GPS 模擬條件

由於多項產業與應用對精確 GPS 接收器的需求日漸增加，因此若能專注於 GPS 接收器的測試作業，則可讓自己取得競爭先機。

GPS 接收器必須逐一完成各個步驟，以提供精確的位置、時序，與相關錯誤資訊。由於測試步驟均各自獨立，並特別控制訊號減損 (Impairment)，因此使用者可專注進行設計並除錯，以達到最高的本益比。雖然測試可能讓工程師忠實呈現 GPS 接收器的可能環境，卻無法提供太多訊號減損或改善設計的相關資訊。
透過 GPS Simulator，即可完整控制訊號功率強度、都卜勒頻移 (Doppler shift)、星曆誤差 (Ephemeris error)、多路徑衰減、電離層效應 (Ionospheric effect) 等。透過 GPS 訊號模擬，即可個別進行這些減損，或依方案需要進行整合，以針對自己的設計進行除錯。

介紹

只要依 GPS 接收器的處理程序，即可建構設計檢驗的測試作業，以運算出位置的解決方案。

接收器先以將近 -130 dBm 的功率強度、1575.42 MHz 的頻率取得訊號。接著若於單一頻帶中 1 次發出 12 組衛星訊號，且刻意搭配其他干擾訊號，則必須識別出最少 4 組衛星的訊號。一旦正確識別衛星，則接著進行後續可能的傳輸與解調 (Demodulation) 作業。接著會進行多項運算作業，找出各組衛星的正確距離 (虛擬距離，Pseudorange)。接著以三角定位 (Trilateration) 計算出接收器的位置。在上述作業中，任何 GPS 訊號減損均將影響某些甚至全部的步驟，進而影響位置的精確性。

為了確認相關測試條件下的 GPS 接收器效能，目前已可執行完整定義的測試。大多數的相關測試均具備極高的敏感性，且其首次定位時間 (Time to first fix，TTFF) 或後續定位時間 (Time to subsequent fix，TTSF)、位置，與追蹤作業均可達水準以上的精確度。可至線上教學：GPS 接收器測試獲得相關資訊。NI 的 GPS 模擬 (Simulation) 工具組與 GPS Simulator，均可於多種訊號減損條件下執行所有測試。下列章節將說明某些減損現象，如接收器運動所造成的都卜勒頻移、依衛星而有所不同的功率強度，星曆錯誤，與訊號干擾 (Signal jamming)。

都卜勒頻移 (Doppler Shift)

GPS 衛星軌道約位於地球上方 20,200 公里，運行週期約 12 小時以內，且軌道速度將近 3900 m/s。與單純衛星運動相較，此將造成最高約 ±20 kHz 的都卜勒頻移。若整合地球自轉與行動接收器的微小都卜勒頻移，則可能造成新的 GPS 訊號外型，且可依相關條件測試接收器。

透過 NI GPS 模擬 (Simulation) 工具組，即可建立客制化的運動軌跡，以模擬接收器的運動。此種透過傳統驅動測試的模擬作業具備 2 項優點。首先，工程師可模擬速度、高度、緯度，與經度。以德州奧斯汀為例，若直線穿越安地斯山脈 (Andes)，則可得到 500 m/s (約 1100 mph) 的 GPA 接收器效能。其次，工程師亦可消除其他訊號減損，專對訊號進行都卜勒頻移減損，進而提升自己的設計。

若要進一步了解 GPS 模擬工具組的相關軌跡設定功能，可觀看網路研討會：建立客制化的運動軌道。

衛星訊號功率強度

不論是行經樹下、穿越 2 棟摩天大樓，甚至通過隧道，GPS 接收器均必須處理訊號的強弱變化。由於需要至少 4 組衛星才能進行定位，且衛星訊號越多越能編譯出精確位置，因此衛星最好能夠儘可能適應所有環境條件。除了上述情況之外，若能於多通道接收器中個別控制功率強度，則可進行更高階的通道間失真 (Inter-channel biasing) 測試。

NI LabVIEW GPS 模擬 (Simulation) 工具組，即可調整最多 12 組模擬 GPS 訊號的功率強度。透過此彈性，GPS 接收器可傳送訊號至巷弄、地下室，甚或高密度的森林，用於特定測試方案與除錯作業。如上所述，亦可去除額外的減損情形，以評估多通道接收器的效能。

星曆 (Ephemeris) 錯誤

若要進行定位解決方案，GPS 接收器僅需得知與太空中 4 個定點之間的距離。然而，若其中有 1 個定點無法確實傳輸訊號以告知其距離，則此解決方案將產生錯誤。

此問題的起因，即由於星曆資料的傳輸與精確度錯誤所造成。星曆 (Ephemeris) 即衛星的精確軌道資訊。星曆包含所有必要參數，以將衛星的路徑計算為時間函式，並將之表示為平順的弧線。然而，此種預測函式將因時間而產生錯誤，因此星曆資料每 4 個小時均會進行 1 次校準。所以全球控制站亦持續上傳最新的星曆資料至衛星。此外，所上傳的資料可能包含意料之外的錯誤，而衛星的傳輸作業亦可能發生錯誤。

所有情況均將讓接收器發生不同的問題，而這些問題均可透過 GPS Simulator 進行模擬。NI GPS 模擬 (Simulation) 工具組可讓使用者針對所需的專屬測試作業，指定所需的星曆檔案路徑 (RINEX 2.0 格式)。

訊號干擾

不論是刻意或是無意的 GPS 訊號干擾，均將影響定位解決方案。除了能設計運算式以限制多餘的效應之外，在許多案例中，刻意的訊號減損反而更能夠大幅提升受測 GPS 接收器的穩定性。

  若為測試系統新增向量訊號產生器，則可整合使用者自行產生的干擾訊號與乾淨的 GPS 模擬訊號，並隔絕訊號干擾對 GPS 解決方案所造成的影響。NI 模組化儀器與軟體定義的方法，可提供所需的彈性與可調整性，並完美提供予測試系統。若要進一步了解 NI 模組化儀器平台，可至 NI 模組化儀器。

結論

GPS Simulation 可達到除錯與測試作業所需的控制功能，以避免錯誤發生，並提升 GPS 接收器。NI GPS Simulator 與 NI LabVIEW GPS 模擬 (Simulation) 工具組可迅速設計並產生測試系統，以符合相關需求。

若要測試自己的 GPS 設計，則接收器必須進行所有減損，且必須實際運作以了解任何可能的情況。即因如此，NI RF 記錄與播放系統可達到更彈性且可重複的測試作業，讓使用者重現 GPS 接收器可能遇到的實際情形。

整合了這些測試方法之後，即可微調 GPS 接收器的效能，並專注改善系統的錯誤，以達到最高的效能。