去年12月新冠過峰，智能手表的血氧監測功能，全網一度出現了一表難求的景象，這讓公眾的注意力再次為可穿戴設備所吸引。當手機面臨市場疲弱時，智能穿戴設備卻因其獨特的健康數據采集監測優勢，更大的價格選擇區間，更細分的場景應用，成為疫情疲弱經濟下一抹難得的亮色，使我們注意到品牌間活躍的競爭和創新，圍繞著健康、運動、智能、融合而方興未艾。比較Counterpoint 2021年及2022年全球智能手表統計數據，發現智能穿戴其實還處于群雄逐鹿的階段，可以用兩句話來形容過去的2022年：睥睨天下無人敵，城頭變幻大王旗。- Apple Watch一騎絕塵，出貨量占比超34%，營收占比超60%；
- 安卓及其他智能手表陣營：年度品牌份額劇烈變動，競爭異常激烈；
例如21年Imoo/小天才一家的出貨量占到了5%，22年卻直接變成了others。中國大陸品牌手表21年全球出貨量合計占比還是約21%，22年餅圖里則僅剩華為和華米，份額則直降為10.8%左右。為什么續航痛點明顯的Apple Watch孤獨求敗? 而待機7天的長續航“其他”卻在同質化的紅海里拼殺？追求極致體驗，建構豐富的第三方應用生態；OS平臺的一致性所帶來的可控的app開發和遷移成本；堅持力出一孔，只出精品的原則等。這些可能都是Apple Watch在用戶眼中的畫像。反之，“其他”類的智能穿戴則顯示出散亂的形象：如沒有統一兼容的操作系統，Android OS、RTOS等八仙過海各顯神通，封閉造成生態應用匱乏、app開發成本高和用戶遷移成本高。所以我們才會看到“你方唱罷我登場”：21年的Fitbit，小米還都是耳熟能詳，22年的Noise，BoAt則是直接掀翻”前輩們“的桌子，來了個好漢重新排座次。
市場的變化給出了指引，可穿戴品牌的最終突破和確立，看似依然塵埃未定，但是廉價、低端、重復的套路貨已經毫無出路。Noise、BoAt這些印度品牌22年出貨量的鵲起，讓我們認識到品牌的建設之路任重道遠，并不容任何缺失，需要對產品核心指標的精益求精和長期堅守，對客戶細分應用場景的精準把握，以及更廣泛生態app的建立。因此，設想未來智能穿戴的變化趨勢應在于如何實現高端化、高品質的產品迭代與品牌向上趨勢能夠相互促進、相得益彰。因此，產品可能的變化趨勢包括：- 摒棄當前相互割裂、封閉的OS平臺，復刻ANDROID在手機上的成功路徑，更易將手機app平滑遷移到手表、手環，建立起更多應用支持的類ANDRIOD生態圈；
- 追求更加均衡的應用體驗，即健康監測、運動管理、智能（卡）應用等一個都不能少；
產品的品質，即可靠性、精準度要不斷迭代和優化，形成口碑的正向積累。
舉例而言，在這些指標當中，由GNSS衛星導航所表征的運動軌跡真實度,距離的精準度，成為智能穿戴品牌間比拼的重要參數之一。例如，華米是22年依舊處于全球出貨量榜單中的的唯二中國大陸智能穿戴品牌，而精準定位就是其旗下智能手表的突出特點之一。現在越來越多的定位技術術語，如五星雙頻、六星雙頻、圓極化天線、懸浮天線等等開始頻頻出現在大眾面前，這一方面顯示出定位是智能穿戴設備的核心功能之一，另一方面也代表著廠家在此GNSS領域軟硬件研發、算法優化能力的追求和比拼，在當今互聯網口碑、風暴式傳播形態下，任何新產品的推出，其優勢抑或是瑕疵都會如“狂飆”一般，被迅速暴露在聚光燈下，“淹沒”在蕓蕓眾口的贊嘆或口水當中。
產品及品牌的經營如履薄冰，須得內外兼修，方得始終。因此，對產品全流程的“飽和式”測試，成為確保產品設計要求達成，產品質量達標和品牌持續向上的重要一環。在長期主義的共識下，摒棄快餐式的“性價比”思維，堅信客戶終將接受為產品的品質和品牌的溢價買單，也是對那些持續投入研發和測試的產品和廠商的正向回報。
