GPS技术基础及GPS接收器测试

概况

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，以精确仿真实际的信号。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信号。

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）可寻找微弱的卫星信号

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接收器测量的方法：灵敏度、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的测量技术。对刚开始接触GPS接收器测量作业的工程师来说，可对常见的测量作业略知一二。若工程师已具有GPS测量的相关经验，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：

1.GPS技术的基础

2.GPS测量系统

3.常见测量概述

a.灵敏度

b.首次定位时间（TTFF）

c.定位精确度与重复性

d.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，再搭配理论测量的结果，即可进一步检视自己的测量数据。

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）进行多重信号的传输。透过1.57542GHz的L1频带，各组卫星均产生1.023MchipsBPSK（二进制相位键移）的展频信号。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1.023Mchips，但实际的信号数据传输率为50Hz[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）误差信号源，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（1.2276GHz）频带，GPS卫星均会产生所谓的“P码”附属信号。此信号为10.23MbpsBPSK的调变信号，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（Outofphase）的90度传输，以确保可于相同载波上测得此2种信号码[2].P码于L1频带中可达-163dBW的信号功率；于L2频带中可达-166dBW.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-160dBW的广播功率。

GPS导航信号

针对C/A码来说，导航信号是由数据的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测量作业，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信号数据中，，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]：

Sub-frame1：包含时序修正（Clock correction）、精确度，与人造卫星的运作情形

Sub-frame2-3：包含精确的轨道参数，可计算卫星的确实位置

Sub-frames4-5：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，将可让接收器精确识别其位置。

不论是使用C/A码或P码，接收器均可追踪最多4组人造卫星，进行3D定位。追踪人造卫星的过程极为复杂，不过简单来说，即是接收器将透过每组卫星的距离，估算出自己的位置。由于信号是以光速（c），或为299，792，458m/s行进，因此接收器可透过下列等式计算出与人造卫星之间的距离，即称为“虚拟距离（Pseudorange）”：

等式1.“虚拟距离（Psedorange）”为时间间隔（Time interval）的函式[1][4]

接收器必须将卫星所传送的信号数据进行译码，才能够获得定位信息。每个卫星均针对其位置进行广播（Broadcasting），接收器跟着透过每组卫星之间的虚拟距离差异，以决定自己的确实位置[8].接收器所使用的三角测量法（Triangulation），可由3组卫星进行2D定位；4组卫星则可进行3D定位。

设定GPS测量系统

测试GPS接收器的主要产品，为1组可仿真GPS信号的RF矢量信号发生器。在此应用说明中，读者将可了解应如何使用NI PXI-5671与NI PXIe-5672RF矢量信号发生器，以达到测量目的。此产品并可搭配NI GPS工具组，以模拟1~12组GPS人造卫星。

完整的GPS测量系统亦应包含多种不同配件，以达最佳效能。举例来说，外接的固定式衰减器（Attenuator），可提升功率精确度与噪声层（Noise floor）的效能。此外，根据接收器是否支持其直接输入埠的DC偏压（Bias），某些接收器亦可能需要DC阻绝器（Blocker）。下图即为GPS信号产生的完整系统：