GPS接收機(jī)工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀

陳 勖,李爾園

(1.北京安華北斗信息技術(shù)有限公司,北京100084;2.北京合眾思?jí)芽萍脊煞萦邢薰?北京100015)

0 引 言

全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)專門用來接收、解碼和處理GPS衛(wèi)星信號(hào)。根據(jù)用戶的不同需求,GPS接收機(jī)設(shè)備各異,從應(yīng)用角度上可以分為高精度、導(dǎo)航型和授時(shí)型。GPS接收機(jī)可以獨(dú)立存在,比如個(gè)人車載導(dǎo)航設(shè)備(PND),同時(shí)也可以集成嵌入到其他相關(guān)系統(tǒng)中,如帶有導(dǎo)航功能的手機(jī)系統(tǒng)。GPS接收機(jī)分為設(shè)備硬件和數(shù)據(jù)處理軟件兩部分。隨著GPS和GNSS定位導(dǎo)航技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,很多國家都在研制開發(fā)不同要求的接收機(jī)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件[1]。GPS接收機(jī)硬件一般包括主機(jī)、天線和電源,主要是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào),獲得必要的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和定位信息,經(jīng)過簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理后實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位服務(wù)。GPS軟件部分指各種后處理軟件包,主要用于對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精加工,獲得精密定位的結(jié)果。隨著GNSS衛(wèi)星信號(hào)兼容性與互操作性的發(fā)展,多模雙頻型接收機(jī)將成為GPS接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 接收機(jī)工作原理

1.1 接收機(jī)原理

GPS接收機(jī)是用來接收、處理和測(cè)量GPS衛(wèi)星信號(hào)的專門設(shè)備,其主要結(jié)構(gòu)大體可分為天線單元和接收單元兩大部分。如圖1所示,天線單元的主要功能是將GPS衛(wèi)星信號(hào)的非常微弱的電磁波轉(zhuǎn)化為電流,并對(duì)這種信號(hào)電流進(jìn)行放大和變頻處理。而接收單元的主要功能則是對(duì)放大和變頻處理過的信號(hào)電流進(jìn)行跟蹤、處理和測(cè)量。接收機(jī)要完成位置、速度和時(shí)間的(PVT)解算,需要完成以下步驟[2]:

1)衛(wèi)星選擇

接收機(jī)首先確定可跟蹤衛(wèi)星的可見度,以其中一顆為目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,開始衛(wèi)星信號(hào)的捕獲。接收機(jī)可以跟蹤所有可見的衛(wèi)星,進(jìn)行“全景”衛(wèi)星信號(hào)的解算。但考慮到復(fù)雜性、精度和可靠性等綜合因素,一般GPS接收機(jī)只選擇特定的一組衛(wèi)星(至少為4顆衛(wèi)星)進(jìn)行跟蹤。

2)衛(wèi)星信號(hào)捕獲

接收機(jī)使用碼相關(guān)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)捕獲:接收機(jī)生成一個(gè)捕獲信號(hào)的復(fù)制碼,并通過對(duì)復(fù)制碼重新排列,實(shí)現(xiàn)復(fù)制碼與捕獲信號(hào)的對(duì)齊。通常,接收機(jī)使用碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)來跟蹤C(jī)/A碼、P碼信號(hào)和載波頻率。

3)下變頻

通過兩個(gè)中間頻率(IF),將接收到的無線電頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成碼基帶附近的頻率,然后模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器采用同向和正交數(shù)字采樣方式對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行采樣。A/D轉(zhuǎn)換器精確跟蹤衛(wèi)星信號(hào)中的多普勒值,并進(jìn)行移除。

圖1 普通GPS接收機(jī)跟蹤系統(tǒng)原理

4)碼跟蹤

接收機(jī)使用碼跟蹤環(huán)進(jìn)行GPS衛(wèi)星和GPS接收機(jī)間的偽距測(cè)量。從輸入信號(hào)中減去提示碼,便可從導(dǎo)航電文中提取載波,使用載波跟蹤環(huán)中的多普勒測(cè)量值對(duì)復(fù)制碼的中心頻率進(jìn)行調(diào)整,最終得到更精確的偽距測(cè)量值。

5)載波跟蹤和數(shù)據(jù)探測(cè)

