最实用的GPS接收器测试详解

　　概览

　　从波音 747 客机的导航操作、汽车驾驶每天都会使用的 GPS 导航系统，到寻宝者要找到深藏于森林某处的宝藏，GPS 技术已经迅速融入于多种应用中。正当创新技术不断提升GPS 接收器效能的同时，相关的技术特性亦越来越完整。时至今日，软件甚至可建立 GPS 波形，以精确仿真实际的讯号。除此之外，仪器总线技术亦不断提升，目前即可透过PXI 仪控功能，以记录并播放实时的 GPS 讯号。

　　介绍

　　由于 GPS 技术已于一般商用市场逐渐普及，因此多项设计均着眼于提升相关特性，如：

　　1） 降低耗电量

　　2） 可寻找微弱的卫星讯号

　　3） 较快的撷取次数

　　4） 更精确的定位功能

　　透过此应用说明，将可了解进行多项 GPS 接收器量测的方法：敏感度、噪声系数、定位精确度、首次定位时间，与位置误差。此篇技术文件是要能让工程师彻底了解 GPS 的量测技术。对刚开始接触 GPS 接收器量测作业的工程师来说，可对常见的量测作业略知一二。若工程师已具有 GPS 量测的相关经验，亦可透过此篇技术文件初步了解新的仪控技术。此篇应用说明将分为下列数个段落：

　　GPS 技术的基础

　　GPS 量测系统

　　常见量测概述

　　敏感度

　　首次定位时间 （TTFF）

　　定位精确度与重复性

　　追踪精确度与重复性

　　每个段落均将提供数项实作秘诀与技巧。更重要的是，读者可将自己的结果与 GPS 接收器获得的结果进行比较。透过自己的结果、接收器的结果，再搭配理论量测的结果，即可进一步检视自己的量测数据。

　　GPS 导航系统介绍

　　全球定位系统 （GPS） 为空间架构的无线电导航系统，本由美国空军所研发。虽然 GPS 原是开发做为军事定位系统之用，却也对民间产生重要影响。事实上，您目前就可能在车辆、船舶，甚至移动电话中使用 GPS 接收器。GPS 导航系统包含由 24 组卫星，均以 L1 与 L2 频带 （Band） 进行多重讯号的传输。透过 1.57542 GHz 的 L1 频带，各组卫星均产生 1.023 Mchips BPSK （二进制相位键移） 的展频讯号。展频序列则使用称为 C/A （coarse acquisition） 码的虚拟随机数 （PN） 序列。虽然展频序列为 1.023 Mchips，但实际的讯号数据传输率为 50 Hz ［1］。在系统的原始布署作业中，一般 GPS 接收器可达 20 ~ 30 公尺以上的精确度误差。此种误差肇因于美国军方依安全理由所附加的随机频率误差所致。然而，此称为选择性可靠度 （Selective availability） 误差讯号源，已于 2000 年 5 月 2 日取消。在今天，接收器的最大误差不超过 5 公尺，而一般误差已降至 1 ~ 2 公尺。

　　不论是 L1 或 L2 （1.2276 GHz） 频带，GPS 卫星均会产生所谓的「P 码」附属讯号。此讯号为 10.23 Mbps BPSK 的调变讯号，亦使用 PN 序列做为展频码。军方即透过 P 码的传输，进行更精确的定位作业。在 L1 频带中，P 码是透过 C/A 码进行反相位 （Out of phase） 的 90 度传输，以确保可于相同载波上测得此 2 种讯号码 ［2］。P 码于 L1 频带中可达 -163 dBW 的讯号功率；于 L2 频带中可达 -166 dBW。相对来说，若在地球表面的 C/A 码，则可于 L1 频带中达到最小 -160 dBW的广播功率。

　　GPS 导航讯号

　　针对 C/A 码来说，导航讯号是由数据的 25 个框架（Frame） 所构成，而每个框架则包含 1500 个位 ［2］。此外，每组框架均可分为 5 组 300 个位的子框架。当接收器撷取 C/A码时，将耗费 6 秒钟撷取 1 个子框架，亦即 1 个框架必须耗费 30 秒钟。请注意，其实某些较为深入的量测作业，才有可能真正花费 30 秒钟以撷取完整框架；我们将于稍后讨论之。事实上，30 秒钟仅为撷取完整框架的平均最短时间；系统的首次定位时间 （TTFF） 往往超过 30 秒钟。

