GPS 接收器測試

多組衛(wèi)星的 GPS 接收器量測

敏感度量測需要單一衛(wèi)星激發(fā)，而有多項接收器量測需要可仿真多組衛(wèi)星的單一測試激發(fā)。更進一步來說，如首次定位時間 (TTFF)、定位精確度，與精確度降低 (Dilution of precision) 的量測作業(yè)，均需要接收器進行定位。由于接收器需要至少 4 組衛(wèi)星進行 3D 定位作業(yè)，因此這些量測將較敏感度量測來得耗時。也因此，多項定位量測作業(yè)均于檢驗與校準作業(yè)中進行，而非生產(chǎn)測試時才執(zhí)行。

此章節(jié)將說明可為接收器提供多組衛(wèi)星訊號的方法。在討論 GPS 仿真作業(yè)時，亦將讓使用者了解 TTFF 與定位精確度量測的執(zhí)行方法。若是討論 RF 記錄與播放作業(yè)，將一并說明應如何在多項環(huán)境條件下，校準接收器的效能。

量測首次定位時間 (TTFF) 與定位精確度

首次定位時間 (TTFF) 與定位精確度量測，為設計 GPS 接收器的首要檢驗作業(yè)。若您已將多種消費性的 GPS 應用了然于胸，即應知道接收器回傳其實際位置所需的時間，將大幅影響接收器的用途。此外，接收器回報其位置的精確度亦甚為重要。

為了讓接收器可進行定位，則應透過導航訊息 (Navigation message) 下載星歷與年歷信息。由于接收器下載完整 GPS 框架必須耗費 30 秒，因此「冷啟動 (Cold start)」的 TTFF 狀態(tài)則需要 30 ~ 60 秒。事實上，多款接收器可指定數(shù)種 TTFF 狀態(tài)。最常見的為：

冷啟動 (Cold Start)：接收器必須下載年歷與星歷信息，才能進行定位。由于必須從各組衛(wèi)星下載至少 1 組 GPS 框架 (Frame)，因此大多數(shù)的接收器在冷啟動狀態(tài)下，將于 30 ~ 60 秒時進行定位。

熱啟動 (Warm Start)：接收器的年歷信息尚未超過 1 個星期，且不需要其他星歷信息。一般來說，此接收器可于 20 秒內(nèi)得知目前時間，并可進行 100 公里內(nèi)的定位 [2]。大多數(shù)熱啟動狀態(tài)的 GPS 接收器，可于 60 秒內(nèi)進行定位，有時甚至僅需更短的時間。

熱開機 (Hot Start)：接收器具備最新的年歷與星歷信息時，即為熱開機狀態(tài)。接收器僅需取得各組衛(wèi)星的時序信息，即可開始回傳定位位置。大多數(shù)熱開機狀態(tài)的 GPS 接收器，僅需 0.5 ~ 20 秒即可開始定位作業(yè)。

在大部分的情況下，TTFF 與定位精確度均與特定功率強度相關。值得注意的是，若能于多種情況下檢驗此 2 種規(guī)格的精確度，其實極具有其信息價值。因為 GPS 衛(wèi)星每 12 個小時即繞行地球 1 圈，所以可用范圍內(nèi)的衛(wèi)星訊號隨時都在變化，也讓接收器可在不同的狀態(tài)下回傳正確結果。

下列章節(jié)將說明應如何使用 2 筆數(shù)據(jù)源，以執(zhí)行 TTFF 與定位精確度的量測，包含：

1) 接收器在其布署環(huán)境中，透過天線所獲得的實時數(shù)據(jù)

2) 透過空中傳遞所記錄的 RF 訊號，并將之用以測試接收器所記錄的數(shù)據(jù)

3) 當記錄實時數(shù)據(jù)后，RF 產(chǎn)生器用于模擬星期時間 (Time-of-week，TOW) 所得的仿真數(shù)據(jù)用此 3 筆不同的數(shù)據(jù)源測試接收器，可讓各個數(shù)據(jù)源的量測作業(yè)均具備可重復特性，且均相互具備相關性。

量測設定

若要獲得最佳結果，則所選擇的記錄位置，應讓衛(wèi)星不致受到周遭建筑物的阻礙。我們選擇 6 層樓停車場的頂樓進行測試，以無建物覆蓋的屋頂盡可能接觸多組衛(wèi)星訊號。透過 GPS 芯片組的多個開機模式，均可執(zhí)行 TTFF 量測作業(yè)。以 SIRFstarIII 芯片組為例，即可重設接收器的出廠、冷啟動、熱啟動，與熱開機模式。下方所示即為接收器執(zhí)行相關測試的結果。

若要量測水平定位的精確度，則必須根據(jù)經(jīng)、緯度信息進而了解相關錯誤。由于這些指數(shù)均以「度」表示，因此可透過下列等式轉換之：

等式 16. 計算 GPS 的定位錯誤

請注意該等式中的 111,325 公尺 (111.325 公里)，即等于地球圓周的 1 度 (共 360 度)。此指數(shù)是根據(jù)地球圓周 360 x 111.325 km = 40.077 km 而來。

Off-the-Air GPS

請注意該等式中的 111,325 公尺 (111.325 公里)，即等于地球圓周的 1 度 (共 360 度)。此指數(shù)是根據(jù)地球圓周 360 x 111.325 km = 40.077 km 而來。

表9.「Off-the-air」GPS 訊號的 TTFF 與最大 C/N 比值

根據(jù)初始的 「Off-the-air」結果，則可發(fā)現(xiàn) GPS 接收器在標準的 3 秒誤差內(nèi)，可達到 33.2 秒的 TTFF。這些量測結果均位于 TTFF 規(guī)格的容錯范圍內(nèi)。而更重要的，即是可透過仿真與記錄的 GPS 數(shù)據(jù)，進而比較量測結果與實際結果。

根據(jù)上列線性誤差等式，即可計算各次量測的線性標準誤差

表10. 由「Off-the-air」GPS 訊號所得的 LLA

請注意，若要將「Off-the-air」GPS 訊號、仿真訊號，與播放訊號進行相關，則必須先進行「Off-the-air」訊號功率的相關性。當進行 TTFF 與定位精確度量測時，RF 功率強度基本上不太會影響到結果。因此，必須比對「Off-the-air」、仿真，與記錄 GPS 訊號的 C/N 比值，即可進行 RF 功率的相關性作業(yè)。

已記錄的 GPS 訊號

雖然可透過實時訊號量測 TTFF 與定位誤差，但是這些量測作業(yè)往往不可重復;如同衛(wèi)星均持續(xù)環(huán)繞地球運行，而非固定不動。進行可重復 TTFF 與定位精確度的量測方式之一，即是使用已記錄的 GPS 訊號。此章節(jié)將接著說明應如何透過已記錄的 GPS 訊號，以進行實時 GPS 訊號的相關作業(yè)。

已記錄的 GPS 訊號，可透過 RF 向量訊號產(chǎn)生器再次產(chǎn)生。由于必須播放訊號，則校準 RF 功率強度最簡單的方法，即是比對實時與記錄的 C/N 值。當獲得「Off-the-air」訊號時，則可發(fā)現(xiàn)所有實時訊號的 C/N 峰值均約為 47 ~ 49 dB-Hz 之間。