GPS 接收器测试

Off-The-Air GPS
以「Off-the-air」方式量测接收器的 TTFF 时，即是将接收器直接连至天线达到最不精确的方式。由于此量测作业可针对已记录与仿真的 GPS 讯号，进而校准自动化量测作业，因此亦具有一定的重要性。除此之外，亦可针对 SIRFstar III 芯片组进行程序设计，让接收器进入冷启动模式，且以接收器所得到的 TTFF 值进行所有量测作业。请注意，GPS 接收器一般指定为 32.6 秒的冷启动 TTFF 时间。在我们的量测作业中，则得到下列结果：


图 19.「Off-the-air」GPS 讯号的 TTFF 与最大 C/N 比值

根据初始的 「Off-the-air」结果，则可发现 GPS 接收器在标准的 3 秒误差内，可达到 33.2 秒的 TTFF。这些量测结果均位于 TTFF 规格的容错范围内。而更重要的，即是可透过仿真与记录的 GPS 数据，进而比较量测结果与实际结果。

根据上列线性误差等式，即可计算各次量测的线性标准误差。


图 20. 由「Off-the-air」GPS 讯号所得的 LLA

请注意，若要将「Off-the-air」GPS 讯号、仿真讯号，与播放讯号进行相关，则必须先进行「Off-the-air」讯号功率的相关性。当进行 TTFF 与定位精确度量测时，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 讯号的 C/N 比值，即可进行 RF 功率的相关性作业。

已记录的 GPS 讯号
虽然可透过实时讯号量测 TTFF 与定位误差，但是这些量测作业往往不可重复；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 与定位精确度的量测方式之一，即是使用已记录的 GPS 讯号。此章节将接着说明应如何透过已记录的 GPS 讯号，以进行实时 GPS 讯号的相关作业。

已记录的 GPS 讯号，可透过 RF 向量讯号产生器再次产生。由于必须播放讯号，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」讯号时，则可发现所有实时讯号的 C/N 峰值均约为 47 ~ 49 dB-Hz 之间。
而播放讯号的功率强度，亦可达到与实时讯号相同的 C/N 值，进而确定其所得的 TTFF 与位置精确度，将可与实时讯号产生相关。在下图 21 中，我们使用的星期时间 (TOW) 值与实时「Off-the-air」讯号的 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 讯号所得的 TTFF

除了量测首次定位时间之外，亦可量测 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 讯号所得的 LLA

从图 21 与 22 中可注意到，其实透过已记录的 GPS 讯号，即可得到合理的可重复 TTFF 与 LLA (Latitude、Longitude、Altitude) 结果。然而，由于这些量测作业的错误与标准误差，仅稍微高于「Off-the-air」量测的误差，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」量测作业。

仿真的 GPS 讯号

最后 1 种可进行 TTFF 与定位精确度量测的 GPS 测试讯号来源，即为仿真的多组卫星 GPS 讯号。透过 NI LabVIEW GPS 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 讯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 讯号。与实时/记录的 GPS 讯号不同，依此种方法所建立的可重复讯号，其噪声功率甚小。图 23 即呈现了仿真多组卫星讯号的频域。

VSA 设定
Center: 1.57542 GHZz
Span: 4 MHz
RBW: 100 Hz
Averaging: RMS, 20 Average


图 23. 仿真多组卫星 GPS 讯号的带内功率 (Power-in-band) 量测作业

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，则可接着量测 TTFF。当量测 TTFF 时，应先启动 RF 向量讯号产生器。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 讯号的相关结果：


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，若要量测 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，可用的卫星讯号将持续变化，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 讯号的定位错误

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，与可用的卫星讯号密不可分。也就是说，接收器的精确度可能在数个小时内大幅变化 (卫星讯号改变)，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 讯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量测。


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 讯号的最大优点之一，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。