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GPS技术基础及GPS接收器测试(下)

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多组卫星的GPS接收器测量

灵敏度测量需要单一卫星激发，而有多项接收器测量需要可仿真多组卫星的单一测试激发。更进一步来说，如首次定位时间（TTFF）、定位精确度，与精确度降低（Dilution of precision）的测量作业，均需要接收器进行定位。由于接收器需要至少4组卫星进行3D定位作业，因此这些测量将较灵敏度测量来得耗时。也因此，多项定位测量作业均于检验与校准作业中进行，而非生产测试时才执行。

此章节将说明可为接收器提供多组卫星信号的方法。在讨论GPS仿真作业时，亦将让使用者了解TTFF与定位精确度测量的执行方法。若是讨论RF记录与播放作业，将一并说明应如何在多项环境条件下，校准接收器的效能。

测量首次定位时间（TTFF）与定位精确度

首次定位时间（TTFF）与定位精确度测量，为设计GPS接收器的首要检验作业。若您已将多种消费性的GPS应用了然于胸，即应知道接收器回传其实际位置所需的时间，将大幅影响接收器的用途。此外，接收器回报其位置的精确度亦甚为重要。

为了让接收器可进行定位，则应透过导航讯息（Navigation message）下载星历与年历信息。由于接收器下载完整GPS框架必须耗费30秒，因此"冷启动（Cold start）"的TTFF状态则需要30~60秒。事实上，多款接收器可指定数种TTFF状态。最常见的为：

冷启动（Cold Start）：接收器必须下载年历与星历信息，才能进行定位。由于必须从各组卫星下载至少1组GPS框架（Frame），因此大多数的接收器在冷启动状态下，将于30~60秒时进行定位。

热启动（Warm Start）：接收器的年历信息尚未超过1个星期，且不需要其他星历信息。一般来说，此接收器可于20秒内得知目前时间，并可进行100公里内的定位[2].大多数热启动状态的GPS接收器，可于60秒内进行定位，有时甚至仅需更短的时间。

热开机（Hot Start）：接收器具备最新的年历与星历信息时，即为热开机状态。接收器仅需取得各组卫星的时序信息，即可开始回传定位位置。大多数热开机状态的GPS接收器，仅需0.5~20秒即可开始定位作业。

在大部分的情况下，TTFF与定位精确度均与特定功率强度相关。值得注意的是，若能于多种情况下检验此2种规格的精确度，其实极具有其信息价值。因为GPS卫星每12个小时即绕行地球1圈，所以可用范围内的卫星信号随时都在变化，也让接收器可在不同的状态下回传正确结果。

下列章节将说明应如何使用2笔数据源，以执行TTFF与定位精确度的测量，包含：

1）接收器在其布署环境中，透过天线所获得的实时数据

2）透过空中传递所记录的RF信号，并将之用以测试接收器所记录的数据

3）当记录实时数据后，RF产生器用于模拟星期时间（Time-of-week，TOW）所得的仿真数据用此3笔不同的数据源测试接收器，可让各个数据源的测量作业均具备可重复特性，且均相互具备相关性。

测量设定

若要获得最佳结果，则所选择的记录位置，应让卫星不致受到周遭建筑物的阻碍。我们选择6层楼停车场的顶楼进行测试，以无建物覆盖的屋顶尽可能接触多组卫星信号。透过GPS芯片组的多个开机模式，均可执行TTFF测量作业。以SIRFstarIII芯片组为例，即可重设接收器的出厂、冷启动、热启动，与热开机模式。下方所示即为接收器执行相关测试的结果。

若要测量水平定位的精确度，则必须根据经、纬度信息进而了解相关错误。由于这些指数均以"度"表示，因此可透过下列等式转换之：

等式16.计算GPS的定位错误

请注意该等式中的111，325公尺（111.325公里），即等于地球圆周的1度（共360度）。此指数是根据地球圆周360x111.325km=40.077km而来。

Off-The-Air GPS

以"Off-the-air"方式测量接收器的TTFF时，即是将接收器直接连至天线达到最不精确的方式。由于此测量作业可针对已记录与仿真的GPS信号，进而校准自动化测量作业，因此亦具有一定的重要性。除此之外，亦可针对SIRFstarIII芯片组进行程序设计，让接收器进入冷启动模式，且以接收器所得到的TTFF值进行所有测量作业。请注意，GPS接收器一般指定为32.6秒的冷启动TTFF时间。在我们的测量作业中，则得到下列结果：

图19."Off-the-air"GPS信号的TTFF与最大C/N比值

根据初始的"Off-the-air"结果，则可发现GPS接收器在标准的3秒误差内，可达到33.2秒的TTFF.这些测量结果均位于TTFF规格的容错范围内。而更重要的，即是可透过仿真与记录的GPS数据，进而比较测量结果与实际结果。

