Keysight Technologies GPSレシーバ・テスト

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ナビゲーション・メッセージ 25ページ／フレーム 37500ビット 12.5分フレーム（ページ） 1500ビット 30秒テレメトリ・ワード(TLM) 30ビット 0.6秒サブフレーム1 サブフレーム3 サブフレーム4 サブフレーム5 サブフレーム2 300ビット 6秒衛星クロックおよびヘルス・データエフェメリスエフェメリスアルマナックアルマナックの一部／その他のデータハンドオーバ・ワード(HOW) 30ビット 0.6秒 8ビットプリアンブルパリティ予約 16ビット 6ビット 7ビット ID パリティ TOW (Time of week) 16ビット 6ビット

Keysight Technologies

GPS

レシーバ・テスト

Application Note

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はじめに

...3

ナビゲーション信号

...3

GPS

テクノロジー

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アシスト型

GPS

（

A-GPS

）

...4

GPS

のテスト要件

...4

GPS

レシーバの基本

...4

GPS

アンテナ

...5

GPS

レシーバの検証

...5

GPS

衛星シミュレーション

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GPS

テストの種類

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TTFF

（

Time To First Fix

）

...7

GPS

信号発生器への

GPS

レシーバの接続

...9

外部接続がないレシーバ

...9

外部接続があるレシーバ

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代表的な

GPS

レシーバ・テスト

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TTFF

テスト

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位置精度（予測可能、再現可能、相対的）

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再捕捉時間

...12

感度

...12

干渉テスト

...13

マルチパス・テスト

...13

その他の誤差

...13

アンテナ・テスト

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N7609B

グローバル・ナビゲーション衛星システム用

Signal Studio

を使用した

GPS

レシーバ・テスト

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テストのセットアップ

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まとめ

...17

参考文献

...17

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3

はじめに

GPSテクノロジーの普及とともに、 GPSレシーバのメーカ、OEMインテグレータ、契約製造業者は、GPSレシーバの性能を検証するために標準テストの作成に努力しています。検証手順には、正確な再現性を実現するための制御された環境が必要です。ほとんどの場合、アンテナで受信した実際のGPS信号を使用する方法では、このような環境は得られません。ここでは、今日のGPSレシーバの検証に用いられる代表的なGPSレシーバ・テストについて説明します。また、再現性のある柔軟なテスト環境に必要なGPS信号を出力できるリアルタイムGPS信号シミュレーションとプラットフォームを紹介します。 GPSは、衛星を利用するテクノロジーです。複数の衛星（衛星コンスタレーション）から送信されるナビゲーション信号を利用して、ある時点での位置を決定できます。現在、このコンスタレーションは、高度約20000 km で地球を周回する24基で基本となるアクティブ衛星から構成されています。各衛星は、12時間で地球を1周します。コンスタレーションには何個かの軌道上の予備衛星が含まれ、どれかの衛星が故障した場合は代わりにアクティブにされます。 GPSシステム（NAVSTARとも呼ばれる）は、米国によって開発され、米国国防総省が所有して運用しています。最初の衛星が打ち上げられたのは 1978年であり、1994年までにコンスタレーションの24個の衛星すべてが使用可能になりました。衛星の平均的な寿命は8∼12年程度なので、古い衛星の後継として新しい衛星が定期的に打ち上げられています。これまでにさまざまな拡張が行われ、現在いくつかの新しいテクノロジー（新しい信号を含む）が計画中です。

ナビゲーション信号

現在のGPS衛星コンスタレーションでは、各衛星がL1およびL2と呼ばれる2種類のナビゲーション信号を送信しています。L1信号の周波数は 1575.42 MHz、L2信号の周波数は 1227.60 MHzです。L2信号は暗号化されていて、許可されたユーザ（通常は軍事アプリケーション）だけが使用できます。L2信号は、きわめて信頼性の高い正確な時刻／位置決定ソリューションを提供します。L1信号は暗号化されてなく、全世界のユーザが1日24時間、無料で登録することなく使用できます。GPSナビゲーション信号は円偏波で送信されます。図1を参照してください。与えられた信号（L1またはL2）で、すべての衛星が同じ周波数で送信を行います。信号は、各衛星が送信する異なるコードによって識別されます。これは、「コード・ドメイン多重アクセス」（CDMA）と呼ばれます。 2つの異なるコード・レートが使用されています。1つめのコードはC/A （Coarse Acquisition）コードと呼ばれ、コード・レートは1.023 MHzで、 1 msごとに繰り返されます。2つめのコード・レートは10.23 MHzで、 P（Precise）コードと呼ばれ、1週間ごとに繰り返されます。通常、PコードはP（Y）と呼ばれるコードに暗号化されます。各衛星には、C/AコードとPコードのそれぞれに関して固有のコード・シーケンスが割り当てられています。これらのシーケンスは、 PRN（疑似ランダム）IDと呼ばれる番号によって識別されます。ナビゲーション信号は、正確なタイミング情報と、システム・ステータス、各衛星の軌道、衛星の状態などの情報を、GPSレシーバに伝送します。この情報を使用することで、レシーバは各衛星までの距離を求め、三角測量により位置と時刻を決定できます。ナビゲーション信号はかなり小さなパワーで送信されていて、海面での最低レベルは約−155 dBmになります。建物の内部や木の下では、信号レベルはさらに下がります。このように信号レベルがきわめて低いため、復元には大きな増幅とベースバンド処理が必要です。 L1信号 L2信号モジュロ2加算器 90° L1搬送波 1.57542 GHz L2搬送波 1.2276 GHz C/Aコード 1.023 MHz ナビゲーション・データ 50 Hz Pコード 10.23 MHz 変調器図1. GPS信号の構造

