GPS技術(shù)基礎(chǔ)及GPS接收器測(cè)試

概況

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)際的信號(hào)。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信號(hào)。

介紹

由于GPS技術(shù)已于一般商用市場(chǎng)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)星信號(hào)

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接收器測(cè)量的方法：靈敏度、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的測(cè)量技術(shù)。對(duì)剛開始接觸GPS接收器測(cè)量作業(yè)的工程師來說，可對(duì)常見的測(cè)量作業(yè)略知一二。若工程師已具有GPS測(cè)量的相關(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.GPS測(cè)量系統(tǒng)

3.常見測(cè)量概述

a.靈敏度

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，再搭配理論測(cè)量的結(jié)果，即可進(jìn)一步檢視自己的測(cè)量數(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(guó)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(duì)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)行多重信號(hào)的傳輸。透過1.57542GHz的L1頻帶，各組衛(wèi)星均產(chǎn)生1.023MchipsBPSK（二進(jìn)制相位鍵移）的展頻信號(hào)。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1.023Mchips，但實(shí)際的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸率為50Hz[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(guó)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）誤差信號(hào)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（1.2276GHz）頻帶，GPS衛(wèi)星均會(huì)產(chǎn)生所謂的“P碼”附屬信號(hào)。此信號(hào)為10.23MbpsBPSK的調(diào)變信號(hào)，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（Outofphase）的90度傳輸，以確?？捎谙嗤d波上測(cè)得此2種信號(hào)碼[2].P碼于L1頻帶中可達(dá)-163dBW的信號(hào)功率；于L2頻帶中可達(dá)-166dBW.相對(duì)來說，若在地球表面的C/A碼，則可于L1頻帶中達(dá)到最小-160dBW的廣播功率。

GPS導(dǎo)航信號(hào)

針對(duì)C/A碼來說，導(dǎo)航信號(hào)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(qǐng)注意，其實(shí)某些較為深入的測(cè)量作業(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)男盘?hào)數(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-frame1：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-frame2-3：包含精確的軌道參數(shù)，可計(jì)算衛(wèi)星的確實(shí)位置

Sub-frames4-5：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(jiǎn)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(jiǎn)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。由于信號(hào)是以光速（c），或?yàn)?99，792，458m/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）”：

等式1.“虛擬距離（Psedorange）”為時(shí)間間隔（Time interval）的函式[1][4]

接收器必須將衛(wèi)星所傳送的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，才能夠獲得定位信息。每個(gè)衛(wèi)星均針對(duì)其位置進(jìn)行廣播（Broadcasting），接收器跟著透過每組衛(wèi)星之間的虛擬距離差異，以決定自己的確實(shí)位置[8].接收器所使用的三角測(cè)量法（Triangulation），可由3組衛(wèi)星進(jìn)行2D定位；4組衛(wèi)星則可進(jìn)行3D定位。

設(shè)定GPS測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)試GPS接收器的主要產(chǎn)品，為1組可仿真GPS信號(hào)的RF矢量信號(hào)發(fā)生器。在此應(yīng)用說明中，讀者將可了解應(yīng)如何使用NI PXI-5671與NI PXIe-5672RF矢量信號(hào)發(fā)生器，以達(dá)到測(cè)量目的。此產(chǎn)品并可搭配NI GPS工具組，以模擬1~12組GPS人造衛(wèi)星。

完整的GPS測(cè)量系統(tǒng)亦應(yīng)包含多種不同配件，以達(dá)最佳效能。舉例來說，外接的固定式衰減器（Attenuator），可提升功率精確度與噪聲層（Noise floor）的效能。此外，根據(jù)接收器是否支持其直接輸入埠的DC偏壓（Bias），某些接收器亦可能需要DC阻絕器（Blocker）。下圖即為GPS信號(hào)產(chǎn)生的完整系統(tǒng)：

圖1.GPS產(chǎn)生系統(tǒng)的程序圖

如圖1所示，當(dāng)測(cè)試GPS接收器時(shí)，往往采用最高60dB的外接RF衰減（留白，Padding）。固定式衰減器至少可提供測(cè)量系統(tǒng)2項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。首先，固定式衰減器可確保測(cè)試激發(fā)的噪聲層低于-174dBm/Hz的熱噪聲層（Thermal noise floor）。其次，由于可透過高精確度RF功率計(jì)（Power meter）校準(zhǔn)信號(hào)準(zhǔn)位，因此固定式衰減器亦可提升功率精確度。雖然僅需20dB的衰減即可符合噪聲層的要求，但若使用60~70dB的衰減，則可達(dá)到更高的功率精確度與噪聲層效能。稍后將接著討論RF功率校準(zhǔn)，而圖2搶先說明衰減對(duì)噪聲層效能所造成的影響。

