概略
从波音747客机的导航操作、轿车驾驭每天都会运用的GPS导航体系，到寻宝者要找到深藏于森林某处的瑰宝，GPS技能现已敏捷融入于多种运用中。
合理立异技能不断提高GPS接收器效能的一起，相关的技能特性亦越来越完好。时至今日，软件乃至可树立GPS波形，以准确仿真实践的信号。除此之外，仪器总线技能亦不断提高，现在即可透过PXI仪控功用，以记载并播映实时的GPS信号。
介绍
因为GPS技能已于一般商用商场逐步遍及，因而多项规划均着眼于提高相关特性，如：
1）下降耗电量
2）可寻觅弱小的卫星信号
3）较快的撷取次数
4）更准确的定位功用
透过此运用阐明，将可了解进行多项GPS接收器丈量的办法：灵敏度、噪声系数、定位准确度、初次定位时刻，与方位差错。此篇技能文件是要能让工程师完全了解GPS的丈量技能。对刚开始触摸GPS接收器丈量作业的工程师来说，可对常见的丈量作业略知一二。若工程师已具有GPS丈量的相关经历，亦可透过此篇技能文件开始了解新的仪控技能。此篇运用阐明将分为下列数个阶段：
1.GPS技能的根底
2.GPS丈量体系
3.常见丈量概述
a.灵敏度
b.初次定位时刻（TTFF）
c.定位准确度与重复性
d.追寻准确度与重复性
每个阶段均将供给数项实作诀窍与技巧。更重要的是，读者可将自己的成果与GPS接收器获得的成果进行比较。透过自己的成果、接收器的成果，再调配理论丈量的成果，即可进一步检视自己的丈量数据。
GPS导航体系介绍
全球定位体系（GPS）为空间架构的无线电导航体系，本由美国空军所研制。尽管GPS原是开发做为军事定位体系之用，却也对民间发生重要影响。事实上，您现在就或许在车辆、船只，乃至移动电话中运用GPS接收器。GPS导航体系包括由24组卫星，均以L1与L2频带（Band）进行多重信号的传输。透过1.57542GHz的L1频带，各组卫星均发生1.023MchipsBPSK（二进制相位键移）的展频信号。展频序列则运用称为C/A（coarse acquisition）码的虚拟随机数（PN）序列。尽管展频序列为1.023Mchips，但实践的信号数据传输率为50Hz[1].在体系的原始布署作业中，一般GPS接收器可达20~30公尺以上的准确度差错。此种差错肇因于美国军方依安全理由所附加的随机频率差错所形成的。但是，此称为挑选性牢靠度（Selective availability）差错信号源，已于2000年5月2日撤销。在今日，接收器的最大差错不超越5公尺，而一般差错已降至1~2公尺。
不论是L1或L2（1.2276GHz）频带，GPS卫星均会发生所谓的“P码”隶属信号。此信号为10.23MbpsBPSK的调变信号，亦运用PN序列做为展频码。军方即透过P码的传输，进行更准确的定位作业。在L1频带中，P码是透过C/A码进行反相位（Outofphase）的90度传输，以保证可于相同载波上测得此2种信号码[2].P码于L1频带中可达-163dBW的信号功率；于L2频带中可达-166dBW.相对来说，若在地球表面的C/A码，则可于L1频带中到达最小-160dBW的播送功率。
GPS导航信号
针对C/A码来说，导航信号是由数据的25个结构（Frame）所构成，而每个结构则包括1500个位[2].此外，每组结构均可分为5组300个位的子结构。当接收器撷取C/A码时，将消耗6秒钟撷取1个子结构，亦即1个结构有必要消耗30秒钟。请留意，其实某些较为深化的丈量作业，才有或许真实花费30秒钟以撷取完好结构；咱们将于稍后评论之。事实上，30秒钟仅为撷取完好结构的均匀最短时刻；体系的初次定位时刻（TTFF）往往超越30秒钟。
为了进行定位作业，大多数的接收器均有必要更新卫星星历（Almanac）与星历表（Ephemeris）的信息。该笔信息均包括于人造卫星所传输的信号数据中，，而每个子结构亦包括专属的信息集。一般来说，咱们可透过子结构的类别，从而辨识出其中所包括的信息[2][7]：
Sub-frame1：包括时序批改（Clock correction）、准确度，与人造卫星的运作景象
