Тестирование приемников ГНСС в потребительских устройствах

Рекомендации компании Spirent Communications plc по тестированию приемников ГНСС, предназначенные для инженеров-исследователей и разработчиков потребительских устройств.

Введение: потребители все больше нуждаются в технологиях позиционирования

В недалеком прошлом потребители могли использовать средства спутникового позиционирования только в составе автомобильных навигационных систем и сложного оборудования для пеших путешествий.

Сегодня все по-другому. Навигационные функции имеются в массовых смартфонах, планшетах и других персональных устройствах, и потребители теперь хотят быстро и повсеместно получать точную информацию о своем местонахождении, где бы они ни были — под кронами деревьев, между домами в городе или в помещениях. Поэтому перед инженерами, отвечающими за навигационные возможности потребительских устройств, сегодня ставится задача разработки и реализации новых режимов функционирования спутниковых или гибридных навигационных систем, чтобы они соответствовали повышенным техническим требованиям.

Это непростая задача. Как правило, производители тестового оборудования публикуют спецификации своих продуктов с минимальными объяснениями их характеристик, способствующими понимаю сути последних. А ведь для производителей потребительских устройств крайне важно избежать ошибок при выборе тестового оборудования и выполнения неэффективных тестов, что может негативно сказаться на процессе разработки новых изделий.

Данная публикация призвана прояснить основные аспекты и проблемы тестирования средств спутникового позиционирования.

Среди рассмотренных здесь тем:

Обзор глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).
Дополнение решений на базе ГНСС другими технологиями позиционирования.
Девять основных параметров устройств спутникового позиционирования.
Основные способы тестирования этих устройств.
Выбор подходящего имитатора сигналов ГНСС.

см. также

Обзор ГНСС

Все чаще требуется, чтобы различные потребительские устройства определяли свое местонахождение. Фотокамеры для каждого отснятого кадра должны сохранять информацию не только о времени, когда был сделан этот снимок, но и о месте, где он был сделан. Устройства для занятия спортом должны показывать нам, сколько калорий мы сожгли в зависимости от дистанции, которую мы пробежали. От автомобилей требуется, чтобы они автоматически информировали экстренные службы о месте аварии, а часы должны сами переводиться на местное время. При этом местонахождение и всемирное время, как правило, определяются на основе сигналов навигационных спутников.

Самой широко известной ГНСС является американская система GPS (Global Positioning System). Нередко аббревиатуру GPS неправильно используют в качестве общего термина, обозначающего спутниковое позиционирование. Фактически же система GPS — это только одна из растущего числа ГНСС, сигналы которых могут использовать потребительские устройства.

ГЛОНАСС — российская полностью развернутая навигационная спутниковая система с глобальным покрытием.
BeiDou/Compass — китайская развивающаяся навигационная спутниковая система. Действующая в настоящее время вторая фаза системы — BeiDou-2 — состоит из 15 спутников, работающих на трех частотах, и охватывает Азиатско-Тихоокеанский регион. Глобальное покрытие должно быть реализовано к 2020 году.
Европейский Союз быстрыми темпами строит ГНСС Galileo, которая будет передавать гражданские сигналы.
В дополнение к вышеуказанным глобальным системам создан ряд региональных систем дифференциальной коррекции, включая японскую систему QZSS.

К концу текущего десятилетия число действующих навигационных спутников возрастет примерно в четыре раза. Устройства, способные использовать сигналы нескольких ГНСС одновременно, будут работать быстрее и надежнее односистемных моделей. Производство таких устройств развивается, и к 2020 году они получат широкое распространение.

Интеграция нескольких технологий позиционирования

Расчет координат на основе параметров сигналов ГНСС — это только один из способов, дающих возможность потребительскому устройству определить свое относительное расположение в пространстве и времени. Кроме того, для позиционирования используются инерциальные датчики, сигналы Wi-Fi, сотовые сети и даже миниатюрные барометры.

Возможность обращаться к постоянным заслуживающим доверия независимым источникам информации о времени и местонахождении является важным преимуществом навигационных решений на базе ГНСС по сравнению с инерциальными системами. В процессе работы последних накапливаются ошибки, а для запуска этих систем нужно знать точные начальные координаты транспортных средств, на которые они установлены, что не всегда возможно.

