1. Стандартные имитаторы сигнала GPS

Все испытания, описанные в настоящем документе, могут быть выполнены с помощью любого многоканального имитатора Spirent. SimGEN - программное обеспечение управления и настройки сценариев для серии имитаторов GSS6700/GSS6560 и GSS8000. SimPLEX - программное обеспечение управления и настройки сценариев для имитаторов серии STR4500.

1.1 Имитация условий

Под имитацией понимается максимально точное воспроизведение условий реального мира. Имитация не позволяет воспроизвести всю полноту этих условий.

Однако, эта методика имитации (подтверждено более чем 25 годами испытаний) позволяет эффективно определять предельные значения приемников, предоставляя необходимые условия для проектирования и оптимизации систем ГНСС. Что еще более важно, обеспечивается полная воспроизводимость сценария, контроль и подробнейшая информация (вплоть до уровня битов), что невозможно при реальных полевых испытаниях. Поэтому на испытание с помощью имитатора следует смотреть как на представление условий реального мира, а не их дублирование. Имитаторы Spirent имеют предустановленные статистические модели, которые обеспечивают имитацию более разнообразных условий с многолучевым распространением, однако они не будут рассмотрены в настоящем документе.

На рис. 1 показана модель системы имитации, где применяется имитатор GPS GSS6560 L1 C/A.

Рисунок 1 - Модель имитации радиосигнала

2. Обстановка передачи сигнала ГНСС

Приемник ГНСС работает оптимально при наличии прямой радиовидимости спутников, передающих дальномерные и радионавигационные сигналы. Во многих случаях это условие полностью либо частично не соблюдается, что затрудняет измерение расстояния с помощью радиосигнала. Степень выраженности этой проблемы в основном зависит от обстановки передачи радиосигнала, в которой используется приемник ГНСС, и области его применения. Однако, существует несколько основных характеристик, влияющих на работу приемника ГНСС, которые при оптимальном подборе обеспечат эффективную работу в требуемой области применения.

3. Основные рабочие характеристики приемника ГНСС

В настоящем документе основное внимание уделяется проверке ключевых рабочих параметров приемника ГНСС. Если не указано иное, имитируются сигналы типа GPS L1 С/A.

3.1 Время первого навигационного определения при холодном старте

Время TTFF – это время, которое затрачивается приемником GPS от момента его включения до первой выдачи координат. Процесс поиска или обнаружения сигнала состоит из измерения двух параметров: измерение кода C/A, относящегося к коду PRN, и эффект Доплера, связанный с несущей. Во время выполнения поиска, осуществляемого приемником ГНСС, запускаемым в режиме холодного старта, неточность определения кода может составить до 1023 чипов (общее число сдвига кода для сигнала GPS C/A), а неточность измерения эффекта Доплера ~ +/-11 кГц.

Одни приемники используют алгоритм последовательного, другие – параллельного (мультикорреляционного) поиска. Более совершенные модели задействуют фильтры совпадения или методики БПФ. В современных методиках используются объединенные копии нескольких сигналов вместо отдельных копий.

Под временем холодного старта понимают время, которое затрачивается приемником GPS от момента его включения до первой выдачи координат при следующих условиях:
- Данные времени неизвестны;
- Текущий альманах и эфемериды неизвестны;
- Местоположение неизвестно.

Вследствие вероятностного характера этого процесса несколько (в документе 1 указано 20) измерений времени TTFF производятся при различной геометрии спутников, после чего на основе результатов измерений вычисляется среднее значение.

3.1.1 Испытание с помощью имитатора

Процесс использования имитатора для выполнения холодного старта достаточно прост. Сначала необходимо сымитировать статическое положение спутника с уровнем мощности спутникового сигнала, установленным так, чтобы его мощность при приеме антенной приемника составляла -120 дБм. Сразу после запуска сценария (и подключения приемника к имитатору) включите питание приемника. После первой выдачи координат остановите сценарий и переведите время сценария на 8 часов вперед для имитации другой геометрии видимых спутников. Подобного эффекта можно добиться, изменив параметры имитируемого местоположения на несколько километров. Очистите все навигационные данные приемника и данные времени, а затем отключите питание. Повторно запустите измененный сценарий и снова включите питание приемника. Повторите эту процедуру необходимое число раз, и затем на основе полученных результатов вычислите среднее значение времени TTFF.

