GPS 接收器测试

量测动态定位精确度

GPS 接收器测试的最后 1 种方法，即是量测接收器的追踪功能，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讯号减损 (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 卫星讯号的简单方法，因此这些量测往往亦不可重复。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 讯号，以大量讯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 DC to AC 转换器。

一旦我们完成 GPS 讯号的记录作业，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。在下方量测中，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，在执行这些量测作业的同时，亦可分析其他信息。虽然下列结果中并未量测水平精确度衰减 (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 (pin 2) 的数据信道做为开始触发器，以针对RF 向量讯号产生器与 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 (100 MS/s)，即可进行向量讯号产生器与 GPS 接收器的同步化。因此最大的歪曲 (Skew) 应为 10 μS。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 Max Velocity (m/s)，或为 0.15 mm。

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：



图 27 与 28. 每 4 分钟所得到的接收器经纬度

在图 27 与 28 所呈现的数据中，即使用已记录的驱动测试讯号，取得统计、定位，与速度的相关信息。此外我们可观察到，在每次的测试之间，此项信息具有相对的可重复性；即为每个独立轨迹所呈现的差异。事实上，这就是我们最需要的接收器可重复性 (Repeatability)。由于可重复性信息将可预估 GPS 接收器精确度的变化情形，因此我们亦可计算波形各个样本之间的标准误差。在图 29 中，我们在各次同步化取样作业之间，绘出标准的定位误差 (相对于平均位置)。


图 29. 依时间取得的经度与纬度标准误差

当看到水平标准误差时，可注意到标准误差在 120 秒时快速增加。为了进一步了解此现象，我们亦根据接收器的速度 (m/s) 与 C/N 值的 Proxy，绘出总水平标准误差。而我们预先假设：在没有高功率卫星的条件下，卫星的 C/N 比值仅将影响接收器。因此，我们针对接收器所回传 4 组最高高度的卫星，平均其 C/N 比值而绘出另 1 组 C/N 的 Proxy。结果即如下列图 30 所示。


图 30. 定位精确度与 C/N 值的相关性

如图 30 所示，在 120 秒时所发生的峰值水平错误 (标准误差中)，即与卫星的 C/N 值产生直接关联，而与接收器的速度无关。此次取样的标准误差约为 2 公尺，且已低于其他取样约 10 公尺的误差。同时，我们可发现前 4 名的 C/N 平均值，由将近 45 dB-Hz 骤降至 41 dB-Hz。

上述的测试不仅说明 C/N 比值对定位精确度的影响，亦说明了已记录 GPS 数据所能进行的分析作业种类。在此测试中的 GPS 讯号驱动记录作业，是在中国深圳 (Shenzhen) 北方的惠州市 (Huizhou) 所进行。并接着于德州奥斯汀 (Austin Texas) 测试实际的接收器。

结论

如整篇文件所看到的，目前已有多项技术可测试 GPS 接收器。虽然如敏感度的基本量测，最常用于生产测试中，但是此量测技术亦可用于检验接收器的效能。这些测试技术虽然各有变化，但是均可于单一 PXI 系统中全数完成。事实上，GPS 接收器均可透过仿真或记录的基频 (Baseband) 波形进行测试。透过整合的方式，工程师可执行完整的 GPS 接收器功能测试：从敏感度到追踪其可重复性。
参考文献

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- National Instruments供稿