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GPS

テクノロジー

GPSレシーバが登場してからかなりの年月がたっていますが、初期の実装は大きくて高価であり、多くの電力を消費しました。このため、GPS アプリケーションは、ハイエンドの商用アプリケーションか軍事アプリケーションに限られていました。最近では、商用GPSレシーバのコストが大幅に下がってきました。これにより、GPSレシーバ・テクノロジーが、ハンドヘルド・レシーバ、車載レシーバ、携帯電話、その他のトラッキング・デバイスなどの民生品で、重要な役割を果たすようになってきました。

アシスト型

GPS

（

A-GPS

）

A-GPSは、米国のFCC E911の要件に基づき、携帯電話からの緊急通話者の位置をすばやく特定することを目的として開発されました。A-GPS を利用することにより、TTFF（Time To First Fix）測定を大幅に短縮し、 GPSレシーバが衛星を認識できるパワー・レベルを大きく引き下げることができます。 A-GPSでは、携帯電話機が受信可能な衛星を識別するための補助として、基地局から「アシスタンス・データ」が提供されます。携帯電話機は、衛星をすばやく見つけて自分の位置を計算できます。代表的なTTFFでは、 60秒から10秒以下にまで短縮されています。アシスタンス・データの送受信には、 2種類の方法があります。制御プレーンとIPデータ・チャネル（ユーザ平面）です。

GPS

のテスト要件

GPSアプリケーションのユーザ体感は、いくつかの要因に影響されます。優れたユーザ体感を提供するGPSデバイスはよく売れるので、メーカはレシーバを差別化する要因を求めています。ユーザ体感を左右する代表的な要因には、以下があります。 1） GPSデバイスをオンにしたとき、レシーバの位置が判定されるまでにどのくらい時間がかかるか？ 2）信号が弱いか劣化している場合でも、レシーバが自分の位置を判定できるかどうか？ 3）信号が中断してから回復した場合、レシーバが回復して位置計算を再開するまでにどのくらい時間がかかるか？ 4）計算された位置の精度。もちろんその他にも、コスト、ユーザ・インタフェース、ターン・バイ・ターン・ナビゲーション、音声案内などのユーザにとって重要な要因もありますが、これらはGPSレシーバの性能にはあまり依存しません。商用または軍事アプリケーションにとって重要なGPS条件として、他にも以下のようなものがあります。 1）位置や時刻をどの程度正確に判定できるか？ 2）ソリューションの再現性はどの程度か？ 3）干渉やジャミングに対するレシーバの感度はどの程度か？ 4）レシーバが自分の位置をどの程度早く報告できるか（飛行機の中のように、レシーバが高速で移動している場合）？ここから後では主に、民生用GPSアプリケーションのテストについて解説します。

GPS

レシーバの基本

GPSユニットとは、上位レベルから見ると、ナビゲーション信号を検出するアンテナであり、ステータス、位置、時刻を（何らかのI/Oポートまたは画面を介して）レポートする何らかの出力を持っています。 GPSレシーバの代表的なブロック図には、アンテナ、RFフロント・エンド／ダウンコンバータ、ベースバンド処理エレメント、計算エンジンが存在します。これらのエレメントは、きわめて小さい（1平方cm程度の）1つのモジュールに統合されている場合もあります。図2を参照してください。図2. GPSレシーバのブロック図 LNA アクティブ・アンテナ RFフロントエンド／ダウンコンバータベースバンド処理、相関器、トラッキング計算エンジン、エラー予測、補正 GPS レシーバ _I/O_ポート、ディスプレイ、ボタン

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5

GPS

アンテナ

前述のように、地球表面で受信されるナビゲーション信号のパワーはきわめて小さくなります。ナビゲーション信号を正確に復元するには、20∼ 30 dBの利得を持つアクティブ・アンテナが通常用いられます。アクティブ・アンテナに、レシーバに信号を送信する同じケーブルを使用して、レシーバからDC電圧が供給されます。ほとんどの商用レシーバでは、アンテナはレシーバ・ユニットに統合されています。場合によっては、外部アンテナ用のポートが用意されていることもあります。

