GPS 接收器测试

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。
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
a.     敏感度

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：

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。

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。