标签: GNSS模拟

文章来源：德思特测试测量 阅读原文： https://mp.weixin.qq.com/s/PSAgvkH2dVEfZsdyzvmREQ 走进德思特 2023年上半年，ChatGPT红遍全球，人工智能、B5G/6G、物联网、云计算、软件自动化等新兴技术的快速发展进一步推动科技行业的复苏，行业展会、线下活动重回正轨，政策支持和资本市场回暖也将为科技企业提供更多支持。伴随科技行业的整体复苏、行业创新的加速发展，测试测量行业将面对新一轮创新需求。 面对日益增长的行业需求， 虹科测试测量事业部与虹科卫星与无线通信追随时代的脚步，正式更名为“德思特” 。这一重要的改变代表了虹科持续发展进程中的新里程碑，也体现了我们在测试测量领域中不断创新的精神。 德思特 Tesight 是由“test”（测试）和“insight”（洞察）组成，这代表着 Tesight 专注于测试领域，通过深刻的洞察力，提供有价值的测试测量方案和技术服务。而“德思特”正是我们的价值观，“德”代表着我们始终秉承专业和诚信，“思”强调我们注重思考和创新，“特”代表我们提供深入见解和独特价值的能力，通过创新帮助客户成功。 我们希望在这个新兴技术飞速发展的时代，能够以更加开放的心态，汇聚来自各个领域的智慧，为您提供更智能、更创新的电子测试测量解决方案，成为您的测试测量专家。 德思特 七大业务范围 01 汽车电子仿真及测试 GNSS模拟、BMS测试、智能座舱测试、汽车零部件测试、C-V2X等 02 射频微波及无线通信测试 WIFI、5G、卫星通信、终端产品/无线模块研发/生产测试等 03 无线频谱监测与规划 微波通信视距、通信测试与验证、5G外场测试、5G毫米波测试、卫星通信干扰排查等 04 无线通信 智能网联汽车无线通信、轨道交通、卫星通信、室内无线通信等 05 半导体测试 动态I/O、电容测试、ADC，DAC芯片测试等 06 PNT解决方案 GNSS模拟器、时间服务器、PNT测试方案等 07 大物理和光电测试 射电天文学、粒子物理学、量子光学、光通信、质谱应用等 德思特团队力量 核心成员具有 9年以上 的测试测量、无线通信及其他相关行业资历；技术团队获得世界五百强PNT解决方案合作伙伴Safran的GNSS技术及信号仿真和软件 Skydel 培训认证证书、航空航天测试和测量合作伙伴Marvin Test 的自动化测试软件 ATEasy 培训认证证书。 德思特研发部，核心成员获得国际项目管理师PMP认证资质，并具备LabVIEW、python等多种编程语言能力，优势能力集中于： HIL测试，半导体测试，EOL测试和质量检测等多种系统研发集成 ，拥有10多个实用新型和专利授权。 围绕汽车电子、射频微波、通信、航空航天等行业提供专业可靠的解决方案，现有客户包括华为、德赛西威、蔚来汽车、理想汽车、航天科工集团、清华大学、北京航空航天大学、中电科集团等。 此外，我们还是中国无线电协会、中国通信企业协会、雷达行业协会、RIS智能超表面技术协会等行业协会的会员。 找到我们 官方网站 ：www.tesight.com 联系邮箱： hktest@tesight.com 总部地址： 广州市黄埔区开泰大道30号佳都PCI科技园6号楼 各分部： 广州 | 成都 | 上海 | 苏州 | 西安 | 北京 | 台湾 | 香港 | 日本 | 韩国 | 美国硅谷