GPS

レシーバの検証

GPSレシーバをテストするには、アンテナを使用して無線信号を受信する方法もあります。この手法はきわめて現実的ですが、レシーバが受信する信号が多種多様で再現性がないため、限られた情報しか得られません。しかも、遠い場所や高速移動などの特別な条件でのテストには、かなりのコストと手間がかかります。このような問題に対処するために、 GPS信号シミュレータが使用できます。GPS信号シミュレータは、GPS レシーバが受信するはずの信号をモデリングした出力信号を出力します。これは、異なる時間遅延、ドップラ・シフト、パワー・レベルを持つ多くの異なる衛星からの信号が混合されたものです。適切な信号がレシーバに印加されると、レシーバは信号の捕捉とトラッキングを実行し、ナビゲーション・ソリューション（位置決定）を実現できます。信号は、特定の時点での衛星の動きをモデリングすることにより作成されます。レシーバの位置（緯度、経度、高度）が与えられると、レシーバ位置まで伝搬したナビゲーション信号の特性をモデリングして、信号発生器により再現できます。このような特性として、経路損失、大気の影響による歪みの他、信号が衛星トランスミッタからレシーバ・アンテナまで到着するまでに起きる相対論的効果と経過時間の影響があります。信号シミュレータで適切なモデルを使用することにより、再現性のある信号をGPSレシーバに印加して、さまざまな条件、位置、時刻、移動状態でレシーバがテストできます。

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GPS

衛星シミュレーション

N5106A PXBシリーズユニバーサル受信機テスタおよびN5182A MXG RFベクトル信号発生器と、N7609B グローバル・ナビゲーション衛星システム（GNSS）用Signal Studioを組み合わせることにより、GPSレシーバの包括的なテストに必要なGPS信号を作成できます。N5106A PXBと N5182A MXGを組み合わせたものは、高性能な汎用信号発生器であり、必要なGPS信号だけでなく、Bluetooth®_、

無線LAN、LTE、WiMAX™ などの他の無線規格の信号も作成できます。 N7609Bは、カスタムGPS信号を作成できるソフトウェアであり、信頼性と再現性の高い柔軟なGPSレシーバ・テストを実現します。 N7609Bには以下の機能があります。 – 15個の衛星のシミュレーション（シナリオと受信できる衛星の数に依存） – 合計24チャネル（衛星＋マルチパス） – 個別チャネル・パワーのリアルタイム調整 – 個別チャネルのリアルタイムでのオン／オフ – シナリオ作成機能（オプションRFP が必要） – 移動GPSレシーバ・シミュレーション – 8チャネルで最大8時間のシナリオ再生 – マルチパス信号機能 – シナリオ開始時刻の選択 – 静止テスト・モード - 個別チャネルのドップラ・シフト調整 - 個別チャネルの遅延調整 - 各チャネルの個別パワー制御調整 – シナリオの作成と編集 - 各シナリオに対するA-GPSアシスタンス・データ - 静止／移動GPSレシーバ用のシナリオ作成 - 電離層／対流圏のモデリング - シナリオ作成のためのNMEA データ入力 - シナリオ・エディタによるマルチパス・チャネルへのパワー、遅延、ドップラ・オフセットの適用 - 受信できる衛星の数を制御する仰角マスク N5106A PXBプラットフォームの機能 – リモート機能（PXBおよびN7609B を外部PCから制御） – 干渉テストのためのベースバンド信号の加算（PXB用の追加ベースバンド・ジェネレータが必要） – マーカ出力 – AWGNのサポート（PXBにオプションN5106A-JFP校正済み AWGNが必要） – デジタルIQ出力（N5102Aデジタル信号インタフェース・モジュールが必要） – アナログIQ出力図3. N5106A PXBおよびN5182A MXG RF信号発生器

