定位、导航以及GNSS测试

提到卫星导航，就会想到驾驶用的导航——

安装在车辆上车载导航系统是利用车载卫星导航接收机配合电子地图来进行的，能方便且准确地告诉驾驶者去往目的地的最短或者最快路径，是开车最常用的功能之一。

车载导航首先是要定位，然后通过电子地图引导车主如何行进。在此过程中，GNSS全球卫星导航定位系统是车载导航的关键技术。

以往，这种车载的导航总是被人所诟病，一直以“食之无味，弃之可惜”的形象出现在大家心中。

随着自动（辅助）驾驶和车联 V2X等场景的出现，卫星导航定位系统就变得越发重要，成为发展的方向。

车载导航的要求也随之不断增加。从最初的仅服务于人，辅助驾驶员判断大致位置，发展到如今，需要全方位地对周边环境位置、距离等信息的精确计算。GNSS市场在这些因素地驱动下也正在快速发展。

说白了，需要高精度卫星导航。

传统的卫星导航定位精度大概在10米左右，不足以应对自动驾驶和车联 V2X的场景。从目前的L2等级的高级驾驶辅助系统 (ADAS) 到半自动驾驶再到未来的完全自动驾驶 (AD)，无人驾驶系统功能的复杂性正在急剧增加。

自动驾驶和车联 场景的实现，最基础最核心的信息就是位置坐标和时间信息，传统的卫星导航其定位精度较差，无法满足这些需求。因此，针对高精度卫星导航的需求就显得尤为重要。当前，实现分米/厘米级的高精度卫星导航定位的，主要是采用RTK技术的多频接收机，也就是载波实时动态差分定位接收机。

所以，今天，测测就浓墨重彩的详解下GNSS高精度卫星导航测试解决方案。

GNSS是Global Navigation Satellite System的缩写，即全球卫星导航系统，它是利用卫星来测量物体位置、速度及授时等功能的系统。中国北斗、美国GPS、俄罗斯格洛纳斯和欧盟伽利略为联合国卫星导航委员会认定的全球卫星导航系统四大核心供应商。

卫星导航定位系统主要由空间部分、地面控制部分和用户设备三大部分组成，如下图所示：

GNSS卫星导航系统组成

其中，空间部分包括GNSS工作卫星和备份卫星；地面控制部分则是控制整个系统和时间，负责轨道监测和预 ；用户设备部分主要是各种型 的接收机。

各种不同的卫星导航定位系统的频段有所不同——

GNSS卫星导航系统频段划分

GNSS的定位原理，简单来说，就是利用几何与物理的一些基本原理，利用空间分布的卫星以及卫星与地面点间距离交汇出地面点位置的方法。因此，若假定卫星的位置已知，通过一定的方法我们又准确测定出地面点A至卫星间的距离，那么A点一定位于以卫星为中心，以所测得距离为半径的球上。若我们能同时测得点A至另两颗卫星的距离，则该点一定处在三个球相交的两个点上。根据地理知识，我们很容易确定其中一个点是我们所需要的点。

以上假设，需要知道已知卫星的位置同时还得测定接收机到三颗卫星的距离，即可实现定位，但是由于卫星大多是分布在两万公里高空的运动载体，只能是在同一时间测定三个距离才可定位，要实现同步必须具有统一的时间基准，从解析几何角度出发，GNSS定位需要包括确定一个点的三维坐标与实现同步的四个未知参数，因此，必须通过测定到至少4颗卫星才能定位，如下图的方程所示——

GNSS卫星导航系统定位原理

当前，卫星导航技术已经成为我们生活中不可或缺的一部分。应用领域广泛，涵盖个人消费者、工业、汽车和军工等。

有一个非常明显的趋势是在个人消费者市场，导航接收机使用越来越广泛，其中汽车和移动终端的导航和定位应用越发重要。

（cr:测测?）

那么下面，就随着测测来看看关于GNSS的那些测试解决方案吧。

Solution

“测试解决方案”

（一）通用汽车卫星导航接收机测试

车载导航接收机主要分为直连测试和OTA空口测试。

车载导航直连测试：

如果车载导航接收机或模块本身可以直接通过射频线缆直连，同时，提供串口的NMEA数据输出，则可以直接进行直连测试。此方式的优势是精确控制功率和屏蔽外界干扰——

车载导航接收机直连测试方框图

车载导航OTA测试：

如果车载导航接收机已经是成品了，无法提供射频接口直连的方式，则可以使用OTA的空口测试方法。用此方法，需要注意外界的信 屏蔽，因此，可以在暗 室或者屏蔽室进行测试。在暗室或者屏蔽房进行测试，优势可以屏蔽外界干扰，同时校准空中电平损耗——

