GPS接收器測試

　　概觀
　　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。除此之外，儀器總線技術(shù)亦不斷提升，目前即可透過 PXI 儀控功能，以記錄并播放實(shí)時(shí)的 GPS 訊號。

　　介紹
　　由于 GPS 技術(shù)已于一般商用市場逐漸普及，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
　　3) 較快的擷取次數(shù)
　　4) 更精確的定位功能

　　透過此應(yīng)用說明，將可了解進(jìn)行多項(xiàng) GPS 接收器量測的方法：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 的量測技術(shù)。對剛開始接觸 GPS 接收器量測作業(yè)的工程師來說，可對常見的量測作業(yè)略知一二。若工程師已具有 GPS 量測的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，亦可透過此篇技術(shù)文件初步了解新的儀控技術(shù)。此篇應(yīng)用說明將分為下列數(shù)個(gè)段落：

　　1.GPS 技術(shù)的基礎(chǔ)
　　2.PS 量測系統(tǒng)
　　3.常見量測概述
        　　a. 敏感度
        　　b. 首次定位時(shí)間 (TTFF)
        　　c. 定位精確度與重復(fù)性
        　　d. 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。透過自己的結(jié)果、接收器的結(jié)果，再搭配理論量測的結(jié)果，即可進(jìn)一步檢視自己的量測數(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)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，本由美國空軍所研發(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)行多重訊號的傳輸。透過 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。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 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。此訊號為 10.23 Mbps BPSK 的調(diào)變訊號，亦使用 PN 序列做為展頻碼。軍方即透過 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 C/A 碼進(jìn)行反相位 (Out of phase) 的 90 度傳輸，以確?？捎谙嗤d波上測得此 2 種訊號碼 [2]。P 碼于 L1 頻帶中可達(dá) -163 dBW 的訊號功率;于 L2 頻帶中可達(dá) -166 dBW。相對來說，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
　　針對 C/A 碼來說，導(dǎo)航訊號是由數(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。請注意，其實(shí)某些較為深入的量測作業(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 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)挠嵦枖?shù)據(jù)中，，而每個(gè)子框架亦包含專屬的信息集。一般來說，我們可透過子框架的類別，進(jìn)而辨識(shí)出其中所包含的信息 [2][7]：

　　Sub-frame 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
　　Sub-frame 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
　　Sub-frames 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 接收器將透過簡單的三角表達(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)星的過程極為復(fù)雜，不過簡單來說，即是接收器將透過每組衛(wèi)星的距離，估算出自己的位置。由于訊號是以光速 (c)，或?yàn)?299,792,458 m/s 行進(jìn)，因此接收器可透過下列等式計(jì)算出與人造衛(wèi)星之間的距離，即稱為「虛擬距離 (Pseudorange)」：