深入解析GNSS打造更高精度、更高效的導(dǎo)航定位

深入解析GNSS，打造更高精度、更高效的導(dǎo)航定位：AndrewBrierley-Green,MaximIntegrated核心產(chǎn)品事業(yè)部資深工程師現(xiàn)在，我們可以通過智能手機(jī)輕松確定位置和方向，如果回想古代探險(xiǎn)家繞著圈子找路，尤其是在遠(yuǎn)離陸地的海上時(shí)，就會(huì)感到現(xiàn)在的導(dǎo)航技術(shù)更加神奇。早期導(dǎo)航依賴于星座，然后利用六分儀測量緯度。到19世紀(jì)末期，天文鐘被廣泛用于天文觀測，以確定海上經(jīng)度。衛(wèi)星進(jìn)入導(dǎo)航應(yīng)用始于1964年，即Transit系統(tǒng)(稱為NAVSAT或NNSS)?，F(xiàn)在，在20,000km高空地球軌道上運(yùn)行的31顆衛(wèi)星組成了美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)，為全球任何持有GPS接收機(jī)的人提供導(dǎo)航。GPS系統(tǒng)的基本原理是衛(wèi)星發(fā)射無線電信號，在地球或接近地球的位置接收。衛(wèi)星在任何時(shí)刻的位置是已知的，根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射無線電信號的傳輸延遲，可計(jì)算出接收機(jī)距離每顆衛(wèi)星的距離或“行程”。知道距離各個(gè)參考點(diǎn)(即衛(wèi)星)的距離后，即可計(jì)算得到接收機(jī)的空間坐標(biāo)。圖1.類似19世紀(jì)末期的航海天文鐘，當(dāng)今的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)幫助我們尋找道路GPS系統(tǒng)包括三個(gè)部分：空間(衛(wèi)星)、控制(地面站)和用戶(接收機(jī))?？臻g部分是衛(wèi)星星座。GPS核心星座為24顆衛(wèi)星組成的基線，每顆衛(wèi)星大約12小時(shí)繞地球一周。該系統(tǒng)有6個(gè)軌道平面，每個(gè)平面4顆衛(wèi)星，以及軌道上的備用衛(wèi)星。在控制部分，地面站負(fù)責(zé)監(jiān)測衛(wèi)星，收集其在軌道上的位置、衛(wèi)星時(shí)鐘誤差以及大氣造成的信號延遲等信息。收集的信息被注入到衛(wèi)星，然后再以導(dǎo)航消息的形式發(fā)送到地面接收機(jī)。衛(wèi)星為定位提供參考點(diǎn)，需要知道衛(wèi)星在地球軌道上的準(zhǔn)確位置。衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)的橢圓軌跡取決于地球引力。而由于月球和太陽的引力作用、太陽輻射壓力以及地球的不均勻密度等因素，存在一定的影響。在估算衛(wèi)星位置時(shí)，為了獲得足夠精度，需要準(zhǔn)確測量軌道攝動(dòng)。GNSS接收機(jī)確定三個(gè)空間坐標(biāo)和接收機(jī)時(shí)鐘偏差。三邊測量定位技術(shù)利用圓和球面的幾何學(xué)，根據(jù)測得的與每顆可見(地平面以上)軌道衛(wèi)星的距離，確定絕對和相對位置點(diǎn)。例如，如果計(jì)算得到與某顆衛(wèi)星的距離為20,450Km，就知道接收機(jī)一定位于以該衛(wèi)星為中心、半徑為20,450Km的球面上的某個(gè)位置。如果計(jì)算得到與第二顆衛(wèi)星的距離為19,760Km，就知道接收機(jī)也一定位于以第二顆衛(wèi)星為中心、半徑為19,760Km的球面上的某個(gè)位置。因此，由于兩個(gè)條件同時(shí)成立，接收機(jī)一定位于兩個(gè)球面的交匯處。根據(jù)幾何學(xué)，兩個(gè)球面的交點(diǎn)是一個(gè)圓，所以這就把接收機(jī)的位置限定在圓上的某個(gè)位置。將本例擴(kuò)展到第三顆衛(wèi)星，即可將位置限定在兩個(gè)圓的交點(diǎn)，即兩個(gè)點(diǎn)。如果其中一個(gè)點(diǎn)是無意義的，例如地球內(nèi)部400Km，那么即可將其排除，接收機(jī)就必定位于另一個(gè)點(diǎn)。衛(wèi)星軌道可通過一組軌道參數(shù)表示。例如橢圓離心率就是其中一個(gè)參數(shù)。