概览
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 威廉希尔官方网站 已经迅速融入于多种应用中。正当创新威廉希尔官方网站 不断提升GPS 接收器效能的同时,相关的威廉希尔官方网站 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,仪器总线威廉希尔官方网站 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。
介绍
由于 GPS 威廉希尔官方网站 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。此篇威廉希尔官方网站 文件是要能让工程师彻底了解 GPS 的量测威廉希尔官方网站 。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,亦可透过此篇威廉希尔官方网站 文件初步了解新的仪控威廉希尔官方网站 。此篇应用说明将分为下列数个段落:
GPS 威廉希尔官方网站 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)」:
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interwetten与威廉的赔率体系 1 ~ 12 组 GPS 人造卫星。
完整的 GPS 量测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 讯号产生的完整系统:
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 60 dB 的外接 RF 衰减 (留白,Padding)。固定式衰减器至少可提供量测系统 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 -174 dBm/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) 校准讯号准位,因此固定式衰减器亦可提升功率精确度。虽然仅需 20 dB 的衰减即可符合噪声层的要求,但若使用 60 ~ 70 dB 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。
表1. 不同衰减所需的仪器功率比较
如表1所示,衰减可用于减弱噪声,而不仅限于 -174 dBm/Hz 的热噪声层。
RF 向量讯号产生器
当选择 RF 向量讯号产生器时,NI LabVIEW GPS 工具组可同时支持 NI PXI-5671 与 NI PXIe-5672 RF 向量讯号产生器。虽然此 2 款适配卡可产生 GPS 讯号,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 向量讯号产生器较受到青睐。此 2 款适配卡均具有 6 MB/s 总数据传输率与 1.5 MS/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 2. 包含 NI PXIe 5672 VSG 与 NI PXI-5661 VSA 的 PXI 系统
GPS 工具组可于完整导航讯号期间,建立最长 12.5 分钟 (25 个框架) 的波形。依 6 MB/s 的取样率,则最大档案约为 7.5 GB。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:
PXI 控制器的硬盘 ( 推荐使用 120 GB 硬盘升级)
如 HDD 8263 与 HDD 8264 的外接 RAID 装置
外接 USB 2.0 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 20 MB/s 的连续数据串流作业。因此,任何储存选项均可仿真 GPS 讯号,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 讯号
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 讯号亦需要该项信息。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频波形。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 讯号,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)
表2. 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 基频波形 (自动模式),而其人机接口即如下图所示。
图 3. 简单的范例程序即可建立 GPS 测试波形。
请注意,某些特定量测作业,将决定用户所建立 GPS 测试的文件类型。举例来说,当量测接收器敏感度时,将仿真单一人造卫星。另一方面来说,需要定位作业的量测 (如TTFF 与位置精确度),所使用的 GPS 讯号将仿真多组人造卫星。基于上述需求,NI GPS 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。
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