關於 GPS 天線與纜線 – 你必須知道的事
- fuh911
- 2月24日
- 讀畢需時 6 分鐘
全球定位系統（Global Positioning System – GPS）是由24顆持續繞地球運轉的衛星所組成的全球無線電導航系統（Radio-Navigation System）。每顆GPS衛星上都有數個原子鐘（Atomic Clock），與美國海軍天文台（U.S. Naval Observatory - USNO）提供的世界時間（Universal Time Coordinated - UTC）精確同步。每顆衛星都會發送編碼的訊號（Coded Signal），其中包含衛星的精確時間和位置。所有GPS接收器都使用天線來接收這些訊號。透過使用針對時間而非位置進行最佳化的GPS接收器，可獲得與衛星原子鐘同步，極為精確的時間。
GPS衛星所發出的訊號是在L1波段（1575.42 MHz）的「半可見（Semi-Visible）」頻譜中運作，最低訊號強度為-162.0 dBW。由於訊號強度非常低，GPS天線必須能夠「看見」天空才能取得訊號。實際上，天線必須能清楚的看到天空，因此必須安裝在屋頂上，或在某些情況下安裝在窗戶上。天線相對較小（咖啡杯大小或更小），通常透過同軸電纜（Coaxial Cable）連接至GPS接收器（Receiver）。
由於GPS訊號非常微弱，因此天線通常會放大（Amplify）訊號，使其透過電纜傳送到接收器。然而，天線電纜會產生一些阻力，GPS訊號的強度會隨著電纜的傳輸而衰減。GPS接收器的靈敏度是有限的，如果纜線太長，訊號會太弱而無法被接收器偵測到。因此，事先了解天線與接收器之間的距離非常重要，如此才能安裝適當的纜線解決方案。
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放置與安裝
GPS授時接收器（Timing Receiver）使用兩種基本天線類型：屋頂安裝和窗戶安裝。安裝在屋頂的天線適用於精確度較高的GPS時鐘，因為至少要有三顆衛星一直在視線範圍內，才能維持授時的精確度（通常是納秒（Nanosecond）到UTC）。安裝在窗戶上的天線適用於網路時間伺服器（Network Time Server），網路時間伺服器的運作精確度較低（通常是微秒（Microsecond），或在某些情況下，低至毫秒（Milliseconds）到UTC），並且可在只有一顆間歇性衛星在視線範圍內的情況下運作。
安裝在屋頂上的天線總是比較好，因為其位置讓它擁有最佳的天空視野。屋頂天線的另一個變化型是用於長距離電纜的GPS下/上轉換器（Down/Up Converter）。這是一種特殊的GPS天線，可接收GPS訊號並將其向下轉換為較低的頻率，然後再傳送至纜線。在GPS接收器旁有一個上行轉換器，可將訊號轉換回原始頻率，再傳送至GPS接收器。這個過程對GPS接收器是透明的（Transparent）。
屋頂天線安裝
為屋頂天線選擇安裝位置時，請尋找能360度完全看見地平線的戶外位置。在大多數情況下，這表示將天線設置在盡可能高的位置，例如：屋頂上。任何障礙物都可能會阻擋衛星訊號，因而降低裝置效能。訊號受阻會增加擷取衛星的時間，或完全無法擷取。
屋頂天線隨附一個短的安裝桅桿和軟管夾具，可將天線安裝在電線桿或建築物頂端。天線安裝桅桿和管夾非常適合將天線固定在貼在屋頂的通風管或桅桿上。桿子必須堅硬，能夠承受大風而不會彎曲。
典型的屋頂天線安裝
GPS接收器可能會受到稱為多重路徑（Multipath）的反射GPS訊號的干擾。多重路徑干擾是由與直接訊號不同相位的反射訊號傳到天線所造成的。這種干擾在地平線上10到20度的低仰角時最為明顯。可將桅杆/天線的高度向上延伸，以防止多重路徑干擾。天線也應距離反射面至少1~2公尺（3~6呎）。
窗戶天線安裝
窗戶安裝天線僅適用於擁有適當版本韌體的網路時間伺服器產品。在窗戶安裝天線時，最好使用能看到最佳天空的窗戶。對於有同等視野的窗戶，最好選擇面向赤道的方向。一般而言，朝向赤道的窗戶，會比遠離赤道的窗戶能看到更多衛星；朝東或朝西的窗戶也能使用。雖然面向極地的窗戶也可使用，但一般而言並非首選。無論朝向那個方向，天空視野最佳的窗戶總是首選。