這里我們就從手表的GNSS測試這一維度，嘗試借助思博倫通信的測試產品和系統，討論測試方法學的相關覆蓋，特別是在實驗室條件下如何構建高效的、可控的，可重復的測試。
對于智能穿戴產品及其他包含GNSS的電子產品，一般都會經過如下幾項測試：板級測試，OTA測試，軟件算法引擎優化測試、傳感器融合測試（IMU/GNSS），復雜多徑環境仿真測試，外場數據采集及測試；其他還包括諸如功耗測試，溫濕度振動環境測試，競品比對測試，外場“孿生”仿真測試等。
下圖將一個典型的GNSS模塊按其功能組塊展開，并標記了可利用GNSS模擬器在實驗室進行測試的3個測試注入點：
（1）硬件--OTA測試
（2）硬件--傳導測試
（3）軟件/算法—基于基帶IQ數據流注入
另外的一個維度就是從解決測試管理和測試效率的角度出發，利用自動化和基本的數據分析管理工具，提升測試效率，并形成規范的測試管理流程。讓數據和管理形成生產力。
這一部分我們將結合思博倫北京實驗室的自動化測試系統另外展開。
思博倫GNSS TOS自動化測試系統測試結果示例
傳導測試常常是測試的第一步，其基本目標是確保開發樣品的性能與設計要求，能夠與芯片供應商的性能指標對齊，此時GNSS模擬器的信號將通過RF線纜直接注入DUT，并評估板子的GNSS性能如首次定位精度（TTFF）,捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、重捕獲時間等。
傳導測試的優點： | 傳導測試的局限： |
| 需要與射頻電路有物理上的連接 - 從模擬器RF輸出的信號是合成的GNSS射頻信號，無法體現GNSS衛星的入射方向
- 無法對天線效應進行評估（天線效能可能對某些產品是至關重要的環節，如穿戴設備）
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曾經有客戶向我們反映，手表的傳導測試很正常，而一但接上天線，性能表現就明顯的差強人意。華為的專利懸浮式天線，華米的專利圓偏振天線，這兩家依然處于22年智能手表全球榜單中的中國品牌，不約而同的在定位天線上下足了功夫，可見天線在提高定位性能方面的重要角色。此時OTA測試的重要性就越發重要。OTA的空中輻射方式，理想的要求是從仿真器傳輸所有的RF能量到被測設備，并且過程中沒有失真及干擾。這一要求不可能百分百的實現，但采取若干步驟可能會有效減少問題。將被測設備及其傳輸天線置于一個RF屏蔽罩中是個有效的方法，但該屏蔽罩必須滿足下述特征要求：
基于不同的應用考慮，上述特征的罩子可以呈不同尺寸。對一些應用而言，甚至需要中大型的消音屏蔽室（anechoic chambers）。如CTIA標準針對GNSS的OTA測試有詳細的說明。
而對于另外一些可折衷的OTA測試，則屏蔽罩可以非常小，適合置于實驗室的桌臺之上。這些小的罩子被特別的稱作TEM盒（TEM CELL），TEM稱為“Transverse Electric Mode”（橫向電模式，或TE模式），是指在罩子中的耦合方式。我們不可能在小尺寸的罩子中構建一個傳播的遠場（far field）模式。GNSS特別使用的是右手圓偏振傳播（Right-Hand Circular Propagation, RCHP）但該模式僅可以在大型的屏蔽室（anechoic chamber）中構建。有鑒于此，設備天線的空間特性是無法在TEM盒中測試的。