根据上列线性误差等式，即可计算各次测量的线性标准误差。

图20.由"Off-the-air"GPS信号所得的LLA

请注意，若要将"Off-the-air"GPS信号、仿真信号，与播放信号进行相关，则必须先进行"Off-the-air"信号功率的相关性。当进行TTFF与定位精确度测量时，RF功率强度基本上不太会影响到结果。因此，必须比对"Off-the-air"、仿真，与记录GPS信号的C/N比值，即可进行RF功率的相关性作业。

已记录的GPS信号

虽然可透过实时信号测量TTFF与定位误差，但是这些测量作业往往不可重复；如同卫星均持续环绕地球运行，而非固定不动。进行可重复TTFF与定位精确度的测量方式之一，即是使用已记录的GPS信号。此章节将接着说明应如何透过已记录的GPS信号，以进行实时GPS信号的相关作业。

已记录的GPS信号，可透过RF矢量信号发生器再次产生。由于必须播放信号，则校准RF功率强度最简单的方法，即是比对实时与记录的C/N值。当获得"Off-the-air"信号时，则可发现所有实时信号的C/N峰值均约为47~49dB-Hz之间。

而播放信号的功率强度，亦可达到与实时信号相同的C/N值，进而确定其所得的TTFF与位置精确度，将可与实时信号产生相关。在下图21中，我们使用的星期时间（TOW）值与实时"Off-the-air"信号的TOW相近，而在4次不同的实验下得到TTFF结果。

图21.由"Off-the-air"GPS信号所得的TTFF

除了测量首次定位时间之外，亦可测量GPS接收器所取得的经度、纬度，与高度信息。下图显示相关结果。

图22.由"Off-the-air"GPS信号所得的LLA

从图21与22中可注意到，其实透过已记录的GPS信号，即可得到合理的可重复TTFF与LLA（Latitude、Longitude、Altitude）结果。然而，由于这些测量作业的错误与标准误差，仅稍微高于"Off-the-air"测量的误差，因此几乎可将之忽略。因为绝对精确度（Absolute accuracy）较高，所以可重复性亦较优于"Off-the-air"测量作业。

仿真的GPS信号

最后1种可进行TTFF与定位精确度测量的GPS测试信号来源，即为仿真的多组卫星GPS信号。透过NILabVIEWGPS工具组，即可透过由使用者定义的TOW、星期数，与接收器位置，仿真最多12组卫星。此GPS信号仿真方式的主要优点，即是透过可能的最佳讯噪比（SNR）构成GPS信号。与实时/记录的GPS信号不同，依此种方法所建立的可重复信号，其噪声功率甚小。图23即呈现了仿真多组卫星信号的频域。

VSA设定

Center：1.57542GHZz

Span：4MHz

RBW：100Hz

Averaging：RMS，20Average

图23.仿真多组卫星GPS信号的带内功率（Power-in-band）测量作业

当透过仿真的多组卫星波形测试接收器时，则可针对接收器所提供的C/N比值进行关联，以再次评估所需的RF功率。

一旦能为RF功率强度进行关联，则可接着测量TTFF.当测量TTFF时，应先启动RF矢量信号发生器。过了5秒钟之后，可手动将接收器转为"冷"开机模式。一旦接收器取得定位信息，则将回报TTFF信息。下图则呈现仿真GPS信号的相关结果：

图24.TTFF数值的4项专属模拟

请注意图24中的所有仿真作业均使用相同的LLA（Latitudes、Longitude，与Altitude）。

此外，若要测量TTFF，我们亦可依不同的TOW建立仿真作业，以计算LLA的精确度与可重复性。请注意，由于在数个小时之内，可用的卫星信号将持续变化，因此必须设定多种TOW以测试精确度（如图24）。而图25则表示其LLA信息。

图25.多项TOW仿真作业的水平精确度

在图25中，可根据模拟的定位，计算出公尺为单位的水平错误。又如图20所示，可透过下列等式找出错误：

等式17.仿真GPS信号的定位错误

而针对我们所使用的接收器而言，其水平定位最大误差为5.2公尺，水平定位平均误差为1.5公尺。而透过图18所示，我们所使用的接收器均可达指定的限制之内。

如先前所述，接收器的精确度，与可用的卫星信号密不可分。也就是说，接收器的精确度可能在数个小时内大幅变化（卫星信号改变），但是其可重复性却极小。为了确认我们的GPS接收器亦为如此，则可针对特定的模拟GPS波形执行多项测试。此项作业主要是必须确认，RF仪控并不会对仿真的GPS信号产生额外的不确定性。如下方图26所示，当重复使用相同的二进制档案时，我们所使用的GPS接收器将得到极高可重复性的测量。