最實(shí)用的GPS接收器測(cè)試詳解

　　概覽

　　從波音 747 客機(jī)的導(dǎo)航操作、汽車駕駛每天都會(huì)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(shí)，相關(guān)的技術(shù)特性亦越來(lái)越完整。時(shí)至今日，軟件甚至可建立 GPS 波形，以精確仿真實(shí)際的訊號(hào)。除此之外，儀器總線技術(shù)亦不斷提升，目前即可透過(guò)PXI 儀控功能，以記錄并播放實(shí)時(shí)的 GPS 訊號(hào)。

　　介紹

　　由于 GPS 技術(shù)已于一般商用市場(chǎng)逐漸普及，因此多項(xiàng)設(shè)計(jì)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(hào)

　　3） 較快的擷取次數(shù)

　　4） 更精確的定位功能

　　透過(guò)此應(yīng)用說(shuō)明，將可了解進(jìn)行多項(xiàng) GPS 接收器量測(cè)的方法：敏感度、噪聲系數(shù)、定位精確度、首次定位時(shí)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(cè)技術(shù)。對(duì)剛開始接觸 GPS 接收器量測(cè)作業(yè)的工程師來(lái)說(shuō)，可對(duì)常見的量測(cè)作業(yè)略知一二。若工程師已具有 GPS 量測(cè)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，亦可透過(guò)此篇技術(shù)文件初步了解新的儀控技術(shù)。此篇應(yīng)用說(shuō)明將分為下列數(shù)個(gè)段落：

　　GPS 技術(shù)的基礎(chǔ)

　　GPS 量測(cè)系統(tǒng)

　　常見量測(cè)概述

　　敏感度

　　首次定位時(shí)間 （TTFF）

　　定位精確度與重復(fù)性

　　追蹤精確度與重復(fù)性

　　每個(gè)段落均將提供數(shù)項(xiàng)實(shí)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(jìn)行比較。透過(guò)自己的結(jié)果、接收器的結(jié)果，再搭配理論量測(cè)的結(jié)果，即可進(jìn)一步檢視自己的量測(cè)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(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，本由美國(guó)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(duì)民間產(chǎn)生重要影響。事實(shí)上，您目前就可能在車輛、船舶，甚至移動(dòng)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(jìn)行多重訊號(hào)的傳輸。透過(guò) 1.57542 GHz 的 L1 頻帶，各組衛(wèi)星均產(chǎn)生 1.023 Mchips BPSK （二進(jìn)制相位鍵移） 的展頻訊號(hào)。展頻序列則使用稱為 C/A （coarse acquisition） 碼的虛擬隨機(jī)數(shù) （PN） 序列。雖然展頻序列為 1.023 Mchips，但實(shí)際的訊號(hào)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(dá) 20 ~ 30 公尺以上的精確度誤差。此種誤差肇因于美國(guó)軍方依安全理由所附加的隨機(jī)頻率誤差所致。然而，此稱為選擇性可靠度 （Selective availability） 誤差訊號(hào)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(guò) 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(huì)產(chǎn)生所謂的「P 碼」附屬訊號(hào)。此訊號(hào)為 10.23 Mbps BPSK 的調(diào)變訊號(hào)，亦使用 PN 序列做為展頻碼。軍方即透過(guò) P 碼的傳輸，進(jìn)行更精確的定位作業(yè)。在 L1 頻帶中，P 碼是透過(guò) C/A 碼進(jìn)行反相位 （Out of phase） 的 90 度傳輸，以確保可于相同載波上測(cè)得此 2 種訊號(hào)碼 ［2］。P 碼于 L1 頻帶中可達(dá) -163 dBW 的訊號(hào)功率；于 L2 頻帶中可達(dá) -166 dBW。相對(duì)來(lái)說(shuō)，若在地球表面的 C/A 碼，則可于 L1 頻帶中達(dá)到最小 -160 dBW的廣播功率。

　　GPS 導(dǎo)航訊號(hào)

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

　　為了進(jìn)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?hào)數(shù)據(jù)中，，而每個(gè)子框架亦包含專屬的信息集。一般來(lái)說(shuō)，我們可透過(guò)子框架的類別，進(jìn)而辨識(shí)出其中所包含的信息 ［2］［7］：

