GPS 接收器測試

概覽

從波音 747 客機的導(dǎo)航操作、汽車駕駛每天都會使用的 GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)，到尋寶者要找到深藏于森林某處的寶藏，GPS 技術(shù)已經(jīng)迅速融入于多種應(yīng)用中。 正當(dāng)創(chuàng)新技術(shù)不斷提升 GPS 接收器效能的同時，相關(guān)的技術(shù)特性亦越來越完整。時至今日，軟件甚至可建立 GPS 波形，以精確仿真實際的訊號。除此之外，儀器總線技術(shù)亦不斷提升，目前即可透過 PXI 儀控功能，以記錄并播放實時的 GPS 訊號。

目錄

介紹

GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)介紹

設(shè)定 GPS 量測系統(tǒng)

GPS 量測技術(shù)

敏感度 (Sensitivity) 量測作業(yè)介紹

多組衛(wèi)星的 GPS 接收器量測

結(jié)論

介紹

由于 GPS 技術(shù)已于一般商用市場逐漸普及，因此多項設(shè)計均著眼于提升相關(guān)特性，如：

1) 降低耗電量

2) 可尋找微弱的衛(wèi)星訊號

3) 較快的擷取次數(shù)

4) 更精確的定位功能

透過此應(yīng)用說明，將可了解進行多項 GPS 接收器量測的方法：敏感度、噪聲系數(shù)、定位精確度、首次定位時間，與位置誤差。此篇技術(shù)文件是要能讓工程師徹底了解 GPS 的量測技術(shù)。對剛開始接觸 GPS 接收器量測作業(yè)的工程師來說，可對常見的量測作業(yè)略知一二。若工程師已具有 GPS 量測的相關(guān)經(jīng)驗，亦可透過此篇技術(shù)文件初步了解新的儀控技術(shù)。此篇應(yīng)用說明將分為下列數(shù)個段落：

GPS 技術(shù)的基礎(chǔ)

GPS 量測系統(tǒng)

常見量測概述

敏感度

首次定位時間 (TTFF)

定位精確度與重復(fù)性

追蹤精確度與重復(fù)性

每個段落均將提供數(shù)項實作秘訣與技巧。更重要的是，讀者可將自己的結(jié)果與 GPS 接收器獲得的結(jié)果進行比較。透過自己的結(jié)果、接收器的結(jié)果，再搭配理論量測的結(jié)果，即可進一步檢視自己的量測數(shù)據(jù)。

GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)介紹

全球定位系統(tǒng) (GPS) 為空間架構(gòu)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，本由美國空軍所研發(fā)。雖然 GPS 原是開發(fā)做為軍事定位系統(tǒng)之用，卻也對民間產(chǎn)生重要影響。事實上，您目前就可能在車輛、船舶，甚至移動電話中使用 GPS 接收器。GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)包含由 24 組衛(wèi)星，均以 L1 與 L2 頻帶 (Band) 進行多重訊號的傳輸。透過 1.57542 GHz 的 L1 頻帶，各組衛(wèi)星均產(chǎn)生 1.023 Mchips BPSK (二進制相位鍵移) 的展頻訊號。展頻序列則使用稱為 C/A (coarse acquisition) 碼的虛擬隨機數(shù) (PN) 序列。雖然展頻序列為 1.023 Mchips，但實際的訊號數(shù)據(jù)傳輸率為 50 Hz [1]。在系統(tǒng)的原始布署作業(yè)中，一般 GPS 接收器可達 20 ~ 30 公尺以上的精確度誤差。此種誤差肇因于美國軍方依安全理由所附加的隨機頻率誤差所致。然而，此稱為選擇性可靠度 (Selective availability) 誤差訊號源，已于 2000 年 5 月 2 日取消。在今天，接收器的最大誤差不超過 5 公尺，而一般誤差已降至 1 ~ 2 公尺。

