最实用的GPS接收器测试详解

2016-10-09 09:33:34来源: elecfans
 

  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 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。

  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)」:

  

  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。

  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。
 

 

  记录空气中的 GPS 讯号

  建立 GPS 波形时,其独特又日趋普遍的方式,即是直接从空气中撷取
 

  单一卫星敏感度量测

  在了解敏感度量测的基本理论之后,接着将进行实际量测的各个程序。一般测试系统均是透过直接联机,将模拟的 L1 单一卫星载波送入至 DUT 的 RF 通讯端口中。为了获得C/N 比值,我们将接收器设定透过 NMEA-183 协议进行通讯。在 LabVIEW 中,则仅需串联 3 笔 GSV 指令,即可读取最大的卫星 C/N 值。

  根据 GPS 规格说明,单一 L1 卫星若位于地球表面,则其功率应不低于 -130 dBm [7]。然而,消费者对室内与户外的 GPS 接收器使用需求,已进一步压低了测试限制。事实上,多款 GPS 接收器可达最低 -142 dBm 定位追踪敏感度,与最低 -160 dBm 讯号追踪。在一般作业点 (Operating point) 时,大多数的 GPS 接收器均可迅速持续锁定低于6dB 的讯号,因此我们的测试激发则使用 -136dBm 的平均 RF 功率强度。

  若要达到最佳的功率精确度与噪声水平 (Noise floor) 效能,则建议针对 RF 向量讯号产生器的输出,使用外接衰减。在大多数的案例中,40 dB ~ 60 dB 的外接衰减,可让我们更接近线性范围 (功率 ≥ -80 dBm),妥善操作产生器。由于各组接收器的定位衰减 (Fix attenuation) 均不甚固定,因此必须先行校准系统,以决定测试激发的正确功率。

  在校准程序中,我们可考虑:1) 讯号的峰值平均比 (Peak-to-average ratio)、衰减器各个部分的差异,还有任何接线作业可能的插入损耗 (Insertion loss)。为了校准系统,应先从 DUT 切断联机,再将该联机接至 RF 向量讯号分析器 (如 PXI-5661)。

  Part A:单一卫星校准

  当执行敏感度量测时,RF 功率强度的精确性,实为讯号产生器最重要的特性之一。由于接收器可获得 0 数字精确度的 C/N 值 (如 34 dB-Hz),因此生产测试中的敏感度量测可达 ± 0.5 dB 的功率精确度。因此,必须确保我们的仪控功能至少要达到相等或以上的效能。由于一般 RF 仪控作业是专为大范围功率强度、频率范围,与温度条件所设计,因此在执行基本系统校准时,量测的可重复性 (Repeatability) 应远高于特定仪器效能。下列章节将进一步说明可确保 RF 功率精确度的 2 种方法。

  方法 1:单一被动式 RF 衰减器:

  虽然使用外接衰减,是为了确保 GPS 讯号产生作业可达最佳噪声密度,但实际仅需 20 dB 的衰减,即可确保噪声密度低于 -174 dBm/Hz。当使用 20 dB 的固定板 (Pad) 时,仅需将仪器设定为超过 20 dB 的 RF 功率强度即可。为了达到 -136 dBm 的目标,仪器应程序设计为 -115 dBm (假设 1 dB 的连接线插入损耗),且将 20 dB 衰减器直接连至产生器的输出。则所达到的 RF 功率将为 -136 dBm,但仍具有额外的不确定性。假设 20 dB 的固定板具有 ± 0.25 dB 的不确定性,且 RF 产生器亦于 -116 dBm 具有 ± 1.0 dB 的不确定性,则整体的不确定性将为 ± 1.25 dB。因此,虽然方法 1 最为简单且不需进行校准,但由于系统中的多项组件均未经过校准,因此可能接着发生不确定性。请注意,造成仪器不确定性最主要的原因之一,即为电压驻波比 (Voltage standing wave ratio,VSWR)。因为被动式衰减器是直接连至仪器的输出,所以反射回仪器的驻波即为实际衰减。由于降低了功率的不确定性,因此可提升整体功率的精确性。