在上期文章中我们介绍了基于RTCM插件来模拟RTCM使用的硬件和软件设置，本期文章我们将继续进行运行和分析模拟。 使用RTCM插件 运行和分析模拟 01.连接Ublox接收器 虽然采用了Novatel接收器进行模拟来获得更好的位置精度，但也同样适用于Ublox接收器。要将Ublox接收器连接到虹科Safran GSG-8，需要先进入“Receiver”菜单，然后点击“Connect（连接）”按钮，从可用端口列表中选择接收器。 02.运行模拟 接下来，通过点击虹科Safran Skydel参考站窗口中的开始按钮来启动模拟： 待定位菜单变成绿色后，这意味着接收器在RTK模式下工作良好，此时让Skydel模拟运行约30分钟。在模拟结束时，返回NovAtel设置和监控软件的配置菜单，选择记录标签，点击“Open”按钮，在选择的文本编辑器中打开文件，并保存数据文件： 03.分析模拟结果 如果将Ublox接收器与虹科Safran GSG-8相连，初步分析方式是使用Skydel的偏差窗口来查看没有伪距误差的位置误差结果： 也可以添加一个伪范围误差来观察接收器上的干扰，观察接收器变化。要做到这一点，需要先停止模拟，点击“Settings（设置）”→“GPS”→“Pseudorange Errors（伪范围误差）”，设置流动站和参考站的时间常数为2000秒、标准偏差为0.5米： 启动Skydel，点击进入偏差页面，可以看到，偏差值大于1米，即对接收器造成了干扰： 然后将Ublox接收器连接到U-center应用程序，可以观察到4种情况下的高度变化： RTCM插件禁用，伪距误差禁用 RTCM插件禁用，伪距误差启用 RTCM插件启用，伪距误差禁用 RTCM插件启用，伪距误差启用 要将Ublox连接到Windows电脑上的U-center，将接收器连接到PC，需要确保安装了接收器的驱动程序和U-center软件。 接下来，将U-center软件连接到接收器，选择菜单项“View”→“Coniguration View”→“PRT（Ports）”，确保显示的配置是最新： 在“Target”下拉菜单中选择将RTCM3数据发送到的接收器接口对应的选项，可以查阅接收器或GNSS接收器模块文档以确定正确的接口，并检查所选的“Protocol in”配置是否包含“RTCM3”，若不包含，则选择另一个包含“UBX”和“RTCM3”的选项。建议波特率至少设置为115200，虽然可以设置较低的波特率，但必须有足够的带宽来实时发送RTCM数据。 点击“发送”按钮将配置发送到接收器，关闭“配置”窗口，该程序可能会要求把配置保存到接收器的非易失性存储器中。 禁用RTCM插件和禁用Pseudo-range错误 首先，要禁用流动站和参考站的伪距错误，进入“Settings（设置）”→“GPS”→“Errors（错误）”，禁用进程1： 然后确保在参考站配置中的“Settings（设置）”→“Plug-ins”中禁用该插件。 接着，需要启动Skydel和U-center UI，点击“View”→“Chart View”，显示海拔高度图像： 经过约5分钟的模拟，可以在视图中看到Ublox收到的位置变化曲线： RTCM插件禁用和伪距误差启用 停止模拟并允许流动站和参考站的伪距误差，然后重新启动Skydel，所得到的非稳态曲线也有同样的趋势，在这个模拟中，设定的高度是2米，但是位置并没有在这2米的高度附近稳定下来，而是不断增加，直到达到3米。 启用RTCM插件，停用Pseudorange 首先启用Ublox接收器的插件： 然后点击“Configure...”，勾选NTRIP caster端口： 进入U-Center，点击“NTRIP Client”： 在这个窗口中，点击更新源表： 等待Skydel标签出现在NTRIP挂载点，然后单击“OK”关闭窗口： RTCM插件启用和伪距误差启用 RTCM插件设法纠正了添加的伪距误差，获得的值与没有错误的值大致相同，可以观察到，即使加上伪距误差，高度也是稳定的，其中误差区间为±0.1米： 上述是基于RTCM插件进行模拟的运行和分析模拟，在下期文章中，我们将介绍第二种方式，基于多实例来模拟两个同步的射频信号。