不論是 L1 或 L2 (1.2276 GHz) 頻帶，GPS 衛(wèi)星均會產(chǎn)生所謂的「P 碼」附屬訊號。此訊號為 10.23 Mbps BPSK 的調(diào)變訊號，亦使用 PN 序列做為展頻碼。軍方即透過 P 碼的傳輸，進行更精確的定位作業(yè)。在 L1 頻帶中，P 碼是透過 C/A 碼進行反相位 (Out of phase) 的 90 度傳輸，以確?？捎谙嗤d波上測得此 2 種訊號碼 [2]。P 碼于 L1 頻帶中可達 -163 dBW 的訊號功率;于 L2 頻帶中可達 -166 dBW。相對來說，若在地球表面的 C/A 碼，則可于 L1 頻帶中達到最小 -160 dBW的廣播功率。

GPS 導(dǎo)航訊號

針對 C/A 碼來說，導(dǎo)航訊號是由數(shù)據(jù)的 25 個框架(Frame) 所構(gòu)成，而每個框架則包含 1500 個位 [2]。此外，每組框架均可分為 5 組 300 個位的子框架。當(dāng)接收器擷取 C/A 碼時，將耗費 6 秒鐘擷取 1 個子框架，亦即 1 個框架必須耗費 30 秒鐘。請注意，其實某些較為深入的量測作業(yè)，才有可能真正花費 30 秒鐘以擷取完整框架;我們將于稍后討論之。事實上，30 秒鐘僅為擷取完整框架的平均最短時間;系統(tǒng)的首次定位時間 (TTFF) 往往超過 30 秒鐘。

為了進行定位作業(yè)，大多數(shù)的接收器均必須更新衛(wèi)星星歷 (Almanac) 與星歷表 (Ephemeris) 的信息。該筆信息均包含于人造衛(wèi)星所傳輸?shù)挠嵦枖?shù)據(jù)中，，而每個子框架亦包含專屬的信息集。一般來說，我們可透過子框架的類別，進而辨識出其中所包含的信息 [2][7]：

Subframe 1: 包含時序修正 (Clock correction)、精確度，與人造衛(wèi)星的運作情形

Subframes 2-3: 包含精確的軌道參數(shù)，可計算衛(wèi)星的確實位置

Subframes 4-5: 包含粗略的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)、時序修正，與運作信息。

而接收器必須透過衛(wèi)星星歷與星歷表的信息，才能夠進行定位作業(yè)。一旦得到各組衛(wèi)星的確實距離，則高階 GPS 接收器將透過簡單的三角表達式 (Triangulation algorithm) 回傳位置信息。事實上，若能整合虛擬距離 (Pseudorange) 與衛(wèi)星位置的信息，將可讓接收器精確識別其位置。

不論是使用 C/A 碼或 P 碼，接收器均可追蹤最多 4 組人造衛(wèi)星，進行 3D 定位。追蹤人造衛(wèi)星的過程極為復(fù)雜，不過簡單來說，即是接收器將透過每組衛(wèi)星的距離，估算出自己的位置。由于訊號是以光速 (c)，或為 299,792,458 m/s 行進，因此接收器可透過下列等式計算出與人造衛(wèi)星之間的距離，即稱為「虛擬距離 (Pseudorange)」：

等式 1.「虛擬距離 (Psedorange)」為時間間隔 (Time interval) 的函式 [1][4]

接收器必須將衛(wèi)星所傳送的訊號數(shù)據(jù)進行譯碼，才能夠獲得定位信息。每個衛(wèi)星均針對其位置進行廣播 (Broadcasting)，接收器跟著透過每組衛(wèi)星之間的虛擬距離差異，以決定自己的確實位置 [8]。接收器所使用的三角量測法 (Triangulation)，可由 3 組衛(wèi)星進行 2D 定位;4 組衛(wèi)星則可進行 3D 定位。

設(shè)定 GPS 量測系統(tǒng)

測試 GPS 接收器的主要產(chǎn)品，為 1 組可仿真 GPS 訊號的 RF 向量訊號產(chǎn)生器。在此應(yīng)用說明中，讀者將可了解應(yīng)如何使用 NI PXI-5671 與 NI PXIe-5672 RF 向量訊號產(chǎn)生器，以達到量測目的。此產(chǎn)品并可搭配 NI GPS 工具組，以模擬 1 ~ 12 組 GPS 人造衛(wèi)星。