车载导航接收机OTA测试方框图

汽车卫星导航接收机测试项目：

（二）GNSS高精度卫星导航测试解决方案

通用的GNSS导航接收机测试，主要是针对目前市场上主流的单频接收机或单天线接收机。而随着车联 无人驾驶时代的到来以及手机行业对高精度定位的需求，以前的导航接收机定位精度已经无法满足市场的需求，现在越来越多的导航接收机都升级了相应的导航方式，包括了多频接收机、多天线接收机及动态实时差分定位接收机等。

GNSS多频导航接收机测试方案：

GNSS多频接收机可同时接收同一个导航信 多个频率的载波信 。利用多频载波信 受电离层延迟影响的差异性，可以消除电离层对电磁波信 的延迟的影响。因此，GNSS多频接收机可用于长距离精密相对定位。另外，GNSS多频接收机借助于在两个频率上或多个频率上的观测可加速整周模糊度的解算。

R&S SMW200A本身就是多端口矢量源平台上开发的，可以使用SMW200A的两个射频通道完成GPS三频播发的需求；一个射频通道产生GPS L1信 ，另外一个通道产生GPS L2+L5或者GPS L2/L5的信 ，其方案图如下——

双频(L1+L2/L5)接收机或多频(L1+L2+L5)测试

高端导航模拟器SMW200A的优势是具备双通道特性，可以两个通道同时输出不同频点的GNSS信 。由于一般的双频接收机需要做载波相位测距，因此，对于导航模拟器来说，需要不同频点的GNSS信 之间的同步性能保证很好，包括载波相位相参特性。SMW200A在仪表内部具备触发和同步，同时，由于具备到的内部带宽可高达528MHz，因此，载波相位相参也能非常方便地在基带完成。

中高端导航模拟器SMBV100B同样可以单台仪表产生多频GNSS信 ，可以单台仪表完成L1+L2/L5或者L1+L2+L5的双频或者三频接收机测试。

载波相位实时动态差分接收机RTK测试：

差分定位接收机——

DGNSS：Differential GNSS。利用设置在坐标已知的点 (基准站) 上的GNSS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GNSS接收机 (流动站) 测量定位精度的方法。

载波相位动态实时接收机——RTK（Real-Time Kinematic）是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的GNSS测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GNSS应用的重大 里程碑。本身上是差分定位接收机，只是校正数据通过移动 络或私有 络实时传输到GNSS用户，而不像普通的差分定位接收机是通过将校正数据拷贝到测量接收机里面，一般RTK接收机具备载波相位测距功能。

其工作原理如下：

DGNSS/RTK接收机工作原理框图

此类接收机，本身就是具备高精度定位功能，大多数都会采用双频/多频接收机的定位方式，目的是提高定位精度。

同时，在校正数据的传输过程中，有私有 络和公有 络。

私有 络主要是通过ASK/FSK/WLAN的通信方式，大多工作在ISM频段，如433MHz。公有 络大多是基于运营商的移动通信 络，如：GSM、LTE等。其测试框图如下——

DGNSS/RTK接收机测试框图

（三）汽车导航硬件在环HiL测试

硬件在环是一种测试方法，其中，被测设备或系统（DUT或SUT）被嵌入到模拟器系统中，该模拟器系统主要实时地模拟设备或系统的真实环境。

电子控制单元 (ECU)，例如汽车复杂的执行器 (例如发动机或变速箱) 是典型的DUT。DUT通过其输入和输出连接到模拟器系统 (称为“ HIL模拟器”)。在HIL模拟器中，虚拟环境采用数学模型实时计算。来自虚拟传感器或其他虚拟系统组件的这些信 作为DUT的输入。DUT的输出信 被馈送到虚拟执行器。

HIL测试中的一部分是GNSS卫星信 的仿真。为此，使用了GNSS模拟器，例如SMBVB或SMW——

GNSS硬件在环HiL测试框图

大多数GNSS模拟器支持动态接收机仿真，但仅支持预定义的轨迹，即接收机的运动轨迹是完全预先确定的。但对于硬件在环HiL的应用，接收机的运动必须是可实时控制的。这意味着GNSS仿真器必须支持仿真轨迹的实时更新。