В действительности довольно редки случаи, когда в навигационном решении реализуется только какая-либо одна технология позиционирования. Интеграция нескольких технологий может повысить надежность и точность определения местонахождения и позволит делать это в тех местах, где слабы сигналы ГНСС, сотовых сетей и сетей Wi-Fi. Однако с осуществлением такого рода интеграции связаны определенные трудности, среди которых — разработка и тестирование способа приоритизации и выбора показаний разного рода навигационных подсистем, что непросто при противоречивости их показаний.

Важность тщательного тестирования

Чем шире устройства с функциями позиционирования используются в повседневной жизни людей, тем нетерпимее они относятся к плохой точности и низкой производительности этих устройств, а также к тому, что они могут не работать в тех или иных местах. Поскольку функция позиционирования играет важную роль, от производителей требуется, чтобы их устройства не просто определяли свое местонахождение, а делали это с высокой точностью, стабильно и в широком диапазоне условий эксплуатации.

Последствия ненадежной работы средств спутниковой навигации для их пользователей могут быть катастрофическими. Если раньше самое страшное, что могло произойти — это неправильный поворот на проселочную дорогу, то сегодня от работы этих средств нередко зависят безопасность людей и финансовое состояние предприятий.

И речь здесь идет не только о проводимых приемником ГНСС расчетах своего местонахождения. Если сигналы ГНСС используются в качестве независимого источника информации об эталонной шкале времени, то небольшие неточности, например, при формировании меток времени для пакетов, передаваемых при осуществлении финансовых транзакций, в ситуациях, когда цены изменяются быстро, могут привести к разрушительным финансовым потерям.

Последствия плохой работы средств спутниковой навигации для их производителей могут быть не менее серьезными. Помимо репутационных и финансовых потерь в связи с продажей (и возможным отзывом) ненадежного оборудования, не надлежащее функционирование разработанной навигационной системы может привести к существенным задержкам и дополнительным расходам на всех этапах цикла ее изготовления.

Таким образом, крайне важно тестировать навигационные системы тщательно, всесторонне, с учетом всевозможных условий их эксплуатации и распространения спутниковых навигационных сигналов. А для проведения таких испытаний нужно подходящее тестовое оборудование.

Девять основных параметров устройств спутникового позиционирования

Соответствие каждого устройства своему предназначению зависит от точности работы устройства и благоприятности условий эксплуатации.

Существует девять основных параметров, которые в совокупности определяют пользовательский опыт при эксплуатации устройства спутникового позиционирования.

Cold Start Time to First Fix (время первого определения местонахождения при холодном старте). Очень важный параметр, поскольку данное время — это первое, на что пользователь обращает внимание, начав эксплуатировать устройство спутникового позиционирования. Данный параметр характеризует быстроту, с какой устройство может захватывать спутниковые сигналы, что называется, «с нуля», то есть не зная своего местонахождения и времени, а также не имея текущего альманаха и актуальных данных эфемерид.

Warm Start Time to First Fix (время первого определения местонахождения при теплом старте). Параметр, показывающий быстроту захвата приемником спутниковых сигналов, если в последний раз приемник использовался совсем недавно. В таком случае альманах и информация о времени уже загружены в память приемника, его текущее местонахождение удалено от того места, где он использовался в последний раз, не более чем на 100 км, но данные эфемерид отсутствуют или устарели.

Hot Start Time to First Fix (время первого определения местонахождения при горячем старте). Горячий старт имеет место, когда приемник используется регулярно. При этом он находится недалеко от того места, где применялся в последний раз, и в его памяти хранятся информация о времени, полный альманах и данные эфемерид; для определения своего местонахождения ему нужно лишь принять спутниковые сигналы.

Acquisition Sensitivity (чувствительность для захвата). Параметр, характеризующий минимальную мощность принимаемого сигнала, при которой приемник может захватить его. Определение этого параметра важно для предотвращения неудовлетворенности пользователей.