  请注意,此处亦使用高效能 VNA 确实量测被动衰减器。透过此量测装置,即可于 ± 0.1 dB 的不确定性之内,决定所要套用的衰减。

  方法 2:经过校准的多组被动衰减器

  校准 RF 功率的第二种方法,即是使用高精确度的 RF 功率计 (高于 ± 0.2 dB 的精确度,并最低可达 -70 dBm) 搭配多款固定式衰减器。因为我们是以固定频率,与相对较小的功率范围操作 RF 产生器,所以可有效修正由产生器造成的任何错误。此外,由于被动衰减器是以固定频率进行线性动作,因此亦可校准其不确定性。在方法 2 中,主要即必须确保产生系统可达到最佳效能,且将不确定性降至最低。此高精确度功率计可达优于 80 dB 的动态范围 (往往为双头式仪器),进而确保最低的量测不确定性。

  透过高精确度的功率计,即可使用 3 种量测作业进行系统校准:1 种用于向量讯号产生器的 RF 功率,另外 2 种量测作业可校准衰减器。为了达到最佳的不确定性,则应设定系统所需的最少量测次数。若要达到 -136 dBm 的 RF 功率强度,则可将 RF 仪器程序设计为 -65 dBm 的功率强度,并使用 70 dB 固定衰减 (假设 1 dB 插入损耗)。为了确实进行 RF 功率强度的程序设计作业,则可透过固定的 Padding 校准实际衰减。校准程序如下:

  1) 将 VSG 程序设计为+15 dBm 功率强度

  可开启 Measurement and Automation Explorer (MAX) 并使用测试面板。透过测试面板以 +15 dBm 产生 1.58 GHz 连续波 (CW) 讯号。

  2) 以高精确度的功率计量测 RF 功率

  使用 RF 功率计,让功率达到仪器功率精确度规格的 +14.78 dBm (或近似值) 之内。

  3) 附加 70 dB 固定式衰减器(30 dB + 20 dB + 20 dB) 与任何必要的连接线

  4) 以高精确度的功率计量测 RF 功率

  将功率计设定为最大平均值 (512),以量测 RF 功率强度。此处的读数为 -56.63 dBm。

  5) 计算 RF 总耗损

  若以 +14.78 dBm 减去 -56.63 dBm,即可在整合了衰减器与连接线之后,确保产生 71.41 dB 的功率耗损。请注意,多款衰减器往往具备最高 ± 1.0 dB 的不确定性。因此量测所得的衰减可能最高达 ± 3.0 dB 的变化。所以校准衰减器更显重要,确保已知衰减可达较低的不确定性。

  根据衰减器与连接线的校准例程,即可确定所需的 RF 功率强度必须达到 -136 dBM。基于前述的 71.41 dB 衰减,必须将 RF 向量讯号产生器设定为 -58.59 dBm 的功率强度。若要确认程序设计过后的功率无误,则可依下列步骤进行:

  6) 直接将功率计附加至 RF 向量讯号产生器

  并移除所有的衰减器与连接线。

  7) 将 RF 产生器设定必要数值,使其最后功率达到-136 dBm。

  而程序设计的数值应为 -58.59 dBm,即由 -136 dBm + 71.41 dB 而得。

  8) 以功率计量测最后功率。

  请注意,所测得的 RF 功率,将因仪器的功率精确度而有所不同。即使测得 -58.59,则实际结果亦将因仪器的不确定性而产生些许变化。

  9) 调整产生器功率直到功率计读出-58.59 dBm

  虽然 RF 产生器可于一定的容错范围内进行作业,但此数值不仅具有可重复性,亦可调整 RF 功率计进行校准,直到得出合适的数值为止。

  透过上述方法,仅需 3 项 RF 功率量测作业,即可决定所需的 RF 功率。因此,假设量测装置具有 ± 0.2 dB 的不确定性,则可得出 – 136 dBm 的功率不确定性将为 ± 0.6 dBm (3 x 0.2)。

