概观 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。 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 b. 首次定位时间 (TTFF) c. 定位精确度与重复性 d. 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]： Sub-frame 1：包含时序修正 (Clock correction)、精确度，与人造卫星的运作情形 Sub-frame 2-3：包含精确的轨道参数，可计算卫星的确实位置 Sub-frames 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：
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。
图 2. 不同衰减所需的仪器功率比较 如图 2 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 3. 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： o PXI 控制器的硬盘 (推荐使用 120 GB 硬盘升级) o 如 HDD 8263 与 HDD 8264 的外接 RAID 装置 o 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。 |
