GPS 接收器测试
概览
本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/153561.htm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,以精确仿真实际的讯号。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 讯号。
目录
介绍
GPS 导航系统介绍
设定 GPS 量测系统
GPS 量测技术
敏感度 (Sensitivity) 量测作业介绍
多组卫星的 GPS接收器量测
结论
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) 可寻找微弱的卫星讯号
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接收器量测的方法:敏感度、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 的量测技术。对刚开始接触 GPS 接收器量测作业的工程师来说,可对常见的量测作业略知一二。若工程师已具有 GPS 量测的相关经验,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:
GPS 技术的基础
GPS 量测系统
常见量测概述
敏感度
首次定位时间 (TTFF)
定位精确度与重复性
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,再搭配理论量测的结果,即可进一步检视自己的量测数据。
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) 进行多重讯号的传输。透过 1.57542 GHz 的 L1 频带,各组卫星均产生 1.023 Mchips BPSK (二进制相位键移) 的展频讯号。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 1.023 Mchips,但实际的讯号数据传输率为 50 Hz [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) 误差讯号源,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 (1.2276 GHz) 频带,GPS 卫星均会产生所谓的「P 码」附属讯号。此讯号为 10.23 Mbps BPSK 的调变讯号,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 (Out of phase) 的 90 度传输,以确保可于相同载波上测得此 2 种讯号码 [2]。P 码于 L1 频带中可达 -163 dBW 的讯号功率;于 L2 频带中可达 -166 dBW。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 -160 dBW的广播功率。
GPS 导航讯号
针对 C/A 码来说,导航讯号是由数据的 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量测作业,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讯号数据中,,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]:
Subframe 1: 包含时序修正 (Clock correction)、精确度,与人造卫星的运作情形
Subframes 2-3: 包含精确的轨道参数,可计算卫星的确实位置
Subframes 4-5: 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。由于讯号是以光速 (c),或为 299,792,458 m/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)」:
![](http://m.amcfsurvey.com/editerupload/fetch/20130807/153561_1_0.jpg)
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讯号数据进行译码,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量测法 (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 量测系统
测试GPS 接收器的主要产品,为 1 组可仿真 GPS 讯号的 RF 向量讯号产生器。在此应用说明中,读者将可了解应如何使用 NI PXI-5671 与 NI PXIe-5672 RF 向量讯号产生器,以达到量测目的。此产品并可搭配 NI GPS 工具组,以模拟 1 ~ 12 组 GPS 人造卫星。
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