關(guān)于GNSS技術(shù)的這些事，你了解嗎？（二）

在上期文章中，我們介紹了GNSS技術(shù)的發(fā)展歷程、原理，并對(duì)不同類(lèi)型的定位技術(shù)進(jìn)行了介紹，在本期文章中我們將繼續(xù)討論GNSS的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用及其測(cè)試方法和解決方案。

GNSS的優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用

目前GNSS技術(shù)已經(jīng)成為日常生活不可或缺的一部分，幾乎覆蓋各行各業(yè)，包括軍事、農(nóng)業(yè)、交通等。簡(jiǎn)單來(lái)講，它的應(yīng)用可以分成：

• 定位與導(dǎo)航：良好的GNSS地理定位服務(wù)的準(zhǔn)確性、完整性、連續(xù)性和可用性為地理定位與導(dǎo)航帶來(lái)越來(lái)越便捷、高效、準(zhǔn)確的性能，在交通領(lǐng)域的使用實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)和多樣化，可應(yīng)用于道路交通與鐵路、智能與自動(dòng)駕駛，航空航天，海運(yùn)與物流等。
• 授時(shí)：GNSS技術(shù)在該領(lǐng)域具有巨大突破，降低了專(zhuān)用物理通道搭建成本，實(shí)施簡(jiǎn)單，并且有著令人滿(mǎn)意的精度，GNSS信號(hào)已成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商傳播公共時(shí)間源的重要、全球化和標(biāo)準(zhǔn)化手段。
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而在新應(yīng)用領(lǐng)域，隨著智慧城市與自動(dòng)駕駛等新興技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)的需求逐漸提升，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用市場(chǎng)也將隨之進(jìn)一步擴(kuò)大。

GNSS測(cè)試方法

GNSS終端數(shù)量正在急劇上升，應(yīng)用領(lǐng)域與種類(lèi)也越來(lái)越多，隨之而來(lái)的問(wèn)題就是測(cè)試場(chǎng)景越發(fā)龐大與復(fù)雜。近些年來(lái)，針對(duì)汽車(chē)與相關(guān)行業(yè)提出了HIL（硬件在環(huán)仿真）測(cè)試方法，并慢慢嵌入到整車(chē)測(cè)試系統(tǒng)中去，與其他功能、設(shè)備等完成協(xié)調(diào)測(cè)試。

GNSS測(cè)試的手段中目前主流的測(cè)試方法有三種：

借助真實(shí)環(huán)境（Live Sky）

這是最原始也是最簡(jiǎn)單的測(cè)試方法，利用真實(shí)環(huán)境中的GNSS信號(hào)直接進(jìn)行設(shè)備測(cè)試，只需具備待測(cè)設(shè)備和天線(xiàn)即可完成。測(cè)試的信號(hào)是最真實(shí)的，但同時(shí)也存在很多問(wèn)題。

首先，GNSS信號(hào)很微弱，在室內(nèi)近乎于無(wú)，因此如果想在室內(nèi)測(cè)試則需要很麻煩的布線(xiàn)與連接，并且也很難在室內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)測(cè)試；其次，真實(shí)天空中的GNSS信號(hào)的時(shí)間也是真實(shí)的，這也意味著每一時(shí)刻的測(cè)試結(jié)果是唯一的，很難進(jìn)行重現(xiàn)與還原，這對(duì)于測(cè)試本身來(lái)講就存在著無(wú)法控制、無(wú)法復(fù)現(xiàn)、無(wú)現(xiàn)重復(fù)批量測(cè)試的問(wèn)題。另外，此類(lèi)方法也無(wú)法去測(cè)試和模擬一些理論開(kāi)發(fā)中的GNSS信號(hào)與系統(tǒng)。

錄制GNSS信號(hào)并回放（RF Rocord/Playback）

錄制回放是對(duì)真實(shí)環(huán)境測(cè)試的一種進(jìn)步與加強(qiáng)，將GNSS信號(hào)在真實(shí)環(huán)境中錄制之后即可通過(guò)專(zhuān)門(mén)的設(shè)備重復(fù)回放，并針對(duì)信號(hào)的強(qiáng)度做一定的調(diào)節(jié)。因此在一次外場(chǎng)測(cè)試后，其他時(shí)候都可以在室內(nèi)通過(guò)回放的方式來(lái)完成測(cè)試,既保證了信號(hào)的真實(shí)性，又給予了信號(hào)測(cè)試的重復(fù)性與部分可調(diào)性。

RF錄制回放提供了可重復(fù)的測(cè)試，但在測(cè)試接收機(jī)方面用處有限。它本身不允許動(dòng)態(tài)修改場(chǎng)景，也無(wú)法進(jìn)行時(shí)間與位置的變化，缺乏靈活性。此外，錄制回放經(jīng)過(guò)AD/DA轉(zhuǎn)換，受限于硬件性能，精度較差，通常只有真實(shí)模擬的25%，而且受錄制接收器的限制，需要大量?jī)?nèi)存(GBs量級(jí)乃至TB)，以及超高性能的配套PC。