將天線安裝在窗台上方，而非窗戶頂端。這將會改善從天線到天空的向上可見度。請注意，某些窗戶玻璃的表面處理，可能會降低或阻擋GPS訊號，使時間伺服器無法取得時間。
室內安裝可能有問題
如果你的GPS天線位置不正確，障礙物可能會阻擋訊號接收。請嘗試尋找無遮擋的天空。在某些情況下，可以將隨附的基本天線放置在窗戶旁邊。然而，在大多數情況下，要有良好的接收效果，就必須在建築物外安裝標準天線，也許安裝在屋頂上。系統雖有可能會在室內和某些障礙物之下運作，但這只能透過嘗試和錯誤來判斷，最終才能成功安裝。
纜線規劃/選項
天線佈線解決方案通常會因天線的安裝位置，距離GPS接收機的遠近而有所不同。45公尺（150呎）是許多GPS授時接收器的纜線長度限制。增加GPS線上放大器（In-Line Amplifier），可讓纜線長度再增加45公尺（150呎）。超過90公尺（300呎）時，可使用其他方法。下圖顯示纜線長度及可實現這些長度的天線解決方案。
纜線延遲（Cable Delay）
GPS定位以及精確的UTC時間，是在天線接收GPS訊號時決定的。由於天線通常是透過纜線連接至GPS授時接收器，因此訊號透過纜線的傳播延遲會導致接收器所計算的時間略微落後於UTC。在具有納秒和微秒精度的GPS時鐘中，這是一個關鍵因素。在網路時間伺服器等產品中，纜線延遲並不重要，因為IP網路上的時間傳輸，會將時間降級至毫秒級。
纜線延遲是纜線類型的函數。例如，RG-59纜線通常會延遲1.24 ns/ft。對於50呎的纜線（15公尺），延遲為62奈秒。將GPS接收機內的天線訊號推前，可消除纜線延遲。在這個範例中，將訊號推前+62奈秒就可消除所有的纜線延遲。GPS下降/上升轉換器等解決方案，也會引入訊號延遲，但此延遲也可透過調整訊號來消除。所有具有納秒或微秒授時精確度的精密GPS授時接收器都具有補償纜線延遲的能力。
避雷器（Lightning Arrestor）
線上避雷器（In-line Lightning Arrestor）安裝在天線與電纜進入建築物的點之間的低阻抗接地線上。除了接地線外，它們不需要額外的電源或接線。
線上放大器（In-Line Amplifier）
線上放大器透過放大GPS訊號克服訊號衰減的問題，可增加45 公尺（150呎）的電纜長度。線上放大器可直接與天線電纜連接，並使用與天線相同的電源，無需額外接線。
GPS 下 / 上 轉換器
GPS訊號下/上轉換器（Down/Up Converter）可讓纜線長度達75公尺至457公尺（250至1500呎）。GPS訊號向下轉換需特殊的GPS天線及相對應的訊號向上轉換器。天線模組將訊號向下轉換為不易衰減的較低頻率，並將訊號傳送至向上轉換器。向上轉換器則將訊號恢復成接收器的正常GPS訊號頻率。下/上轉換過程，對GPS接收機而言是透明的。與任何精確的GPS授時接收器一樣，接收器只需輸入纜線延遲和向下轉換延遲。電源由GPS接收器提供。如果是匯流排級（Bus-Level）GPS接收器，則需要使用外部電源。值得注意的是，用於GPS下/上轉換的纜線與標準纜線不同。
光纖連結（Fiber Optic Link）
光纖連線可作為天線與GPS接收器設備之間的透明連結。這些連結消除了銅纜系統（Copper System）的限制，使傳輸距離更長，同時保留最高等級的訊號品質。除此之外，光纖還能提供其他幾項顯著的網路優勢，包括簡化網路設計、易於安裝，以及抗EMI/RFI和雷擊。
進階規劃
預先估計從GPS天線到接收器的纜線長度，對於任何計畫中的安裝而言，都是非常值得花費的時間。太短或太長的纜線都會造成問題。在某些情況下，增加一個線上放大器和一些額外的纜線，可能是一個快速且經濟的解決方案。在其他情況下，可能需要改裝GPS下/上轉換器，這將需要安裝不同類型的纜線。
請記住，因高估纜線長度而在天花板上剩餘的一些額外纜線並非一定就是壞事。只要你知道纜線的總長度，就可將纜線延遲計算在內，並維持計時的精確度。
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