  Part B:敏感度量测

  现在校准 RF 量测系统的功率之后,接着仅需进行 RF 产生器的程序设计,将功率强度设定足以让接收器回传最小的 C/N。虽然用于量测敏感度的 RF 功率将因接收器而有所不同,但是接收器 C/N 与 RF 功率的比值,将呈现完美的线性关系。在我们的测试中,可假设所需的 C/N 为 28 dB-Hz 以进行定位。透过等式 12,即可得出接收器 C/N 比值与噪声指数之间的关系。

  

  等式 14. C/N 做为噪声指数与卫星功率的函式

  假设卫星功率稳定,则可发现由接收器回报的 C/N 比,几乎就等于接收器的噪声指数函式。下表显示可达到的多样 C/N 比值。

  

  表6. C/N 为噪声指数的函式

  一般来说,接收器上的 GPS 译码芯片组,将得出定位作业所需的最小 C/N 比值。然而,又必须透过整组接收器的噪声指数,才能决定目前功率强度所能达到的 C/N 比值。因此,当量测敏感度时,必须先了解定位作业所需的最小 C/N 比值。

  其实有多种方法可量测敏感度。如上表所示,RF 功率与敏感度具有直接相关性。因此,可根据现有的敏感度功率强度,量测接收器的 C/N 比值;亦可根据不同的 RF 功率强度,得出系统敏感度。

  为了说明这点,则可注意 RF 讯号功率与 GPS 接收器 C/N 比值,在不同功率强度之下的关系。下方量测作业所套用的激发,即忽略了第一组 LNA 而进行,且接收器的整体噪声指数约为 8 dB。而表7 显示相关结果。

  

  表7. 接收器的 C/N 比值为 RF 功率的函式

  如表7 所示,此量测范例的 RF 功率与 C/N 比值,几乎是呈现完整的线性关系。而若使用高输入功率模拟 C/N 比值,将产生例外情况;接收器报表将出现可能的最大 C/N 值。然而,因为在任何条件下,进行实验的芯片组均不会产生超过 54 dB-Hz 的 C/N 值,所以这些结果均属预期范围之中。

  根据表6中所示 RF 功率与敏感度之间的线性关系,其实仅需针对接收器模拟不同的功率强度,即可进行 GPS 接收器的生产测试作业。若接收器在 -142 dBm 得出 28 dB-Hz 的C/N 值,则亦可于 -136 dBm 得到 34 dB-Hz 的 C/N 值。若特别注重量测速度,则可使用较高的 C/N 值,再从结果中推断出敏感度的信息。

  找出噪声指数

  又根据等式 13 与 14,搭配相关载噪比 (Carrier-to-noise ratio),则可得出接收器或芯片组的噪声指数。亦如下方等式 15 所示。

  

  等式 15. 接收器噪声指数为功率与 C/N 比值所构成的函式。

  而由表7 所示,接收器的噪声指数将直接与 RF 功率强度与载噪比互成比例。根据此关系,我们仅需针对 RF 功率强度与 C/N 进行关联性,即可量测芯片组的噪声指数。而此项量测中请注意,应以 0.1 dB 为单位增加产生器的功率。由于 NMEA-183 协议所得到的卫星 C/N 值,是以最接近的小数字为准,因此在量测接收器 C/N 比值时,应估算噪声指数达 1 位数的精确度。范例结果如图 18 所示。

  

  表8. DUT 功率与接收器 C/N 的关联。

  如表8 所示,若 RF 功率强度处于 -136.6 dBm ~ -135.7 dBm 之间,则其 C/N 比值将维持于 30 dB-Hz。若以舍入法计算 NMEA-183 的数据时,则几乎可确定 -136.1 dBm 功率强度将产生 30.0 dB-Hz 的 C/N 比值无误。透过等式 14,芯片组的噪声指数则为 -174.0 dBm + -136.1 dBm + 30.0 dB-Hz = 7.9 dB。请注意,此计算是根据 2 组不确定性系数而进行:向量讯号产生器的功率不确定性,还有接收器所产生的 C/N 不确定性。