借助軟件或硬件完成GNSS信號(hào)仿真與測(cè)試（Simulation）

GNSS仿真是目前最為先進(jìn)的GNSS信號(hào)測(cè)試方法，它通過(guò)軟件或硬件直接仿真所需的GNSS信號(hào)，近乎實(shí)時(shí)與無(wú)損的傳輸最真實(shí)的GNSS信號(hào)，相比前兩種方式，它的實(shí)現(xiàn)不依賴(lài)真實(shí)天空信號(hào)，而是星歷與修正計(jì)算完成信號(hào)的輸出。因此這種方法具備非常明顯的優(yōu)勢(shì)，測(cè)試信號(hào)可以自由編輯與修改時(shí)間、地點(diǎn)、信號(hào)強(qiáng)度等信息，無(wú)需在室外按照實(shí)際路徑驅(qū)車(chē)或行走錄制，并且可以重復(fù)測(cè)試。此外，它也可以根據(jù)相應(yīng)的文件直接生成RF信號(hào)，無(wú)需依托現(xiàn)有星座架構(gòu)，對(duì)于未來(lái)信號(hào)的研發(fā)和測(cè)試有非常大的優(yōu)勢(shì)。

GNSS仿真的方式因?yàn)槭且劳性O(shè)備仿真而實(shí)現(xiàn)的，所以精度更高，延遲更小，并且完全不需要室外的測(cè)試與錄制，大大的降低了外場(chǎng)測(cè)試的難度與風(fēng)險(xiǎn)。

GNSS測(cè)試場(chǎng)景與解決方案

目前GNSS測(cè)試一方面主要是各類(lèi)接收機(jī)本身的測(cè)試項(xiàng)目會(huì)用到，例如定位時(shí)間測(cè)試、捕獲時(shí)間測(cè)試、接收機(jī)靈敏度測(cè)試、觸發(fā)精度測(cè)試等。這類(lèi)測(cè)試結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易。

此外，伴隨著自動(dòng)駕駛與相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，針對(duì)高精度定位的測(cè)試也逐漸增多，包括V2X、車(chē)輛導(dǎo)航、車(chē)內(nèi)娛樂(lè)系統(tǒng)測(cè)試等，這部分測(cè)試大部分都需要在真實(shí)環(huán)境中聯(lián)調(diào)測(cè)試，無(wú)法進(jìn)行單個(gè)模塊的性能測(cè)試，因此HIL（hardware in loop）硬件在環(huán)仿真測(cè)試方法逐漸成為主流，而這也對(duì)測(cè)試的需求、架構(gòu)、精度等提出了更高的要求。

在GNSS仿真的現(xiàn)有優(yōu)勢(shì)上，此類(lèi)基于SDA（軟件定義架構(gòu)）的仿真方案具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這在HIL測(cè)試中則體現(xiàn)的更加明顯。

提供對(duì)HIL測(cè)試的高度集成性與開(kāi)放性

軟件是基于SDA的GNSS模擬器的基石與支柱，對(duì)外的連接與接口都可以針對(duì)軟件來(lái)完成。以虹科Safran Skydel仿真引擎為例，它是基于Linux開(kāi)發(fā)的，支持Python、C#、C++、Labview等多種語(yǔ)言，用戶(hù)可以直接通過(guò)編程的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制與連接，大大提高了HIL系統(tǒng)的構(gòu)建效率與緊密性。

此外Skydel支持外部控件API，可以在HIL模擬器的前端直接調(diào)用Skydel，實(shí)現(xiàn)HIL系統(tǒng)一體化。

極低的延遲與可視化的調(diào)教系統(tǒng)

HIL（Hardware-in-the-Loop）硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)是采用實(shí)時(shí)處理器運(yùn)行仿真模型來(lái)模擬受控對(duì)象（如：汽車(chē)、航空飛機(jī)等設(shè)備）的運(yùn)行狀態(tài)，以此判斷在自動(dòng)駕駛的HIL測(cè)試中電控模塊的性能。想使用GNSS模擬器測(cè)試汽車(chē)運(yùn)行是否正常，就需要把自動(dòng)駕駛儀的信息返回到GNSS模擬器中，再進(jìn)行下一個(gè)軌跡的模擬。

而目前測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，HIL測(cè)試對(duì)于實(shí)時(shí)性有極高的要求，尤其是對(duì)于汽車(chē)、飛機(jī)、航空航天器等高安全要求、高顯示成本、低容錯(cuò)乃至零容錯(cuò)的應(yīng)用，實(shí)時(shí)性是不可或缺的保障。