接收機(jī)通過調(diào)整頻率合成器來跟蹤衛(wèi)星載波,在碼跟蹤環(huán)的輸出結(jié)果中生成一個(gè)靜止的相位,同向與正交信號(hào)部分分別用來計(jì)算載波的相位及多普勒值。

6)數(shù)據(jù)解調(diào)

載波跟蹤環(huán)鎖定后,接收機(jī)就可以讀取導(dǎo)航數(shù)據(jù)電文。導(dǎo)航電文的每個(gè)子幀都以同步碼開始,同步碼包含在遙測(cè)字(Telemetry Word)中,它使接收機(jī)能夠探測(cè)到每個(gè)子幀的開頭。交接字(Hand over Word,HOW)可以識(shí)別每個(gè)子幀,能幫助接收機(jī)正確地對(duì)子幀數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。

7)P(Y)碼信號(hào)獲取

P(Y)碼無法使用上述的技術(shù)進(jìn)行捕獲。GPS導(dǎo)航電文中的交接字(HOW)主要向用戶提供捕獲P碼和Z計(jì)數(shù)。知道了Z計(jì)數(shù),也就知道了觀測(cè)瞬間在P碼周期中所處的準(zhǔn)確位置,這樣便可快速捕獲P碼。

8)PVT計(jì)算

當(dāng)接收機(jī)搜集到來自四顆衛(wèi)星的偽距測(cè)量值、距離改正數(shù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)時(shí),就可以進(jìn)行導(dǎo)航解算和PVT計(jì)算。接收機(jī)同時(shí)解算四個(gè)偽距方程,其形式如下

公式中的未知量包括接收機(jī)的三維位置X、Y、Z,和時(shí)鐘補(bǔ)償△t。其余的參數(shù)為已知量,其中包括R為偽距,CB為距離改正數(shù),UX、UY、UZ為衛(wèi)星的三維位置。

1.2 連續(xù)接收機(jī)

連續(xù)跟蹤接收機(jī)硬件一般包含五個(gè)通道,可同時(shí)跟蹤四顆衛(wèi)星,另一個(gè)通道用于獲取其他衛(wèi)星信號(hào)相關(guān)數(shù)據(jù)。這類接收機(jī)的特點(diǎn)是復(fù)雜性較高,價(jià)格昂貴,但是能夠提供最好性能的多功能接收機(jī)[2]。多通道接收機(jī)使用第五個(gè)通道讀取新衛(wèi)星的導(dǎo)航(NAV)電文,同時(shí)與另外四個(gè)通道組成雙頻測(cè)量值,進(jìn)行通道延遲差分。專用的跟蹤通道使接收機(jī)能在高動(dòng)態(tài)下保持較高的精度,能夠提供最佳的抗干擾性能,并擁有最短的T TFF(首次定位時(shí)間)。這類接收機(jī)非常適合高動(dòng)態(tài)載體、要求首次定位時(shí)間較短的載體,以及其他一些對(duì)抗干擾性能要求較高的用戶。一般軍用接收機(jī)均為連續(xù)接收機(jī)。

1.3 序貫接收機(jī)

序貫GPS接收機(jī)一般使用一到兩個(gè)硬件通道對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤,每次只跟蹤一顆衛(wèi)星,以時(shí)間參數(shù)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行標(biāo)記,當(dāng)所有四顆衛(wèi)星的偽距測(cè)量工作完成后,就把四個(gè)測(cè)量值組合起來[2]。這種接收機(jī)是目前接收機(jī)中最經(jīng)濟(jì),缺點(diǎn)是它們無法在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下工作,并且首次定位時(shí)間性能(T TFF)也比較最低的。序貫接收機(jī)分為單通道序貫接收機(jī)和雙通道序貫接收機(jī)。單通道序貫接收機(jī)在得到導(dǎo)航解算結(jié)果之前,必須將這四個(gè)偽距測(cè)量值換算到同一個(gè)時(shí)間參考基準(zhǔn)上,這種解算方法限制在低動(dòng)態(tài)或靜止的環(huán)境中。雙通道序貫接收機(jī)主要用于中等動(dòng)態(tài)程度的載體上,例如直升機(jī)和高速鐵路火車上。在首次啟動(dòng)過程中,每個(gè)通道的工作原理與單通道序貫接收機(jī)相同。在獲得了四顆衛(wèi)星信息后,一個(gè)通道專門進(jìn)行導(dǎo)航,而另一個(gè)通道讀取來自每顆衛(wèi)星的導(dǎo)航信息。所有的接收機(jī)通道都被用來執(zhí)行雙頻測(cè)量,進(jìn)行電離層延遲補(bǔ)償及通道延遲差分。