  多组卫星的 GPS 接收器量测

  敏感度量测需要单一卫星激发,而有多项接收器量测需要可仿真多组卫星的单一测试激发。更进一步来说,如首次定位时间 (TTFF)、定位精确度,与精确度降低 (Dilution of precision) 的量测作业,均需要接收器进行定位。由于接收器需要至少 4 组卫星进行 3D 定位作业,因此这些量测将较敏感度量测来得耗时。也因此,多项定位量测作业均于检验与校准作业中进行,而非生产测试时才执行。

  此章节将说明可为接收器提供多组卫星讯号的方法。在讨论 GPS 仿真作业时,亦将让使用者了解 TTFF 与定位精确度量测的执行方法。若是讨论 RF 记录与播放作业,将一并说明应如何在多项环境条件下,校准接收器的效能。

  量测首次定位时间 (TTFF) 与定位精确度

  首次定位时间 (TTFF) 与定位精确度量测,为设计 GPS 接收器的首要检验作业。若您已将多种消费性的 GPS 应用了然于胸,即应知道接收器回传其实际位置所需的时间,将大幅影响接收器的用途。此外,接收器回报其位置的精确度亦甚为重要。

  为了让接收器可进行定位,则应透过导航讯息 (Navigation message) 下载星历与年历信息。由于接收器下载完整 GPS 框架必须耗费 30 秒,因此「冷启动 (Cold start)」的TTFF 状态则需要 30 ~ 60 秒。事实上,多款接收器可指定数种 TTFF 状态。最常见的为:

  冷启动 (Cold Start):接收器必须下载年历与星历信息,才能进行定位。由于必须从各组卫星下载至少 1 组 GPS 框架 (Frame),因此大多数的接收器在冷启动状态下,将于30 ~ 60 秒时进行定位。

  热启动 (Warm Start):接收器的年历信息尚未超过 1 个星期,且不需要其他星历信息。一般来说,此接收器可于 20 秒内得知目前时间,并可进行 100 公里内的定位 [2]。大多数热启动状态的 GPS 接收器,可于 60 秒内进行定位,有时甚至仅需更短的时间。

  热开机 (Hot Start):接收器具备最新的年历与星历信息时,即为热开机状态。接收器仅需取得各组卫星的时序信息,即可开始回传定位位置。大多数热开机状态的 GPS 接收器,仅需 0.5 ~ 20 秒即可开始定位作业。

  在大部分的情况下,TTFF 与定位精确度均与特定功率强度相关。值得注意的是,若能于多种情况下检验此 2 种规格的精确度,其实极具有其信息价值。因为 GPS 卫星每 12个小时即绕行地球 1 圈,所以可用范围内的卫星讯号随时都在变化,也让接收器可在不同的状态下回传正确结果。

  下列章节将说明应如何使用 2 笔数据源,以执行 TTFF 与定位精确度的量测,包含:

  1) 接收器在其布署环境中,透过天线所获得的实时数据

  2) 透过空中传递所记录的 RF 讯号,并将之用以测试接收器所记录的数据

  3) 当记录实时数据后,RF 产生器用于模拟星期时间 (Time-of-week,TOW) 所得的仿真数据用此 3 笔不同的数据源测试接收器,可让各个数据源的量测作业均具备可重复特性,且均相互具备相关性。

  量测设定

  若要获得最佳结果,则所选择的记录位置,应让卫星不致受到周遭建筑物的阻碍。我们选择 6 层楼停车场的顶楼进行测试,以无建物覆盖的屋顶尽可能接触多组卫星讯号。透过GPS 芯片组的多个开机模式,均可执行 TTFF 量测作业。以 SIRFstarIII 芯片组为例,即可重设接收器的出厂、冷启动、热启动,与热开机模式。下方所示即为接收器执行相关测试的结果。

  若要量测水平定位的精确度,则必须根据经、纬度信息进而了解相关错误。由于这些指数均以「度」表示,因此可透过下列等式转换之:

  

  等式 16. 计算 GPS 的定位错误

  请注意该等式中的 111,325 公尺 (111.325 公里),即等于地球圆周的 1 度 (共 360 度)。此指数是根据地球圆周 360 x 111.325 km = 40.077 km 而来。

  Off-the-Air GPS

  请注意该等式中的 111,325 公尺 (111.325 公里),即等于地球圆周的 1 度 (共 360 度)。此指数是根据地球圆周 360 x 111.325 km = 40.077 km 而来。

  

  表9.「Off-the-air」GPS 讯号的 TTFF 与最大 C/N 比值

  根据初始的 「Off-the-air」结果,则可发现 GPS 接收器在标准的 3 秒误差内,可达到 33.2 秒的 TTFF。这些量测结果均位于 TTFF 规格的容错范围内。而更重要的,即是可透过仿真与记录的 GPS 数据,进而比较量测结果与实际结果。

  根据上列线性误差等式,即可计算各次量测的线性标准误差

  

  表10. 由「Off-the-air」GPS 讯号所得的 LLA

  请注意,若要将「Off-the-air」GPS 讯号、仿真讯号,与播放讯号进行相关,则必须先进行「Off-the-air」讯号功率的相关性。当进行 TTFF 与定位精确度量测时,RF 功率强度基本上不太会影响到结果。因此,必须比对「Off-the-air」、仿真,与记录 GPS 讯号的 C/N 比值,即可进行 RF 功率的相关性作业。

  已记录的 GPS 讯号

  虽然可透过实时讯号量测 TTFF 与定位误差,但是这些量测作业往往不可重复;如同卫星均持续环绕地球运行,而非固定不动。进行可重复 TTFF 与定位精确度的量测方式之一,即是使用已记录的 GPS 讯号。此章节将接着说明应如何透过已记录的 GPS 讯号,以进行实时 GPS 讯号的相关作业。

  已记录的 GPS 讯号,可透过 RF 向量讯号产生器再次产生。由于必须播放讯号,则校准 RF 功率强度最简单的方法,即是比对实时与记录的 C/N 值。当获得「Off-the-air」讯号时,则可发现所有实时讯号的 C/N 峰值均约为 47 ~ 49 dB-Hz 之间。

  而播放讯号的功率强度,亦可达到与实时讯号相同的 C/N 值,进而确定其所得的 TTFF 与位置精确度,将可与实时讯号产生相关。在下图 21 中,我们使用的星期时间 (TOW)值与实时「Off-the-air」讯号的 TOW 相近,而在 4 次不同的实验下得到 TTFF 结果。

  

  表11. 由「Off-the-air」GPS 讯号所得的 TTFF

  除了量测首次定位时间之外,亦可量测 GPS 接收器所取得的经度、纬度,与高度信息。下图显示相关结果。

  

  表12. 由「Off-the-air」GPS 讯号所得的 LLA

  从表11与12 中可注意到,其实透过已记录的 GPS 讯号,即可得到合理的可重复 TTFF 与 LLA (Latitude、Longitude、Altitude) 结果。然而,由于这些量测作业的错误与标准误差,仅稍微高于「Off-the-air」量测的误差,因此几乎可将之忽略。因为绝对精确度 (Absolute accuracy) 较高,所以可重复性亦较优于「Off-the-air」量测作业。
 

  仿真的 GPS 讯号

  最后 1 种可进行 TTFF 与定位精确度量测的 GPS 测试讯号来源,即为仿真的多组卫星 GPS 讯号。透过 NI LabVIEW GPS 工具组,即可透过由使用者定义的 TOW、星期数,与接收器位置,仿真最多 12 组卫星。此 GPS 讯号仿真方式的主要优点,即是透过可能的最佳讯噪比 (SNR) 构成 GPS 讯号。与实时/记录的 GPS 讯号不同,依此种方法所建立的可重复讯号,其噪声功率甚小。图 23 即呈现了仿真多组卫星讯号的频域。

