GPS技術基礎及GPS接收器測試

概況

從波音747客機的導航操作、汽車駕駛每天都會使用的GPS導航系統(tǒng)，到尋寶者要找到深藏于森林某處的寶藏，GPS技術已經迅速融入于多種應用中。

正當創(chuàng)新技術不斷提升GPS接收器效能的同時，相關的技術特性亦越來越完整。時至今日，軟件甚至可建立GPS波形，以精確仿真實際的信號。除此之外，儀器總線技術亦不斷提升，目前即可透過PXI儀控功能，以記錄并播放實時的GPS信號。

介紹

由于GPS技術已于一般商用市場逐漸普及，因此多項設計均著眼于提升相關特性，如：

1）降低耗電量

2）可尋找微弱的衛(wèi)星信號

3）較快的擷取次數

4）更精確的定位功能

透過此應用說明，將可了解進行多項GPS接收器測量的方法：靈敏度、噪聲系數、定位精確度、首次定位時間，與位置誤差。此篇技術文件是要能讓工程師徹底了解GPS的測量技術。對剛開始接觸GPS接收器測量作業(yè)的工程師來說，可對常見的測量作業(yè)略知一二。若工程師已具有GPS測量的相關經驗，亦可透過此篇技術文件初步了解新的儀控技術。此篇應用說明將分為下列數個段落：

1.GPS技術的基礎

2.GPS測量系統(tǒng)

3.常見測量概述

a.靈敏度

b.首次定位時間（TTFF）

c.定位精確度與重復性

d.追蹤精確度與重復性

每個段落均將提供數項實作秘訣與技巧。更重要的是，讀者可將自己的結果與GPS接收器獲得的結果進行比較。透過自己的結果、接收器的結果，再搭配理論測量的結果，即可進一步檢視自己的測量數據。

GPS導航系統(tǒng)介紹

全球定位系統(tǒng)（GPS）為空間架構的無線電導航系統(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，卻也對民間產生重要影響。事實上，您目前就可能在車輛、船舶，甚至移動電話中使用GPS接收器。GPS導航系統(tǒng)包含由24組衛(wèi)星，均以L1與L2頻帶（Band）進行多重信號的傳輸。透過1.57542GHz的L1頻帶，各組衛(wèi)星均產生1.023MchipsBPSK（二進制相位鍵移）的展頻信號。展頻序列則使用稱為C/A（coarse acquisition）碼的虛擬隨機數（PN）序列。雖然展頻序列為1.023Mchips，但實際的信號數據傳輸率為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頻率誤差所致。然而，此稱為選擇性可靠度（Selective availability）誤差信號源，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（1.2276GHz）頻帶，GPS衛(wèi)星均會產生所謂的“P碼”附屬信號。此信號為10.23MbpsBPSK的調變信號，亦使用PN序列做為展頻碼。軍方即透過P碼的傳輸，進行更精確的定位作業(yè)。在L1頻帶中，P碼是透過C/A碼進行反相位（Outofphase）的90度傳輸，以確?？捎谙嗤d波上測得此2種信號碼[2].P碼于L1頻帶中可達-163dBW的信號功率；于L2頻帶中可達-166dBW.相對來說，若在地球表面的C/A碼，則可于L1頻帶中達到最小-160dBW的廣播功率。

GPS導航信號

針對C/A碼來說，導航信號是由數據的25個框架（Frame）所構成，而每個框架則包含1500個位[2].此外，每組框架均可分為5組300個位的子框架。當接收器擷取C/A碼時，將耗費6秒鐘擷取1個子框架，亦即1個框架必須耗費30秒鐘。請注意，其實某些較為深入的測量作業(yè)，才有可能真正花費30秒鐘以擷取完整框架；我們將于稍后討論之。事實上，30秒鐘僅為擷取完整框架的平均最短時間；系統(tǒng)的首次定位時間（TTFF）往往超過30秒鐘。

為了進行定位作業(yè)，大多數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)星所傳輸的信號數據中，，而每個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，進而辨識出其中所包含的信息[2][7]：