好消息是所有R&S GNSS模拟器都可以实时进行远程控制。因此，可以集成到动态HIL环境中。

在GNSS仿真运行时，HIL仿真器可以指示位置数据和动力学参数，例如速度，加速度和加加速度，而GNSS仿真器可以实时且无信 中断地调整仿真的运动。SMBVB和SMW还可以处理HiL仿真的车辆姿态信息，例如俯仰，侧倾和偏航值。在HIL应用中，SMBVB和SMW高达 100 Hz的数据更新率以及低至 20ms的处理延迟共同保障了高处理效率和信 精度。

（四）车载导航自动化测试

SMBV100B/SMW200A都支持自动化测试，可以在操作界面手动控制或远程控制。远程控制需要在上位机通过LAN、GPIB或USB连接SMBV。如下图所示：

车载导航接收机自动化测试框图

以上，测测所讲的4个测试便是利用GNSS卫星导航模拟器进行的一系列典型车载导航接收机验证测试。让我们继续往下看~

SMBV100B/SMW200A

“卫星导航模拟器”

谈到卫星导航模拟器，就不得不说罗德与施瓦茨SMBV100B和SMW200A这两款矢量信 发生器。

“高性价比的通用矢量信 发生器，具备优异的射频指标，支持几乎所有的通信和广播标准。”

SMBV100B是通用矢量信 发生器，具备优异的射频指标，最高频率到6GHz，而SMW200A则是高端的矢量信 发生器，具有业界领先的射频指标，配备双射频通道，且频率最高可到44 GHz。这两款信 发生器通过配置一个或多个可选选件，支持北斗、GPS、格洛纳斯和伽利略，是全能卫星导航模拟器。

R&S卫星导航模拟器为接收机测试提供了强大和可靠的单表解决方案，它们提供了以下关键特性：

? 实时导航卫星模拟，支持GPS L1/L2/L5(C/A和P码)，Glonass L1/L2，Galileo E1/E5和北斗 B1/B2/B3；同时还支持SBAS中的 QZSS / WAAS / EGNOS / MSAS / GAGAN；

? SMBV最多可支持至102颗卫星；SMW最多可支持至612颗卫星；

? 不限的模拟时间，带有卫星空中自动切换功能；

? 静态卫星模拟可配置多普勒频移；

? 模拟产生混合场景的GPS，Glonass，Galileo和北斗卫星；

? 静态接收机测试支持自定义或预定义的地理位置；

? 移动接收机测试支持自定义或预定义的轨迹文件(可直接导入NMEA数据：【KML文件 (Google Earth输出格式)；Waypoints文件 (R&S定义格式)；txt文件；NMEA文件；xtd文件 (包括：位置、速度、姿态等信息)】；

? 对单颗卫星或全部卫星进行实时动态功率控制，模拟卫星 可视性变化 (遮挡)；

? 支持电离层和对流层模型；

? 通过导入Almanac/RINEX文件，支持最新或早期的卫星轨道；

? 可设置的仰角模板，自动移除低仰角的卫星；

? 支持自定义或预定义的A-GPS场景；

? 可模拟各种动态的遮挡效应和多径效应——

R&S GNSS模拟器所支持的遮挡效应和多径功能

除了导航卫星模拟外，SMBV/SMW还支持数字通信标准如GSM/EDGE，3GPP/HSPA，LTE，5G NR, WLAN， Wimax，Bluetooth，以及广播标准如FM stereo (带RDS)，HD Radio，Sirius和XM Satellite Radio和DAB。今天的移动终端除了GPS/Glonass/北斗外还具备以上所述的一种或多种标准，因此拥有一台能够支持所有测试信 产生的单表给用户带来很大帮助。所有信 都是实时产生，无需任何外部软件。

SMBV/SMW还能选配高斯白噪声产生模块，用于在射频输出信 上叠加可控的噪声，而且还支持叠加CW阻塞干扰。SMW更能够支持MIMO信道衰落，可模拟各种场景，单台仪表就能够实现之前多台仪表才能实现的功能。

最后来回顾下，我们先说了GNSS的概念；又说了利用GNSS卫星导航模拟器进行的一系列典型车载导航接收机验证测试，涉及基本的卫星导航定位测试、高精度卫星导航定位测试、车载卫星导航硬件在环HiL测试等解决方案。

在GNSS接收机测试环境中使用的标准GNSS信 仿真器能使我们的工程师们拥有最高的灵活性，能够及时对测试做出调整和改进；随时、轻松地进行重复测试。