當使用罩子時，有一些特別的要求。被測設備在罩子中放置位置的些微不同都會影響到耦合損耗，甚至是那些專門設計成罩子內具有恒定TEM場的TEM盒。但是相較于開放式輻射的測試系統，這種不便即可忽略。一個典型的中度尺寸（2米長）的TEM盒如下圖所示：
其次，該類傳統OTA的測試方法，還有一個與GNSS信號相關的、易被忽略的地方，即從星座模擬器通過發射天線傳輸的GNSS信號，因為RF能量來自同一個方向，而非在真實衛星星座分布形態下來自不同的方向，所以雖然DUT的天線包含在測試中，但對其空間性能的真實評估卻是無法通過此方法來完成的，因此可能存在對更穩健測試方法的需求。這將在后面的“外場孿生”仿真測試部分，即所謂的滿天星方案中做進一步說明。對于如智能手表這類穿戴設備，未來解決外場測試這類繁重、費時、難以重復的測試方法的終極方案，可能就存在于如何將外場真實地“數字孿生”到實驗室這類創新測試能力的開發和迭代。
傳統OTA測試的優點 | 傳統OTA測試的局限 |
- 可能有國際標準作為依據（如A-GNSS, 獨立OTA-GNSS）
- 包含部分天線效應的評估（如與其他無線電信號的交互作用）
- 覆蓋一些其他功能類別的基本測試，包括：環境測試，競品比對測試，功耗測試等
| - 對GNSS信號所獨有的DoA（direction of Arrival）效應，即入射GNSS信號的方向性無法驗證
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思博倫通信在GNSS相關的OTA測試領域居于全球領導定位，無論是針對國際標準的A-GNSS測試，或國內運營商的“團標”類測試；下面分別是思博倫美國及中國OTA測試系統的典型部署示意圖。
符合CTIA規范的A-GNSS及獨立GNSS OTA測試系統 示意圖（思博倫美國實驗室）
如上圖所示，無論是PNT的測量引擎還是位于主處理器的算法引擎，都可歸為軟件測試的范疇，因此應用上并不必須經由RF信號加以激勵，而以數字中頻或數字基帶信號注入即可。類似的需求在汽車測試領域也并不鮮見。因此就出現僅需要IQ data進行測試的需求。
為因應此類需求，思博倫通信推出的SIMIQ軟件功能擴展，通過“關聯”GNSS模擬器（如GSS7000）和外場的GNSS記錄回放系統(如GSS6450)，利用對IQ文件的捕獲(capture)和回放(replay)打通模擬信號與真實信號之間的藩籬。實現捕獲“真實世界”環境，利用IQ文件將真實環境在實驗室重現的目標。
SIMIQ原理及主要指標示意圖
Bring the Real World to Lab
對于智能手表等穿戴設備，運動表現是客戶選擇的重要指標之一，例如對于戶外跑步，GPS的可用性、連續性、精度；軌跡的平滑，距離的準確等等都是對產品選擇及滿意度的重要指向。此類體驗及訴求也將傳導至新產品的設計、研發、驗證。如上文提到的專利圓極化天線，以及為獲得更精確的高度信息采用氣壓傳感器，在無GPS信號情況下使用慣性傳感器保持位置的持續輸出等，這就形成了多傳感器融合技術在穿戴設備上的使用和與之相關的針對性測試。
當前傳感融合的測試主要是通過真實外場測試的方法，但這相當耗時、耗力，且可重復性及可控性較差，有沒有更有效率的手段？思博倫通信的衛星導航事業部基于其始終秉持的“Bring the Real World to the Lab”理念，通過結合外場”真值”采集，結合思博倫衛星導航模擬器的SIMSENSOR MEMS仿真建模功能，從而建立了一套高效的實驗室算法引擎仿真測試環境。其原理如下圖：
GNSS/IMU 傳感融合仿真測試原理示意圖
如圖所示，SIMSENSOR可視為一套軟件仿真工具，運行時如圖中“X”所示，真實IMU器件是被旁路的，算法引擎的IMU輸入是與GNSS軌跡或外場”真值”軌跡關聯的IMU仿真數據輸出。
