GPS接收机简介及性能测试.doc

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GPS接收机简介及GPS性能测试研究

GPS接收机，是GPS导航卫星的用户设备，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设备，既具有常用无线电接收设备的共性，又具有捕获、跟踪、和处理卫星微弱信号的特性。
GPS（NavigationSystemwithTimingandRangingGlobalPositioningSystem）是美国国防部开发运行的，带有定时和测距的全球导航定位系统。GPS系统由三部分组成：GPS空中卫星，地面控制以及GPS用户接收机。

图1GPS接收机原理框图

如上GPS接收机的简化框图所示，GPS接收机首先通过天线单元接收到GPS卫星发射的信号，经过下变频后，提取出卫星信号中的伪随机噪声码（PRN）和数据码，进而解算出接收机载体的位置，速度和时间等导航信息。
那么被接收的GPS信号是怎样的呢？它是由50Hz的导航信号脉冲，经过伪随机序列直序扩频至1.023Mbps，采用BPSK调制，中心载波1575.42MHz。由于真实的到达地面的GPS卫星信号的能量是非常小的，一般都在-130dBm/1.023MHz（-190dBm/Hz）以下，比热噪声的功率谱密度（-174dBm/Hz）还要低，所以用普通的频谱仪是无法测量的，可以使用信号源模拟输出-99dBm的GPS信号，由频谱仪E4440A测量出的信号频谱及功率值，例如测出的2.046MHz带宽内的功率值。
尽管GPS技术日益普及，但是GPS接收机制造商、OEM集成商仍在为如何验证GPS接收机性能的标准测试而烦恼。无论是验证GPS接收机整机的功能，还是客观地测量各种GPSIC的性能，都需要一个能够重复执行精确测量的可控环境（比如屏蔽室）。大多数情况下，制造商使用天线来接收实际的GPS卫星信号，但往往这样的测试，由于受到复杂的气候影响，电离层延迟，多径衰减等因素，使得测量可重复性非常差，尽管耗费了很多人力和时间，却很难得到一个真实而精准的数据。为了帮助GPS制造商解决上述难题，我们对GPS性能测试进行了研究，使用Agilent信号源E4438C测量GPS接收机，E4438C的作用是作为GPS空中卫星信号的Simulator，用来对GPS接收机进行测量。

2.E4438CGPS测量选件介绍
Agilent的E4438C能够提供GPS仿真器的功能，对GPS接收机进行测试。E4438C是通信领域广泛被使用的通用矢量信号发生器，它可以发出无线通信系统中各种制式的信号，并提供灵活的测试功能。其中409选件，专门用于产生GPS卫星信号，主要特点有：
（1）载波频率（250k~3GHzor6GHz，分辨率0.01Hz）和功率（+10~-136dBm，分辨率0.02dB）的灵活设置，全部操作均在仪器面板上直接完成，简单方便，如需要更小的输出功率，可外接衰减器。
（2）可以模拟空中1到8颗卫星，以下图2和图3分别是单颗星（Real-timeGPS）和多颗星（Real-timeMSGPS）测试界面。在单颗星测试中，有C/A码P码，卫星ID，多普勒频移，数据模式（PN9/15，userfile等）等设置；在多颗星测试中，有scenario选择，以及卫星数量（1－8）等的设置。图2

图3

目前E4438C所提供的Scenario包括北京，台北，东京，首尔，新加坡，悉尼，巴黎，伦敦，纽约，夏威夷等14个世界各地的真实卫星信息。
图4

这些Scenario都是实地采集，并经过特殊处理生成的。Scenario的每一行都以GPSTOW（timeofweek）开始，在该时间段内每个scenario都会包含每个可见的卫星的信息，包含PRN，伪距，多普勒频移，载噪比，位置信息和标准化时间等。以下是对北京（天安门广场）scenario的具体描述：
Beijing,TiananmenSquare
5/15/20070100,1hourscenario
FilerevisionisB
Scenariolatitudeis39.9055555555556N395420.00
Scenariolongitudeis116.391388888889E1162329.00
Scenarioelevationis60meters.
Scenariodateis15-May-200708:00:00
ScenariotitleisBeijing
Scenariolengthis01:00:00Hours:minute