仿真的 GPS 訊號

　　最后 1 種可進行 TTFF 與定位精確度量測的 GPS 測試訊號來源，即為仿真的多組衛(wèi)星 GPS 訊號。透過 NI LabVIEW GPS 工具組，即可透過由使用者定義的 TOW、星期數(shù)，與接收器位置，仿真最多 12 組衛(wèi)星。此 GPS 訊號仿真方式的主要優(yōu)點，即是透過可能的最佳訊噪比 （SNR） 構(gòu)成 GPS 訊號。與實時/記錄的 GPS 訊號不同，依此種方法所建立的可重復(fù)訊號，其噪聲功率甚小。圖 23 即呈現(xiàn)了仿真多組衛(wèi)星訊號的頻域。

　　VSA 設(shè)定

　　Center： 1.57542 GHZz

　　Span： 4 MHz

　　RBW： 100 Hz

　　Averaging： RMS， 20 Average

　　圖 11. 仿真多組衛(wèi)星 GPS 訊號的帶內(nèi)功率 （Power-in-band） 量測作業(yè)

　　當(dāng)透過仿真的多組衛(wèi)星波形測試接收器時，則可針對接收器所提供的 C/N 比值進行關(guān)聯(lián)，以再次評估所需的 RF 功率。

　　一旦能為 RF 功率強度進行關(guān)聯(lián)，則可接著量測 TTFF。當(dāng)量測 TTFF 時，應(yīng)先啟動 RF 向量訊號產(chǎn)生器。過了 5 秒鐘之后，可手動將接收器轉(zhuǎn)為「冷」開機模式。一旦接收器取得定位信息，則將回報 TTFF 信息。下圖則呈現(xiàn)仿真 GPS 訊號的相關(guān)結(jié)果：

　　表13. TTFF 數(shù)值的 4 項專屬模擬

　　請注意表13中的所有仿真作業(yè)均使用相同的 LLA （Latitudes、Longitude，與 Altitude）。

　　此外，若要量測 TTFF，我們亦可依不同的 TOW 建立仿真作業(yè)，以計算 LLA 的精確度與可重復(fù)性。請注意，由于在數(shù)個小時之內(nèi)，可用的衛(wèi)星訊號將持續(xù)變化，因此必須設(shè)定多種 TOW 以測試精確度 （如表13）。而表14 則表示其 LLA 信息。

　　表14. 多項 TOW 仿真作業(yè)的水平精確度

　　在表14 中，可根據(jù)模擬的定位，計算出公尺為單位的水平錯誤。又如圖 20 所示，可透過下列等式找出錯誤：

　　等式 17. 仿真 GPS 訊號的定位錯誤

　　而針對我們所使用的接收器而言，其水平定位最大誤差為 5.2 公尺，水平定位平均誤差為 1.5 公尺。而透過表8 所示，我們所使用的接收器均可達指定的限制之內(nèi)。

　　如先前所述，接收器的精確度，與可用的衛(wèi)星訊號密不可分。也就是說，接收器的精確度可能在數(shù)個小時內(nèi)大幅變化 （衛(wèi)星訊號改變），但是其可重復(fù)性卻極小。為了確認(rèn)我們的GPS 接收器亦為如此，則可針對特定的模擬 GPS 波形執(zhí)行多項測試。此項作業(yè)主要是必須確認(rèn)，RF 儀控并不會對仿真的 GPS 訊號產(chǎn)生額外的不確定性。如下方圖 26 所示，當(dāng)重復(fù)使用相同的二進制檔案時，我們所使用的 GPS 接收器將得到極高可重復(fù)性的量測。

　　表15. 相同波形的各次測試，其誤差亦具有極高的可重復(fù)性

　　回頭再看表10，使用仿真 GPS 訊號的最大優(yōu)點之一，即是可達到可重復(fù)的定位結(jié)果。由于此特性可讓我們確認(rèn)：所回報的定位信息，并不會因為設(shè)計迭代 （Iteration） 而發(fā)生變化，因此在開發(fā)的設(shè)計檢驗階段中，此特性格外重要。

　　量測動態(tài)定位精確度

　　GPS 接收器測試的最后 1 種方法，即是量測接收器的追蹤功能，使其在大范圍的功率強度與速度中維持定位。在過去，此種測試 （往往亦為功能測試） 的常見方法之一，即是整合驅(qū)動測試與多路徑衰減 （Multi-path fading） 模擬。在驅(qū)動測試 （Drive test） 中，我們使用可導(dǎo)入大量訊號減損 （Impairment） 的已知路徑，驅(qū)動原型接收器。由于驅(qū)動測試是將自然減損套用至 GPS 衛(wèi)星訊號的簡單方法，因此這些量測往往亦不可重復(fù)。事實上，如GPS 衛(wèi)星移動、天氣條件的變化，甚至年度時間 （Time of year） 的因素，均可影響接收器的效能。

　　因此，目前有 1 種逐漸普及的方法，即是于驅(qū)動測試上記錄 GPS 訊號，以大量訊號減損檢驗接收器效能。若要進一步了解設(shè)定 GPS 記錄系統(tǒng)的方法，請參閱前述章節(jié)。而在驅(qū)動測試方案中，有多款 PXI 機箱可供選擇。最簡單的方式，即是使用 DC 機箱并以汽車電池進行供電。其次可使用標(biāo)準(zhǔn)的 AC 機箱，搭配轉(zhuǎn)換器即可使用汽車電池供電。在此 2種選項中，DC 機箱的耗電量較低，但亦較難以于實驗室中供電。如下列所示的標(biāo)準(zhǔn) AC 機箱使用結(jié)果，其所供電的系統(tǒng)則包含 1 組外接的車用電池，與 1 組 DC to AC 轉(zhuǎn)換器。