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7

GPS

テストの種類

従来のレシーバ・テストでは通常、特定のパワー、ノイズ、フェージング、干渉条件でのビット・エラー・レー

ト（BER、FER、PER、BLER）を測定

します。GPSの場合は、レシーバは信号のデジタル・コンテンツを復元するだけでなく、信号の到着時刻をきわめて正確にトラッキングする必要があります（同期）。到着時刻の正確なトラッキングには、信号のタイミングを慎重にトラッキングすることが必要です。ほとんどの GPSレシーバでは、搬送波位相でトラッキングされます。これは、レシーバとトランスミッタの間の搬送波の波長の数（小数部分を含む）で表されます。L1周波数では、これはC（光速）を搬送波周波数F0＝1,575,420,000 Hz で割った分解能になります。これは、 ns未満の分解能に相当します。トラッキングを複雑にしているのは、レシーバと各衛星との間の速度による相対論的効果です。この条件により、ドップラ・シフトと呼ばれる現象が発生します。これは、レシーバが受け取る信号の周波数が、相対速度に依存する大きさだけずれることを意味します。したがって、レシーバは各衛星の信号のタイミングだけでなく、各信号のドップラ・シフトもトラッキングする必要があります。移動していないレシーバでは、ドップラ・シフトは±5,000 Hz程度になります。しかも、GPS信号のデータ・レートはわずか50ビット/sなので、 1,000,000ビット内に1個のエラーのビット・エラー・レートを95 ％の信頼度でテストするには、何百時間もテストする必要があります。この方法は非現実的で、何か別の方法が必要です。さらに、GPSレシーバでは、データ・ビットの復元が必要なのは、数時間ごとに18秒といったごく短い時間だけです。それ以外の時間は、レシーバは単に搬送波位相をトラッキングしています。このため、実際には2つの感度レベルがあります。データ復元のためのレベルと、トラッキングのためのレベルです。

TTFF

（

Time To First Fix

）

レシーバをオンにしたとき、レシーバは衛星信号を見つけるための動作を行う必要があります。このプロセスを捕捉と呼びます。その後、レシーバは信号をトラッキングし、位置を計算します。レシーバをオンにしてから最初の有効な位置決定が得られるまでの時間を、TTFF（Time To First Fix）と呼びます。TTFFは、GPS レシーバのテストにおける重要なパラメータです。これは、できるだけ早く位置を知りたいというユーザの要望に直接関連するからです。 GPSレシーバのテストでは、ホット・スタート、コールド・スタート、ウォーム・スタートという用語がよく用いられます。これらの用語は、レシーバをオンにしたときにレシーバが利用できるデータに関連したものです。ほとんどのGPSレシーバは、不揮発性メモリに時刻と衛星軌道の予測を記憶しています。このようなレシーバをオンにすると、レシーバはアクティブな衛星信号の探索を容易にするための「ヒント」としてこのデータを使用します。

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図4. 衛星ナビゲーション・メッセージ

ホット・スタート

レシーバがオフになっていた時間が短く（1∼2時間以内）、移動距離が短い（100 m以下）場合は、レシーバは衛星に関するかなり正確な情報を持っていて、通常はこの情報を利用して衛星信号を比較的高速に捕捉して位置を計算できます。このシナリオをホット・スタートと呼び、短時間電源をオフにした場合や電池を交換した場合などに生じます。

ウォーム・スタート

レシーバがもっと長い時間オフになっていた場合、あるいはオフになっていた間にもっと長い距離を移動した場合は、ウォーム・スタートが生じます。ウォーム・スタートでは、レシーバは時刻に関する（おおよその）データを持っていますが、自分の位置に関しては何もわかりません。ウォーム・スタートの必要条件の1つは、レシーバが「アルマナック・データ」と呼ばれるものを持っていることです。アルマナック・データは、衛星軌道の長期的な予測であり、24時間以内なら通常きわめて正確ですが、何日か経つと次第に不正確になります。一般的に、7日後には精度は大幅に低下します。アルマナック・データは各衛星から送信されます。すべてのアルマナック・データを受信するには、少なくとも1つの衛星からの有効な信号が約 15分続く必要があります。このデータは数日間有効です。図4に衛星ナビゲーション・メッセージの概要を示します。ウォーム・スタート条件では、レシーバは信号を捕捉するためにより多くの作業を行う必要があるため、TTFF が長くなります。ナビゲーション・メッセージ 25ページ／フレーム 37500ビット 12.5分フレーム（ページ） 1500ビット 30秒テレメトリ・ワード(TLM) 30ビット 0.6秒サブフレーム1 サブフレーム3 サブフレーム4 サブフレーム5 サブフレーム2 300ビット 6秒衛星クロックおよびヘルス・データエフェメリスエフェメリスアルマナックアルマナックの一部／その他のデータハンドオーバ・ワード(HOW) 30ビット 0.6秒 8ビットプリアンブルパリティ予約 16ビット 6ビット 7ビット ID パリティ TOW (Time of week) 16ビット 6ビット

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9

コールド・スタート

現在の時刻や衛星の位置に関するデータが全くない状態でGPSレシーバが立ち上がる場合のことを、コールド・スタート・モードと呼びます。このモードでは、レシーバの最初の仕事は衛星信号を捕捉することです。このためには、使用可能なCDMAコードのそれぞれと、±5,000 Hzのドップラ・シフトの範囲内の周波数空間の探索が必要です。これはかなり困難なタスクであり、比較的振幅の大きい信号と、長い時間が必要です。古いレシーバでは、これに数分間かかる場合があります。最近のレシーバでは、10∼20秒程度に短縮されています。コールド・スタートでは、レシーバは衛星の軌道に関する正確な情報（エフェメリス・データと呼ばれる）を受信するために、各衛星からの有効なデータを最低18秒受信する必要があります。これが終わると、レシーバは最初の位置決定の計算に十分な情報を持つことになります。コールド・スタート条件でのTTFFは通常、ホット・スタート条件やウォーム・スタート条件の場合よりも長くなります。最近のレシーバでは、TTFFは1分以内になっています。コールド・スタートTTFFは、GPSレシーバの重要なパラメータであり、GPSレシーバに関して通常最初にテストされるパラメータの1つです。