1.4 多元接收機(jī)

多元接收機(jī)在選擇跟蹤的衛(wèi)星時(shí),衛(wèi)星的替換速度較快。它連續(xù)搜集采樣數(shù)據(jù),以維持軟件中二到八個(gè)信號(hào)處理算法,并連續(xù)讀取來自所有衛(wèi)星的導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息[2]。在單通道多元接收機(jī)中,硬件通道的時(shí)間參數(shù)共享,只需要一個(gè)碼產(chǎn)生器和一個(gè)載波合成器就可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的跟蹤。但多元接收機(jī)對(duì)許多衛(wèi)星信號(hào)的載波測(cè)量信噪比(C/N)為10 log(n)dB(n為跟蹤的衛(wèi)星數(shù)量),低于連續(xù)跟蹤接收機(jī)的水平。所以多元接收機(jī)技術(shù)與連續(xù)接收機(jī)相比,其抗干擾性和抗干涉能力較低。

2 GNSS接收機(jī)應(yīng)用類型

2.1 高精度接收機(jī)(測(cè)量型接收機(jī))

高精度接收機(jī)主要用于精密測(cè)量,一般均采用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行相對(duì)定位,通常定位精度可達(dá)到厘米級(jí)甚至更高[3]。近幾年,測(cè)量型接收機(jī)在技術(shù)上取得了重大進(jìn)展,開發(fā)出實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位(RTD)技術(shù)和實(shí)時(shí)相位差分動(dòng)態(tài)定位(RTK)技術(shù)。前者以偽距觀測(cè)量為基礎(chǔ),實(shí)時(shí)提供流動(dòng)觀測(cè)站米級(jí)精度的坐標(biāo);后者以載波相位觀測(cè)量為基礎(chǔ),實(shí)時(shí)提供流動(dòng)站厘米級(jí)精度的坐標(biāo)。RTD主要用于精密導(dǎo)航和海上定位;RTK則主要用于精密導(dǎo)航、工程測(cè)量、三維動(dòng)態(tài)放樣、一步法成圖等許多方面,并成為地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的重要手段。高精度信號(hào)接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通常配備有功能完善的數(shù)據(jù)處理軟件,因此其價(jià)格也比較昂貴。

圖2 多樣化的GPS接收機(jī)類型

2.2 導(dǎo)航型接收機(jī)

導(dǎo)航型接收機(jī)主要用來確定船舶、車輛、飛機(jī)和導(dǎo)彈等運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置和速度,主要目的是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航,即保障運(yùn)動(dòng)載體按照預(yù)定的路線前進(jìn)。這種接收機(jī)采用C/A碼偽距單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位,精度較低(5～10 m),但它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,價(jià)格便宜,應(yīng)用十分廣泛[3]。導(dǎo)航型接收機(jī)又可分為:低動(dòng)態(tài)型、中動(dòng)態(tài)型、高動(dòng)態(tài)型3種。低動(dòng)態(tài)型主要是指車載和船載導(dǎo)航接收機(jī);中動(dòng)態(tài)型是指用于飛行速度低于400 km/h的民用機(jī)載接收機(jī);而高動(dòng)態(tài)型則指用于飛行速度大于400 km/h的飛機(jī)、導(dǎo)彈的機(jī)載接收機(jī),擁有這類接收機(jī)的用戶往往為特許用戶,一般為軍事用戶,并可利用P碼進(jìn)行導(dǎo)航。因此精度較高,可達(dá)2 m左右。

2.3 授時(shí)型接收機(jī)