Tracking Sensitivity (чувствительность для слежения). Параметр, характеризующий уровень сигнала, нужный, чтобы приемник мог поддерживать его захват. Измерение этого параметра имеет большое значение, поскольку позволяет выявить ошибки в реализации системы слежения в приемнике.

Reacquisition Time (время повторного захвата). Данный параметр характеризует быстроту повторного захвата спутниковых сигналов после временного прекращения их приема, когда приемник находился под мостом, в туннеле или здании.

Static Navigation Accuracy (точность определения местонахождения неподвижного устройства). Параметр, характеризующий отклонение координат, выданных приемником, от его реального местонахождения, когда он неподвижен.

Dynamic Navigation Accuracy (точность определения местонахождения движущегося устройства). В процессе тестирования этого параметра делают серию измерений, когда навигационное устройство движется по одной, двум или трем осям. В ходе тестирования возможны изменения скорости и направления движения.

Radio Frequency Interference (радиочастотные помехи). Поскольку мощность сигналов ГНСС низка, их приемники подвержены влиянию помех. Обычно это случайный шум, но возможны и преднамеренные помехи. При тестировании этого параметра оценивается чувствительность приемника к помехам на заданных частотах.

Когда тестировать средства спутникового позиционирования

Чтобы избежать нежелательных сюрпризов, которые могут приводить к задержкам выпуска новых продуктов, появлению жалоб пользователей и отправке многочисленных изделий в гарантийный ремонт, инженеры — разработчики потребительских устройств должны тестировать средства спутникового позиционирования на всех этапах, включая выбор этих средств, производственный этап и послепродажное обслуживание.

Очевидно, что чем раньше будет выявлена проблема, тем лучше.

Тестирование встраиваемых приемников на этапе их выбора позволит избежать покупки приемников, не соответствующих техническим требованиям.

Тестирование встраиваемого приемника на этапе интеграции потребительского устройства поможет подтвердить пригодность приемника к эксплуатации и определить для него оптимальное место в разрабатываемом устройстве.

Проверочное тестирование поставляемых на производство навигационных компонентов обеспечит контроль их соответствия техническим стандартам.

Тестирование на этапе производства потребительских устройств позволит гарантировать надлежащую работу их навигационных функций. В противном случае возможны жалобы пользователей, отзывы продукции с рынка и ее возвраты для гарантийного ремонта.

Тестирование на этапе послепродажного обслуживания потребительских устройств позволит выявлять и изолировать проблемы, связанные с ненадлежащей работой навигационных средств в данных устройствах. Это может быть обусловлено дефектами в самих навигационных средствах или воздействием внешних факторов, препятствующих нормальной работе данных средств.

Основные способы тестирования приемников ГНСС

Существует три основных варианта получения спутниковых сигналов для проверки правильности работы потребительского устройства с этими сигналами. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. И вполне возможно, что на одном этапе оптимальным будет один вариант, а на другом — другой. Это значит, что на производстве может использоваться некая совокупность вариантов.

Тестирование принимаемыми сигналами (Live Sky)

Самый дешевый и простой способ протестировать имеющуюся в потребительском устройстве функцию определения своего местонахождения — это проверить, как данное устройство работает с принимаемыми реальными сигналами ГНСС.

Однако у этого способа есть многочисленные недостатки. Поскольку навигационные спутники постоянно движутся по небосклону, невозможно проводить сравнительные испытания устройств c помощью одних и тех же (повторяемых) спутниковых сигналов.

Кроме того, невозможно тестировать устройства при самых разных вариантах их применения и желаемых условиях распространения сигналов ГНСС. Также нельзя тестировать устройства с использованием сигналов региональных навигационных систем, без отправки подлежащих тестированию устройств в зоны действия данных систем. Например, чтобы проверить, как устройство, установленное на транспортном средстве, движущемся со скоростью 100 км/ч, будет работать с сигналами системы QZSS в условиях их многолучевого распространения, нужно перевезти данное устройство в Японию и там с ним проехать на автомобиле по городу на указанной скорости.