思博倫的SIMSENSOR功能簡表如下：
IMU的模擬數據通過UDP格式發送，而傳感器硬件接口則可能需要根據不同IMU的接口定義做相應定制開發。利用SIMSENSOR, 可覆蓋如下關鍵性測試需求：
智能手表的運動屬性，使其面對的場景相對更為多元和復雜，例如操場、小區、山地、森林，運動中及運動后這些場景的還原度，精準度表現與用戶體驗及其社交活躍度高度關聯，進而影響到品牌的潛在傳播力。
GNSS/IMU的傳感融合及位置引擎算法是戶外運動精準表現及app還原的主要技術實現方式，在理想信號接收條件下，GNSS則是公認的提供最佳定位精度的技術，然而對于小區、山地、森林這些復雜地形場景，實時變化的GNSS信號的多徑效應對定位精度的影響無法忽視，進而對融合算法提出了更高的要求。對于上節原理圖中模擬的GNSS信號，如果我們能夠對該信號疊加實時的多徑環境仿真，則提供了對算法引擎更豐富的測試手段，示意如下：
思博倫通信SIM3D實時多徑模擬仿真示意圖及仿真結果與外場數據匹配結果
上圖右半部分即表示為將思博倫的SIM3D實時多徑模擬仿真工具疊加到測試環境中，右下圖則顯示了經由SIM3D在實驗室仿真的GNSS信號和外場記錄的實際信號之間高度的匹配相關性。這就給“Bring the Real World to the Lab”理念施加了堅實的注腳。我們相信，通過仿真場景的積累和迭代，勢必將逐步替代可觀的外場測試需求，提升產品開發效率及產品品質的一致性。
除了多徑影響，智能手表在外場也會因各種干擾信號導致定位精度的下降，從而影響到用戶體驗，思博倫的GNSS模擬系統也可以在實驗室中模擬出這些干擾效應，這里不再贅述。
對GNSS接收機及相關設備的測試和驗證是個綜合而復雜的過程，從完整的測試方法學角度，對GNSS信號的可用性、連續性、完好性及精確度的驗證需要利用各類針對性的產品解決方案加以覆蓋，這里我們重點討論的射頻記錄回放RPS GSS6450系統，則側重于探討提升GNSS外場測試（Field Testing）的效率，進而獲得評估產品在現實環境下性能真實體現的高性價比的測試方法。
固有的外場測試（FT）的挑戰在于其昂貴、緩慢、難于建模，并可能持續消耗公司預算及延宕產品推向市場，而下述4個互為相關的趨勢可能進一步強化外場測試的成本考量—時間及金錢的消耗。產品開發者對這些趨勢的響應方式可能直接影響到他們向市場提供高性能產品的速度及效率。
就各類情形而言，一個強有力的觀點就是采用高保真的RPS（記錄回放系統）記錄真實世界的信號并在實驗室中回放，從而顯著降低外場測試的成本。
當前彈性PNT的概念越來越受到重視，新的挑戰在于，不斷重復的測試顯示，擁有更高比特深度的(bit depths)接收機能夠抵御更多的干擾，因此越來越多的廠家開始開發3或4比特的芯片，以確保在信號受到干擾的情況下保持服務的連續性。為了利用RPS精確的測試這些芯片的性能，被記錄的環境信號需要在重放的時候擁有比被測物（DUT）更高的保真度（如大于4bits）。這對于現存的許多僅能回放1或2比特的RPS系統都是個實際的挑戰。復雜的RPS系統可以達到16比特的深度，但這些系統通常更可能是為軍用設計的大型的、不方便的機架式結構。一個便攜的16比特RPS系統無疑對那些要求比特深度大于2，面向商用及消費類的芯片商產生巨大的效益。不僅最終用戶更多的依賴持續、精確的GNSS信號，在此過程中，不同強度的信號的干擾及其多種的來源都在增加。大氣效應，來自建筑物反射信號的多徑效應，高山建筑物的遮擋，深塹及茂密的樹蔭都會影響GNSS信號。現在，人為的干擾源也在增加，包括有意或無意的干擾，如來自附近蜂窩電話塔的干擾或甚至復雜的“欺騙”（廣播假的導航信號）。
