深挖智能汽車(chē)設(shè)計(jì)要素，你知多少？

概況

從波音747客機(jī)的導(dǎo)航操作、汽車(chē)駕駛每天都會(huì)使用的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，到尋寶者要找到深藏于森林某處的寶藏，GPS技術(shù)已經(jīng)迅速融入于多種應(yīng)用中。

正當(dāng)創(chuàng)新技術(shù)不斷提升GPS接收器效能的同時(shí)，相關(guān)的技術(shù)特性亦越來(lái)越完整。時(shí)至今日，軟件甚至可建立GPS波形，以精確仿真實(shí)際的信號(hào)。除此之外，儀器總線(xiàn)技術(shù)亦不斷提升，目前即可透過(guò)PXI儀控功能，以記錄并播放實(shí)時(shí)的GPS信號(hào)。

介紹

由于GPS技術(shù)已于一般商用市場(chǎng)逐漸普及，因此多項(xiàng)設(shè)計(jì)均著眼于提升相關(guān)特性，如：

1)降低耗電量

2)可尋找微弱的衛(wèi)星信號(hào)

3)較快的擷取次數(shù)

4)更精確的定位功能

透過(guò)此應(yīng)用說(shuō)明，將可了解進(jìn)行多項(xiàng)GPS接收器測(cè)量的方法：靈敏度、噪聲系數(shù)、定位精確度、首次定位時(shí)間，與位置誤差。此篇技術(shù)文件是要能讓工程師徹底了解GPS的測(cè)量技術(shù)。對(duì)剛開(kāi)始接觸GPS接收器測(cè)量作業(yè)的工程師來(lái)說(shuō)，可對(duì)常見(jiàn)的測(cè)量作業(yè)略知一二。若工程師已具有GPS測(cè)量的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，亦可透過(guò)此篇技術(shù)文件初步了解新的儀控技術(shù)。此篇應(yīng)用說(shuō)明將分為下列數(shù)個(gè)段落：

1.GPS技術(shù)的基礎(chǔ)

2.GPS測(cè)量系統(tǒng)

3.常見(jiàn)測(cè)量概述

a.靈敏度

b.首次定位時(shí)間(TTFF)

c.定位精確度與重復(fù)性

d.追蹤精確度與重復(fù)性

每個(gè)段落均將提供數(shù)項(xiàng)實(shí)作秘訣與技巧。更重要的是，讀者可將自己的結(jié)果與GPS接收器獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。透過(guò)自己的結(jié)果、接收器的結(jié)果，再搭配理論測(cè)量的結(jié)果，即可進(jìn)一步檢視自己的測(cè)量數(shù)據(jù)。

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)介紹

全球定位系統(tǒng)(GPS)為空間架構(gòu)的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)，本由美國(guó)空軍所研發(fā)。雖然GPS原是開(kāi)發(fā)做為軍事定位系統(tǒng)之用，卻也對(duì)民間產(chǎn)生重要影響。事實(shí)上，您目前就可能在車(chē)輛、船舶，甚至移動(dòng)電話(huà)中使用GPS接收器。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)包含由24組衛(wèi)星，均以L(fǎng)1與L2頻帶(Band)進(jìn)行多重信號(hào)的傳輸。透過(guò)1.57542GHz的L1頻帶，各組衛(wèi)星均產(chǎn)生1.023MchipsBPSK(二進(jìn)制相位鍵移)的展頻信號(hào)。展頻序列則使用稱(chēng)為C/A(coarse acquisition)碼的虛擬隨機(jī)數(shù)(PN)序列。雖然展頻序列為1.023Mchips，但實(shí)際的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸率為50Hz[1].在系統(tǒng)的原始布署作業(yè)中，一般GPS接收器可達(dá)20~30公尺以上的精確度誤差。此種誤差肇因于美國(guó)軍方依安全理由所附加的隨機(jī)頻率誤差所致。然而，此稱(chēng)為選擇性可靠度(Selective availability)誤差信號(hào)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(guò)5公尺，而一般誤差已降至1~2公尺。

不論是L1或L2(1.2276GHz)頻帶，GPS衛(wèi)星均會(huì)產(chǎn)生所謂的“P碼”附屬信號(hào)。此信號(hào)為10.23MbpsBPSK的調(diào)變信號(hào)，亦使用PN序列做為展頻碼。軍方即透過(guò)P碼的傳輸，進(jìn)行更精確的定位作業(yè)。在L1頻帶中，P碼是透過(guò)C/A碼進(jìn)行反相位(Outofphase)的90度傳輸，以確?？捎谙嗤d波上測(cè)得此2種信號(hào)碼[2].P碼于L1頻帶中可達(dá)-163dBW的信號(hào)功率;于L2頻帶中可達(dá)-166dBW.相對(duì)來(lái)說(shuō)，若在地球表面的C/A碼，則可于L1頻帶中達(dá)到最小-160dBW的廣播功率。