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

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

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

　　而接收器必須透過(guò)衛(wèi)星星歷與星歷表的信息，才能夠進(jìn)行定位作業(yè)。一旦得到各組衛(wèi)星的確實(shí)距離，則高階 GPS 接收器將透過(guò)簡(jiǎn)單的三角表達(dá)式 （Triangulation algorithm）回傳位置信息。事實(shí)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(shí)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(jìn)行 3D 定位。追蹤人造衛(wèi)星的過(guò)程極為復(fù)雜，不過(guò)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即是接收器將透過(guò)每組衛(wèi)星的距離，估算出自己的位置。由于訊號(hào)是以光速 （c），或?yàn)?299，792，458 m/s 行進(jìn)，因此接收器可透過(guò)下列等式計(jì)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(shí)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(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，才能夠獲得定位信息。每個(gè)衛(wèi)星均針對(duì)其位置進(jìn)行廣播 （Broadcasting），接收器跟著透過(guò)每組衛(wèi)星之間的虛擬距離差異，以決定自己的確實(shí)位置 ［8］。接收器所使用的三角量測(cè)法 （Triangulation），可由 3 組衛(wèi)星進(jìn)行 2D 定位；4 組衛(wèi)星則可進(jìn)行 3D 定位。

　　設(shè)定 GPS 量測(cè)系統(tǒng)

　　測(cè)試 GPS 接收器的主要產(chǎn)品，為 1 組可仿真 GPS 訊號(hào)的 RF 向量訊號(hào)產(chǎn)生器。在此應(yīng)用說(shuō)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(hào)產(chǎn)生器，以達(dá)到量測(cè)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。

　　完整的 GPS 量測(cè)系統(tǒng)亦應(yīng)包含多種不同配件，以達(dá)最佳效能。舉例來(lái)說(shuō)，外接的固定式衰減器 （Attenuator），可提升功率精確度與噪聲層 （Noise floor） 的效能。此外，根據(jù)接收器是否支持其直接輸入埠的 DC 偏壓 （Bias），某些接收器亦可能需要 DC 阻絕器 （Blocker）。下圖即為 GPS 訊號(hào)產(chǎn)生的完整系統(tǒng)：

　　圖 1. GPS 產(chǎn)生系統(tǒng)的程序圖

　　如圖 1 所示，當(dāng)測(cè)試 GPS 接收器時(shí)，往往采用最高 60 dB 的外接 RF 衰減 （留白，Padding）。固定式衰減器至少可提供量測(cè)系統(tǒng) 2 項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。首先，固定式衰減器可確保測(cè)試激發(fā)的噪聲層低于 -174 dBm/Hz 的熱噪聲層 （Thermal noise floor）。其次，由于可透過(guò)高精確度 RF 功率計(jì) （Power meter） 校準(zhǔn)訊號(hào)準(zhǔn)位，因此固定式衰減器亦可提升功率精確度。雖然僅需 20 dB 的衰減即可符合噪聲層的要求，但若使用 60 ~ 70 dB 的衰減，則可達(dá)到更高的功率精確度與噪聲層效能。稍后將接著討論 RF 功率校準(zhǔn)，而圖 2 搶先說(shuō)明衰減對(duì)噪聲層效能所造成的影響。

　　表1. 不同衰減所需的儀器功率比較

　　如表1所示，衰減可用于減弱噪聲，而不僅限于 -174 dBm/Hz 的熱噪聲層。

　　RF 向量訊號(hào)產(chǎn)生器

　　當(dāng)選擇 RF 向量訊號(hào)產(chǎn)生器時(shí)，NI LabVIEW GPS 工具組可同時(shí)支持 NI PXI-5671 與 NI PXIe-5672 RF 向量訊號(hào)產(chǎn)生器。雖然此 2 款適配卡可產(chǎn)生 GPS 訊號(hào)，但由于 PCI Express 總線速度較快，并可立刻進(jìn)行 IF 等化 （Equalization），因此 NI PXIe-5672 向量訊號(hào)產(chǎn)生器較受到青睞。此 2 款適配卡均具有 6 MB/s 總數(shù)據(jù)傳輸率與 1.5 MS/s （IQ） 取樣率，可從磁盤串流 GPS 波形。

　　雖然 PXI控制器硬盤可輕松維持此數(shù)據(jù)傳輸率，NI 仍建議使用外接磁盤進(jìn)行額外的儲(chǔ)存容量。下圖為包含 NI PXIe-5672 的常見 PXI 系統(tǒng)：

　　圖 2. 包含 NI PXIe 5672 VSG 與 NI PXI-5661 VSA 的 PXI 系統(tǒng)

　　GPS 工具組可于完整導(dǎo)航訊號(hào)期間，建立最長(zhǎng) 12.5 分鐘 （25 個(gè)框架） 的波形。依 6 MB/s 的取樣率，則最大檔案約為 7.5 GB。由于上述的波形檔案尺寸，所有的波形均可儲(chǔ)存于多款硬盤選項(xiàng)之一。這些波形儲(chǔ)存資源選項(xiàng)包含：

