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：

图1.GPS产生系统的程序图

如图1所示，当测试GPS接收器时，往往采用最高60dB的外接RF衰减（留白，Padding）。固定式衰减器至少可提供测量系统2项优点。首先，固定式衰减器可确保测试激发的噪声层低于-174dBm/Hz的热噪声层（Thermal noise floor）。其次，由于可透过高精确度RF功率计（Power meter）校准信号准位，因此固定式衰减器亦可提升功率精确度。虽然仅需20dB的衰减即可符合噪声层的要求，但若使用60~70dB的衰减，则可达到更高的功率精确度与噪声层效能。稍后将接着讨论RF功率校准，而图2抢先说明衰减对噪声层效能所造成的影响。

图2.不同衰减所需的仪器功率比较

如图2所示，衰减可用于减弱噪声，而不仅限于-174dBm/Hz的热噪声层。

RF矢量信号发生器

当选择RF矢量信号发生器时，NI abVIEW GPS工具组可同时支持NI PXI-5671与NI PXIe-5672RF矢量信号发生器。虽然此2款适配卡可产生GPS信号，但由于PCI Express总线速度较快，并可立刻进行IF等化（Equalization），因此NI PXIe-5672矢量信号发生器较受到青睐。此2款适配卡均具有6MB/s总数据传输率与1.5MS/s（IQ）取样率，可从磁盘串流GPS波形。

虽然PXI控制器硬盘可轻松维持此数据传输率，NI仍建议使用外接磁盘进行额外的储存容量。下图为包含NI PXIe-5672的常见PXI系统：

图3.包含NIPXIe5672VSG与NIPXI-5661VSA的PXI系统

GPS工具组可于完整导航信号期间，建立最长12.5分钟（25个框架）的波形。依6MB/s的取样率，则最大档案约为7.5GB.由于上述的波形档案尺寸，所有的波形均可储存于多款硬盘选项之一。这些波形储存资源选项包含：

o PXI控制器的硬盘（推荐使用120GB硬盘升级）

o如HDD8263与HDD8264的外接RAID装置

o外接USB2.0硬盘（已透过Western Digital Passport硬盘进行测试）

上述各种硬盘设定，均可支持超过20MB/s的连续数据串流作业。因此，任何储存选项均可仿真GPS信号，并进行记录与播放。在稍后的段落中，将说明仿真与记录GPS波形的整合作业，并进行GPS接收器效能的特性参数描述（Characterization）作业。

建立仿真的GPS信号

由于GPS接收器是透过天线传输数据，并取得卫星星历与星历信息；当然，仿真的GPS信号亦需要该项信息。卫星星历与星历信息，均透过文本文件表示，可提供卫星位置、卫星高度、机器状态，与绕行轨道的相关信息。此外，在建立波形的过程中M，亦必须选择客制参数，如星期时间（TOW）、位置（经度、纬度、高度），与仿真的接收器速率。以此信息为基础，工具组将自动选择最多12组人造卫星、计算所有的都卜勒位移（Doppler shift）与虚拟距离（Pseudorange）信息，并接着产生所需的基带波形。为了可尽快入门，工具组安装程序亦包含范例的卫星星历与星历档案。此外，更可由下列网站直接下载：

。Almanac information （The Navigation Center of Excellence） http://navcen.uscg.gov/gps/almanacs.htm

。Ephemeris information （NASA Goddard Space Flight Center） http://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss_datasum.html#brdc

透过客制的卫星星历与星历档案，即可建立特定日期与时间的GPS信号，甚至可回溯数年以前。请注意，当选择这些档案时，必须选择与日期相对应的档案。一般来说，卫星星历与星历信息为每日更新，因此当选择特定时间与日期时，亦应选择同1天的档案。下载的星历档案往往为压缩的“*.Z”格式。因此，在搭配使用GPS工具组之前，档案必须先行解压缩。

只要使用工具组中的“自动模式（Automatic mode）”，即可囊括大多数的GPS模块作业，并可透过程序设计的方式，计算都卜勒与随机距离信息；当然，此功能亦提供手动模式。在手动模式（Manual mode）中，使用者可个别指定每组人造卫星的信息。图4即显示此2种作业模式所提供的输入参数。

1LLA（longitude，latitude，altitude）

图4.GPS工具组自动与手动模式的默认值

请注意，工具组将根据所指定的星历档案，于可能的数值范围中强制设定GPS的TOW.因此，若选择的数值超出该星历档案的范围，工具组将自动设定为最接近的数值并提醒使用者。“niGPS Write Waveform To File”范例程序即可建立GPS基带波形（自动模式），而其人机接口即如下图所示。

图5.简单的范例程序即可建立GPS测试波形。

请注意，某些特定测量作业，将决定用户所建立GPS测试的文件类型。举例来说，当测量接收器灵敏度时，将仿真单一人造卫星。另一方面来说，需要定位作业的测量（如TTFF与位置精确度），所使用的GPS信号将仿真多组人造卫星。基于上述需求，NIGPS工具组所搭配的范例程序，将同时包含单位星与多重卫星仿真功能。

