最实用的GPS接收器测试详解

　　概览

　　从波音 747 客机的导航操作、汽车驾驶每天都会使用的 GPS 导航系统，到寻宝者要找到深藏于森林某处的宝藏，GPS 技术已经迅速融入于多种应用中。正当创新技术不断提升GPS 接收器效能的同时，相关的技术特性亦越来越完整。时至今日，软件甚至可建立 GPS 波形，以精确仿真实际的讯号。除此之外，仪器总线技术亦不断提升，目前即可透过PXI 仪控功能，以记录并播放实时的 GPS 讯号。

　　介绍

　　由于 GPS 技术已于一般商用市场逐渐普及，因此多项设计均着眼于提升相关特性，如：

　　1） 降低耗电量

　　2） 可寻找微弱的卫星讯号

　　3） 较快的撷取次数

　　4） 更精确的定位功能

　　透过此应用说明，将可了解进行多项 GPS 接收器量测的方法：敏感度、噪声系数、定位精确度、首次定位时间，与位置误差。此篇技术文件是要能让工程师彻底了解 GPS 的量测技术。对刚开始接触 GPS 接收器量测作业的工程师来说，可对常见的量测作业略知一二。若工程师已具有 GPS 量测的相关经验，亦可透过此篇技术文件初步了解新的仪控技术。此篇应用说明将分为下列数个段落：

　　GPS 技术的基础

　　GPS 量测系统

　　常见量测概述

　　敏感度

　　首次定位时间 （TTFF）

　　定位精确度与重复性

　　追踪精确度与重复性

　　每个段落均将提供数项实作秘诀与技巧。更重要的是，读者可将自己的结果与 GPS 接收器获得的结果进行比较。透过自己的结果、接收器的结果，再搭配理论量测的结果，即可进一步检视自己的量测数据。

　　GPS 导航系统介绍

　　全球定位系统 （GPS） 为空间架构的无线电导航系统，本由美国空军所研发。虽然 GPS 原是开发做为军事定位系统之用，却也对民间产生重要影响。事实上，您目前就可能在车辆、船舶，甚至移动电话中使用 GPS 接收器。GPS 导航系统包含由 24 组卫星，均以 L1 与 L2 频带 （Band） 进行多重讯号的传输。透过 1.57542 GHz 的 L1 频带，各组卫星均产生 1.023 Mchips BPSK （二进制相位键移） 的展频讯号。展频序列则使用称为 C/A （coarse acquisition） 码的虚拟随机数 （PN） 序列。虽然展频序列为 1.023 Mchips，但实际的讯号数据传输率为 50 Hz ［1］。在系统的原始布署作业中，一般 GPS 接收器可达 20 ~ 30 公尺以上的精确度误差。此种误差肇因于美国军方依安全理由所附加的随机频率误差所致。然而，此称为选择性可靠度 （Selective availability） 误差讯号源，已于 2000 年 5 月 2 日取消。在今天，接收器的最大误差不超过 5 公尺，而一般误差已降至 1 ~ 2 公尺。

　　不论是 L1 或 L2 （1.2276 GHz） 频带，GPS 卫星均会产生所谓的「P 码」附属讯号。此讯号为 10.23 Mbps BPSK 的调变讯号，亦使用 PN 序列做为展频码。军方即透过 P 码的传输，进行更精确的定位作业。在 L1 频带中，P 码是透过 C/A 码进行反相位 （Out of phase） 的 90 度传输，以确保可于相同载波上测得此 2 种讯号码 ［2］。P 码于 L1 频带中可达 -163 dBW 的讯号功率；于 L2 频带中可达 -166 dBW。相对来说，若在地球表面的 C/A 码，则可于 L1 频带中达到最小 -160 dBW的广播功率。

　　GPS 导航讯号

　　针对 C/A 码来说，导航讯号是由数据的 25 个框架（Frame） 所构成，而每个框架则包含 1500 个位 ［2］。此外，每组框架均可分为 5 组 300 个位的子框架。当接收器撷取 C/A码时，将耗费 6 秒钟撷取 1 个子框架，亦即 1 个框架必须耗费 30 秒钟。请注意，其实某些较为深入的量测作业，才有可能真正花费 30 秒钟以撷取完整框架；我们将于稍后讨论之。事实上，30 秒钟仅为撷取完整框架的平均最短时间；系统的首次定位时间 （TTFF） 往往超过 30 秒钟。

　　为了进行定位作业，大多数的接收器均必须更新卫星星历 （Almanac） 与星历表 （Ephemeris） 的信息。该笔信息均包含于人造卫星所传输的讯号数据中，，而每个子框架亦包含专属的信息集。一般来说，我们可透过子框架的类别，进而辨识出其中所包含的信息 ［2］［7］：

　　Subframe 1： 包含时序修正 （Clock correction）、精确度，与人造卫星的运作情形

　　Subframes 2-3： 包含精确的轨道参数，可计算卫星的确实位置

　　Subframes 4-5： 包含粗略的卫星轨道数据、时序修正，与运作信息。

而接收器必须透过卫星星历与星历表的信息，才能够进行定位作业。一旦得到各组卫星的确实距离，则高阶 GPS 接收器将透过简单的三角表达式 （Triangulation algorithm）回传位置信息。事实上，若能整合虚拟距离 （Pseudorange） 与卫星位置的信息，将可让