При повышенных требованиях к точности и надежности разрабатываемых навигационных устройств необходимо учитывать, что тестирование принимаемыми спутниковыми сигналами по сути своей не является достаточно точным, чтобы можно было гарантировать нужные рабочие характеристики этих устройств.

Тестирование с помощью систем записи и воспроизведения сигналов ГНСС

Для тестирования с применением повторяемых реальных сигналов ГНСС используйте системы записи и воспроизведения этих сигналов. Данная система позволяет записывать реальные сигналы ГНСС, которые затем можно многократно с высокой достоверностью воспроизводить в лаборатории для проведения испытаний потребительских устройств. Кроме того, существует библиотека записанных сигналов. Эти записи сделаны в разных странах мира, при различных вариантах перемещения такого рода систем, помехах и атмосферных эффектах.

Однако данный способ позволяет использовать только уже доступные сигналы. Поэтому с его помощью невозможно спрогнозировать работу устройства со спутниками Galileo и BeiDou следующего поколения. Также нельзя оценить «поведение» устройства в некоторых случаях применения (например, на борту космического аппарата).

Тестирование с помощью имитаторов сигналов нескольких ГНСС

Применение такого рода оборудования дает возможность инженерам проверять, как тестируемое устройство реагирует почти на любые сигналы ГНСС, какие только можно представить себе. Имитатор позволяет задавать местонахождение спутников ГНСС и генерировать их сигналы для любого места на поверхности Земли или в космосе. Он может имитировать помехи, атаки на приемник ГНСС, его движение и вращение (что происходит при использовании этих приемников на различных транспортных средствах).

Кроме того, имитатор обеспечивает проведение тестирования с использованием сигналов будущих ГНСС. В разрабатываемых устройствах, которые должны эксплуатироваться вплоть до 2020 года и далее, следует предусмотреть возможность обработки сигналов навигационных спутников, которые еще не запущены. Во многих имитаторах сигналов ГНСС реализована выдача этих сигналов на основе спецификаций, выпущенных в Китае и Евросоюзе.

При том что использование имитаторов обычно является самим дорогим способом тестирования, учитывая высокую стоимость самих имитаторов, — это самый гибкий и многофункциональный способ, который также позволяет существенно сэкономить за счет отказа от проведения испытаний в удаленных и труднодоступных местах. Поэтому данный способ широко используется, компаниями, которые дорожат своей репутацией, стремятся обеспечить максимальную удовлетворенность клиентов и высокую устойчивость выпускаемых продуктов к атакам.

Однако здесь есть один важный момент. Поскольку сигналы ГНСС имитируются, качество работы имитатора имеет огромное значение для достоверности результатов тестирования.

Выбор подходящего имитатора сигналов ГНСС

Разные модели имитаторов сигналов ГНСС обеспечивают разные уровни качества, точности и достоверности генерируемых сигналов. Многим разработчикам потребительских устройств и специалистам по интеграции навигационных систем мешает выбрать подходящий имитатор отсутствие информации о точности выдаваемых сигналов в спецификациях имитаторов, составляемых производителями последних. В спецификациях делается акцент на базовые функциональные возможности и технические характеристики имитаторов, включая рабочие частоты и число каналов, в ущерб сведеньям, позволяющим судить о достоверности получаемых результатов тестирования.

Это важная проблема, поскольку использование плохих сымитированных сигналов для тестирования вполне функциональных устройств приводит к ряду негативных последствий:

неправильному выбору приемников, чипсетов, антенн и протоколов;
длительным задержкам выпуска новых продуктов и ненужному перепроектированию последних;
проблемам в отношениях между производителями устройств и поставщиками комплектующих для них в связи с ошибочностью входного контроля комплектующих;
отбраковке нормальных устройств из-за их неправильного тестирования на производственной линии.

Чтобы тестирование давало нормальные результаты, не должно быть вводящих в заблуждение сбоев в работе тестируемого устройства, обусловленных неточностью функционирования самого тестового оборудования.

Любое тестовое оборудование должно быть на порядок точнее тестируемого устройства.

Так, если предполагаемая точность устройства составляет 10 м, тестовое оборудование должно надежно работать с точностью не хуже 1 м. Если же допустимый предел погрешности устройства составляет несколько сантиметров, то разрешение тестового оборудования должно быть на миллиметровом уровне.

