资产监测设备中GPS冷启动时间为什么有时候不止30s？

Posted 2021-09-22 瑞奇Ricky

近期笔者在某个资产监测设备定制功能的项目中，收到了客户反馈的一个问题：

提出问题： 在资产监测设备中为什么GPS芯片或者模块的规格书上面的冷启动TTFF基本上都写成30s左右，但是实际的测试并不是30s，有时候却需要更长的时间呢？

分析问题： 对于这个问题，开发人员从两个方面进行分析，一方面是从GPS的数据传输上去了解一下定位时间，另一方面就是从统计学上去了解这个30s。相关开发人员提出了该问题的解决思路。尤其是专注于物联网设备的研发，其核心产品包括了：资产定位跟踪设备、环境跟踪定位设备、人员定位等。

解决问题： 首先来观测一下GPS发出的导航电文，从中分析一下定位时间。 下图中，每个卫星都重复的发射自身的导航电文，每12.5分钟重复一次。我们将导航电文再分解，可以得到分别由5个子帧组成的25页数据。GPS定位的简单原则就是在时间同步后，拿到至少3个卫星的轨道数据就可以计算定位。试想一下，当我们同时接收来自3个卫星A,B,C的数据，都是从子帧1开始的，那么只要当子帧3接收完成就可以获得3个卫星的轨道数据，从而可以实现2D定位，由于每个子帧的时间是6s，三帧的时间是18s，所以就可以最快在18s完成冷启动定位。 但是，每个卫星到达我们GPS产品的距离不一样，或者说还有系统误差、多普勒频偏等原因，同时接收的卫星电文都在子帧1处的概率并不一定。如果其中一颗卫星A从子帧4开始接收，那么虽然其他2颗卫星B和C在18s完成接收，还需要等到成功接收完卫星A的下一页数据的子帧2和3才可以输出定位信息。从子帧4到下一个子帧3完成刚好经过了5个子帧时间30s，所以需要30s才能完成定位。

以上的分析都是理想的状态，没有数据接收误码的情况下，试想如果卫星的信号环境不好，在子帧2和3上发生了误码，那么只能等待下一个页再次接收数据，以完成定位，这样就会增加了TTFF。所以基于从GPS的数据传输上去了解定位时间，在实际的测试中，TTFF浮动比较大，特别是较弱信号环境下，TTFF会比较长。

从统计学上的一个叫高斯分布的概念上理解。既然在进行冷启动TTFF测试时，每一次测试都是独立随机的，基本上我们可认为是服从高斯分布的。所以规格书中的30s的定位时间是一个均值，围绕这个均值还存在着1RMS~3RMS的标准差，所以在实际测试中发现有大于30s的值并不奇怪。随着样本量的不断增加，其平均值就会逼近规格值。所以，实验室环境验证TTFF时，需要保证GPS的信号强度，同时测试大量的样本（比如100组）进行平均处理，得到可靠的TTFF测试结果。 所以，GPS芯片或者模块的规格书上面的冷启动TTFF时间写成30s左右，基本上都是实验室的平均数据，而且在稳定的信号环境下（GNSS模拟器输出的信号）测试的TTFF时间，这个时间基本上在30s左右。
总结，无论是从GPS的数据传输上了解定位时间还是通过统计学，资产监测设备中GPS冷启动时间有时候不止30s为正常现象，在理想状况下，GPS冷启动时间才可能小于或等于30s。
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