GPS技术基础及GPS接收器测试
图19.“Off-the-air”GPS信号的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.这些测量结果均位于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,进而比较测量结果与实际结果。
根据上列线性误差等式,即可计算各次测量的线性标准误差。
图20.由“Off-the-air”GPS信号所得的LLA
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。
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