什么是RTK？ 实时动态载波相位差分技术（RTK）是通过测试来纠正当前卫星导航（GNSS）系统常见误差的应用。RTK定位基于至少两个GNSS接收机——参考站和一个或多个流动站。 参考站在可视卫星中获取测量数据，然后将这些数据和它的位置一起广播给流动站。流动站收集卫星的测量数据，并将其与参考站数据一起处理，估计其相对于参考站的位置。 GNSS载波相位信号是通过RTK实现厘米级定位精度的关键。载波相位测量就像从参考站和流动站的天线到卫星的精确磁带测量。在接收器中，载波相位测量是以毫米级精度进行的。尽管载波相位测量是高度精确的，但它们包含一个未知的偏差，称为整数周期模糊性或载波相位模糊性。流动站必须在开机时解决或初始化载波相位模块，并且在每次卫星信号中断时解决。 ​ 支持的消息格式 RTCM3.3 RTCM3.3（也称为RTCM 10403.3，差分GNSS服务（版本3））由国际海运事业无线电技术委员会（The Radio Technical Commission for Maritime Services）制定，描述了差分修正数据传输的协议，允许GNSS接收机以更高的精度计算其位置。 RTCM3.3信息中包含的数据包括由参考站进行的载波相位和伪距测量。参考站是一个GNSS接收器，它像通常的接收器一样处理GNSS信号，但位置是预先知道的，且具有出色的精度。RTCM3.3数据从参考站传输到另一个GNSS接收器（"流动站"），使该接收器能够补偿其测量误差，从而提高其定位精度。 Skydel⽀持的 RTCM3 消息： 1006（基站位置消息） 1033（接收机和天线描述） MSM3消息【Multiple Signal Messages：多信号电文组】： 1073（(MSM3 GPS） 1083 (MSM3 GLONASS) 1093 (MSM3 Galileo) 1123 (MSM3 BeiDou) 1113 (MSM3 QZSS) 1133 (MSM3 IRNSS) MSM7消息： 1077 (MSM7 GPS) 1087 (MSM7 GLONASS) 1097 (MSM7 Galileo) 1127 (MSM7 BeiDou) 1117 (MSM7 QZSS) 1137 (MSM7 IRNSS) NTRIP NTRIP（RTCM通过互联⽹协议的⽹络传输）是⼀种⽤于通过⽹络（包括互联⽹）传输RTCM数据的协议。 NTRIP（通过NTRIP协议将RTCM3数据流式传输到客⼾端）。能够将RTCM3数据写⼊⼆进制或⼗六进制⽂件。 RTCM插件 虹科Safran Skydel RTCM插件允许模拟来⾃基站的RTCM 3.3消息，⽆需为基站接收器⽣成真实的射频信号。RTCM消息可以通过串行端⼝连接或NTRIP从Skydel应⽤程序流式传输到流动站接收器，其中，需要应⽤程序的两个实例来模拟基站和流动站的GNSS星座，但只有⽤于流动站的实例需要连接到接收器的真实射频输出，而⽤于基站仿真的实例可以配置为使⽤“NoneRT”输出。 在后续版本中可能会添加⼀种新模式，在没有RF硬件的情况下为基站仿真提供更好的性能。Skydel实例必须使⽤“同步模拟器”功能进行同步，以模拟相同的时间和相同的卫星轨道。RTCM插件允许RTCM3数据流式传输到串行端⼝（COM 端⼝）或使⽤NTRIP协议的⽹络。根据选择的RTCM3输出类型，可以使⽤不同连接⽅案。 串口连接 ⼀般来说，如果想将RTCM3消息流式传输到串行端⼝并同时能够观察接收器状态（位置解决⽅案），将需要⾄少具有两个接⼝的接收器， ⼀个⽤于RTCM3消息，另⼀个⽤于NMEA（或其他）协议输出。 ​ NTRIP连接 如果想使⽤NTRIP传输RTCM数据，需要有NTRIP客⼾端软件来与插件中的NTRIP caster通信。NTRIP客⼾端可以是专⻔的NTRIP软件，来⾃接收器供应商的软件，或者NTRIP客⼾端可以嵌⼊到具有⽹络接⼝的接收器中。 使⽤NTRIP通信软件的虹科Safran Skydel RTCM设置 GNSS接收器包含嵌⼊式NTRIP客⼾端时的测试设置 在下期文章中，我们将为大家展示RTK使用实例，如何通过两种不同的方法来模拟RTCM的使用。