精密時(shí)間參數(shù)的傳送是導(dǎo)航衛(wèi)星的常見應(yīng)用之一。精密授時(shí)接收機(jī)通常只需要一顆導(dǎo)航衛(wèi)星提供的精密時(shí)間基準(zhǔn)[3]。這類接收機(jī)包含一個(gè)內(nèi)置振蕩器或外接頻率源(銣鐘或者銫鐘)。當(dāng)接收機(jī)跟蹤衛(wèi)星時(shí),衛(wèi)星產(chǎn)生一個(gè)與世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(UTC)同步的參考頻率;如果沒有可視衛(wèi)星,則由內(nèi)置或者外接的頻率源生成參考頻率。接收機(jī)提供單點(diǎn)或者輔助的授時(shí)服務(wù)。一般單點(diǎn)精確定位時(shí)間接收機(jī)提供的時(shí)間精度為100 ns,具有精密時(shí)間和時(shí)間間隔(PPTI)接口的靜止精確定位接收機(jī)能夠提供的UTC精度為50～60 ns。授時(shí)型接收機(jī)主要用于天文臺(tái)或地面監(jiān)測(cè)站進(jìn)行時(shí)間頻標(biāo)的同步測(cè)定。

接收機(jī)的類型如圖2所示。

3 GPS接收機(jī)性能指標(biāo)

接收機(jī)的性能主要是評(píng)估接收機(jī)的位置、速度和時(shí)間(PVT)解算能力。PVT解算的質(zhì)量主要取決于兩個(gè)因素,一個(gè)是可視衛(wèi)星數(shù)量及它們?cè)诳臻g的分布,另一個(gè)是測(cè)量接收機(jī)到衛(wèi)星距離的質(zhì)量[1]。

衛(wèi)星在空中的分布圖形稱為衛(wèi)星幾何圖形。當(dāng)衛(wèi)星穿過接收機(jī)可見的空域時(shí),衛(wèi)星幾何圖形隨著時(shí)間而變化。如果衛(wèi)星的分布在接收機(jī)上空呈四周分布,高度各不相同,這時(shí)候的衛(wèi)星幾何圖形最好,此刻GPS接收機(jī)的PVT解算能力也是最強(qiáng)的。因此只要能夠接收到4顆或以上衛(wèi)星的信號(hào),就可以進(jìn)行PVT的解算。但是如果接收機(jī)上空的能見度較低,接收機(jī)的性能就會(huì)減弱,在這種幾何圖形較差的情況下,接收機(jī)解算出來的精度就比較差[4]。

影響PVT解算質(zhì)量的另一個(gè)因素就是偽距和多普勒測(cè)量的質(zhì)量。主要的誤差源來自導(dǎo)航電文中參數(shù)的誤差、信號(hào)在電離層與對(duì)流層的延遲、多徑效應(yīng)以及接收機(jī)噪聲等。導(dǎo)航電文的誤差取決于空間信號(hào)(SIS)的質(zhì)量,直接影響衛(wèi)星位置和信號(hào)的傳播時(shí)間,目前現(xiàn)代化GPS對(duì)于SIS的完好性采取了多樣化的監(jiān)測(cè)手段,從原來的地面監(jiān)測(cè)擴(kuò)展到空中的衛(wèi)星的自相關(guān)監(jiān)測(cè)[5]。電離層與對(duì)流層產(chǎn)生的延遲一直是接收機(jī)最主要的誤差源,但是隨著L2C和L5衛(wèi)星信號(hào)的廣播,雙頻接收機(jī)設(shè)備大大降低了這方面的誤差。另外,材質(zhì)、結(jié)構(gòu)更好的接收機(jī)天線可以保證多徑效應(yīng)誤差減到最小。

由于GPS衛(wèi)星幾何圖形和測(cè)量誤差是隨時(shí)間和地點(diǎn)變化的,所以接收機(jī)的性能也是動(dòng)態(tài)的。因此GPS接收機(jī)的性能指標(biāo)根據(jù)衛(wèi)星星座情況和接收機(jī)的能力而定。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度規(guī)定,接收機(jī)性能為95%的誤差分布。20世紀(jì)90年代,美國SA(Selective Availability)政策是主要的誤差源,接收機(jī)水平和垂直方向95%誤差的性能指標(biāo)為100 m和156 m,這個(gè)指標(biāo)的條件是基于在世界上任意點(diǎn),天空視野不受任何影響下進(jìn)行的24 h測(cè)量。隨著SA政策的取消,性能指標(biāo)僅僅受衛(wèi)星導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)誤差的影響,稱為空間信號(hào)(SIS)誤差,因此具體性能指標(biāo)如表1。由于目前GPS用戶通常使用差分接收機(jī),所以實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)要比標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)要好[1]。

表1 GPS接收機(jī)性能指標(biāo)