记录空气中的GPS信号

建立GPS波形时，其独特又日趋普遍的方式，即是直接从空气中撷取之。在此测试中，我们使用矢量信号分析器（如NI PXI 5661）记录信号，再透过矢量信号发生器（如NI PXIe-5672）产生已记录的信号。由于在记录GPS信号时，亦可撷取实际的信号减损（Impairments），因此在播放信号时，可进一步了解接收器于布署环境中的作业情形。

只要透过极为直接的方式，即可撷取空气中的GPS信号。在RF记录系统中，我们将适合的天线与放大器，搭配使用PXI矢量信号分析器与硬盘，以撷取最多可达数个小时的连续数据。举例来说，1组2TB的RAID磁盘阵列，即可记录最多25个小时的GPS波形。由于此篇技术文件将不会讨论串流的特殊技术，因此若需要相关范例程序代码，请至：http://www.ni.com/streaming/rf.透过下列段落，即可了解应如何针对RF记录与播放系统，设定合适的RF前端。

不同类型的无线通信信号，均需要不同的带宽、中央频率，与增益。以GPS信号来说，基本系统需求是以1.57542GHz的中央频率，记录2.046MHz的RF带宽。依此带宽需求，至少必须达到2.5MS/s（1.25x2MHz）取样率。注意：此处的1.25乘数，是根据PXI-5661数字降转换器（DDC）于降频（Decimation）阶段的下降（Roll-off）滤波器所得出。

在下方说明的测试作业中，我们使用5MS/s（20MB/s）取样率以撷取完整的带宽。由于标准PXI控制器硬盘即可达到20MB/s或更高的数据流量，因此不需使用外接的RAID亦可将GPS信号串流至磁盘。然而，基于2个理由，我们仍建议使用外接硬盘。首先，外接硬盘可提升整体的数据储存量，并记录多组波形。其次，外接硬盘不会对PXI控制器的硬盘造成额外负担。在下方说明的测试作业中，我们采用1组USB2.0的外接硬盘。此硬盘为320GB的Western Digital Passport，具有5400RPM的硬盘转速。在我们的测试作业中，一般读取速度约落在25~28MB/s.因此该款硬盘可同时用于GPS波形数据串流的仿真（6MB/s）与记录（20MB/s）作业。

GPS信号记录作业最为特殊之处，即是选择并设定合适的天线与低噪声放大器（LNA）。透过一般被动式平面天线（Passive patch antenna），即可于L1GPS频带中发现介于-120~-110dBm的常见峰值功率（此处为-116dBm）。由于GPS信号的功率强度极小，因此必须进行放大作业，以使矢量信号分析器可撷取卫星信号的完整动态范围。虽然有多个方法可将合适的增益强度套用至信号，不过我们发现：若使用主动式GPS天线搭配NIPXI-5690前置放大器（Pre-amplifier）时，即可达到最佳效果。若串联2组各可达30dB增益的LNA，则总增益则可达到60dB（30+30）。因此，矢量信号分析器可测得的峰值功率，将从-116dBm提升至-56dBm.下图即为该项设定的范例系统：

图6.GPS接收器与串联的LNA.

请注意，记录操作系统的必备组件之一，即为主动式GPS天线。主动式（Active）GPS天线，包含1组平面天线与1组LNA.此款天线一般均需要2.5V~5V的DC偏压电压，并仅需约$20美金即可购买现成产品。为了简单起见，我们使用1组天线搭配1组SMA接头。我们将于下列段落中看到，在RF前端的第一组LNA噪声图形极为重要；该图形将可确认进行记录作业的仪控，是否对无线信号构成最低噪声。亦请注意，图6中的矢量信号分析器为简化图标。实际的PXI-5661为3阶段式超外差（Super-heterodyne）矢量信号分析器，较复杂于图中所示。

若将60dB套用至无线信号中，则可于L1中得到约-60~-50dBm的峰值功率。若以扫频（Swept spectrum）模式设定VSA并分析整体频谱，则亦将发现L1频带（FM与移动电话）之外的带中功率（Power in band），其强度将高于GPS信号。然而，带外（Out-of-band）信号的峰值功率一般均不会超过-20dBm，且将透过VSA的多组带通（Band pass）滤波器之一进行滤波作业。若要检视记录装置的RF前端是否达到应有效率，最简单的方法之一即为开启RFSA示范面板的范例程序。透过此程序，即可于L1GPS频带中呈现RF频谱。图7即为常见的频谱。请注意，此频谱截图是透过GPS中心频率于室外所得。主动式GPS天线与PXI-5690前置放大器，可达到60dB的总增益。

中心频率：1.57542GHz

展频（Span）：4MHz

RBW：10Hz

平均：RMS、20Averages

图7.仅透过极小的分辨率带宽（RBW），才可于频谱中呈现GPS

此处使用前面所提到的RF记录与播放LabVIEW范例程序；设定-50dBm的参考准位、1.57542GHz中央频率，与5MS/s的IQ取样率。下图即显示设置范例的人机接口：

图8.RF记录与播放范例的人机接口。

GPS信号的最长记录时间，将根据取样率与最大储存容量而定。若使用2TB容量的Raid磁盘阵列（Windows XP所支持的最大磁盘），将可透过5MS/s取样率记录最多25个小时的信号。