​ GNSS信号频段 GNSS频谱图展示了不同的GNSS信号及其星座、载波频率、调制方案，以及所有这些信号在同一L波段频段内如何相互关联，是GNSS专业人员的必备工具，包括设计和开发GNSS系统的工程师，以及测试GNSS系统的工程师。 GNSS术语 星座（Constellation） ：构成特定系统的一组卫星。GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou、IRNSS（NAViC）和QZSS都被认为是独立的星座。 信号（Signal）： 信号由载波频率、测距码和导航数据组成。一颗卫星通常会传输多个信号，例如，一颗GPS III卫星传输八种不同的GPS信号（L1C/A、L1C、L2C、L5、L1P（Y）、L1M、L2P（Y）、L2M）。 载波频率（Carrier Frequency）： 固定频率的传输，该频率经过更改或调制以“承载”数据。频率以赫兹（每秒循环数）为单位测量。在GNSS模拟器中指的是GNSS信号的精确载波频率。对于GPS L1C/A信号，载波频率为 1575.42MHz。 频段（Frequency Band）： GNSS频率通常称为频段。所有GNSS频率都符合国际电信联盟（ITU）定义的L1、L2、L5或L6频段。这些所有的信号频段被规划得足够近，这样一个接收器就可以接收所有信号，但又不会靠得太近以至于它们相互干扰。尽管GPS L1C/A、GLONASS G1、伽利略E1和北斗B1信号可能具有不同的载波频率，但它们都位于L1频段。 PRN码（PRN Code）： 伪随机噪声码，也称为测距码或扩频码，是用于生成GNSS信号扩频的相移序列，接收机使用PRN码恢复原始信号并测量到卫星的距离。有多种类型的代码用于不同的星座和信号。 调制类型（Modulation Types）： GNSS中使用相位调制将PRN代码和导航消息数据传送到接收器的载波频率上。GNSS信号最常用的调制技术是二进制相移键控（BPSK），而较新的信号使用二进制偏移载波（BOC）调制方案。 服务（Services）： 来自同一个星座的不同信号或信号组合可用于不同的服务。对于GPS，有标准定位服务（SPS）和精确定位服务（PPS）两种，SPS适用于所有用户，而PPS则用于军事应用。伽利略有四种服务：开放服务（OS）、高精度服务（HAS）、公共监管服务（PRS）和搜救（SAR）。其他星座也提供不同的服务，比如北斗目前提供七种服务： 定位导航授时服务： 全球范围实测定位精度水平方向优于2.5米，垂直方向优于5.0米，测速精度优于0.2米/秒，授时精度优于20纳秒。 全球短报文服务： 通过14颗MEO卫星为全球用户提供试用服务，最大单次报文长度560比特，约40个汉字。 国际搜救服务： 6颗MEO卫星搭载搜救载荷，在符合国际标准的基础上，提供北斗特色B2b返向链路确认功能，为全球用户提供遇险报警服务。 区域短报文服务： 最大单次报文长度14000比特，约1000个汉字，而具有区域短报文功能的智能手机将进入市场。 精密单点定位服务： 通过3颗GEO卫星播发精密单点定位信号，定位精度实测水平方向优于20厘米，高程优于35厘米。 星基增强服务： 支持单频及双频多星座两种增强服务模式，满足国际民航组织技术验证要求。目前星基增强系统服务平台已基本建成，正面向民航、海事、铁路等高完好性用户提供试运行服务。 地基增强服务： 已在中国全境内建设框架网基准站和区域网基准站，面向行业和大众用户提供实时厘米级、事后毫米级定位增强服务。 GNSS模拟器是基于仿真的手段，结合软件定义的高级架构，在GNSS仿真的基础上更进一步，推出“依托软件引擎，开放硬件平台，高效开放的完成GNSS仿真”的Skydel GNSS仿真引擎方案，并借助该引擎推出适合于HIL测试的GSG-7与复杂场景与多实例测试的GSG-8。虹科Safran GSG-8提供最新定位、导航和计时测试解决方案，在一个易于使用、可升级和可扩展的平台上提供了最高标准的全球导航卫星系统（GNSS）信号测试和传感器模拟性能。它具有1000Hz的模拟迭代率、高动态性、实时同步，以及对所有卫星信号的模拟。 特征 灵活的软件定义平台 超高动态 强大的自动化 航空航天模拟 自定义波形 ​