GPS

信号発生器への

GPS

レシーバの接続

GPSレシーバへの信号の印加には、いくつかの問題があります。この要因として以下があります。 1）レシーバに外部アンテナ接続がない場合がある 2）レシーバへのRFパワーがきわめて小さい 3）正確な測定のためには、レシーバへのパワーが正確にわかっている必要がある 4）レシーバはアクティブ・アンテナ接続を持つ場合が多い 5）一部のレシーバは、内部接続と外部接続を自動的に切り替える

外部接続がないレシーバ

外部接続がないレシーバの場合は、放射信号を印加する必要があります。これは、放射テストまたはOTA（無線）テストと呼ばれます。この場合は、信号発生器をアンテナに接続し、レシーバのアンテナに向けて信号を放射します。放射信号は実際のGPS信号と干渉する可能性があるため、この放射テストは干渉を防止する電波暗室内で行う必要があります。このシナリオには、他にも以下のような問題があります。 1）アンテナへのパワーの校正が困難 2）外部アンテナは円偏波信号を想定している：円偏波信号を出力するには、ヘリカル・アンテナまたはスタック型ダイポール・アンテナを使用するのが最善 3）トランスミッタとレシーバ間の距離は、「近傍界」結合を避けるために、数波長以上であることが必要

外部接続が搭載のレシーバ

外部接続が搭載されたレシーバの場合は、問題はいくらか少なくなります。このようなレシーバに対しては、「伝導」テストを実行します。これは信号を無線で放射する必要がありません。図5を参照してください。以下のような理由で、通常は信号発生器をレシーバに直接接続することはできません。 1）ほとんどのGPSレシーバはアクティブ・アンテナを想定しています。すなわち、アンテナ・コネクタにDC電圧が供給されます。DC 電圧は信号発生器の損傷の原因となるので、ブロックする必要があります。この目的のために市販のインラインDCブロッキング・デバイスを使用できます。 2）また、一部のレシーバはDC電源の消費電流を監視しています。消費電流がない場合、アンテナが接続されていないと判断します。このような場合、消費電流をシミュレートするために、何らかの抵抗負荷と、場合によっては直列インダクタを、信号ラインとグランドの間に入れる必要があります。レシーバの要件によっては、カスタム・デバイスの作成が必要になることもあります。 3）信号発生器は通常、必要な低レベル信号を直接作成することはできません。場合によっては、 −155 dBmの低レベル信号が必要になることもあります。このような場合には、外部アッテネータを使用する必要があります。信号発生器へのレシーバの接続：共通放射テストでも伝導テストでも、再現性のある有意な結果を得るには、レシーバに供給するパワーを注意深く校正する必要があります。8個のアクティブ衛星からの代表的な信号では、レシーバに供給される正味パワーは、−125∼−150 dBmの範囲です。

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図5. 代表的なGPSレシーバ・テストのセットアップ

代表的な

GPS

レシーバ・テスト

GPSレシーバに対する代表的なテストを以下に示します。これらのテストはすべてのレシーバに対して実行されるわけではなく、デザイン検証の段階でのみ使用されるテストもあります。また、一部のテストは、レシーバの応答が特定のパラメータに適合するかどうかを判定するために製造レベルで行われます。最も一般的なテストは、コールド・スタートTTFFと位置精度です。この他に一般的になりつつあるテストとして、感度とマルチパス・テストがあります。これらはTTFFと位置精度をベースにしたものです。これらすべてのテストに共通する注意点は、衛星の特定の位置と動きに影響されることです。すなわち、テストを正確に同じ時刻と同じシナリオで繰り返さないと、結果が変化する場合があります。さらに、このような「再現性のある」数値は、レシーバの一般的な性能を表現しない可能性があります。代表的な測定を、いくつかの異なる開始時刻、日付、位置で行う必要があります。これらの測定値を平均することにより、意味のある値が得られます。 50 dBアッテネータ DCブロック PCとUSBで接続 RF出力 GPS レシーバ