Sub-frame2-3：包括准确的轨迹参数，可核算卫星的的确方位
Sub-frames4-5：包括大略的卫星轨迹数据、时序批改，与运作信息。
而接收器有必要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的确间隔，则高阶GPS接收器将透过简略的三角表达式（Triangulation algorithm）回传方位信息。事实上，若能整合虚拟间隔（Pseudorange）与卫星方位的信息，将可让接收器准确辨认其方位。
不论是运用C/A码或P码，接收器均可追寻最多4组人造卫星，进行3D定位。追寻人造卫星的进程极为杂乱，不过简略来说，便是接收器将透过每组卫星的间隔，预算出自己的方位。因为信号是以光速（c），或为299，792，458m/s跋涉，因而接收器可透过下列等式核算出与人造卫星之间的间隔，即称为“虚拟间隔（Pseudorange）”：
等式1.“虚拟间隔（Psedorange）”为时刻间隔（Time interval）的函式[1][4]
接收器有必要将卫星所传送的信号数据进行译码，才能够获得定位信息。每个卫星均针对其方位进行播送（Broadcasting），接收器跟着透过每组卫星之间的虚拟间隔差异，以决议自己的的确方位[8].接收器所运用的三角丈量法（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丈量体系
测验GPS接收器的主要产品，为1组可仿真GPS信号的RF矢量信号发生器。在此运用阐明中，读者将可了解应怎么运用NI PXI-5671与NI PXIe-5672RF矢量信号发生器，以到达丈量意图。此产品并可调配NI GPS东西组，以模仿1~12组GPS人造卫星。
完好的GPS丈量体系亦应包括多种不同配件，以达最佳效能。举例来说，外接的固定式衰减器（Attenuator），可提高功率准确度与噪声层（Noise floor）的效能。此外，依据接收器是否支撑其直接输入埠的DC偏压（Bias），某些接收器亦或许需求DC阻绝器（Blocker）。下图即为GPS信号发生的完好体系：
图1.GPS发生体系的程序图
如图1所示，当测验GPS接收器时，往往选用最高60dB的外接RF衰减（留白，Padding）。固定式衰减器至少可供给丈量体系2项长处。首要，固定式衰减器可保证测验激起的噪声层低于-174dBm/Hz的热噪声层（Thermal noise floor）。其次，因为可透过高准确度RF功率计（Power meter）校准信号准位，因而固定式衰减器亦可提高功率准确度。尽管仅需20dB的衰减即可契合噪声层的要求，但若运用60~70dB的衰减，则可到达更高的功率准确度与噪声层效能。稍后将接着评论RF功率校准，而图2抢先阐明衰减对噪声层效能所形成的影响。
图2.不同衰减所需的仪器功率比较
如图2所示，衰减可用于削弱噪声，而不只限于-174dBm/Hz的热噪声层。
RF矢量信号发生器
当挑选RF矢量信号发生器时，NI abVIEW GPS东西组可一起支撑NI PXI-5671与NI PXIe-5672RF矢量信号发生器。尽管此2款适配卡可发生GPS信号，但因为PCI Express总线速度较快，并可马上进行IF等化（Equalization），因而NI PXIe-5672矢量信号发生器较遭到喜爱。此2款适配卡均具有6MB/s总数据传输率与1.5MS/s（IQ）取样率，可从磁盘串流GPS波形。
尽管PXI控制器硬盘可轻松保持此数据传输率，NI仍主张运用外接磁盘进行额定的贮存容量。下图为包括NI PXIe-5672的常见PXI体系：
图3.包括NIPXIe5672VSG与NIPXI-5661VSA的PXI体系
GPS东西组可于完好导航信号期间，树立最长12.5分钟（25个结构）的波形。依6MB/s的取样率，则最大档案约为7.5GB.因为上述的波形档案尺度，一切的波形均可贮存于多款硬盘选项之一。这些波形贮存资源选项包括：
o PXI控制器的硬盘（引荐运用120GB硬盘晋级）