Sub-frame1：包含時序修正（Clock correction）、精確度，與人造衛(wèi)星的運作情形

Sub-frame2-3：包含精確的軌道參數，可計算衛(wèi)星的確實位置

Sub-frames4-5：包含粗略的衛(wèi)星軌道數據、時序修正，與運作信息。

而接收器必須透過衛(wèi)星星歷與星歷表的信息，才能夠進行定位作業(yè)。一旦得到各組衛(wèi)星的確實距離，則高階GPS接收器將透過簡單的三角表達式（Triangulation algorithm）回傳位置信息。事實上，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，進行3D定位。追蹤人造衛(wèi)星的過程極為復雜，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。由于信號是以光速（c），或為299，792，458m/s行進，因此接收器可透過下列等式計算出與人造衛(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)星所傳送的信號數據進行譯碼，才能夠獲得定位信息。每個衛(wèi)星均針對其位置進行廣播（Broadcasting），接收器跟著透過每組衛(wèi)星之間的虛擬距離差異，以決定自己的確實位置[8].接收器所使用的三角測量法（Triangulation），可由3組衛(wèi)星進行2D定位；4組衛(wèi)星則可進行3D定位。

設定GPS測量系統(tǒng)

測試GPS接收器的主要產品，為1組可仿真GPS信號的RF矢量信號發(fā)生器。在此應用說明中，讀者將可了解應如何使用NI PXI-5671與NI PXIe-5672RF矢量信號發(fā)生器，以達到測量目的。此產品并可搭配NI GPS工具組，以模擬1~12組GPS人造衛(wèi)星。

完整的GPS測量系統(tǒng)亦應包含多種不同配件，以達最佳效能。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信號產生的完整系統(tǒng)：

圖1.GPS產生系統(tǒng)的程序圖

如圖1所示，當測試GPS接收器時，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量系統(tǒng)2項優(yōu)點。首先，固定式衰減器可確保測試激發(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（Power meter）校準信號準位，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，而圖2搶先說明衰減對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矢量信號發(fā)生器

當選擇RF矢量信號發(fā)生器時，NI abVIEW GPS工具組可同時支持NI PXI-5671與NI PXIe-5672RF矢量信號發(fā)生器。雖然此2款適配卡可產生GPS信號，但由于PCI Express總線速度較快，并可立刻進行IF等化（Equalization），因此NI PXIe-5672矢量信號發(fā)生器較受到青睞。此2款適配卡均具有6MB/s總數據傳輸率與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據傳輸率，NI仍建議使用外接磁盤進行額外的儲存容量。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工具組可于完整導航信號期間，建立最長12.5分鐘（25個框架）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，所有的波形均可儲存于多款硬盤選項之一。這些波形儲存資源選項包含：

o PXI控制器的硬盤（推薦使用120GB硬盤升級）

o如HDD8263與HDD8264的外接RAID裝置

o外接USB2.0硬盤（已透過Western Digital Passport硬盤進行測試）

上述各種硬盤設定，均可支持超過20MB/s的連續(xù)數據串流作業(yè)。因此，任何儲存選項均可仿真GPS信號，并進行記錄與播放。在稍后的段落中，將說明仿真與記錄GPS波形的整合作業(yè)，并進行GPS接收器效能的特性參數描述（Characterization）作業(yè)。

建立仿真的GPS信號

由于GPS接收器是透過天線傳輸數據，并取得衛(wèi)星星歷與星歷信息；當然，仿真的GPS信號亦需要該項信息。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、機器狀態(tài)，與繞行軌道的相關信息。此外，在建立波形的過程中M，亦必須選擇客制參數，如星期時間（TOW）、位置（經度、緯度、高度），與仿真的接收器速率。以此信息為基礎，工具組將自動選擇最多12組人造衛(wèi)星、計算所有的都卜勒位移（Doppler shift）與虛擬距離（Pseudorange）信息，并接著產生所需的基帶波形。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間的GPS信號，甚至可回溯數年以前。請注意，當選擇這些檔案時，必須選擇與日期相對應的檔案。一般來說，衛(wèi)星星歷與星歷信息為每日更新，因此當選擇特定時間與日期時，亦應選擇同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“自動模式（Automatic mode）”，即可囊括大多數的GPS模塊作業(yè)，并可透過程序設計的方式，計算都卜勒與隨機距離信息；當然，此功能亦提供手動模式。在手動模式（Manual mode）中，使用者可個別指定每組人造衛(wèi)星的信息。圖4即顯示此2種作業(yè)模式所提供的輸入參數。