　　为了进行定位作业，大多数的接收器均必须更新卫星星历 （Almanac） 与星历表 （Ephemeris） 的信息。该笔信息均包含于人造卫星所传输的讯号数据中，，而每个子框架亦包含专属的信息集。一般来说，我们可透过子框架的类别，进而辨识出其中所包含的信息 ［2］［7］：

　　Subframe 1： 包含时序修正 （Clock correction）、精确度，与人造卫星的运作情形

　　Subframes 2-3： 包含精确的轨道参数，可计算卫星的确实位置

　　Subframes 4-5： 包含粗略的卫星轨道数据、时序修正，与运作信息。

　　而接收器必须透过卫星星历与星历表的信息，才能够进行定位作业。一旦得到各组卫星的确实距离，则高阶 GPS 接收器将透过简单的三角表达式 （Triangulation algorithm）回传位置信息。事实上，若能整合虚拟距离 （Pseudorange） 与卫星位置的信息，将可让接收器精确识别其位置。

　　不论是使用 C/A 码或 P 码，接收器均可追踪最多 4 组人造卫星，进行 3D 定位。追踪人造卫星的过程极为复杂，不过简单来说，即是接收器将透过每组卫星的距离，估算出自己的位置。由于讯号是以光速 （c），或为 299，792，458 m/s 行进，因此接收器可透过下列等式计算出与人造卫星之间的距离，即称为「虚拟距离 （Pseudorange）」：

　　

　　等式 1.「虚拟距离 （Psedorange）」为时间间隔 （Time interval） 的函式 ［1］［4］

　　接收器必须将卫星所传送的讯号数据进行译码，才能够获得定位信息。每个卫星均针对其位置进行广播 （Broadcasting），接收器跟着透过每组卫星之间的虚拟距离差异，以决定自己的确实位置 ［8］。接收器所使用的三角量测法 （Triangulation），可由 3 组卫星进行 2D 定位；4 组卫星则可进行 3D 定位。

　　设定 GPS 量测系统

　　测试 GPS 接收器的主要产品，为 1 组可仿真 GPS 讯号的 RF 向量讯号产生器。在此应用说明中，读者将可了解应如何使用 NI PXI-5671 与 NI PXIe-5672 RF 向量讯号产生器，以达到量测目的。此产品并可搭配 NI GPS 工具组，以模拟 1 ~ 12 组 GPS 人造卫星。

　　完整的 GPS 量测系统亦应包含多种不同配件，以达最佳效能。举例来说，外接的固定式衰减器 （Attenuator），可提升功率精确度与噪声层 （Noise floor） 的效能。此外，根据接收器是否支持其直接输入埠的 DC 偏压 （Bias），某些接收器亦可能需要 DC 阻绝器 （Blocker）。下图即为 GPS 讯号产生的完整系统：

　　

　　图 1. GPS 产生系统的程序图

　　如图 1 所示，当测试 GPS 接收器时，往往采用最高 60 dB 的外接 RF 衰减 （留白，Padding）。固定式衰减器至少可提供量测系统 2 项优点。首先，固定式衰减器可确保测试激发的噪声层低于 -174 dBm/Hz 的热噪声层 （Thermal noise floor）。其次，由于可透过高精确度 RF 功率计 （Power meter） 校准讯号准位，因此固定式衰减器亦可提升功率精确度。虽然仅需 20 dB 的衰减即可符合噪声层的要求，但若使用 60 ~ 70 dB 的衰减，则可达到更高的功率精确度与噪声层效能。稍后将接着讨论 RF 功率校准，而图 2 抢先说明衰减对噪声层效能所造成的影响。

　　

　　表1. 不同衰减所需的仪器功率比较

　　如表1所示，衰减可用于减弱噪声，而不仅限于 -174 dBm/Hz 的热噪声层。

　　RF 向量讯号产生器

　　当选择 RF 向量讯号产生器时，NI LabVIEW GPS 工具组可同时支持 NI PXI-5671 与 NI PXIe-5672 RF 向量讯号产生器。虽然此 2 款适配卡可产生 GPS 讯号，但由于 PCI Express 总线速度较快，并可立刻进行 IF 等化 （Equalization），因此 NI PXIe-5672 向量讯号产生器较受到青睐。此 2 款适配卡均具有 6 MB/s 总数据传输率与 1.5 MS/s （IQ） 取样率，可从磁盘串流 GPS 波形。