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11

TTFF

テスト

1. コールド・スタートTTFF このテストでは、最初にレシーバをコールド・スタート状態にします。通常はこのために、テスト接続を行ってレシーバにコマンドを送ります。その後、かなり強い信号を送信します。レシーバが最初に位置決定に成功するまでの時間を記録します。最新のチップ・セットでの代表値は、 40∼50秒程度です。これはおそらく、GPSレシーバに対して最も多く実行されるテストです。このテストは通常、さまざまな条件で繰り返し実行され、結果が平均されます。コールド・スタートTTFFの時間は、シナリオとその時刻によって異なる可能性があります。これは、衛星の数と位置がシナリオによって、あるいは場合によっては同じシナリオの異なる時刻によっても変わる可能性があるからです。最も再現性の高い結果を得るには、TTFF測定を同じシナリオの同じ時刻に実行します。ただし、この再現性のある時刻はすべてのシナリオに対応しない場合があります。デザイン評価テスト（評価、デザイン検証）では通常、異なる位置で数百回のコールド・スタートTTFFテストを実行します。製造変動テストでは通常、同じ時刻、同じシナリオ（各テストで同じ時刻にシナリオを再スタート）でコールド・スタートTTFFテストを数回実行します。 2. ウォーム・スタートTTFF ウォーム・スタートTTFFテストは、コールド・スタートTTFFテストほど使用される頻度は高くありません。このテストは通常、レシーバに「ウォーム・スタート」コマンドを送信することによって実行されます。このテストが困難なのは、レシーバが完全なアルマナック・データを受信できるように、レシーバを約15分間シナリオに基づいて動作させておく必要があることです。その他の特性は、コールド・スタートTTFFテストの場合とほぼ同じです。このテストを同じシナリオ時刻（シナリオの開始から約15分）で繰り返す場合は、信号発生器がシナリオの開始後15分で再スタートできないと、長い時間がかかります。 3. ホット・スタートTTFF ホット・スタート・テストは、コールド・スタートTTFFテストほど一般的ではありませんが、ウォーム・スタート・テストよりはやや使用頻度が高いかもしれません。このテストは通常、レシーバに「ホット・スタート」コマンドを送信することによって実行されます。このテストが困難なのは、レシーバが完全なアルマナック・データを受信できるように、レシーバを約15分間シナリオに基づいて動作させておく必要があることです。その他の特性は、コールド・スタートTTFFテストの場合とほぼ同じです。このテストを同じシナリオ時刻（シナリオの開始から約15分）で繰り返す場合は、信号発生器が「タイム・ワープ」してシナリオの開始後15分で再スタートできないと、長い時間がかかります。

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位置精度

（予測可能、再現可能、相対的）

位置精度とは、再現性と精度の両方で、目的の位置にできるだけ近い位置決定を行う能力のことです。位置精度テストには、以下のようないくつかの種類があります。 1. 相対位置精度テストは、同じ位置でのコールド／ウォーム／ホット・スタート・テストで得られた位置情報を比較して、その間の差を求めます。差が小さい場合、レシーバは相対的に正確な位置決定が行えることになります。これは、同じレシーバを使って同じ場所に戻りたい場合には便利ですが、経度／緯度／高度の値が実際の位置にどの程度近いかはわかりません。 2. 絶対位置精度テストは、コールド／ウォーム／ホット・スタート・テストで得られた位置情報を比較するとともに、その位置決定とシナリオで用意されている理想位置とを比較して、その差を求めます。 3. 移動（ダイナミック）位置精度テストは、上記の精度テストを実行しながら、レシーバの移動をシミュレートするシナリオを使用します。

再捕捉時間

このテストでは、信号を短時間だけ大幅に減衰させるか中断した後で回復させるシナリオで、レシーバの性能を評価します。このような例として、自動車がトンネルや厚く茂った木の下を通る場合があります。このような場合は、レシーバは一時的にほとんどまたはすべての衛星をトラッキングできなくなりますが、信号を受信可能になれば再び捕捉（トラッキング）する必要があります。このシナリオをシミュレートするには、信号発生器のパワーを短時間だけ下げるかオフにしてから、シナリオを再スタートせずにパワーを復元します。関連するテストとして、衛星の一部だけの信号を中断するテストがあります。このような例として、自動車がビルや丘の陰を通ることによって、空の一部からの信号が一時的にブロックされる場合があります。このテストの結果は通常、最小感度レベルより上（良好な信号条件）の信号と比較されます。