　　一旦我們完成 GPS 訊號的記錄作業(yè)，即可透過相同的測試數(shù)據(jù)重復(fù)測試接收器。在下方的說明中，我們追蹤接收器的經(jīng)度、緯度，與速度。透過串行端口與每秒 1 次的 NMEA-183 指令讀取速率，從接收器讀取所需的數(shù)據(jù)。在下方量測中，我們所呈現(xiàn)的接收器特性參數(shù)，僅有定位與衛(wèi)星 C/N 值。請注意，在執(zhí)行這些量測作業(yè)的同時，亦可分析其他信息。雖然下列結(jié)果中并未量測水平精確度衰減 （Horizontal dilution of precision，HDOP），但此特性參數(shù)亦可提供大量的接收器定位精確度信息。

　　若要獲得最佳結(jié)果，則應(yīng)確實同步化接收器與 RF 產(chǎn)生作業(yè)的指令接口。下方所示結(jié)果中，我們將 COM 埠 （pin 2） 的數(shù)據(jù)信道做為開始觸發(fā)器，以針對RF 向量訊號產(chǎn)生器與GPS 模塊進行同步化。此同步化方式僅需任意波形產(chǎn)生器的 1 個頻率循環(huán) （100 MS/s），即可進行向量訊號產(chǎn)生器與 GPS 接收器的同步化。因此最大的歪曲 （Skew） 應(yīng)為 10μS。并請注意，因為我們將取得接收器的經(jīng)緯度，所以由同步化作業(yè)所造成的精確度錯誤，將為 10μs 乘以 Max Velocity （m/s），或為 0.15 mm。

　　使用上述的設(shè)定，我們即可按時取得接收器的經(jīng)緯度。結(jié)果即如下圖所示：

　　圖12. 每 4 分鐘所得到的接收器經(jīng)緯度

　　在圖12所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)中，即使用已記錄的驅(qū)動測試訊號，取得統(tǒng)計、定位，與速度的相關(guān)信息。此外我們可觀察到，在每次的測試之間，此項信息具有相對的可重復(fù)性；即為每個獨立軌跡所呈現(xiàn)的差異。事實上，這就是我們最需要的接收器可重復(fù)性 （Repeatability）。由于可重復(fù)性信息將可預(yù)估 GPS 接收器精確度的變化情形，因此我們亦可計算波形各個樣本之間的標(biāo)準(zhǔn)誤差。在圖 29 中，我們在各次同步化取樣作業(yè)之間，繪出標(biāo)準(zhǔn)的定位誤差 （相對于平均位置）。

　　圖 13. 依時間取得的經(jīng)度與緯度標(biāo)準(zhǔn)誤差

　　當(dāng)看到水平標(biāo)準(zhǔn)誤差時，可注意到標(biāo)準(zhǔn)誤差在 120 秒時快速增加。為了進一步了解此現(xiàn)象，我們亦根據(jù)接收器的速度 （m/s） 與 C/N 值的 Proxy，繪出總水平標(biāo)準(zhǔn)誤差。而我們預(yù)先假設(shè)：在沒有高功率衛(wèi)星的條件下，衛(wèi)星的 C/N 比值僅將影響接收器。因此，我們針對接收器所回傳 4 組最高高度的衛(wèi)星，平均其 C/N 比值而繪出另 1 組 C/N 的Proxy。結(jié)果即如下列圖 14所示。

　　圖14. 定位精確度與 C/N 值的相關(guān)性

　　如圖14所示，在 120 秒時所發(fā)生的峰值水平錯誤 （標(biāo)準(zhǔn)誤差中），即與衛(wèi)星的 C/N 值產(chǎn)生直接關(guān)聯(lián)，而與接收器的速度無關(guān)。此次取樣的標(biāo)準(zhǔn)誤差約為 2 公尺，且已低于其他取樣約 10 公尺的誤差。同時，我們可發(fā)現(xiàn)前 4 名的 C/N 平均值，由將近 45 dB-Hz 驟降至 41 dB-Hz。

　　上述的測試不僅說明 C/N 比值對定位精確度的影響，亦說明了已記錄 GPS 數(shù)據(jù)所能進行的分析作業(yè)種類。在此測試中的 GPS 訊號驅(qū)動記錄作業(yè)，是在中國深圳 （Shenzhen） 北方的惠州市 （Huizhou） 所進行。并接著于德州奧斯汀 （Austin Texas） 測試實際的接收器。

　　結(jié)論

　　如整篇文件所看到的，目前已有多項技術(shù)可測試 GPS 接收器。雖然如敏感度的基本量測，最常用于生產(chǎn)測試中，但是此量測技術(shù)亦可用于檢驗接收器的效能。這些測試技術(shù)雖然各有變化，但是均可于單一 PXI 系統(tǒng)中全數(shù)完成。事實上，GPS 接收器均可透過仿真或記錄的基頻 （Baseband） 波形進行測試。透過整合的方式，工程師可執(zhí)行完整的 GPS 接收器功能測試：從敏感度到追蹤其可重復(fù)性。