o如HDD8263与HDD8264的外接RAID设备
o外接USB2.0硬盘（已透过Western Digital Passport硬盘进行测验）
上述各种硬盘设定，均可支撑超越20MB/s的接连数据串流作业。因而，任何贮存选项均可仿真GPS信号，并进行记载与播映。在稍后的阶段中，将阐明仿真与记载GPS波形的整合作业，并进行GPS接收器效能的特性参数描绘（Characterization）作业。
树立仿真的GPS信号
因为GPS接收器是透过天线传输数据，并获得卫星星历与星历信息；当然，仿真的GPS信号亦需求该项信息。卫星星历与星历信息，均透过文本文件表明，可供给卫星方位、卫星高度、机器状况，与绕行轨迹的相关信息。此外，在树立波形的进程中M，亦有必要挑选客制参数，如星期时刻（TOW）、方位（经度、纬度、高度），与仿真的接收器速率。以此信息为根底，东西组将自动挑选最多12组人造卫星、核算一切的都卜勒位移（Doppler shift）与虚拟间隔（Pseudorange）信息，并接着发生所需的基带波形。为了可赶快入门，东西组设备程序亦包括典范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，即可树立特定日期与时刻的GPS信号，乃至可回溯数年曾经。请留意，当挑选这些档案时，有必要挑选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，因而当挑选特定时刻与日期时，亦应挑选同1天的档案。下载的星历档案往往为紧缩的“*.Z”格局。因而，在调配运用GPS东西组之前，档案有必要先行解紧缩。
只需运用东西组中的“自动形式（Automatic mode）”，即可包括大多数的GPS模块作业，并可透进程序规划的办法，核算都卜勒与随机间隔信息；当然，此功用亦供给手动形式。在手动形式（Manual mode）中，运用者可单个指定每组人造卫星的信息。图4即显现此2种作业形式所供给的输入参数。
1LLA（longitude，latitude，altitude）
图4.GPS东西组自动与手动形式的默认值
请留意，东西组将依据所指定的星历档案，于或许的数值规模中强制设定GPS的TOW.因而，若挑选的数值超出该星历档案的规模，东西组将自动设定为最接近的数值并提示运用者。“niGPS Write Waveform To File”典范程序即可树立GPS基带波形（自动形式），而其人机接口即如下图所示。
图5.简略的典范程序即可树立GPS测验波形。
请留意，某些特定丈量作业，将决议用户所树立GPS测验的文件类型。举例来说，当丈量接收器灵敏度时，将仿真单一人造卫星。另一方面来说，需求定位作业的丈量（如TTFF与方位准确度），所运用的GPS信号将仿真多组人造卫星。依据上述需求，NIGPS东西组所调配的典范程序，将一起包括单位星与多重卫星仿真功用。
记载空气中的GPS信号
树立GPS波形时，其共同又日趋遍及的办法，便是直接从空气中撷取之。在此测验中，咱们运用矢量信号剖析器（如NI PXI 5661）记载信号，再透过矢量信号发生器（如NI PXIe-5672）发生已记载的信号。因为在记载GPS信号时，亦可撷取实践的信号减损（Impairments），因而在播映信号时，可进一步了解接收器于布署环境中的作业景象。
只需透过极为直接的办法，即可撷取空气中的GPS信号。在RF记载体系中，咱们将适宜的天线与扩大器，调配运用PXI矢量信号剖析器与硬盘，以撷取最多可达数个小时的接连数据。举例来说，1组2TB的RAID磁盘阵列，即可记载最多25个小时的GPS波形。因为此篇技能文件将不会评论串流的特别技能，因而若需求相关典范程序代码，请至：http://www.ni.com/streaming/rf.透过下列阶段，即可了解应怎么针对RF记载与播映体系，设定适宜的RF前端。