​ 首次定位时间（TTFF）是指从GNSS单元打开到能够输出具有给定性能级别的有效导航解决方案之间的时间。根据接收机的规格，用于验证导航解决方案的性能标准可以是跟踪卫星的数量（即用于2D或3D定位）/跟踪星座或位置精度。该测试确定设备在各种潜在情况下对反复启动和关闭的反应。 对于TTFF测试，接收机要测试的三个最重要的条件是冷启动、暖启动和热启动。下表解释了这三个启动条件的含义。 首次定位时间的测试建议： 每个接收机针对每个单元启动条件（冷、暖和热）至少执行200次TTFF测试，以确保有足够的数据点来较为精准的确定启动时间的典型值。（注意：GNSS接收机的规格通常需要平均值或95%置信度值）。通过自动化测试，执行的测试数量可以更高。 建议在不同的模拟场景（例如位置、历书、时间）中评估接收机的TTFF，以应对不同的星座配置。应调整方案参数以匹配实际应用的要求，如对于静态或移动车辆、存在多路径和/或干扰的情况。 在有多个卫星星座可用的时代（除了GPS以外，现在还有北斗、GLONASS，伽利略等卫星导航系统），必须评估接收机支持的每个星座的TTFF。如果能够在接收机上单独激活每个星座，建议可以这样测试接收机支持星座的TTF，但如果接收机没有这个功能，也可以选择在虹科Safran Skydel GNSS模拟器上进行测试，一次启用一个星座，但接收机的算法不会被优化为搜索此可见星座的“仅信号”。 为了正确评估接收机的TTFF，有必要从大量场景点开始，并经常更改模拟星座配置。为此，虹科Safran Skydel模拟器提供了强大的API，能够自动启动连续的Skydel场景，并向正在测试的接收机发送自动关闭/启动命令。只需简单的编程，就可以使用Skydel模拟器轻松实现TTFF测试的自动化。 测试流程 在这个案例中，将评估u-blox™ EVK-M8N接收机在多个TTFF场景中的性能。虹科Safran Skydel模拟器具备强大的灵活性，接收机可以很容易地在不同的星座模式和启动条件下进行测试。例如，选择验证单个星座（分别是GPS C/A和Galileo E1）以及混合模式（同时使用GPS和Galileo）在冷/热启动条件下的性能。接收机性能还可以使用Skydel软件的干扰功能在GNSS信号的采集和跟踪期间激活干扰来进行测量。对于每个性能点评估（一个星座在一个起始条件下），接收机将在200个不同的场景中启动5次。 模拟器 Skydel 版本 17.1.7 软件定义无线电 （SDR） Ettus USRP X300 控制器电脑 Nvidia GeForce GTX 1080 Intel Core I7-6700K Windows 10 Pro 接收机 u-blox EVK-M8N 软件版本 EXT CORE 3.01 硬件版本 00080000 测试设置 如下图所示，设置虹科Safran Skydel模拟器的基本配置来进行测试。GNSS 接收机使用USB电缆连接到控制器PC，由u-blox接收机的专有软件界面管理连接。通过这种配置，Skydel模拟器和u-blox接收机可以在一台PC上进行轻松控制，而无需管理多个以太网接口。 系统设置完成后，首先使用Skydel GUI创建5种不同的模拟场景。每个场景都设置在地球上的不同位置，并使用不同的开始时间。这样将确保在每个场景中都有一个单独的GNSS星座。电离层和对流层传播延迟是根据Klobuchar和STANAG模型定义的，所有其他误差（如多路径、时钟随机噪声、伪距斜率）均被关闭。