多組衛(wèi)星的 GPS 接收器量測

敏感度量測需要單一衛(wèi)星激發(fā)，而有多項(xiàng)接收器量測需要可仿真多組衛(wèi)星的單一測試激發(fā)。更進(jìn)一步來說，如首次定位時(shí)間 (TTFF)、定位精確度，與精確度降低 (Dilution of precision) 的量測作業(yè)，均需要接收器進(jìn)行定位。由于接收器需要至少 4 組衛(wèi)星進(jìn)行 3D 定位作業(yè)，因此這些量測將較敏感度量測來得耗時(shí)。也因此，多項(xiàng)定位量測作業(yè)均于檢驗(yàn)與校準(zhǔn)作業(yè)中進(jìn)行，而非生產(chǎn)測試時(shí)才執(zhí)行。

此章節(jié)將說明可為接收器提供多組衛(wèi)星訊號的方法。在討論 GPS 仿真作業(yè)時(shí)，亦將讓使用者了解 TTFF 與定位精確度量測的執(zhí)行方法。若是討論 RF 記錄與播放作業(yè)，將一并說明應(yīng)如何在多項(xiàng)環(huán)境條件下，校準(zhǔn)接收器的效能。

量測首次定位時(shí)間 (TTFF) 與定位精確度

首次定位時(shí)間 (TTFF) 與定位精確度量測，為設(shè)計(jì) GPS 接收器的首要檢驗(yàn)作業(yè)。若您已將多種消費(fèi)性的 GPS 應(yīng)用了然于胸，即應(yīng)知道接收器回傳其實(shí)際位置所需的時(shí)間，將大幅影響接收器的用途。此外，接收器回報(bào)其位置的精確度亦甚為重要。

為了讓接收器可進(jìn)行定位，則應(yīng)透過導(dǎo)航訊息 (Navigation message) 下載星歷與年歷信息。由于接收器下載完整 GPS 框架必須耗費(fèi) 30 秒，因此「冷啟動(dòng) (Cold start)」的 TTFF 狀態(tài)則需要 30 ~ 60 秒。事實(shí)上，多款接收器可指定數(shù)種 TTFF 狀態(tài)。最常見的為：

冷啟動(dòng) (Cold Start)：接收器必須下載年歷與星歷信息，才能進(jìn)行定位。由于必須從各組衛(wèi)星下載至少 1 組 GPS 框架 (Frame)，因此大多數(shù)的接收器在冷啟動(dòng)狀態(tài)下，將于 30 ~ 60 秒時(shí)進(jìn)行定位。

熱啟動(dòng) (Warm Start)：接收器的年歷信息尚未超過 1 個(gè)星期，且不需要其他星歷信息。一般來說，此接收器可于 20 秒內(nèi)得知目前時(shí)間，并可進(jìn)行 100 公里內(nèi)的定位 [2]。大多數(shù)熱啟動(dòng)狀態(tài)的 GPS 接收器，可于 60 秒內(nèi)進(jìn)行定位，有時(shí)甚至僅需更短的時(shí)間。

熱開機(jī) (Hot Start)：接收器具備最新的年歷與星歷信息時(shí)，即為熱開機(jī)狀態(tài)。接收器僅需取得各組衛(wèi)星的時(shí)序信息，即可開始回傳定位位置。大多數(shù)熱開機(jī)狀態(tài)的 GPS 接收器，僅需 0.5 ~ 20 秒即可開始定位作業(yè)。

在大部分的情況下，TTFF 與定位精確度均與特定功率強(qiáng)度相關(guān)。值得注意的是，若能于多種情況下檢驗(yàn)此 2 種規(guī)格的精確度，其實(shí)極具有其信息價(jià)值。因?yàn)?GPS 衛(wèi)星每 12 個(gè)小時(shí)即繞行地球 1 圈，所以可用范圍內(nèi)的衛(wèi)星訊號隨時(shí)都在變化，也讓接收器可在不同的狀態(tài)下回傳正確結(jié)果。

下列章節(jié)將說明應(yīng)如何使用 2 筆數(shù)據(jù)源，以執(zhí)行 TTFF 與定位精確度的量測，包含：

1) 接收器在其布署環(huán)境中，透過天線所獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

2) 透過空中傳遞所記錄的 RF 訊號，并將之用以測試接收器所記錄的數(shù)據(jù)

