GPS接收器測試

　　概觀
　　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，到尋寶者要找到深藏于森林某處的寶藏，GPS 技術已經迅速融入于多種應用中。

　　正當創新技術不斷提升 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，以精確仿真實際的訊號。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 訊號。

　　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) 可尋找微弱的衛星訊號
　　3) 較快的擷取次數
　　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 接收器量測的方法：敏感度、噪聲系數、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 的量測技術。對剛開始接觸 GPS 接收器量測作業的工程師來說，可對常見的量測作業略知一二。若工程師已具有 GPS 量測的相關經驗，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個段落：

　　1.GPS 技術的基礎
　　2.PS 量測系統
　　3.常見量測概述
        　　a. 敏感度
        　　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項實作秘訣與技巧。更重要的是，讀者可將自己的結果與 GPS 接收器獲得的結果進行比較。透過自己的結果、接收器的結果，再搭配理論量測的結果，即可進一步檢視自己的量測數據。

　　GPS 導航系統介紹
　　全球定位系統 (GPS) 為空間架構的無線電導航系統，本由美國空軍所研發。雖然 GPS 原是開發做為軍事定位系統之用，卻也對民間產生重要影響。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 導航系統包含由 24 組衛星，均以 L1 與 L2 頻帶 (Band) 進行多重訊號的傳輸。透過 1.57542 GHz 的 L1 頻帶，各組衛星均產生 1.023 Mchips BPSK (二進制相位鍵移) 的展頻訊號。展頻序列則使用稱為 C/A (coarse acquisition) 碼的虛擬隨機數 (PN) 序列。雖然展頻序列為 1.023 Mchips，但實際的訊號數據傳輸率為 50 Hz [1]。在系統的原始布署作業中，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) 誤差訊號源，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 (1.2276 GHz) 頻帶，GPS 衛星均會產生所謂的「P 碼」附屬訊號。此訊號為 10.23 Mbps BPSK 的調變訊號，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。在 L1 頻帶中，P 碼是透過 C/A 碼進行反相位 (Out of phase) 的 90 度傳輸，以確保可于相同載波上測得此 2 種訊號碼 [2]。P 碼于 L1 頻帶中可達 -163 dBW 的訊號功率;于 L2 頻帶中可達 -166 dBW。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 -160 dBW的廣播功率。

　　GPS 導航訊號
　　針對 C/A 碼來說，導航訊號是由數據的 25 個框架(Frame) 所構成，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量測作業，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;系統的首次定位時間 (TTFF) 往往超過 30 秒鐘。

　　為了進行定位作業，大多數的接收器均必須更新衛星星歷 (Almanac) 與星歷表 (Ephemeris) 的信息。該筆信息均包含于人造衛星所傳輸的訊號數據中，，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-frame 1：包含時序修正 (Clock correction)、精確度，與人造衛星的運作情形
　　Sub-frame 2-3：包含精確的軌道參數，可計算衛星的確實位置
　　Sub-frames 4-5：包含粗略的衛星軌道數據、時序修正，與運作信息。

　　而接收器必須透過衛星星歷與星歷表的信息，才能夠進行定位作業。一旦得到各組衛星的確實距離，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 組人造衛星，進行 3D 定位。追蹤人造衛星的過程極為復雜，不過簡單來說，即是接收器將透過每組衛星的距離，估算出自己的位置。由于訊號是以光速 (c)，或為 299,792,458 m/s 行進，因此接收器可透過下列等式計算出與人造衛星之間的距離，即稱為「虛擬距離 (Pseudorange)」：