　　虽然 PXI控制器硬盘可轻松维持此数据传输率，NI 仍建议使用外接磁盘进行额外的储存容量。下图为包含 NI PXIe-5672 的常见 PXI 系统：

　　

　　图 2. 包含 NI PXIe 5672 VSG 与 NI PXI-5661 VSA 的 PXI 系统

　　GPS 工具组可于完整导航讯号期间，建立最长 12.5 分钟 （25 个框架） 的波形。依 6 MB/s 的取样率，则最大档案约为 7.5 GB。由于上述的波形档案尺寸，所有的波形均可储存于多款硬盘选项之一。这些波形储存资源选项包含：

　　PXI 控制器的硬盘 （ 推荐使用 120 GB 硬盘升级）

　　如 HDD 8263 与 HDD 8264 的外接 RAID 装置

　　外接 USB 2.0 硬盘 （已透过 Western Digital Passport 硬盘进行测试）

　　上述各种硬盘设定，均可支持超过 20 MB/s 的连续数据串流作业。因此，任何储存选项均可仿真 GPS 讯号，并进行记录与播放。在稍后的段落中，将说明仿真与记录 GPS 波形的整合作业，并进行 GPS 接收器效能的特性参数描述 （Characterization） 作业。

　　建立仿真的 GPS 讯号

　　由于 GPS 接收器是透过天线传输数据，并取得卫星星历与星历信息；当然，仿真的 GPS 讯号亦需要该项信息。卫星星历与星历信息，均透过文本文件表示，可提供卫星位置、卫星高度、机器状态，与绕行轨道的相关信息。此外，在建立波形的过程中M，亦必须选择客制参数，如星期时间 （TOW）、位置 （经度、纬度、高度），与仿真的接收器速率。以此信息为基础，工具组将自动选择最多 12 组人造卫星、计算所有的都卜勒位移 （Doppler shift） 与虚拟距离 （Pseudorange） 信息，并接着产生所需的基频波形。为了可尽快入门，工具组安装程序亦包含范例的卫星星历与星历档案。此外，更可由下列网站直接下载：

　　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

　　透过客制的卫星星历与星历档案，即可建立特定日期与时间的 GPS 讯号，甚至可回溯数年以前。请注意，当选择这些档案时，必须选择与日期相对应的档案。一般来说，卫星星历与星历信息为每日更新，因此当选择特定时间与日期时，亦应选择同 1 天的档案。下载的星历档案往往为压缩的「*.Z」格式。因此，在搭配使用 GPS 工具组之前，档案必须先行解压缩。

　　只要使用工具组中的「自动模式 （Automatic mode）」，即可囊括大多数的 GPS 模块作业，并可透过程序设计的方式，计算都卜勒与随机距离信息；当然，此功能亦提供手动模式。在手动模式 （Manual mode） 中，使用者可个别指定每组人造卫星的信息。图 4 即显示此 2 种作业模式所提供的输入参数。

　　

　　1LLA （longitude， latitude， altitude）

　　表2. GPS 工具组自动与手动模式的默认值

　　请注意，工具组将根据所指定的星历档案，于可能的数值范围中强制设定 GPS 的 TOW。因此，若选择的数值超出该星历档案的范围，工具组将自动设定为最接近的数值并提醒使用者。「niGPS Write Waveform To File」范例程序即可建立 GPS 基频波形 （自动模式），而其人机接口即如下图所示。

　　

　　图 3. 简单的范例程序即可建立 GPS 测试波形。

　　请注意，某些特定量测作业，将决定用户所建立 GPS 测试的文件类型。举例来说，当量测接收器敏感度时，将仿真单一人造卫星。另一方面来说，需要定位作业的量测 （如TTFF 与位置精确度），所使用的 GPS 讯号将仿真多组人造卫星。基于上述需求，NI GPS 工具组所搭配的范例程序，将同时包含单位星与多重卫星仿真功能。