3) 當(dāng)記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，RF 產(chǎn)生器用于模擬星期時(shí)間 (Time-of-week，TOW) 所得的仿真數(shù)據(jù)用此 3 筆不同的數(shù)據(jù)源測試接收器，可讓各個(gè)數(shù)據(jù)源的量測作業(yè)均具備可重復(fù)特性，且均相互具備相關(guān)性。

量測設(shè)定

若要獲得最佳結(jié)果，則所選擇的記錄位置，應(yīng)讓衛(wèi)星不致受到周遭建筑物的阻礙。我們選擇 6 層樓停車場的頂樓進(jìn)行測試，以無建物覆蓋的屋頂盡可能接觸多組衛(wèi)星訊號。透過 GPS 芯片組的多個(gè)開機(jī)模式，均可執(zhí)行 TTFF 量測作業(yè)。以 SIRFstarIII 芯片組為例，即可重設(shè)接收器的出廠、冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)，與熱開機(jī)模式。下方所示即為接收器執(zhí)行相關(guān)測試的結(jié)果。

若要量測水平定位的精確度，則必須根據(jù)經(jīng)、緯度信息進(jìn)而了解相關(guān)錯(cuò)誤。由于這些指數(shù)均以「度」表示，因此可透過下列等式轉(zhuǎn)換之：

等式 16. 計(jì)算 GPS 的定位錯(cuò)誤

請注意該等式中的 111,325 公尺 (111.325 公里)，即等于地球圓周的 1 度 (共 360 度)。此指數(shù)是根據(jù)地球圓周 360 x 111.325 km = 40.077 km 而來。

Off-the-Air GPS

請注意該等式中的 111,325 公尺 (111.325 公里)，即等于地球圓周的 1 度 (共 360 度)。此指數(shù)是根據(jù)地球圓周 360 x 111.325 km = 40.077 km 而來。

表9.「Off-the-air」GPS 訊號的 TTFF 與最大 C/N 比值

根據(jù)初始的 「Off-the-air」結(jié)果，則可發(fā)現(xiàn) GPS 接收器在標(biāo)準(zhǔn)的 3 秒誤差內(nèi)，可達(dá)到 33.2 秒的 TTFF。這些量測結(jié)果均位于 TTFF 規(guī)格的容錯(cuò)范圍內(nèi)。而更重要的，即是可透過仿真與記錄的 GPS 數(shù)據(jù)，進(jìn)而比較量測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果。

根據(jù)上列線性誤差等式，即可計(jì)算各次量測的線性標(biāo)準(zhǔn)誤差

表10. 由「Off-the-air」GPS 訊號所得的 LLA

請注意，若要將「Off-the-air」GPS 訊號、仿真訊號，與播放訊號進(jìn)行相關(guān)，則必須先進(jìn)行「Off-the-air」訊號功率的相關(guān)性。當(dāng)進(jìn)行 TTFF 與定位精確度量測時(shí)，RF 功率強(qiáng)度基本上不太會(huì)影響到結(jié)果。因此，必須比對「Off-the-air」、仿真，與記錄 GPS 訊號的 C/N 比值，即可進(jìn)行 RF 功率的相關(guān)性作業(yè)。

已記錄的 GPS 訊號

雖然可透過實(shí)時(shí)訊號量測 TTFF 與定位誤差，但是這些量測作業(yè)往往不可重復(fù);如同衛(wèi)星均持續(xù)環(huán)繞地球運(yùn)行，而非固定不動(dòng)。進(jìn)行可重復(fù) TTFF 與定位精確度的量測方式之一，即是使用已記錄的 GPS 訊號。此章節(jié)將接著說明應(yīng)如何透過已記錄的 GPS 訊號，以進(jìn)行實(shí)時(shí) GPS 訊號的相關(guān)作業(yè)。

已記錄的 GPS 訊號，可透過 RF 向量訊號產(chǎn)生器再次產(chǎn)生。由于必須播放訊號，則校準(zhǔn) RF 功率強(qiáng)度最簡單的方法，即是比對實(shí)時(shí)與記錄的 C/N 值。當(dāng)獲得「Off-the-air」訊號時(shí)，則可發(fā)現(xiàn)所有實(shí)時(shí)訊號的 C/N 峰值均約為 47 ~ 49 dB-Hz 之間。