Если вы не уверены, что память приемника была полностью очищена, можно изменить параметры местоположения и/или времени сценария. В этом случае, даже если приемник хранит некие навигационные данные, они не будут использованы.

3.2 Время первого навигационного определения при теплом старте

Под временем теплого старта понимают время, которое затрачивается приемником GPS от момента его включения до первой выдачи координат при следующих условиях:
- Данные времени известны;
- Текущий альманах известен;
- Эфемериды неизвестны (или прошло 4 часа с последнего обновления данных);
- Местоположение в пределах ста километров от последних измеренных координат.

3.2.1 Испытание с помощью имитатора

Для этого испытания можно использовать сценарий испытания времени холодного старта, т.к. критерии (такие как очистка эфемерид, с сохранением данных альманаха) устанавливаются с помощью приемника.

Если возможность очистки только эфемерид отсутствует, в этом случае сначала следует загрузить альманах из полного навигационного сообщения (операция занимает примерно 12,5 минут). После этого переведите время сценария и время приемника на 4 часа вперед (чтобы эфемериды устарели).

3.3 Время первого навигационного определения при горячем старте

Под временем горячего старта (см. документ 1) понимают время, которое затрачивается приемником GPS от момента его включения до первой выдачи координат при следующих условиях: - Данные времени известны;
- Текущий альманах известен;
- Эфемериды известны;
- Местоположение в пределах ста километров от последних измеренных координат.

3.3.1 Испытание с помощью имитатора

Для этого испытания можно использовать сценарий испытания времени теплого старта. Необходимость в очистке данных приемника и остановки сценария для изменения параметров отсутствует. Включайте и выключайте питание приемника для проведения измерений времени TTFF. Как и во время измерения времени теплого старта, необходимо загрузить полное навигационное сообщение (примерно 12,5 минут).

3.4 Чувствительность приема параметров спутника

Под чувствительностью приема понимают минимальный уровень мощности принимаемого сигнала во время первого навигационного определения. Значение этого параметра измеряют при холодном, теплом и горячем старте.

3.4.1 Испытание с помощью имитатора

Для этого теста можно использовать простой статический сценарий. Программное обеспечение имитатора позволяет контролировать уровень мощности имитируемого сигнала с высоким разрешением и в широком динамическом диапазоне.

Управление уровнем мощности сигнала может осуществляться в реальном времени, во время выполнения сценария или с помощью заранее заданных команд (если управление осуществляется с помощью дистанционной системы).

Имеется возможность управлять мощностью каждого спутника по отдельности или всех спутников сразу. Уровень мощности может быть отображен как абсолютная мощность или отношение к опорной величине. Разрешение управления мощностью (для имитатора GSS6560) составляет 0,1 дБ в диапазоне -130 дБм +15 дБ, -20 дБ, что обеспечивает высокую точность определения чувствительности приема. Как и при проверке времени TTFF, необходимо провести несколько испытаний с различной геометрией спутников (фактором DOP) и вычислить среднее значение на основе полученных результатов.

3.5 Чувствительность отслеживания сигнала спутника

Под чувствительностью отслеживания сигнала спутника понимают минимальный уровень мощности сигнала, при котором приемник ГНСС способен непрерывно отслеживать сигнал спутника. Порог отслеживания тесно связан с погрешностями измерений вследствие источников ошибок в системе фазовой автоподстройки частоты (PLL) приемника. Фазовая ошибка, ошибка динамического напряжения и тепловой шум являются основными источниками ошибок имитатора. Минимизация воздействия этих факторов создаст оптимальные условия для продолжения отслеживания приемником сигналов при более низком уровне мощности сигнала. Во всех случаях порог чувствительности отслеживания должен быть ниже чувствительности приема.

3.5.1 Испытание с помощью имитатора

Во время испытания необходимо одновременно понижать уровень мощности всех спутников, пока приемник не потеряет сигнал. Испытания следует повторять для различных комбинаций и геометрий спутников, используя методики, описанные в части 4.1.

3.6 Время восстановления навигации

Под временем восстановления навигации понимают время, необходимое приемнику для восстановления последней достоверной точки навигационных данных после полного пропадания всех принимаемых сигналов.