GPS導(dǎo)航信號(hào)

針對(duì)C/A碼來(lái)說(shuō)，導(dǎo)航信號(hào)是由數(shù)據(jù)的25個(gè)框架(Frame)所構(gòu)成，而每個(gè)框架則包含1500個(gè)位[2].此外，每組框架均可分為5組300個(gè)位的子框架。當(dāng)接收器擷取C/A碼時(shí)，將耗費(fèi)6秒鐘擷取1個(gè)子框架，亦即1個(gè)框架必須耗費(fèi)30秒鐘。請(qǐng)注意，其實(shí)某些較為深入的測(cè)量作業(yè)，才有可能真正花費(fèi)30秒鐘以擷取完整框架;我們將于稍后討論之。事實(shí)上，30秒鐘僅為擷取完整框架的平均最短時(shí)間;系統(tǒng)的首次定位時(shí)間(TTFF)往往超過(guò)30秒鐘。

為了進(jìn)行定位作業(yè)，大多數(shù)的接收器均必須更新衛(wèi)星星歷(Almanac)與星歷表(Ephemeris)的信息。該筆信息均包含于人造衛(wèi)星所傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)中，，而每個(gè)子框架亦包含專(zhuān)屬的信息集。一般來(lái)說(shuō)，我們可透過(guò)子框架的類(lèi)別，進(jìn)而辨識(shí)出其中所包含的信息[2][7]：

Sub-frame1：包含時(shí)序修正(Clock correction)、精確度，與人造衛(wèi)星的運(yùn)作情形

Sub-frame2-3：包含精確的軌道參數(shù)，可計(jì)算衛(wèi)星的確實(shí)位置

Sub-frames4-5：包含粗略的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)、時(shí)序修正，與運(yùn)作信息。

而接收器必須透過(guò)衛(wèi)星星歷與星歷表的信息，才能夠進(jìn)行定位作業(yè)。一旦得到各組衛(wèi)星的確實(shí)距離，則高階GPS接收器將透過(guò)簡(jiǎn)單的三角表達(dá)式(Triangulation algorithm)回傳位置信息。事實(shí)上，若能整合虛擬距離(Pseudorange)與衛(wèi)星位置的信息，將可讓接收器精確識(shí)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(wèi)星，進(jìn)行3D定位。追蹤人造衛(wèi)星的過(guò)程極為復(fù)雜，不過(guò)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即是接收器將透過(guò)每組衛(wèi)星的距離，估算出自己的位置。由于信號(hào)是以光速(c)，或?yàn)?99，792，458m/s行進(jìn)，因此接收器可透過(guò)下列等式計(jì)算出與人造衛(wèi)星之間的距離，即稱(chēng)為“虛擬距離(Pseudorange)”：

等式1.“虛擬距離(Psedorange)”為時(shí)間間隔(Time interval)的函式[1][4]

接收器必須將衛(wèi)星所傳送的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，才能夠獲得定位信息。每個(gè)衛(wèi)星均針對(duì)其位置進(jìn)行廣播(Broadcasting)，接收器跟著透過(guò)每組衛(wèi)星之間的虛擬距離差異，以決定自己的確實(shí)位置[8].接收器所使用的三角測(cè)量法(Triangulation)，可由3組衛(wèi)星進(jìn)行2D定位;4組衛(wèi)星則可進(jìn)行3D定位。

設(shè)定GPS測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)試GPS接收器的主要產(chǎn)品，為1組可仿真GPS信號(hào)的RF矢量信號(hào)發(fā)生器。在此應(yīng)用說(shuō)明中，讀者將可了解應(yīng)如何使用NI PXI-5671與NI PXIe-5672RF矢量信號(hào)發(fā)生器，以達(dá)到測(cè)量目的。此產(chǎn)品并可搭配N(xiāo)I GPS工具組，以模擬1~12組GPS人造衛(wèi)星。

完整的GPS測(cè)量系統(tǒng)亦應(yīng)包含多種不同配件，以達(dá)最佳效能。舉例來(lái)說(shuō)，外接的固定式衰減器(Attenuator)，可提升功率精確度與噪聲層(Noise floor)的效能。此外，根據(jù)接收器是否支持其直接輸入埠的DC偏壓(Bias)，某些接收器亦可能需要DC阻絕器(Blocker)。下圖即為GPS信號(hào)產(chǎn)生的完整系統(tǒng)：