圖2.不同衰減所需的儀器功率比較

如圖2所示，衰減可用于減弱噪聲，而不僅限于-174dBm/Hz的熱噪聲層。

RF矢量信號(hào)發(fā)生器

當(dāng)選擇RF矢量信號(hào)發(fā)生器時(shí)，NI abVIEW GPS工具組可同時(shí)支持NI PXI-5671與NI PXIe-5672RF矢量信號(hào)發(fā)生器。雖然此2款適配卡可產(chǎn)生GPS信號(hào)，但由于PCI Express總線速度較快，并可立刻進(jìn)行IF等化（Equalization），因此NI PXIe-5672矢量信號(hào)發(fā)生器較受到青睞。此2款適配卡均具有6MB/s總數(shù)據(jù)傳輸率與1.5MS/s（IQ）取樣率，可從磁盤串流GPS波形。

雖然PXI控制器硬盤可輕松維持此數(shù)據(jù)傳輸率，NI仍建議使用外接磁盤進(jìn)行額外的儲(chǔ)存容量。下圖為包含NI PXIe-5672的常見PXI系統(tǒng)：

圖3.包含NIPXIe5672VSG與NIPXI-5661VSA的PXI系統(tǒng)

GPS工具組可于完整導(dǎo)航信號(hào)期間，建立最長(zhǎng)12.5分鐘（25個(gè)框架）的波形。依6MB/s的取樣率，則最大檔案約為7.5GB.由于上述的波形檔案尺寸，所有的波形均可儲(chǔ)存于多款硬盤選項(xiàng)之一。這些波形儲(chǔ)存資源選項(xiàng)包含：

o PXI控制器的硬盤（推薦使用120GB硬盤升級(jí)）

o如HDD8263與HDD8264的外接RAID裝置

o外接USB2.0硬盤（已透過Western Digital Passport硬盤進(jìn)行測(cè)試）

上述各種硬盤設(shè)定，均可支持超過20MB/s的連續(xù)數(shù)據(jù)串流作業(yè)。因此，任何儲(chǔ)存選項(xiàng)均可仿真GPS信號(hào)，并進(jìn)行記錄與播放。在稍后的段落中，將說明仿真與記錄GPS波形的整合作業(yè)，并進(jìn)行GPS接收器效能的特性參數(shù)描述（Characterization）作業(yè)。

建立仿真的GPS信號(hào)

由于GPS接收器是透過天線傳輸數(shù)據(jù)，并取得衛(wèi)星星歷與星歷信息；當(dāng)然，仿真的GPS信號(hào)亦需要該項(xiàng)信息。衛(wèi)星星歷與星歷信息，均透過文本文件表示，可提供衛(wèi)星位置、衛(wèi)星高度、機(jī)器狀態(tài)，與繞行軌道的相關(guān)信息。此外，在建立波形的過程中M，亦必須選擇客制參數(shù)，如星期時(shí)間（TOW）、位置（經(jīng)度、緯度、高度），與仿真的接收器速率。以此信息為基礎(chǔ)，工具組將自動(dòng)選擇最多12組人造衛(wèi)星、計(jì)算所有的都卜勒位移（Doppler shift）與虛擬距離（Pseudorange）信息，并接著產(chǎn)生所需的基帶波形。為了可盡快入門，工具組安裝程序亦包含范例的衛(wèi)星星歷與星歷檔案。此外，更可由下列網(wǎng)站直接下載：

。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

透過客制的衛(wèi)星星歷與星歷檔案，即可建立特定日期與時(shí)間的GPS信號(hào)，甚至可回溯數(shù)年以前。請(qǐng)注意，當(dāng)選擇這些檔案時(shí)，必須選擇與日期相對(duì)應(yīng)的檔案。一般來說，衛(wèi)星星歷與星歷信息為每日更新，因此當(dāng)選擇特定時(shí)間與日期時(shí)，亦應(yīng)選擇同1天的檔案。下載的星歷檔案往往為壓縮的“*.Z”格式。因此，在搭配使用GPS工具組之前，檔案必須先行解壓縮。