1LLA（longitude，latitude，altitude）

圖4.GPS工具組自動與手動模式的默認值

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

圖5.簡單的范例程序即可建立GPS測試波形。

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

記錄空氣中的GPS信號

建立GPS波形時，其獨特又日趨普遍的方式，即是直接從空氣中擷取之。在此測試中，我們使用矢量信號分析器（如NI PXI 5661）記錄信號，再透過矢量信號發(fā)生器（如NI PXIe-5672）產生已記錄的信號。由于在記錄GPS信號時，亦可擷取實際的信號減損（Impairments），因此在播放信號時，可進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。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矢量信號分析器與硬盤，以擷取最多可達數個小時的連續(xù)數據。舉例來說，1組2TB的RAID磁盤陣列，即可記錄最多25個小時的GPS波形。由于此篇技術文件將不會討論串流的特殊技術，因此若需要相關范例程序代碼，請至：http://www.ni.com/streaming/rf.透過下列段落，即可了解應如何針對RF記錄與播放系統(tǒng)，設定合適的RF前端。

不同類型的無線通信信號，均需要不同的帶寬、中央頻率，與增益。以GPS信號來說，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，至少必須達到2.5MS/s（1.25x2MHz）取樣率。注意：此處的1.25乘數，是根據PXI-5661數字降轉換器（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。由于標準PXI控制器硬盤即可達到20MB/s或更高的數據流量，因此不需使用外接的RAID亦可將GPS信號串流至磁盤。然而，基于2個理由，我們仍建議使用外接硬盤。首先，外接硬盤可提升整體的數據儲存量，并記錄多組波形。其次，外接硬盤不會對PXI控制器的硬盤造成額外負擔。在下方說明的測試作業(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的硬盤轉速。在我們的測試作業(yè)中，一般讀取速度約落在25~28MB/s.因此該款硬盤可同時用于GPS波形數據串流的仿真（6MB/s）與記錄（20MB/s）作業(yè)。

GPS信號記錄作業(yè)最為特殊之處，即是選擇并設定合適的天線與低噪聲放大器（LNA）。透過一般被動式平面天線（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信號的功率強度極小，因此必須進行放大作業(yè)，以使矢量信號分析器可擷取衛(wèi)星信號的完整動態(tài)范圍。雖然有多個方法可將合適的增益強度套用至信號，不過我們發(fā)現(xiàn)：若使用主動式GPS天線搭配NIPXI-5690前置放大器（Pre-amplifier）時，即可達到最佳效果。若串聯(lián)2組各可達30dB增益的LNA，則總增益則可達到60dB（30+30）。因此，矢量信號分析器可測得的峰值功率，將從-116dBm提升至-56dBm.下圖即為該項設定的范例系統(tǒng)：

圖6.GPS接收器與串聯(lián)的LNA.

請注意，記錄操作系統(tǒng)的必備組件之一，即為主動式GPS天線。主動式（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美金即可購買現(xiàn)成產品。為了簡單起見，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；該圖形將可確認進行記錄作業(yè)的儀控，是否對無線信號構成最低噪聲。亦請注意，圖6中的矢量信號分析器為簡化圖標。實際的PXI-5661為3階段式超外差（Super-heterodyne）矢量信號分析器，較復雜于圖中所示。

若將60dB套用至無線信號中，則可于L1中得到約-60~-50dBm的峰值功率。若以掃頻（Swept spectrum）模式設定VSA并分析整體頻譜，則亦將發(fā)現(xiàn)L1頻帶（FM與移動電話）之外的帶中功率（Power in band），其強度將高于GPS信號。然而，帶外（Out-of-band）信號的峰值功率一般均不會超過-20dBm，且將透過VSA的多組帶通（Band pass）濾波器之一進行濾波作業(yè)。若要檢視記錄裝置的RF前端是否達到應有效率，最簡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。請注意，此頻譜截圖是透過GPS中心頻率于室外所得。主動式GPS天線與PXI-5690前置放大器，可達到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；設定-50dBm的參考準位、1.57542GHz中央頻率，與5MS/s的IQ取樣率。下圖即顯示設置范例的人機接口：

圖8.RF記錄與播放范例的人機接口。

GPS信號的最長記錄時間，將根據取樣率與最大儲存容量而定。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個小時的信號。