GPS 模擬條件
概觀
由於多項產業與應用對精確 GPS 接收器的需求日漸增加,因此若能專注於 GPS 接收器的測試作業,則可讓自己取得競爭先機。
目錄
- 都卜勒頻移 (Doppler Shift)
- 衛星訊號功率強度
- 星曆 (Ephemeris) 錯誤
- 訊號干擾
- 結論
GPS 接收器必須逐一完成各個步驟,以提供精確的位置、時序,與相關錯誤資訊。由於測試步驟均各自獨立,並特別控制訊號減損 (Impairment),因此使用者可專注進行設計並除錯,以達到最高的本益比。雖然測試可能讓工程師忠實呈現 GPS 接收器的可能環境,卻無法提供太多訊號減損或改善設計的相關資訊。
透過 GPS Simulator,即可完整控制訊號功率強度、都卜勒頻移 (Doppler shift)、星曆誤差 (Ephemeris error)、多路徑衰減、電離層效應 (Ionospheric effect) 等。透過 GPS 訊號模擬,即可個別進行這些減損,或依方案需要進行整合,以針對自己的設計進行除錯。
介紹
只要依 GPS 接收器的處理程序,即可建構設計檢驗的測試作業,以運算出位置的解決方案。
接收器先以將近 -130 dBm 的功率強度、1575.42 MHz 的頻率取得訊號。接著若於單一頻帶中 1 次發出 12 組衛星訊號,且刻意搭配其他干擾訊號,則必須識別出最少 4 組衛星的訊號。一旦正確識別衛星,則接著進行後續可能的傳輸與解調 (Demodulation) 作業。接著會進行多項運算作業,找出各組衛星的正確距離 (虛擬距離,Pseudorange)。接著以三角定位 (Trilateration) 計算出接收器的位置。在上述作業中,任何 GPS 訊號減損均將影響某些甚至全部的步驟,進而影響位置的精確性。
為了確認相關測試條件下的 GPS 接收器效能,目前已可執行完整定義的測試。大多數的相關測試均具備極高的敏感性,且其首次定位時間 (Time to first fix,TTFF) 或後續定位時間 (Time to subsequent fix,TTSF)、位置,與追蹤作業均可達水準以上的精確度。可至線上教學:GPS 接收器測試獲得相關資訊。NI 的 GPS 模擬 (Simulation) 工具組與 GPS Simulator,均可於多種訊號減損條件下執行所有測試。下列章節將說明某些減損現象,如接收器運動所造成的都卜勒頻移、依衛星而有所不同的功率強度,星曆錯誤,與訊號干擾 (Signal jamming)。
都卜勒頻移 (Doppler Shift)
GPS 衛星軌道約位於地球上方 20,200 公里,運行週期約 12 小時以內,且軌道速度將近 3900 m/s。與單純衛星運動相較,此將造成最高約 ±20 kHz 的都卜勒頻移。若整合地球自轉與行動接收器的微小都卜勒頻移,則可能造成新的 GPS 訊號外型,且可依相關條件測試接收器。
透過 NI GPS 模擬 (Simulation) 工具組,即可建立客制化的運動軌跡,以模擬接收器的運動。此種透過傳統驅動測試的模擬作業具備 2 項優點。首先,工程師可模擬速度、高度、緯度,與經度。以德州奧斯汀為例,若直線穿越安地斯山脈 (Andes),則可得到 500 m/s (約 1100 mph) 的 GPA 接收器效能。其次,工程師亦可消除其他訊號減損,專對訊號進行都卜勒頻移減損,進而提升自己的設計。
若要進一步了解 GPS 模擬工具組的相關軌跡設定功能,可觀看網路研討會:建立客制化的運動軌道。
衛星訊號功率強度
不論是行經樹下、穿越 2 棟摩天大樓,甚至通過隧道,GPS 接收器均必須處理訊號的強弱變化。由於需要至少 4 組衛星才能進行定位,且衛星訊號越多越能編譯出精確位置,因此衛星最好能夠儘可能適應所有環境條件。除了上述情況之外,若能於多通道接收器中個別控制功率強度,則可進行更高階的通道間失真 (Inter-channel biasing) 測試。
NI LabVIEW GPS 模擬 (Simulation) 工具組,即可調整最多 12 組模擬 GPS 訊號的功率強度。透過此彈性,GPS 接收器可傳送訊號至巷弄、地下室,甚或高密度的森林,用於特定測試方案與除錯作業。如上所述,亦可去除額外的減損情形,以評估多通道接收器的效能。
星曆 (Ephemeris) 錯誤
若要進行定位解決方案,GPS 接收器僅需得知與太空中 4 個定點之間的距離。然而,若其中有 1 個定點無法確實傳輸訊號以告知其距離,則此解決方案將產生錯誤。
此問題的起因,即由於星曆資料的傳輸與精確度錯誤所造成。星曆 (Ephemeris) 即衛星的精確軌道資訊。星曆包含所有必要參數,以將衛星的路徑計算為時間函式,並將之表示為平順的弧線。然而,此種預測函式將因時間而產生錯誤,因此星曆資料每 4 個小時均會進行 1 次校準。所以全球控制站亦持續上傳最新的星曆資料至衛星。此外,所上傳的資料可能包含意料之外的錯誤,而衛星的傳輸作業亦可能發生錯誤。
所有情況均將讓接收器發生不同的問題,而這些問題均