開發者需要知道他們的系統在干擾或是多徑條件下的表現：是信號完全被切斷？抑或精度受到影響？那么程度如何？很多影響可以通過使用模擬器（GNSS Simulator）來測試，但模擬器無法完全覆蓋真實世界的各種環境條件,外場測試成為衡量在真實世界干擾條件下產品性能特征的必不可少的手段，但是這類測試恐怕需要花費大量的時間和金錢。直觀的辦法是使用RPS記錄真實的信號環境，包括干擾波形，并將記錄的信號用于“實驗室的外場測試（FT in the lab）”。這帶來兩個好處，一是可以研究感興趣的干擾信號的成因；二是研究如何消減此類干擾。
2.8.3 混合定位及傳感器融合（Hybrid Positioning and Sensor Fusion）
許多當前的應用中，GNSS與其他傳感器數據信號一起作用于整個系統，傳感器的融合算法將所有的數據整合，當GNSS信號被拒絕時，可持續計算出位置。這既可以通過鄰近的wifi接入點，藍牙終端或LTE基站，通過三角法計算，也可以在設備位于室內時，利用DR(Dead Reckoning)傳感器的數據持續計算出設備的位置。但是，越來越多的GNSS+SENSOR融合也被用于其他目的，高端的智能手表或健身跟蹤器融合了GNSS輸入和心率傳感器的數據，用于映射跑步者奔跑過程中在不同地點的能量消耗。混合定位及傳感器融合，需要高強度外場測試，以確保不同的數據輸入可以與真實世界條件精確相關。這一過程可以通過使用能夠同步記錄GNSS與多種傳感器信號的RPS記錄回放系統而加速完成。
如前所述，基于真實世界的IQ數據被用來驗證測量引擎和位置引擎，這需要高量化比特深度的RPS系統記錄外場真實世界，并將之以IQ data的形式保存和利用。思博倫的SIMIQ工具還可以將這些數據轉換成為實驗室模擬器所使用的場景數據。強化思博倫所貫徹的在仿真世界里不斷增加“真實世界”元素的理念。
在第2節中，我們提到了傳統OTA測試方法也存在一定的局限性。因為欲在實驗室暗室條件下復現外場的、真實世界的GNSS信號，除了需要考慮在給定的地點和時間條件下再現多模多頻的GNSS信號如GPS/GLONASS/BEIDOU外，還需要充分考慮復原真實世界下的信號特征，如右手螺旋（RHCP）的偏振信號，及一系列來自不同方位的射頻信號。被測系統通過對所有可見及跟蹤的衛星解碼，產生若干基于信噪比（SNR）觀測量的矩陣，這些基于多組衛星的矩陣將幫助用戶了解DUT在輻射條件下的性能。
外場動態場景示例
2.9.1 GNSS信號方向到達效應DoA仿真：在實驗室中再現GNSS真實世界由于智能手表中的運動功能對位置精度及其體驗的敏感性，而外場測試的高成本使構建條件可控的、可重復的“全景式”GNSS測試仿真環境變得物有所值，這在國外已經有了成功的先例。為更好的復現GNSS外場真實世界，克服傳統GNSS OTA測試中單向復合RF信號的局限性，在實驗室中構建近似外場的、可控的、可重復的DoA測試環境，成為智能穿戴、部件及第三方測試機構著手考慮的、期望進一步提升產品GNSS性能、算法及產品品質的重要手段。目標的測試系統應該滿足下面的要求：星座模擬器應可以提供多模多頻導航衛星信號（Multi-Frequencies，Multi-Constellation GNSS），用戶可以向模擬器導入與特定時間、地點相關的歷書(Almanac)，星歷（ephemeris）及其他原始數據，以方便重復地復現在外場觀察到的特定結果。