　　PXI 控制器的硬盤 （ 推薦使用 120 GB 硬盤升級(jí)）

　　如 HDD 8263 與 HDD 8264 的外接 RAID 裝置

　　外接 USB 2.0 硬盤 （已透過(guò) Western Digital Passport 硬盤進(jìn)行測(cè)試）

　　上述各種硬盤設(shè)定，均可支持超過(guò) 20 MB/s 的連續(xù)數(shù)據(jù)串流作業(yè)。因此，任何儲(chǔ)存選項(xiàng)均可仿真 GPS 訊號(hào)，并進(jìn)行記錄與播放。在稍后的段落中，將說(shuō)明仿真與記錄 GPS 波形的整合作業(yè)，并進(jìn)行 GPS 接收器效能的特性參數(shù)描述 （Characterization） 作業(yè)。

　　建立仿真的 GPS 訊號(hào)

　　由于 GPS 接收器是透過(guò)天線傳輸數(shù)據(jù)，并取得衛(wèi)星星歷與星歷信息；當(dāng)然，仿真的 GPS 訊號(hào)亦需要該項(xiàng)信息。衛(wèi)星星歷與星歷信息，均透過(guò)文本文件表示，可提供衛(wèi)星位置、衛(wèi)星高度、機(jī)器狀態(tài)，與繞行軌道的相關(guān)信息。此外，在建立波形的過(guò)程中M，亦必須選擇客制參數(shù)，如星期時(shí)間 （TOW）、位置 （經(jīng)度、緯度、高度），與仿真的接收器速率。以此信息為基礎(chǔ)，工具組將自動(dòng)選擇最多 12 組人造衛(wèi)星、計(jì)算所有的都卜勒位移 （Doppler shift） 與虛擬距離 （Pseudorange） 信息，并接著產(chǎn)生所需的基頻波形。為了可盡快入門，工具組安裝程序亦包含范例的衛(wèi)星星歷與星歷檔案。此外，更可由下列網(wǎng)站直接下載：

　　Almanac information （The Navigation Center of Excellence） http://navcen.uscg.gov/gps/almanacs.htm

　　Ephemeris information （NASA Goddard Space Flight Center） http://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss_datasum.html#brdc

　　透過(guò)客制的衛(wèi)星星歷與星歷檔案，即可建立特定日期與時(shí)間的 GPS 訊號(hào)，甚至可回溯數(shù)年以前。請(qǐng)注意，當(dāng)選擇這些檔案時(shí)，必須選擇與日期相對(duì)應(yīng)的檔案。一般來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星星歷與星歷信息為每日更新，因此當(dāng)選擇特定時(shí)間與日期時(shí)，亦應(yīng)選擇同 1 天的檔案。下載的星歷檔案往往為壓縮的「*.Z」格式。因此，在搭配使用 GPS 工具組之前，檔案必須先行解壓縮。

　　只要使用工具組中的「自動(dòng)模式 （Automatic mode）」，即可囊括大多數(shù)的 GPS 模塊作業(yè)，并可透過(guò)程序設(shè)計(jì)的方式，計(jì)算都卜勒與隨機(jī)距離信息；當(dāng)然，此功能亦提供手動(dòng)模式。在手動(dòng)模式 （Manual mode） 中，使用者可個(gè)別指定每組人造衛(wèi)星的信息。圖 4 即顯示此 2 種作業(yè)模式所提供的輸入?yún)?shù)。

　　1LLA （longitude， latitude， altitude）

　　表2. GPS 工具組自動(dòng)與手動(dòng)模式的默認(rèn)值

　　請(qǐng)注意，工具組將根據(jù)所指定的星歷檔案，于可能的數(shù)值范圍中強(qiáng)制設(shè)定 GPS 的 TOW。因此，若選擇的數(shù)值超出該星歷檔案的范圍，工具組將自動(dòng)設(shè)定為最接近的數(shù)值并提醒使用者。「niGPS Write Waveform To File」范例程序即可建立 GPS 基頻波形 （自動(dòng)模式），而其人機(jī)接口即如下圖所示。

　　圖 3. 簡(jiǎn)單的范例程序即可建立 GPS 測(cè)試波形。

　　請(qǐng)注意，某些特定量測(cè)作業(yè)，將決定用戶所建立 GPS 測(cè)試的文件類型。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)量測(cè)接收器敏感度時(shí)，將仿真單一人造衛(wèi)星。另一方面來(lái)說(shuō)，需要定位作業(yè)的量測(cè) （如TTFF 與位置精確度），所使用的 GPS 訊號(hào)將仿真多組人造衛(wèi)星?；谏鲜鲂枨?，NI GPS 工具組所搭配的范例程序，將同時(shí)包含單位星與多重衛(wèi)星仿真功能。