Малое время восстановления необходимо для бортовых навигационных систем, например, при выезде автомобиля из тоннеля, когда прием сигнала должен быть быстро восстановлен для подачи голосовой команды о выезде.

3.6.1 Испытание с помощью имитатора

При испытании времени восстановления навигации необходимо уменьшить уровень мощности всех спутников до мин. 60 дБ. Для этого следует установить параметр Off (Выкл.) для каждого спутника. Программы SimPLEX и SimGEN позволяют отключать все спутники во время выполнения сценария. С помощью SimGEN можно создать файл пользовательских действий с упорядоченным по времени списком команд. Одной из таких команд является команда Power On/Off (Вкл./откл. питание). С помощью программы SimPLEX можно осуществлять запись текущих действий в файл и затем повторно воспроизводить их. Время восстановления навигации проверяется при различной продолжительности отключения спутников.

3.7 Точность статической навигации

Под точностью статической навигации понимают точность, с которой приемник способен определять свое положение с учетом известного положения. Можно выделить три категории точности:

Предсказуемая – точность местоположения приемника в соответствии с известными координатами на карте. Местоположение приемника и координаты карты должны брать за основу один и тот же геодезический репер.

Повторяемая – с такой точностью потребитель может вернуться в точку, координаты которой были заранее измерены тем же приемником.

Относительная – точность, с которой потребитель может измерить положение относительно другого потребителя с помощью одного приемника за то же время.

Оценку ошибки местоопределения (EPE) можно выполнить, создавая следующие условия приема. Используя следующую формулу:
EPE (1-sigma) = HDOP * UERE (1-sigma) (1)

При умножении HDOP*UERE*2 получаем EPE (2drms), как дано в равенстве (2), и обычно это значение принимается как предел в 95% для величины горизонтальной погрешности. Вероятность горизонтальной погрешности находится в пределах эллипса с радиусом 2drms между 0,95 и 0,98 в зависимости от отношения полуосей эллипса.
EPE (2drms) = 2 * HDOP * SQRT [URE2 + UEE2] (2)

Факторы HDOP, GDOP, PDOP и VDOP определяются в соответствии с текущей геометрией видимых спутников выше угла экранирования приемника относительно антенны приемника потребителя. Факторы DOP могут ослабевать (высокое значение фактора DOP) при затенении сигнала из-за естественного рельефа, растительности, зданий, конструкции транспортного средства и т.д.

Под ошибкой URE понимают ошибки сигналов в передающей среде, такие как ошибки данных эфемерид, ошибки часов спутника, задержка в ионосфере и задержка в тропосфере. Эти ошибки могут быть значительно уменьшены с помощью методик дифференциальной и кратной частоты. Источники дифференциальной поправки включают в себя опорные станции, базовые станции, сигналы с государственных радиомаяков, передачи на поднесущей ЧМ и передачи с геосинхронных спутников.

Под ошибкой UEE понимают шум приемника, многолучёвость, ориентацию антенны, ЭМИ/радиопомехи. Конструкция антенны и приемника могут значительно уменьшать влияние ошибок UEE.

Погрешность местоопределения может варьироваться от десятков метров (персональные приемники) до нескольких миллиметров (геодезические изыскания) в зависимости от аппаратуры, сигналов и использования. Профессиональное топографическое и геодезическое оборудование обычно имеет возможности по установке минимальных пороговых значений параметров SNR, угла экранирования, фактора DOP, числа используемых SV и т.д.

Под ошибкой UERE понимают пользовательскую ошибку оценки дальности, которая вычисляется (для L1 C/A), как указано в таблице 1

Таблица 1 – Пользовательская ошибка оценки дальности (UERE) L1 C/A

3.7.1 Испытание с помощью имитатора

При испытании можно устранять ошибки UERE и UEE, отключив соответствующие атмосферные эффекты, специально не включая ошибки данных эфемерид, спутниковых часов, многолучёвость или ЭМИ/радиопомехи. Подобное невозможно при использовании в испытании реального спутникового сигнала. По этой причине невозможно физически измерить абсолютную точность навигации приемника без использования имитатора ГНСС. Для измерения точности статической навигации следует выбрать сценарий со статическим местоположением (0o широты, 0o долготы и 0 метров высоты – подходящие координаты, так как они позволяют легко определить любое расхождение, которое будет выражено в числах, отличных от нуля). Следует выполнить как минимум 24-х часовой сценарий (см. документ 1) с уровнем мощности, не превышающим – 160 дБВт (минимальная мощность принимаемого радиосигнала в соответствии с документом 1).

