概況

從波音747客機的導航操作、汽車駕駛每天都會使用的GPS導航系統(tǒng)，到尋寶者要找到深藏于森林某處的寶藏，GPS技術已經(jīng)迅速融入于多種應用中。

正當創(chuàng)新技術不斷提升GPS接收器效能的同時，相關的技術特性亦越來越完整。時至今日，軟件甚至可建立GPS波形，以精確仿真實際的信號。除此之外，儀器總線技術亦不斷提升，目前即可透過PXI儀控功能，以記錄并播放實時的GPS信號。

介紹

由于GPS技術已于一般商用市場逐漸普及，因此多項設計均著眼于提升相關特性，如：

1)降低耗電量

2)可尋找微弱的衛(wèi)星信號

3)較快的擷取次數(shù)

4)更精確的定位功能

透過此應用說明，將可了解進行多項GPS接收器測量的方法：靈敏度、噪聲系數(shù)、定位精確度、首次定位時間，與位置誤差。此篇技術文件是要能讓工程師徹底了解GPS的測量技術。對剛開始接觸GPS接收器測量作業(yè)的工程師來說，可對常見的測量作業(yè)略知一二。若工程師已具有GPS測量的相關經(jīng)驗，亦可透過此篇技術文件初步了解新的儀控技術。此篇應用說明將分為下列數(shù)個段落：

1.GPS技術的基礎

2.GPS測量系統(tǒng)

3.常見測量概述

a.靈敏度

b.首次定位時間(TTFF)

c.定位精確度與重復性

d.追蹤精確度與重復性

每個段落均將提供數(shù)項實作秘訣與技巧。更重要的是，讀者可將自己的結(jié)果與GPS接收器獲得的結(jié)果進行比較。透過自己的結(jié)果、接收器的結(jié)果，再搭配理論測量的結(jié)果，即可進一步檢視自己的測量數(shù)據(jù)。

GPS導航系統(tǒng)介紹

全球定位系統(tǒng)(GPS)為空間架構(gòu)的無線電導航系統(tǒng)，本由美國空軍所研發(fā)。雖然GPS原是開發(fā)做為軍事定位系統(tǒng)之用，卻也對民間產(chǎn)生重要影響。事實上，您目前就可能在車輛、船舶，甚至移動電話中使用GPS接收器。GPS導航系統(tǒng)包含由24組衛(wèi)星，均以L1與L2頻帶(Band)進行多重信號的傳輸。透過1.57542GHz的L1頻帶，各組衛(wèi)星均產(chǎn)生1.023MchipsBPSK(二進制相位鍵移)的展頻信號。展頻序列則使用稱為C/A(coarse acquisition)碼的虛擬隨機數(shù)(PN)序列。雖然展頻序列為1.023Mchips，但實際的信號數(shù)據(jù)傳輸率為50Hz[1].在系統(tǒng)的原始布署作業(yè)中，一般GPS接收器可達20~30公尺以上的精確度誤差。此種誤差肇因于美國軍方依安全理由所附加的隨機頻率誤差所致。然而，此稱為選擇性可靠度(Selective availability)誤差信號源，已于2000年5月2日取消。在今天，接收器的最大誤差不超過5公尺，而一般誤差已降至1~2公尺。

不論是L1或L2(1.2276GHz)頻帶，GPS衛(wèi)星均會產(chǎn)生所謂的“P碼”附屬信號。此信號為10.23MbpsBPSK的調(diào)變信號，亦使用PN序列做為展頻碼。軍方即透過P碼的傳輸，進行更精確的定位作業(yè)。在L1頻帶中，P碼是透過C/A碼進行反相位(Outofphase)的90度傳輸，以確?？捎谙嗤d波上測得此2種信號碼[2].P碼于L1頻帶中可達-163dBW的信號功率;于L2頻帶中可達-166dBW.相對來說，若在地球表面的C/A碼，則可于L1頻帶中達到最小-160dBW的廣播功率。

GPS導航信號

針對C/A碼來說，導航信號是由數(shù)據(jù)的25個框架(Frame)所構(gòu)成，而每個框架則包含1500個位[2].此外，每組框架均可分為5組300個位的子框架。當接收器擷取C/A碼時，將耗費6秒鐘擷取1個子框架，亦即1個框架必須耗費30秒鐘。請注意，其實某些較為深入的測量作業(yè)，才有可能真正花費30秒鐘以擷取完整框架;我們將于稍后討論之。事實上，30秒鐘僅為擷取完整框架的平均最短時間;系統(tǒng)的首次定位時間(TTFF)往往超過30秒鐘。

為了進行定位作業(yè)，大多數(shù)的接收器均必須更新衛(wèi)星星歷(Almanac)與星歷表(Ephemeris)的信息。該筆信息均包含于人造衛(wèi)星所傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)中，，而每個子框架亦包含專屬的信息集。一般來說，我們可透過子框架的類別，進而辨識出其中所包含的信息[2][7]：

Sub-frame1：包含時序修正(Clock correction)、精確度，與人造衛(wèi)星的運作情形

Sub-frame2-3：包含精確的軌道參數(shù)，可計算衛(wèi)星的確實位置

Sub-frames4-5：包含粗略的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)、時序修正，與運作信息。

而接收器必須透過衛(wèi)星星歷與星歷表的信息，才能夠進行定位作業(yè)。一旦得到各組衛(wèi)星的確實距離，則高階GPS接收器將透過簡單的三角表達式(Triangulation algorithm)回傳位置信息。事實上，若能整合虛擬距離(Pseudorange)與衛(wèi)星位置的信息，將可讓接收器精確識別其位置。

不論是使用C/A碼或P碼，接收器均可追蹤最多4組人造衛(wèi)星，進行3D定位。追蹤人造衛(wèi)星的過程極為復雜，不過簡單來說，即是接收器將透過每組衛(wèi)星的距離，估算出自己的位置。由于信號是以光速(c)，或為299，792，458m/s行進，因此接收器可透過下列等式計算出與人造衛(wèi)星之間的距離，即稱為“虛擬距離(Pseudorange)”：

等式1.“虛擬距離(Psedorange)”為時間間隔(Time interval)的函式[1][4]

接收器必須將衛(wèi)星所傳送的信號數(shù)據(jù)進行譯碼，才能夠獲得定位信息。每個衛(wèi)星均針對其位置進行廣播(Broadcasting)，接收器跟著透過每組衛(wèi)星之間的虛擬距離差異，以決定自己的確實位置[8].接收器所使用的三角測量法(Triangulation)，可由3組衛(wèi)星進行2D定位;4組衛(wèi)星則可進行3D定位。

設定GPS測量系統(tǒng)

測試GPS接收器的主要產(chǎn)品，為1組可仿真GPS信號的RF矢量信號發(fā)生器。在此應用說明中，讀者將可了解應如何使用NI PXI-5671與NI PXIe-5672RF矢量信號發(fā)生器，以達到測量目的。此產(chǎn)品并可搭配NI GPS工具組，以模擬1~12組GPS人造衛(wèi)星。

完整的GPS測量系統(tǒng)亦應包含多種不同配件，以達最佳效能。舉例來說，外接的固定式衰減器(Attenuator)，可提升功率精確度與噪聲層(Noise floor)的效能。此外，根據(jù)接收器是否支持其直接輸入埠的DC偏壓(Bias)，某些接收器亦可能需要DC阻絕器(Blocker)。下圖即為GPS信號產(chǎn)生的完整系統(tǒng)：