感度

GPSレシーバには実際には2つの異なる感度レベルがあります。捕捉感度とトラッキング感度です。捕捉感度捕捉感度とは、レシーバが指定されたタイムフレーム内でコールド・スタートTTFFに成功する最小信号レベルです。信号捕捉プロセス中は、時間同期が不明なので、トラッキング・プロセス中よりも信号レベルが高い必要があります。100秒以内にコールド・スタートTTFFに成功する最小パワー・レベルと同じとされる場合があります。捕捉感度テストの例として、単一衛星感度テストがあります。このテストでは、既知の振幅と静的ドップラ・シフトを持つ信号をレシーバに印加します。レシーバのコールド・スタートを実行し、捕捉までの時間を測定します。次に、レシーバが信号を捕捉できなくなるまで信号レベルを下げていきます。このテストをいくつかの異なるドップラ・シフトで繰り返すことにより、さまざまなドップラ・シフトでのパワーと捕捉時間の関係を示す曲線を作成できます。これらの曲線を使用して、さまざまなドップラ条件でのレシーバの捕捉感度を評価できます。トラッキング感度トラッキング感度とは、レシーバが指定された精度範囲内の位置決定を維持できる最小信号レベルです。これは通常、捕捉感度レベルよりもかなり低くなります。信号レベルを下げていくと、レシーバがナビゲーション・メッセージ・データ・ストリームを復元する能力が低下し、ビット・エラーが発生します。しかし、ドップラ周波数と信号のタイミングがわかっているので、トラッキング・ループは引き続き正常に動作します。信号レベルをさらに下げていくと、ノイズが大きくなり、ある時点でトラッキング・ループにノイズが入り込み、時間／周波数同期が悪化します。この状態から、位置決定の精度に影響が発生し始めます。さらに信号レベルを下げていくと、システムは次第に衛星をトラッキングする能力を失っていき、ついにレシーバが位置決定を計算できなくなります。一般的に、トラッキング感度は、特定の位置精度を維持できる最小パワーとして測定されます。この測定もシナリオとその時刻に大きく依存するため、意味のある結果を得るには、異なるシナリオの異なる時刻で実行した多くのテスト結果を平均する必要があります。

(13)

13

干渉テスト

干渉は、GPSレシーバに影響を与える一般的な問題です。干渉の原因として、RFI、強い帯域外信号によるレシーバ感度低下、意図的なジャミング送信、意図的ななりすまし送信などがあります。干渉テストは、何らかの干渉信号を追加した状態で位置精度やTTFFなど、これまでに説明したテストを実行するメタテストの一種です。

マルチパス・テスト

場合によっては、1つの衛星からの信号が複数の経路を通ってレシーバに到着することがあります。1つの経路は通常、衛星からの見通し線である直接経路です。他の経路は、同じ信号が建物や山などの障害物で反射されることによって生じます。マルチパスが問題となるのは、レシーバとトランスミッタとの距離が経路ごとに異なるため、信号のレシーバへの到着時刻が経路ごとに異なるからです。反射によって生じる長い経路を通った信号は、直接経路を通った信号よりも遅れてレシーバに到着します。マルチパスによってレシーバに生じる問題として、位置精度の低下、 TTFFの悪化、再捕捉時間の悪化などがあります。マルチパス・テストはメタテストの一種です。GPS信号シミュレータによる1つまたは複数の衛星のマルチパス・シミュレーションを追加した状態で、これまでに説明したテストを実行します。

その他の誤差

電離層または対流圏での大気の状態によっても、到着時刻や信号強度の誤差が生じる場合があります。これらの誤差は通常、位置精度の低下につながります。

アンテナ・テスト

現実には理想的なアンテナは存在しないので、実際のアンテナの応答パターンは等方性ではありません。すなわち、同じ信号が空の異なる点からアンテナに到着した場合、レシーバのフロント・エンドに印加される信号の強度や位相が異なる可能性があります。一部のGPS信号シミュレータでは、ユーザが入力したアンテナ応答パターンに基づいて衛星からの信号強度を変更することにより、伝導テストでこの状況をシミュレートできます。これも、これまでに説明したテストをさまざまなアンテナ・パターンで繰り返すメタテストです。

(14)

N7609B

グローバル・

ナビゲーション衛星システム用

Signal Studio

を使用した

GPS

レシーバ・テスト

前述のように、N7609BをN5106A PXBおよびN5182 MXGと組み合わせることにより、GPSレシーバのテストに必要なGPS信号を作成できます。GPS衛星信号の作成に関して、 N7609Bには以下の利点があります。 – GPS信号シミュレーションの信頼性と再現性 – 標準GPSレシーバ・テストを実行する能力

– TTFF（Time to First Fix）

– コールド／ウォーム／ホット・スタート条件 – 位置精度 - 相対位置精度 - 絶対位置精度 - 移動レシーバ精度 - 衛星トラッキング精度 – 感度 - 捕捉感度 - トラッキング感度 - 干渉テスト（第2 RF信号源が必要） - 再捕捉時間 – 柔軟な標準GPSレシーバ・テストの設定 – 固定または移動GPSレシーバ条件 – マルチパス信号の導入 – 受信できる衛星の数の調整 – リアルタイムでの衛星チャネルのオン／オフ機能 – リアルタイムでの衛星チャネル・パワーの調整機能 – 電離層／対流圏モデリング機能 – シナリオ再生の開始時刻を特定のタイムフレームに調整可能 – カスタム・シナリオ作成機能 – 固定または移動GPSシナリオ – 移動GPSレシーバ・シナリオのためのNMEA入力モード – マルチパス作成やその他の信号劣化条件のためのシナリオ編集機能 – ドップラ・シフト、パワー、遅延設定を変化させながら、任意の衛星PRNに対するGPSトラッキング機能をテスト可能（静止テスト・モード） – 8960によるA-GPSテスト・ソリューションとの統合が可能 – 追加の無線テスト信号を作成可能