只要使用工具組中的“自動(dòng)模式（Automatic mode）”，即可囊括大多數(shù)的GPS模塊作業(yè)，并可透過程序設(shè)計(jì)的方式，計(jì)算都卜勒與隨機(jī)距離信息；當(dāng)然，此功能亦提供手動(dòng)模式。在手動(dòng)模式（Manual mode）中，使用者可個(gè)別指定每組人造衛(wèi)星的信息。圖4即顯示此2種作業(yè)模式所提供的輸入?yún)?shù)。

1LLA（longitude，latitude，altitude）

圖4.GPS工具組自動(dòng)與手動(dòng)模式的默認(rèn)值

請(qǐng)注意，工具組將根據(jù)所指定的星歷檔案，于可能的數(shù)值范圍中強(qiáng)制設(shè)定GPS的TOW.因此，若選擇的數(shù)值超出該星歷檔案的范圍，工具組將自動(dòng)設(shè)定為最接近的數(shù)值并提醒使用者?！皀iGPS Write Waveform To File”范例程序即可建立GPS基帶波形（自動(dòng)模式），而其人機(jī)接口即如下圖所示。

圖5.簡(jiǎn)單的范例程序即可建立GPS測(cè)試波形。

請(qǐng)注意，某些特定測(cè)量作業(yè)，將決定用戶所建立GPS測(cè)試的文件類型。舉例來說，當(dāng)測(cè)量接收器靈敏度時(shí)，將仿真單一人造衛(wèi)星。另一方面來說，需要定位作業(yè)的測(cè)量（如TTFF與位置精確度），所使用的GPS信號(hào)將仿真多組人造衛(wèi)星?；谏鲜鲂枨?，NIGPS工具組所搭配的范例程序，將同時(shí)包含單位星與多重衛(wèi)星仿真功能。

記錄空氣中的GPS信號(hào)

建立GPS波形時(shí)，其獨(dú)特又日趨普遍的方式，即是直接從空氣中擷取之。在此測(cè)試中，我們使用矢量信號(hào)分析器（如NI PXI 5661）記錄信號(hào)，再透過矢量信號(hào)發(fā)生器（如NI PXIe-5672）產(chǎn)生已記錄的信號(hào)。由于在記錄GPS信號(hào)時(shí)，亦可擷取實(shí)際的信號(hào)減損（Impairments），因此在播放信號(hào)時(shí)，可進(jìn)一步了解接收器于布署環(huán)境中的作業(yè)情形。

只要透過極為直接的方式，即可擷取空氣中的GPS信號(hào)。在RF記錄系統(tǒng)中，我們將適合的天線與放大器，搭配使用PXI矢量信號(hào)分析器與硬盤，以擷取最多可達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)的連續(xù)數(shù)據(jù)。舉例來說，1組2TB的RAID磁盤陣列，即可記錄最多25個(gè)小時(shí)的GPS波形。由于此篇技術(shù)文件將不會(huì)討論串流的特殊技術(shù)，因此若需要相關(guān)范例程序代碼，請(qǐng)至：http://www.ni.com/streaming/rf.透過下列段落，即可了解應(yīng)如何針對(duì)RF記錄與播放系統(tǒng)，設(shè)定合適的RF前端。

不同類型的無線通信信號(hào)，均需要不同的帶寬、中央頻率，與增益。以GPS信號(hào)來說，基本系統(tǒng)需求是以1.57542GHz的中央頻率，記錄2.046MHz的RF帶寬。依此帶寬需求，至少必須達(dá)到2.5MS/s（1.25x2MHz）取樣率。注意：此處的1.25乘數(shù)，是根據(jù)PXI-5661數(shù)字降轉(zhuǎn)換器（DDC）于降頻（Decimation）階段的下降（Roll-off）濾波器所得出。

在下方說明的測(cè)試作業(yè)中，我們使用5MS/s（20MB/s）取樣率以擷取完整的帶寬。由于標(biāo)準(zhǔn)PXI控制器硬盤即可達(dá)到20MB/s或更高的數(shù)據(jù)流量，因此不需使用外接的RAID亦可將GPS信號(hào)串流至磁盤。然而，基于2個(gè)理由，我們?nèi)越ㄗh使用外接硬盤。首先，外接硬盤可提升整體的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存量，并記錄多組波形。其次，外接硬盤不會(huì)對(duì)PXI控制器的硬盤造成額外負(fù)擔(dān)。在下方說明的測(cè)試作業(yè)中，我們采用1組USB2.0的外接硬盤。此硬盤為320GB的Western Digital Passport，具有5400RPM的硬盤轉(zhuǎn)速。在我們的測(cè)試作業(yè)中，一般讀取速度約落在25~28MB/s.因此該款硬盤可同時(shí)用于GPS波形數(shù)據(jù)串流的仿真（6MB/s）與記錄（20MB/s）作業(yè)。

