示性能，但是项目会更复杂。芯片及系统集成商需要根据实际应用需要，来测试同一终端在单独L1信号和L1L5信号下的基本性能指标，尤其是多卫星导航系统多频的环境下。比如，某款芯片其在GPSL1L5信号条件下比单独GPSL1的捕获灵敏度差，则设置策略在信号捕获阶段先只捕获GPSL1信号，这样既节约了功率又提高了捕获灵敏度。更多信号的引入给了我们更多的选择，但如何选择完全决定于测试。完善而又合理的测试可以让我们更全面理解产品，从而做出正确的应对方案，提高最终用户的体验。

表2 测试性能表

除了基本性能指标的测试，由于新信号引入了新的特性，因此针对新特性的测试也是必不可少的。

●多径测试：因为L5信号码速率的提高，其每个码片的长度比原来大大减小，从原来C/A码的300米左右减小到30m左右，因此模拟接收机在严重环境中定位情况，测试接收机在此环境下使用单独GPSL1与GPS L1L5的定位精度差别。此测试需要在模拟器环境下完成，否则无法得到准确的真值作对比。

●导航电文误码测试：L5信号具有前向纠错能力，使用模拟器在导航电文中加入错误码片，检测接收机在单L1和L1L5信号环境下抗误码的能力。

●抗干扰测试：在任何测试中都可以引入干扰源进行接收设备的抗干扰测试。L5信号因为使用了Pilot和Data的IQ分量，以及本身到达地表的功率就比L1强，其具有更好的抗干扰能力，但需要测试才能得到某款设备的具体数据。

3 结束语

综上所述，作为有着专业卫星定位测试30年经验的思博伦来说，提供给用户的是交钥匙解决方案，能在最大程度上保证设备的可用度和可信度，从而最终提高用户在使用中的体验。

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