Некоторые приемники имеют режим фиксирования местоположения, если определяемая скорость падает ниже установленного порогового значения. Этот так называемый статический режим необходим для автомобильных приемников для предотвращения дрожания экрана во время остановки. Однако, при выполнении испытания точности статического местоопределения, следует отключить этот режим для получения реального результата точности приемника.

В документе 1 приводится подробное описание метода измерения точности приемника.

3.8 Точность Динамической навигации

Под точностью динамической навигации понимают то же, что и под точностью статической навигации, за исключением того, что приемник перемещается в одной или трех осях X, Y, Z.

3.8.1 Испытание с помощью имитатора

В качестве сценария имитатора выберите сценарий с простой траекторией, определенной с помощью команд SimGEN. Для проведения декорелляции данных выполните испытания в течение трех последовательных временных отрезков продолжительностью не менее 1 часа, содержащие как минимум 1000 достоверных точек навигационных данных каждый. Эти три испытания должны быть равномерно разнесены в течение 24-х часового периода.

Для определения динамической точности имитатора может быть задана практически любая динамическая траектория. Высокие динамические характеристики имитаторов Spirent позволяют проводить испытания приемников на пригодность для любого типа применений, где требуется динамическое перемещение – от дрейфующих аварийный радиомаяков до военных артиллерийских снарядов, вращающихся с частой несколько сотен оборотов в секунду.

3.9 Радиопомехи

Под радиопомехами понимают любой паразитный сигнал, который затрудняет работу приемника, приводит к частичной или полной потере радионавигационного сигнала. Радиопомехи могут быть преднамеренными и непреднамеренными. Преднамеренные помехи – это результат умышленной попытки нарушить работу приемника ГНСС. В качестве примера подобных помех можно привести глушение радиосигналов противоборствующих сторон на театре военных действий. Улучшенный тип преднамеренных помех называют "дезориентирующие помехи" (spoofing), которые представляют собой сигналы типа ГНСС, заставляющие приемник "думать", что он осуществляет навигацию так, как на самом деле этого не происходит.

Под непреднамеренными помехами понимают паразитные сигналы от различных сторонних источников, которые специально не направлены на нарушение работы приемника ГНСС. В качестве примеров этого типа помех и их источников можно назвать гармоники коммерческих станций телевещания или импульсные помехи аэронавигационных систем VOR/DME.

Если говорить об уязвимости сигналов ГНСС в отношении этих типов помех, то в первую очередь следует упомянуть чрезвычайно малую мощность сигнала при приеме на антенне приемника ГНСС (обычно -120 дБ). Мощность некоторых из них на 20 дБ ниже уровня фонового шума, что делает необходимым использование коэффициента расширения спектра сигнала (корреляторов) для отделения сигнала от шума.

В качестве еще одного примера уязвимости приемника ГНСС к помехам следует назвать тот факт, что немодулируемый сигнал помехи 1Вт, передаваемый на частоте L1 (1, 57542 ГГц), может нарушить работу запущенного приемника в радиусе 10 км и препятствовать старту приемника в радиусе 85 км! Дополнительная информация по этой проблеме указана в документе 1.

3.9.1 Испытание с помощью имитатора

В этом испытании могут быть задействованы несколько опций имитатора. Простые некогерентные помехи легко создаются с помощью имитаторов серий GSS6560 и GSS8000 благодаря входному порту радиопомехи, позволяющему подавать внешний радиосигнал по основному каналу ГНСС под контролем направленного ответвителя, встроенного в имитатор (см. рисунок 1).

Рисунок 2 – Модель подачи сигнала помехи

Поданный сигнал от стороннего генератора сигналов не может быть согласован с сигналом имитатора ГНСС. Однако, для моделей имитаторов GSS6560, GSS6700 и GSS8000 доступна опция системы имитации помех (GSS7765), которая позволяет программному обеспечению SimGEN контролировать данные типы генераторов сигналов когерентным и некогерентным способом, задавая различные типы модуляции сигналов определенной мощности, имитирующие эффекты относительной дальности источников помех по отношению к имитируемой системе ГНСС (например, источник помех, пролетающий над местоположением приемника).