  VSA 设定

  Center: 1.57542 GHZz

  Span: 4 MHz

  RBW: 100 Hz

  Averaging: RMS, 20 Average

  

  图 11. 仿真多组卫星 GPS 讯号的带内功率 (Power-in-band) 量测作业

  当透过仿真的多组卫星波形测试接收器时,则可针对接收器所提供的 C/N 比值进行关联,以再次评估所需的 RF 功率。

  一旦能为 RF 功率强度进行关联,则可接着量测 TTFF。当量测 TTFF 时,应先启动 RF 向量讯号产生器。过了 5 秒钟之后,可手动将接收器转为「冷」开机模式。一旦接收器取得定位信息,则将回报 TTFF 信息。下图则呈现仿真 GPS 讯号的相关结果:

  

  表13. TTFF 数值的 4 项专属模拟

  请注意表13中的所有仿真作业均使用相同的 LLA (Latitudes、Longitude,与 Altitude)。

  此外,若要量测 TTFF,我们亦可依不同的 TOW 建立仿真作业,以计算 LLA 的精确度与可重复性。请注意,由于在数个小时之内,可用的卫星讯号将持续变化,因此必须设定多种 TOW 以测试精确度 (如表13)。而表14 则表示其 LLA 信息。

  

  表14. 多项 TOW 仿真作业的水平精确度

  在表14 中,可根据模拟的定位,计算出公尺为单位的水平错误。又如图 20 所示,可透过下列等式找出错误:

  

  等式 17. 仿真 GPS 讯号的定位错误

  而针对我们所使用的接收器而言,其水平定位最大误差为 5.2 公尺,水平定位平均误差为 1.5 公尺。而透过表8 所示,我们所使用的接收器均可达指定的限制之内。

  如先前所述,接收器的精确度,与可用的卫星讯号密不可分。也就是说,接收器的精确度可能在数个小时内大幅变化 (卫星讯号改变),但是其可重复性却极小。为了确认我们的GPS 接收器亦为如此,则可针对特定的模拟 GPS 波形执行多项测试。此项作业主要是必须确认,RF 仪控并不会对仿真的 GPS 讯号产生额外的不确定性。如下方图 26 所示,当重复使用相同的二进制档案时,我们所使用的 GPS 接收器将得到极高可重复性的量测。

  

  表15. 相同波形的各次测试,其误差亦具有极高的可重复性

  回头再看表10,使用仿真 GPS 讯号的最大优点之一,即是可达到可重复的定位结果。由于此特性可让我们确认:所回报的定位信息,并不会因为设计迭代 (Iteration) 而发生变化,因此在开发的设计检验阶段中,此特性格外重要。

  量测动态定位精确度

  GPS 接收器测试的最后 1 种方法,即是量测接收器的追踪功能,使其在大范围的功率强度与速度中维持定位。在过去,此种测试 (往往亦为功能测试) 的常见方法之一,即是整合驱动测试与多路径衰减 (Multi-path fading) 模拟。在驱动测试 (Drive test) 中,我们使用可导入大量讯号减损 (Impairment) 的已知路径,驱动原型接收器。由于驱动测试是将自然减损套用至 GPS 卫星讯号的简单方法,因此这些量测往往亦不可重复。事实上,如GPS 卫星移动、天气条件的变化,甚至年度时间 (Time of year) 的因素,均可影响接收器的效能。

  因此,目前有 1 种逐渐普及的方法,即是于驱动测试上记录 GPS 讯号,以大量讯号减损检验接收器效能。若要进一步了解设定 GPS 记录系统的方法,请参阅前述章节。而在驱动测试方案中,有多款 PXI 机箱可供选择。最简单的方式,即是使用 DC 机箱并以汽车电池进行供电。其次可使用标准的 AC 机箱,搭配转换器即可使用汽车电池供电。在此 2种选项中,DC 机箱的耗电量较低,但亦较难以于实验室中供电。如下列所示的标准 AC 机箱使用结果,其所供电的系统则包含 1 组外接的车用电池,与 1 组 DC to AC 转换器。

