GPS技术基础及GPS接收器测试

测量动态定位精确度

GPS接收器测试的最后1种方法，即是测量接收器的追踪功能，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信号减损（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卫星信号的简单方法，因此这些测量往往亦不可重复。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信号，以大量信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DCtoAC转换器。

一旦我们完成GPS信号的记录作业，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。在下方测量中，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，在执行这些测量作业的同时，亦可分析其他信息。虽然下列结果中并未测量水平精确度衰减（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（pin2）的数据信道做为开始触发器，以针对RF矢量信号发生器与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（100MS/s），即可进行矢量信号发生器与GPS接收器的同步化。因此最大的歪曲（Skew）应为10μS.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MaxVelocity（m/s），或为0.15mm.

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信号，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45dB-Hz骤降至41dB-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信号驱动记录作业，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。虽然如灵敏度的基本测量，最常用于生产测试中，但是此测量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带（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：从灵敏度到追踪其可重复性。

参考数据

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[2] Navstar GPS User Equipment Introduction， September 1996

[3] Gu， Quzheng， RF System Design of Transceivers for Wireless Communications， Springer， 2005. Fundamentals

[4] Ward， Phillp W.， Betz， John W.， and Hegarty， Christopher J. Chapter 5： Satellite Signal Acquisition， Tracking and Data Demodulation， excerpt from： Understanding GPS： Principles and Applications by Elliot D. Kaplan， Artech House， 2005.

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[6] Braasch， Michael S. and Van Dierendonck， A. J. GPS Receiver Architectures and Measurements， Proceedings of the IEEE， 1999.

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[9] Goldberg， Hans-Joachim. Atmel Whitepaper： Measuring GPS Sensitivity， 2007