不同类型的无线通信信号，均需求不同的带宽、中心频率，与增益。以GPS信号来说，根本体系需求是以1.57542GHz的中心频率，记载2.046MHz的RF带宽。依此带宽需求，至少有必要到达2.5MS/s（1.25x2MHz）取样率。留意：此处的1.25乘数，是依据PXI-5661数字降转换器（DDC）于降频（Decimation）阶段的下降（Roll-off）滤波器所得出。
在下方阐明的测验作业中，咱们运用5MS/s（20MB/s）取样率以撷取完好的带宽。因为规范PXI控制器硬盘即可到达20MB/s或更高的数据流量，因而不需运用外接的RAID亦可将GPS信号串流至磁盘。但是，依据2个理由，咱们仍主张运用外接硬盘。首要，外接硬盘可提高全体的数据贮存量，并记载多组波形。其次，外接硬盘不会对PXI控制器的硬盘形成额定负担。在下方阐明的测验作业中，咱们选用1组USB2.0的外接硬盘。此硬盘为320GB的Western Digital Passport，具有5400RPM的硬盘转速。在咱们的测验作业中，一般读取速度约落在25~28MB/s.因而该款硬盘可一起用于GPS波形数据串流的仿真（6MB/s）与记载（20MB/s）作业。
GPS信号记载作业最为特别之处，便是挑选并设定适宜的天线与低噪声扩大器（LNA）。透过一般被动式平面天线（Passive patch antenna），即可于L1GPS频带中发现介于-120~-110dBm的常见峰值功率（此处为-116dBm）。因为GPS信号的功率强度极小，因而有必要进行扩大作业，以使矢量信号剖析器可撷取卫星信号的完好动态规模。尽管有多个办法可将适宜的增益强度套用至信号，不过咱们发现：若运用自动式GPS天线调配NIPXI-5690前置扩大器（Pre-amplifier）时，即可到达最佳作用。若串联2组各可达30dB增益的LNA，则总增益则可到达60dB（30+30）。因而，矢量信号剖析器可测得的峰值功率，将从-116dBm提高至-56dBm.下图即为该项设定的典范体系：
图6.GPS接收器与串联的LNA.
请留意，记载操作体系的必备组件之一，即为自动式GPS天线。自动式（Active）GPS天线，包括1组平面天线与1组LNA.此款天线一般均需求2.5V~5V的DC偏压电压，并仅需约$20美金即可购买现成产品。为了简略起见，咱们运用1组天线调配1组SMA接头。咱们将于下列阶段中看到，在RF前端的第一组LNA噪声图形极为重要；该图形将可承认进行记载作业的仪控，是否对无线信号构成最低噪声。亦请留意，图6中的矢量信号剖析器为简化图标。实践的PXI-5661为3阶段式超外差（Super-heterodyne）矢量信号剖析器，较杂乱于图中所示。
若将60dB套用至无线信号中，则可于L1中得到约-60~-50dBm的峰值功率。若以扫频（Swept spectrum）形式设定VSA并剖析全体频谱，则亦将发现L1频带（FM与移动电话）之外的带中功率（Power in band），其强度将高于GPS信号。但是，带外（Out-of-band）信号的峰值功率一般均不会超越-20dBm，且将透过VSA的多组带通（Band pass）滤波器之一进行滤波作业。若要检视记载设备的RF前端是否到达应有功率，最简略的办法之一即为敞开RFSA演示面板的典范程序。透过此程序，即可于L1GPS频带中出现RF频谱。图7即为常见的频谱。请留意，此频谱截图是透过GPS中心频率于室外所得。自动式GPS天线与PXI-5690前置扩大器，可到达60dB的总增益。
中心频率：1.57542GHz
展频（Span）：4MHz
RBW：10Hz
均匀：RMS、20Averages
图7.仅透过极小的分辨率带宽（RBW），才可于频谱中出现GPS
此处运用前面所说到的RF记载与播映LabVIEW典范程序；设定-50dBm的参阅准位、1.57542GHz中心频率，与5MS/s的IQ取样率。下图即显现设置典范的人机接口：
图8.RF记载与播映典范的人机接口。
GPS信号的最长记载时刻，将依据取样率与最大贮存容量而定。若运用2TB容量的Raid磁盘阵列（Windows XP所支撑的最大磁盘），将可透过5MS/s取样率记载最多25个小时的信号。