虹科Safran GNSS模擬器具有其軟件定義架構(gòu)的特點(diǎn)，基于Linux開(kāi)發(fā)的Skydel軟件可以作為硬件部分的大腦與心臟，將處理壓力與信號(hào)仿真壓力轉(zhuǎn)移到軟件與平臺(tái)上，極大的提高真實(shí)軌跡位置的數(shù)據(jù)處理與GNSS RF信號(hào)的輸出能力，在大型場(chǎng)景的通信仿真場(chǎng)景下，延遲可控且極低。

虹科Safran GNSS模擬器的SDA架構(gòu)產(chǎn)品系列中的GSG7/8的延遲可以達(dá)到10ms，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試與調(diào)節(jié)，最低甚至可以達(dá)到5ms，這是目前業(yè)界公布的最低也是最真實(shí)的延遲！相對(duì)于上一代產(chǎn)品的130ms，虹科Safran GSG7/8可以說(shuō)真正使得HIL測(cè)試達(dá)到“近乎實(shí)時(shí)”的效果。

另外，它內(nèi)置了延遲調(diào)教與可視化的GUI界面，不僅方便用戶(hù)真實(shí)觀測(cè)延遲并通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)降低延遲，也提供對(duì)外的開(kāi)放接口，允許客戶(hù)在HIL整套系統(tǒng)的層面進(jìn)行觀測(cè)與優(yōu)化：

強(qiáng)大的功能與參數(shù)

GNSS模擬器歸根結(jié)底是一種設(shè)備或系統(tǒng)，它是為了替代或補(bǔ)充真實(shí)環(huán)境測(cè)試的一種工具。因此一方面要保證真實(shí)，另一方面要有強(qiáng)大的性能去支持高度復(fù)雜與全面的仿真過(guò)程。

• 虹科Safran GNSS模擬器支持多個(gè)實(shí)例同時(shí)仿真，實(shí)現(xiàn)大型車(chē)隊(duì)或復(fù)雜多單元場(chǎng)景的仿真效果，實(shí)現(xiàn)雙天線(xiàn)姿態(tài)校正、RTK場(chǎng)景模擬、車(chē)輛碰撞測(cè)試、航空航天器實(shí)時(shí)對(duì)接與姿態(tài)修正等場(chǎng)景；
• 支持1000Hz的信號(hào)迭代率，目前大多數(shù)的仿真設(shè)備都是10Hz的迭代率，而更高的迭代率意味著可以帶來(lái)更高速場(chǎng)景與更高精度的仿真，這對(duì)于高精度與高速場(chǎng)景十分重要；
• 在真實(shí)環(huán)境中，有很多個(gè)星座與衛(wèi)星共存，以手機(jī)GNSS接收功能來(lái)看，室外隨時(shí)都可以捕獲到幾十顆衛(wèi)星！而這僅僅只是一個(gè)接收機(jī)。在大型仿真的項(xiàng)目中，存在多個(gè)接收機(jī)，可能需要上百顆衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行模擬?？紤]到這一場(chǎng)景，基于軟件定義結(jié)構(gòu)的虹科Safran GNSS模擬器具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)，可模擬的星座與搜星數(shù)量不會(huì)受限，只需要添加相應(yīng)數(shù)量的GPU與SDR即可；
• 除此之外，基于軟件定義架構(gòu)的虹科Safran GNSS模擬器對(duì)于時(shí)鐘同步精度和數(shù)據(jù)格式的豐富度都有著強(qiáng)大的支持。

基于這樣的強(qiáng)有力設(shè)備，虹科Safran GNSS模擬器針對(duì)自動(dòng)駕駛、V2X等場(chǎng)景均構(gòu)建了不同的駕駛方案，與多個(gè)知名測(cè)試廠(chǎng)商合作搭建了多種方案，例如：基于GNSS的自動(dòng)駕駛功能 HIL測(cè)試系統(tǒng)、基于ITS頻段PC5接口的V2V和V2I通信測(cè)試系統(tǒng)、集成網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)車(chē)隊(duì)管理系統(tǒng)測(cè)試方案、用于飛行模擬和飛行員培訓(xùn)的HIL測(cè)試系統(tǒng)等。

基于GNSS模擬器仿真的測(cè)試手段隨著自動(dòng)駕駛等高精度定位業(yè)務(wù)的鋪開(kāi)，目前已經(jīng)逐漸成為此類(lèi)測(cè)試的主流方法之一，無(wú)論是對(duì)于傳統(tǒng)汽車(chē)企業(yè)、新能源汽車(chē)企業(yè)，還是測(cè)試行業(yè)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，這都是進(jìn)行GNSS測(cè)試的高性能方案。

參考：

① 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)站

② First-TF：What is GNSS?

③ Fibocom：一文讀懂GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）

④ HEXAGON：What are Global Navigation Satellite Systems?