对于天顶上的GPS和伽利略参考卫星，GNSS信号功率被设置为-50dBm（相当于接收器输入端的-110dBm），所有其他卫星的功率会根据其仰角自动调整。模拟持续时间是无限的，模拟场景的开始和停止时间将通过API进行控制。 脚本概述 创建模拟器场景后，可以评估接收机的TTFF性能。可以使用功能强大的虹科Safran Skydel API来实现相同的结果，而无需手动执行此操作。这个案例中使用的是Python API，除此之外，Skydel也附带C++、C#以及Labview的API。以下Python命令作为示例提供，在实际使用中需要适应配置，尤其是控制接收机的功能。 首先，从虹科Safran Skydel 库中导入远程函数： import skydelsdx from skydelsdx.commands import Open from skydelsdx.commands import Stop from skydelsdx.commands import Start from skydelsdx.commands import SetInterferenceChirp 创建Skydel远程模拟器的实例并连接到它： sim = skydelsdx.RemoteSimulator(True) sim.connect() 然后循环之前创建的 Skydel 场景，这里有5个不同的场景： TTFFlist = for nb in range(1, runNumberForEachScn + 1): if TTFFtype == TTFFtypes.cold: time.sleep(random.uniform(0,30)) coldStart(ublox) elif TTFFtype == TTFFtypes.hot: time.sleep(random.random()) hotStart(ublox) TTFF = waitForFix(ublox, timeout) TTFFlist = TTFFlist + disconnectReceiver(ublox) return TTFFlist TTFFlist包含200个启动中每个启动的TTFF值（即40个场景中每个场景的5个启动）。使用Python pickler保存此列表，以便后续使用其它的工具进行分析。在本文中使用了Pyplot，它为图形数据分析提供了强大的开源库。 测试结果 下图提供了u-blox接收机在无论有无干扰的情况下在GPS C/A、Galileo E1和混合模式下冷启动时的性能，在每种情况下，TTFF都以平均值和95个百分位值的形式提供。本文的目的不是详细分析u-blox接收机的性能，但在纯GPS模式下TTFF的特定分布也是非常有趣的，由于GPS C/A导航消息的特殊结构，其值集中在30秒左右。仅使用GPS的TTFF性能也优于仅使用伽利略，因为GPS星历数据分组在导航消息的开头，而它们分散在伽利略导航消息中。 TTFF性能–冷启动条件–GPS模式 TTFF性能–冷启动条件–Galileo 模式 TTFF性能–冷启动条件–GPS/伽利略模式 最后，可以看到混合模式并没有提高整体性能，因为在每种情况下，都必须解码至少一个星座的星历表。当干扰被激活时，可以看到对性能的影响，在这种情况下，几次采集时间超过35秒时，GPS信号似乎比伽利略信号受到干扰的影响略大。整体性能下降在一定程度上可以通过信号采集期间更多的漏检来解释，但主要是由于导航消息解码中的位丢失或错误。（注：星历解码中缺少一个位可能意味着需要等待下一个星历周期）。 同样的分析可以在热启动条件或其他卫星采集模式下进行。 本文解释了如何使用虹科Safran Skydel GNSS模拟器评估TTFF（GNSS接收机与性能相关的关键功能）。本文通过一个简单的例子突出了Skydel远程API的优势，它使用户能够非常轻松的执行测试，而其他模拟器可能需要自定义工具或费力的手动测试程序。 ​