GPS信號(hào)記錄作業(yè)最為特殊之處，即是選擇并設(shè)定合適的天線與低噪聲放大器（LNA）。透過一般被動(dòng)式平面天線（Passive patch antenna），即可于L1GPS頻帶中發(fā)現(xiàn)介于-120~-110dBm的常見峰值功率（此處為-116dBm）。由于GPS信號(hào)的功率強(qiáng)度極小，因此必須進(jìn)行放大作業(yè)，以使矢量信號(hào)分析器可擷取衛(wèi)星信號(hào)的完整動(dòng)態(tài)范圍。雖然有多個(gè)方法可將合適的增益強(qiáng)度套用至信號(hào)，不過我們發(fā)現(xiàn)：若使用主動(dòng)式GPS天線搭配NIPXI-5690前置放大器（Pre-amplifier）時(shí)，即可達(dá)到最佳效果。若串聯(lián)2組各可達(dá)30dB增益的LNA，則總增益則可達(dá)到60dB（30+30）。因此，矢量信號(hào)分析器可測(cè)得的峰值功率，將從-116dBm提升至-56dBm.下圖即為該項(xiàng)設(shè)定的范例系統(tǒng)：

圖6.GPS接收器與串聯(lián)的LNA.

請(qǐng)注意，記錄操作系統(tǒng)的必備組件之一，即為主動(dòng)式GPS天線。主動(dòng)式（Active）GPS天線，包含1組平面天線與1組LNA.此款天線一般均需要2.5V~5V的DC偏壓電壓，并僅需約$20美金即可購(gòu)買現(xiàn)成產(chǎn)品。為了簡(jiǎn)單起見，我們使用1組天線搭配1組SMA接頭。我們將于下列段落中看到，在RF前端的第一組LNA噪聲圖形極為重要；該圖形將可確認(rèn)進(jìn)行記錄作業(yè)的儀控，是否對(duì)無線信號(hào)構(gòu)成最低噪聲。亦請(qǐng)注意，圖6中的矢量信號(hào)分析器為簡(jiǎn)化圖標(biāo)。實(shí)際的PXI-5661為3階段式超外差（Super-heterodyne）矢量信號(hào)分析器，較復(fù)雜于圖中所示。

若將60dB套用至無線信號(hào)中，則可于L1中得到約-60~-50dBm的峰值功率。若以掃頻（Swept spectrum）模式設(shè)定VSA并分析整體頻譜，則亦將發(fā)現(xiàn)L1頻帶（FM與移動(dòng)電話）之外的帶中功率（Power in band），其強(qiáng)度將高于GPS信號(hào)。然而，帶外（Out-of-band）信號(hào)的峰值功率一般均不會(huì)超過-20dBm，且將透過VSA的多組帶通（Band pass）濾波器之一進(jìn)行濾波作業(yè)。若要檢視記錄裝置的RF前端是否達(dá)到應(yīng)有效率，最簡(jiǎn)單的方法之一即為開啟RFSA示范面板的范例程序。透過此程序，即可于L1GPS頻帶中呈現(xiàn)RF頻譜。圖7即為常見的頻譜。請(qǐng)注意，此頻譜截圖是透過GPS中心頻率于室外所得。主動(dòng)式GPS天線與PXI-5690前置放大器，可達(dá)到60dB的總增益。

中心頻率：1.57542GHz

展頻（Span）：4MHz

RBW：10Hz

平均：RMS、20Averages

圖7.僅透過極小的分辨率帶寬（RBW），才可于頻譜中呈現(xiàn)GPS

此處使用前面所提到的RF記錄與播放LabVIEW范例程序；設(shè)定-50dBm的參考準(zhǔn)位、1.57542GHz中央頻率，與5MS/s的IQ取樣率。下圖即顯示設(shè)置范例的人機(jī)接口：

圖8.RF記錄與播放范例的人機(jī)接口。

GPS信號(hào)的最長(zhǎng)記錄時(shí)間，將根據(jù)取樣率與最大儲(chǔ)存容量而定。若使用2TB容量的Raid磁盤陣列（Windows XP所支持的最大磁盤），將可透過5MS/s取樣率記錄最多25個(gè)小時(shí)的信號(hào)。