К сожалению, точность имитатора трудно выразить в виде численных характеристик, приводимых в рамках небольшой спецификации. Поэтому специалистами компании Spirent был выполнен ряд показательных тестов.

Стабильность при низкой мощности

Мощность сигналов ГНСС невелика, поэтому отношение сигнал/шум на входе приемника ГНСС настолько мало, что эти сигналы трудно распознать. Данное обстоятельство зачастую усугубляется неблагоприятными условиями эксплуатации потребительских устройств.

Условия эксплуатации приемника ГНСС		Типичные уровни мощности принимаемого сигнала, дБм

Под открытым небом, без многолучевого распространения сигналов (идеальные условия)		-130...-125

Редкая застройка, есть многолучевое распространение сигналов (условия, при которых принимается слабый сигнал)		-145...-125

Плотная застройка, есть многолучевое распространение сигналов (условия, при которых принимается слабый сигнал)		-155...-125

В помещении (условие, при котором принимается очень слабый сигнал)		-165...-150

Хороший имитатор сигналов ГНСС для тестирования потребительских устройств должен обеспечивать стабильную точность выдаваемых сигналов даже при очень низких уровнях мощности этих сигналов. Некоторые универсальные генераторы радиочастотных сигналов (не предназначенные специально для тестирования навигационных устройств) не сохраняют точность сигнала при регулировке его уровня в сторону уменьшения.

В демонстрационных целях был проведен ряд тестов одного и того же обычного приемника ГНСС при таком уровне спутниковых сигналов, какой бывает, когда приемник находится в помещении. Все в этих тестах было одинаково, кроме имитатора. В одних испытаниях была задействована модель GSS6700 компании Spirent, а в других — применялся имитатор другого производителя. Было выполнено по 100 тестов подряд с использованием каждого из имитаторов, результаты показаны на рисунке.

Из-за фазового шума точность работы низкокачественного имитатора другого производителя снижалась до нескольких метров

При использовании низкокачественного имитатора в тестовой лаборатории разработчик потребительского устройства может прийти к выводу, что в плохой работе протестированного устройства виноват встроенный приемник ГНСС. Это может негативно отразиться на отношениях с поставщиком приемников или привести к ненужной задержке выпуска нового устройства.

Стабильность сигнала при тестировании в движении

В продолжение испытаний был инициирован простой тест, который может быть использован для проверки точности работы потребительского устройства в движении. В тесте имитировалось движение приемника по окружности диаметром 200 м со скоростью 45 м/с. Для повышения стабильности работы приемника был несколько увеличен уровень генерируемых имитатором сигналов.

При использовании имитатора компании Spirent приемник выводил правильную окружность. Когда же был задействован имитатор другого производителя, приемник даже не смог захватить сигналы этого имитатора. Инженер-разработчик может истолковать это как серьезный сбой в функционировании тестируемого устройства, хотя на самом деле виноват плохой имитатор.

Заключение: сначала протестируйте тестовое оборудование

Каждый инженер должен знать, что тестирование с помощью имитатора сигналов ГНСС общепризнанно является и останется в будущем самым надежным способом измерения параметров спутникового позиционирования, имеющего большое значение для потребителей. Но точность и стабильность имитируемых сигналов могут значительно повлиять на результаты тестирования.

Прежде чем тестировать потребительские устройства, вы должны протестировать сам имитатор.

Эта операция важна для определения заслуживающего доверия базового уровня функционирования имитатора, и она не такая сложная, как может показаться. Любой достойный уважения производитель имитаторов ГНСС, как правило, соглашается продемонстрировать свои продукты в действии и провести их сравнительные испытания, а также дает заказчику советы по выбору продукта или его режима работы, наилучшим образом соответствующего потребностям заказчика.

И наконец, если у вас есть какие-либо сомнения относительно возможностей применения имитаторов, без колебаний обращайтесь к экспертам. Вложения в средства тестирования приемников ГНСС довольно велики, но потенциальный ущерб вследствие неправильного выбора этих средств может быть еще больше.