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テストのセットアップ

これらの例のテスト・セットアップを図5に示します。テスト・シナリオの作成はN7609B、リアルタイム GPS信号の作成はN5106A PXB、RF アップコンバージョンはN5182A MXGで行われています。ここで紹介するテストで使用している GPSレシーバは、u-blox AGのu-blox EVK-5P評価キットとU-centerソフトウェアです。基本的なTTFF、感度、位置精度の結果は、図6に示すように、代表的な GPSレシーバ評価ソフトウェアから得られます。この図では、TTFFの計算、計算結果の位置の表示（緯度、経度、高度）、衛星の識別、各衛星の C/No（dB-Hz）が表示されています。 TTFF計算に関しては、ウォーム／コールド／ホット・スタート条件は、 GPSレシーバの操作により作成できます。これは、レシーバに対して直接コマンドを送って必要な状態に設定するか、GPSレシーバを特定の時間だけオフにすることによって実現できます。感度テストは、GPSレシーバがGPS信号からの位置決定を実現して維持できる能力から求められます。この感度を測定するには、シナリオの再生時間中に、GPS信号の全 RFパワー・レベルと、個々の衛星のパワー・レベルを変化させます。これは、N7609Bのユーザ・インタフェースからシナリオを再生しながら、リアルタイムで行えます。位置精度もGPSレシーバから求められます。位置決定（通常は経度、緯度、高度の情報）を地球中心、地球固定（ECEF）直交座標に変換することにより、GPSレシーバ位置のシミュレーション値と計算値を比較して評価できます。これらの基本テストに使用する信号は、図7に示すように、N7609Bのユーザ・インタフェースを使用して簡単に設定できます。図6. U-centerソフトウェア（u-bloxからの書面による許可に基づいて掲載）図7. N7609BのGPS設定タブ衛星の向き衛星の識別位置計算 TTFF（Time To First Fix） C/No比

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ダイナミック（移動）GPSレシーバ・シナリオも、GPSレシーバの評価において重要です。図8に示すのは、半径1 kmの円形の経路を時速100 km で移動するGPSレシーバが、 N7609Bで作成した信号をトラッキングしている様子です。 GPSレシーバの性能を十分に評価して検証するには、GPSテスト信号に信号劣化を追加する必要があります。マルチパス信号、受信できる衛星の数（木や高い建物などの障害物による受信できる衛星の数の減少）、衛星のパワー・レベルの変動、電離層／対流圏での減衰などの信号劣化を、 GPS信号に導入する必要があります。この機能は、信号劣化の精度の再現性と信頼性を考慮する必要があります。 N7609Bには、このようなカスタム・シナリオを作成する機能があります。シナリオ・ジェネレータに位置、日付、時刻を与えることにより、その時点で存在したGPS信号を作成できます。前述の移動GPSレシーバ・シナリオも、過去のGPSレシーバ・テストで収集されたNMEA（GGAフォーマット）出力ファイルを入力することによって作成できます。電離層／対流圏モデルや、選択した仰角に基づいて受信できる衛星の数を選択する仰角マスクをオンにできます。 N7609Bの強力な機能の1つとして、シナリオの編集があります。シナリオを作成した後、マルチパス信号を付加したり、測定のチャネルにパワー・オフセットを加えたり、チャネルを削除したり、選択したシナリオの長さを短縮したり、すべての衛星のパワー・レベルを等化したりする変更を加えることができます。この編集機能のユーザ・インタフェースを図9に示します。簡潔なグラフィカル表示で編集内容を把握し、シナリオに対して行われた変更を一覧表示できます。図10を参照してください。図8. 移動GPSレシーバ・シナリオ図9. シナリオ編集のためのN7609Bユーザ・インタフェース

現在位置

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まとめ

ここでは、GPSレシーバの検証に用いられる基本的なテストを説明しました。基本的なテストの種類はわずか（TIFF、感度、位置精度）ですが、 GPS信号の変動と信号劣化の導入により、GPSレシーバの完全な機能検証に必要なテストの種類が大幅に増加します。これらの信号を高い信頼性と再現性で作成するには、RF GPS シミュレータが必要です。シミュレータは、実環境のシナリオをシミュレートできるとともに、柔軟なテスト信号作成のためにリアルタイム信号発生機能を備えている必要があります。 Keysight N7609B GNSS用Signal Studioと、N5106A PXBおよび N5182A MXGの組み合わせたものは、この機能を備えています。PXB/ MXGは汎用のプラットフォームであり、GPSだけでなく他の無線規格用のテスト信号も作成できます。

参考文献

ION STD 101:Recommended Test Procedures for GPS Receivers, Revision C, Institute of Navigation, 1997 （ISBN: 0936406046）

Keysight Technologies GPSレシーバ・テスト