4. Заключение

В настоящем документе рассматриваются основные рабочие характеристики приемников ГНСС, которые должны быть оптимизированы уже на ранних стадиях проектирования, а также методики их испытания с помощью имитатора ГНСС. Программное обеспечение SimGEN обеспечивает высокое разрешение управления сигналами, а также возможности работы и изменения любого объема данных, воспроизводя наиболее сложные эффекты погрешностей. Кроме этого, программа имеет интуитивно понятный интерфейс, предоставляя пользователю инструменты для моделирования ситуаций любой сложности. Здесь также поясняется, почему в настоящее время не существует реальной альтернативы испытанию приемников ГНСС с помощью имитаторов в ситуациях с высокодинамичным перемещением.

5. Глоссарий терминов

Код C/A - Сигнал гражданского кода GPS SPS, предназначен для использования невоенными потребителями и обеспечивает так называемое стандартное обслуживание по определению местоположения.

Чип - Время передачи 1 бита кода C/A.

Фактор DOP - Фактор изменения точности (GDOP - геометрический фактор изменения точности определения местоположения и поправки часов потребителя ГНСС; HDOP - геометрический фактор изменения точности определения местоположения потребителя ГНСС по горизонтали; VDOP - геометрический фактор изменения точности определения местоположения потребителя ГНСС по вертикали; PDOP - геометрический фактор изменения точности определения местоположения потребителя ГНСС в пространстве; TDOP - геометрический фактор изменения точности определения поправки часов потребителя ГНСС).

ЭМП - Электромагнитные помехи.

EPE - Оценка ошибки местоопределения.

БПФ - Быстрое преобразование Фурье.

ГНСС - Глобальная навигационная спутниковая система (например: GPS, ГЛОНАСС и Galileo).

PPS - Служба абсолютного местоопределения GPS на основе кода P.

Код PRN - Псевдослучайный числовой код. Код, имеющий свойства случайной последовательности, однако, вычисленный по определенному арифметическому правилу (повторяемость для кода C/A составляет 1 мс, для кода P составляет 7 дней).

РЧ - Радиочастота.

Сценарий испытания - В этом контексте имитация системы ГНСС в программном обеспечении SimGEN или SimPLEX.

SNR - Отношение сигнал/шум.

SPS - Служба стандартного местоопределения на основе кода C/A.

SV - Спутник GPS.

TTFF - Время первого навигационного определения, затрачиваемое приемником ГНСС от момента его включения до первой выдачи координат.

UEE - Оценка ошибки пользователя.

UERE - Пользовательская ошибка оценки дальности.

Достоверная точка навигационных данных - Единая, привязанная к времени опорная точка широты, долготы и высоты по системе координат WGS-84 (для GPS), вычисленная в режиме трехмерной навигации.

VOR/DME - Комплексная радионавигационная система аэронавигационного оборудования.

наверх

Введение

В последние годы наблюдается неуклонный рост заинтересованности в широком применении систем ГНСС. Широкое распространение ГНСС позволяет говорить о растущем доверии к этой технологии. Сегодня эта технология применяется не только в сфере персональной навигации и безопасности, но также позволяет получать значительную коммерческую выгоду. Таким образом, разработчикам, производителям и потребителям этих продуктов необходимо понимать какие преимущества имеют системы ГНСС, и в каком направлении они будут развиваться в будущем, а также с какими ограничениями и проблемами они могут столкнуться при использовании этой технологии.

В настоящем документе рассмотрены основные характеристики приемников ГНСС. Кроме того, здесь описаны решения от компании Spirent для комплексного испытания приемников ГНСС, показаны возможности имитаторов радионавигационных сигналов по генерированию условий, необходимых для проведения соответствующих испытания. Область применения приемника ГНСС определяет критерии испытаний. Также следует отметить, что важность каждого критерия может значительно меняться в зависимости от области применения. Например, малое время TTFF может быть критично для бортовых приемников ГНСС, но необязательно для статической геодезической съемки. Функция восстановления навигации после кратковременного пропадания сигналов спутников необязательна для судовой приемной аппаратуры ГНСС по причине отсутствия физических преград вызывающих затенения сигнала, но очень важна для автомобильных приемников ГНСС, где затенение сигнала происходит достаточно часто.