OTA暗室應部署數量充分的天線陣列，體現如下圖所看到的天空中GPS/GLONASS/BeiDou導航衛星星座分布圖及對應信號的入射方向DoA(Direction of Arrival)，并能夠再現外場所看到的各個衛星的運動過程。
衛星的運動及其信號強度可以通過運行的模擬器場景軟件加以控制。OTA暗室中應制備可能的臺架，以便按照要求旋轉DUT的方位俯仰、及擺動，以驗證DUT在特定姿態下的天線效應。
針對上述目標測試系統要求，過往已經實施的解決方法（多用來測試抗干擾天線），采用的是固定式、特定方位及俯仰角分布的多天線、分立RF組合方案（更多細節可參考思博倫GSS7790產品規格書）， 這一原理的分立天線系統也常常被俗稱為“滿天星”，其局限性是受到GNSS星座類型、場景和運行時間的多重限制，因而表現為較差的靈活性和有限的投資保護性。
衛星三小時前后的分布
從上圖中可以看到同一位置在不同時間看到的衛星分布是完全不一樣的，甚至衛星號都有很大變化。這種衛星位置和數量的變化，在當載體/接收機運動時會更加明顯。2.9.3 思博倫創新OTA滿天星解決方案—分區暗室（Zoned Chamber）這里，一種新的、所謂“分區暗室”（Zoned Chamber）的創新方法克服了傳統DoA方法的局限性，通過有限劃分的方位及俯仰區域（Zoned），利用合并的GNSS信號，在充分減少天線分布數量及復雜度的情況下，復現外場分立的、不同入射方向的多模多頻GNSS射頻信號，從而在實驗室里構建出更為接近外場環境的測試條件，再結合所需的（三維）DUT臺架或轉臺，可實現包括汽車、手機、智能穿戴或其他內含接收機的產品在不同位置、姿態、方向等條件下的，完成可控的、可重復的性能評估。
分區暗室原理示意圖（左）及可疊加SIM3D多徑效應工具示意圖（右）
如下圖所示，這是思博倫專有的”分區暗室“（Zoned Chamber）解決方案，針對每個分區，方案配備了一臺多通道的GNSS星座模擬器；該模擬器擁有足夠數量的通道數，以模擬星座圖中落在該區域的多模多頻GNSS信號以及多徑信號。
區分區暗室俯視圖（左）分區暗室部署示意圖（中）分區暗室星座跨區運行示意圖（右）
2.9.4 分區暗室Zoned Chamber的價值
GNSS信號位于L波段，接收機接收到的理想直射信號有“LOS徑（line of sight)“的要求，因此實際的外場測試條件下，到達接收機的GNSS信號都是由分立的、來自不同入射方向的多個衛星射頻信號組成，這一信號的DoA（Direction of Arrival）方向到達特性在實驗室中是無法通過傳統的OTA或傳導測試方法，利用單一一臺GNSS星座模擬器復現出來的。構建分區暗室的價值包括：- 在實驗室中可復現外場GNSS信號的DoA特征，從而為評估DUT接收天線的效能提供了量化的數據支持
GNSS信號的DoA特征方便了對DUT本體因素的評估，如頭部/身體遮擋（消費電子類產品）；汽車結構因素、姿態方位變化等
可靈活的支持任意多模多頻信號
對場景的時間/地點/時長沒有實質性限制
可對DUT進行在各類無線電信號環境下的RF互操作性驗證
其他“全景式”復雜環境的疊加，如“城市峽谷“相關的多徑信號，干擾信號
RTK輔助數據
V2x數據等
本文首先嘗試對可穿戴設備進行相關測試方法學的討論，以期拋磚引玉。后續我們將不定期通過系列報告，介紹我們在思博倫北京實驗室里對智能手表所作的初步測試及結果。
Reference：GNSS衛星定位導航模擬器GSS7000使用指南
關鍵字：GNSS，SIMIQ，SIMSENSOR，OTA，Conduction，Field，衛星模擬器，可穿戴，智能手表，自動化測試
恒景動態