  一旦我们完成 GPS 讯号的记录作业,即可透过相同的测试数据重复测试接收器。在下方的说明中,我们追踪接收器的经度、纬度,与速度。透过串行端口与每秒 1 次的 NMEA-183 指令读取速率,从接收器读取所需的数据。在下方量测中,我们所呈现的接收器特性参数,仅有定位与卫星 C/N 值。请注意,在执行这些量测作业的同时,亦可分析其他信息。虽然下列结果中并未量测水平精确度衰减 (Horizontal dilution of precision,HDOP),但此特性参数亦可提供大量的接收器定位精确度信息。

  若要获得最佳结果,则应确实同步化接收器与 RF 产生作业的指令接口。下方所示结果中,我们将 COM 埠 (pin 2) 的数据信道做为开始触发器,以针对RF 向量讯号产生器与GPS 模块进行同步化。此同步化方式仅需任意波形产生器的 1 个频率循环 (100 MS/s),即可进行向量讯号产生器与 GPS 接收器的同步化。因此最大的歪曲 (Skew) 应为 10µS。并请注意,因为我们将取得接收器的经纬度,所以由同步化作业所造成的精确度错误,将为 10µs 乘以 Max Velocity (m/s),或为 0.15 mm。

  使用上述的设定,我们即可按时取得接收器的经纬度。结果即如下图所示:

  

  

  图12. 每 4 分钟所得到的接收器经纬度

  在图12所呈现的数据中,即使用已记录的驱动测试讯号,取得统计、定位,与速度的相关信息。此外我们可观察到,在每次的测试之间,此项信息具有相对的可重复性;即为每个独立轨迹所呈现的差异。事实上,这就是我们最需要的接收器可重复性 (Repeatability)。由于可重复性信息将可预估 GPS 接收器精确度的变化情形,因此我们亦可计算波形各个样本之间的标准误差。在图 29 中,我们在各次同步化取样作业之间,绘出标准的定位误差 (相对于平均位置)。

  

  图 13. 依时间取得的经度与纬度标准误差

  当看到水平标准误差时,可注意到标准误差在 120 秒时快速增加。为了进一步了解此现象,我们亦根据接收器的速度 (m/s) 与 C/N 值的 Proxy,绘出总水平标准误差。而我们预先假设:在没有高功率卫星的条件下,卫星的 C/N 比值仅将影响接收器。因此,我们针对接收器所回传 4 组最高高度的卫星,平均其 C/N 比值而绘出另 1 组 C/N 的Proxy。结果即如下列图 14所示。

  

  图14. 定位精确度与 C/N 值的相关性

  如图14所示,在 120 秒时所发生的峰值水平错误 (标准误差中),即与卫星的 C/N 值产生直接关联,而与接收器的速度无关。此次取样的标准误差约为 2 公尺,且已低于其他取样约 10 公尺的误差。同时,我们可发现前 4 名的 C/N 平均值,由将近 45 dB-Hz 骤降至 41 dB-Hz。

  上述的测试不仅说明 C/N 比值对定位精确度的影响,亦说明了已记录 GPS 数据所能进行的分析作业种类。在此测试中的 GPS 讯号驱动记录作业,是在中国深圳 (Shenzhen) 北方的惠州市 (Huizhou) 所进行。并接着于德州奥斯汀 (Austin Texas) 测试实际的接收器。

  结论

  如整篇文件所看到的,目前已有多项技术可测试 GPS 接收器。虽然如敏感度的基本量测,最常用于生产测试中,但是此量测技术亦可用于检验接收器的效能。这些测试技术虽然各有变化,但是均可于单一 PXI 系统中全数完成。事实上,GPS 接收器均可透过仿真或记录的基频 (Baseband) 波形进行测试。透过整合的方式,工程师可执行完整的 GPS 接收器功能测试:从敏感度到追踪其可重复性。


关键字:GPS接收器  测试详解

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016100917617.html
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