GPS技术基础及GPS接收器测试(下)

请注意，若要将"Off-the-air"GPS信号、仿真信号，与播放信号进行相关，则必须先进行"Off-the-air"信号功率的相关性。当进行TTFF与定位精确度测量时，RF功率强度基本上不太会影响到结果。因此，必须比对"Off-the-air"、仿真，与记录GPS信号的C/N比值，即可进行RF功率的相关性作业。

已记录的GPS信号

虽然可透过实时信号测量TTFF与定位误差，但是这些测量作业往往不可重复；如同卫星均持续环绕地球运行，而非固定不动。进行可重复TTFF与定位精确度的测量方式之一，即是使用已记录的GPS信号。此章节将接着说明应如何透过已记录的GPS信号，以进行实时GPS信号的相关作业。

已记录的GPS信号，可透过RF矢量信号发生器再次产生。由于必须播放信号，则校准RF功率强度最简单的方法，即是比对实时与记录的C/N值。当获得"Off-the-air"信号时，则可发现所有实时信号的C/N峰值均约为47~49dB-Hz之间。

而播放信号的功率强度，亦可达到与实时信号相同的C/N值，进而确定其所得的TTFF与位置精确度，将可与实时信号产生相关。在下图21中，我们使用的星期时间（TOW）值与实时"Off-the-air"信号的TOW相近，而在4次不同的实验下得到TTFF结果。

图21.由"Off-the-air"GPS信号所得的TTFF

除了测量首次定位时间之外，亦可测量GPS接收器所取得的经度、纬度，与高度信息。下图显示相关结果。

图22.由"Off-the-air"GPS信号所得的LLA

从图21与22中可注意到，其实透过已记录的GPS信号，即可得到合理的可重复TTFF与LLA（Latitude、Longitude、Altitude）结果。然而，由于这些测量作业的错误与标准误差，仅稍微高于"Off-the-air"测量的误差，因此几乎可将之忽略。因为绝对精确度（Absolute accuracy）较高，所以可重复性亦较优于"Off-the-air"测量作业。

仿真的GPS信号

最后1种可进行TTFF与定位精确度测量的GPS测试信号来源，即为仿真的多组卫星GPS信号。透过NILabVIEWGPS工具组，即可透过由使用者定义的TOW、星期数，与接收器位置，仿真最多12组卫星。此GPS信号仿真方式的主要优点，即是透过可能的最佳讯噪比（SNR）构成GPS信号。与实时/记录的GPS信号不同，依此种方法所建立的可重复信号，其噪声功率甚小。图23即呈现了仿真多组卫星信号的频域。

VSA设定

Center：1.57542GHZz

Span：4MHz

RBW：100Hz

Averaging：RMS，20Average

图23.仿真多组卫星GPS信号的带内功率（Power-in-band）测量作业

当透过仿真的多组卫星波形测试接收器时，则可针对接收器所提供的C/N比值进行关联，以再次评估所需的RF功率。

一旦能为RF功率强度进行关联，则可接着测量TTFF.当测量TTFF时，应先启动RF矢量信号发生器。过了5秒钟之后，可手动将接收器转为"冷"开机模式。一旦接收器取得定位信息，则将回报TTFF信息。下图则呈现仿真GPS信号的相关结果：

图24.TTFF数值的4项专属模拟

请注意图24中的所有仿真作业均使用相同的LLA（Latitudes、Longitude，与Altitude）。

此外，若要测量TTFF，我们亦可依不同的TOW建立仿真作业，以计算LLA的精确度与可重复性。请注意，由于在数个小时之内，可用的卫星信号将持续变化，因此必须设定多种TOW以测试精确度（如图24）。而图25则表示其LLA信息。

图25.多项TOW仿真作业的水平精确度

在图25中，可根据模拟的定位，计算出公尺为单位的水平错误。又如图20所示，可透过下列等式找出错误：

等式17.仿真GPS信号的定位错误

而针对我们所使用的接收器而言，其水平定位最大误差为5.2公尺，水平定位平均误差为1.5公尺。而透过图18所示，我们所使用的接收器均可达指定的限制之内。

如先前所述，接收器的精确度，与可用的卫星信号密不可分。也就是说，接收器的精确度可能在数个小时内大幅变化（卫星信号改变），但是其可重复性却极小。为了确认我们的GPS接收器亦为如此，则可针对特定的模拟GPS波形执行多项测试。此项作业主要是必须确认，RF仪控并不会对仿真的GPS信号产生额外的不确定性。如下方图26所示，当重复使用相同的二进制档案时，我们所使用的GPS接收器将得到极高可重复性的测量。

图26.相同波形的各次测试，其误差亦具有极高的可重复性

回头再看图20，使用仿真GPS信号的最大优点之一，即是可达到可重复的定位结果。由于此特性可让我们确认：所回报的定位信息，并不会因为设计迭代（Iteration）而发生变化，因此在开发的设计检验阶段中，此特性格外重要。

测量动态定位精确度

GPS接收器测试的最后1种方法，即是测量接收器的追踪功能，使其在大范围的功率强度与速度中维持定位。在过去，此种测试（往往亦为功能测试）的常见方法之一，即是整合驱动测试与多路径衰减（Multi-path fading）模拟。在驱动测试（Drive test）中，我们使用可导入大量信号减损（Impairment）的已知路径，驱动原型接收器。由于驱动测试是将自然减损套用至GPS卫星信号的简单方法，因此这些测量往往亦不可重复。事实上，如GPS卫星移动、天气条件的变化，甚至年度时间（Time of year）的因素，均可影响接收器的效能。

因此，目前有1种逐渐普及的方法，即是于驱动测试上记录GPS信号，以大量信号减损检验接收器效能。若要进一步了解设定GPS记录系统的方法，请参阅前述章节。而在驱动测试方案中，有多款PXI机箱可供选择。最简单的方式，即是使用DC机箱并以汽车电池进行供电。其次可使用标准的AC机箱，搭配转换器即可使用汽车电池供电。在此2种选项中，DC机箱的耗电量较低，但亦较难以于实验室中供电。如下列所示的标准AC机箱使用结果，其所供电的系统则包含1组外接的车用电池，与1组DCtoAC转换器。

一旦我们完成GPS信号的记录作业，即可透过相同的测试数据重复测试接收器。在下方的说明中，我们追踪接收器的经度、纬度，与速度。透过串行端口与每秒1次的NMEA-183指令读取速率，从接收器读取所需的数据。在下方测量中，我们所呈现的接收器特性参数，仅有定位与卫星C/N值。请注意，在执行这些测量作业的同时，亦可分析其他信息。虽然下列结果中并未测量水平精确度衰减（Horizontal dilution of precision，HDOP），但此特性参数亦可提供大量的接收器定位精确度信息。

若要获得最佳结果，则应确实同步化接收器与RF产生作业的指令接口。下方所示结果中，我们将COM埠（pin2）的数据信道做为开始触发器，以针对RF矢量信号发生器与GPS模块进行同步化。此同步化方式仅需任意波形产生器的1个频率循环（100MS/s），即可进行矢量信号发生器与GPS接收器的同步化。因此最大的歪曲（Skew）应为10μS.并请注意，因为我们将取得接收器的经纬度，所以由同步化作业所造成的精确度错误，将为10μs乘以MaxVelocity（m/s），或为0.15mm.

使用上述的设定，我们即可按时取得接收器的经纬度。结果即如下图所示：