4 GPS接收機(jī)最新發(fā)展動(dòng)向

根據(jù)之前討論的GPS接收機(jī)原理和性能,我們看出直接影響GPS接收機(jī)指標(biāo)的主要因素是衛(wèi)星星座的幾何圖形和衛(wèi)星信號(hào)誤差源。由于近年全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的快速發(fā)展,美國、俄羅斯、歐洲、中國等國家的導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS、GLONASS、Galileo、Compass)日趨完善。接收機(jī)的發(fā)展朝著兼容互操作的方向前進(jìn)。GNSS擁有上百個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星圍繞在地球周圍,很好地解決衛(wèi)星星座幾何圖形的問題。一個(gè)多模接收機(jī)可以同時(shí)接收到若干個(gè)來自不同系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào),從而提高PVT解算能力。另外,隨著GNSS多個(gè)新衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)入導(dǎo)航信號(hào)大家庭,如近期GPS的L5信號(hào)和Galileo的E5a信號(hào)的廣播,雙頻接收機(jī)對(duì)于減少電離層與對(duì)流層產(chǎn)生的誤差有了根本上的改進(jìn)[6]。因此,各國家衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性和互操作性是新一代接收機(jī)發(fā)展的奠基石,GPS接收機(jī)逐步轉(zhuǎn)向GNSS接收機(jī)。

2010年7月,美國和歐洲宣布已經(jīng)聯(lián)手進(jìn)行GPS和Galileo聯(lián)合接收機(jī)的測(cè)試工作。測(cè)試的接收機(jī)類型分為單頻和雙頻接收機(jī),測(cè)試環(huán)境包括空曠的地域和一些典型的城區(qū)(人口數(shù)量大于500萬),其結(jié)果證明多模雙頻接收機(jī)在垂直精度誤差(VPE)和水平精度誤差(HPE)方面都有了提升,接收機(jī)精度指標(biāo)比之前的單系統(tǒng)更加優(yōu)秀。具體的指標(biāo)數(shù)見表2和表3[6]。

表2 多模GPS接收機(jī)垂直精度誤差(VPE)/m

表3 多模GPS接收機(jī)水平精度誤差(HPE)/m

5 結(jié) 論

著重研究了GPS接收機(jī)的工作原理,根據(jù)工作原理GPS接收機(jī)分為連續(xù)接收機(jī),序貫接收機(jī)和多元接收機(jī)。連續(xù)接收機(jī)的定位精度較高,成本較高,適用于軍用接收機(jī);序貫接收機(jī)是對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行逐一跟蹤解碼,定位速度較慢,但是造價(jià)低廉,是民用設(shè)備的首選;多元接收機(jī)在定位速度上比序貫接收機(jī)有了明顯提高,然而抗干擾性和可靠性方面還遠(yuǎn)不如連續(xù)接收機(jī)。另外,根據(jù)GPS接收機(jī)的應(yīng)用需求不同,接收機(jī)還可以分為高精度接收機(jī),導(dǎo)航型接收機(jī)和授時(shí)型接收機(jī)。高精度接收機(jī)主要用于精密測(cè)量服務(wù),其精度可以達(dá)到厘米級(jí);導(dǎo)航型接收機(jī)主要應(yīng)用在交通工具中,對(duì)用戶的路線進(jìn)行計(jì)算,提供最佳導(dǎo)航方案;授時(shí)型接收機(jī)提供精密的時(shí)間基準(zhǔn),在電力系統(tǒng)方面提供服務(wù)。2000年后,美國取消了GPS的SA政策,因此GPS接收機(jī)的性能有了較大的提升,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示其水平誤差和垂直誤差均為10 m左右。隨著GNSS的發(fā)展和完善,各國都在進(jìn)行接收機(jī)的研發(fā),各個(gè)系統(tǒng)的兼容和互操作性可以更好地提高接收機(jī)性能指標(biāo)。美國GPS和歐洲的Galileo系統(tǒng)共同進(jìn)行了多模雙頻接收機(jī)的測(cè)試,從數(shù)據(jù)結(jié)果中看出,聯(lián)合多模(GPS+Galileo)雙頻的接收機(jī)比單頻的GPS接收機(jī)表現(xiàn)得更為優(yōu)秀,垂直和水平誤差更小,因此這一新型接收機(jī)是GPS接收機(jī)未來發(fā)展的趨勢(shì)。

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