如果沒有隨機(jī)攝動(dòng)，可根據(jù)軌道參數(shù)計(jì)算得到衛(wèi)星任何時(shí)刻在軌道上的位置。表示軌道數(shù)據(jù)的通用術(shù)語是星歷。NAV包含星歷，以及獲得星歷數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)間(epoch)。地面監(jiān)測站定期測量每個(gè)衛(wèi)星的星歷，并將該數(shù)據(jù)注入到每顆衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星在NAV中廣播其星歷數(shù)據(jù)和epoch。由于攝動(dòng)的原因，軌道參數(shù)存在一定的不準(zhǔn)確性。所以NAV包括其軌道攝動(dòng)的修正因子。每個(gè)衛(wèi)星發(fā)射一個(gè)唯一的偽隨機(jī)噪聲(PRN)碼，隨機(jī)碼是一個(gè)重復(fù)的序列碼，重復(fù)周期足夠長，具有與真隨機(jī)序列類似的統(tǒng)計(jì)特性。憑借PRN碼，接收機(jī)就能夠?qū)⑿盘柵c衛(wèi)星關(guān)聯(lián)起來。為簡單起見，假設(shè)接收機(jī)知道接收的是哪顆衛(wèi)星的PRN，接收機(jī)即計(jì)算本地產(chǎn)生的PRN副本與接受到的PRN的自相關(guān)函數(shù)。通過重復(fù)移位本地隨機(jī)碼副本并計(jì)算自相關(guān)，接收機(jī)最終將找到最大相關(guān)系數(shù)1.0。為了解析從衛(wèi)星接收的數(shù)據(jù)，接收機(jī)必須將本地隨機(jī)碼副本與接收到的隨機(jī)碼同步。一旦接收機(jī)知道必須將本地測距碼副本移多少位才能獲得與接收代碼的最大相關(guān)系數(shù)，也就知道了信號傳輸延遲(模1ms)。有一個(gè)“1%分辨率”經(jīng)驗(yàn)法則，說明實(shí)測延時(shí)的分辨率可達(dá)到1%。GPSL1C/A碼是最常用的民用GPS信號，所有民用接收機(jī)都能解碼，PRN碼的碼片率為1.023Mcps。相關(guān)處理支持測量延遲精度為1%碼片，對應(yīng)于0.01/1.023x106=9.8ns。在光速下，對應(yīng)的距離精度為2.9m。PRN碼的另一作用是擴(kuò)頻調(diào)制。由于所有衛(wèi)星都同時(shí)以相同的頻率發(fā)射信號，必須有一種方法防止這些信號彼此干擾。所選的PRN碼使任意兩個(gè)碼之間的互相關(guān)系數(shù)非常低。對于兩個(gè)不同的PRN碼，兩者之間的滯后為任意值時(shí)，將這兩個(gè)PRN碼相乘，并對結(jié)果進(jìn)行積分，將產(chǎn)生一個(gè)非常小的值。誤差源計(jì)算與每顆衛(wèi)星的距離時(shí)，只是將無線電波的傳輸延遲與自由空間傳播光速簡單相乘。然而，這并不能提供真正的距離，而只是給出一個(gè)的估算距離：“偽距”。例如，在信號從衛(wèi)星到接收機(jī)的過程中，大部分時(shí)間通過的是自由空間，但也要通過地球的大氣層。相對于信號在自由空間的速度，信號在大氣層的速度將變慢，這就造成計(jì)算的距離存在誤差。為了產(chǎn)生精度足夠高的距離估算值，必須對這些誤差因素進(jìn)行補(bǔ)償。每顆GPS衛(wèi)星都帶有精度非常高的原子鐘。所有衛(wèi)星均同步到“GPS時(shí)間”這一公共時(shí)基。然而，相對于GPS系統(tǒng)時(shí)間，原子鐘存在一定的漂移和偏移。由于距離測量基于時(shí)間測量，時(shí)鐘誤差將引起距離測量誤差。為了進(jìn)行時(shí)間誤差修正，地面站監(jiān)測衛(wèi)星時(shí)鐘相對于GPS時(shí)間的誤差，計(jì)算修正項(xiàng)，并將其注入到衛(wèi)星。隨后將在NAV廣播。接收機(jī)利用從衛(wèi)星接收到的修正項(xiàng)，有效補(bǔ)償衛(wèi)星時(shí)鐘相對于GPS時(shí)間的偏差。另一項(xiàng)較大的誤差源是本地接收機(jī)時(shí)鐘偏差。然而，由于這種偏差是所有從可見衛(wèi)星上接收的信號所共有，可以計(jì)算得到并進(jìn)行補(bǔ)償。三個(gè)空間坐標(biāo)和接收機(jī)時(shí)鐘偏差是接收機(jī)需要求解的4個(gè)變量。所以，準(zhǔn)確定位要求至少4顆衛(wèi)星。電離層誤差來自自由電子的離子化等離子體和帶電原子(離子)，范圍為海拔50至1000Km，由于太陽紫外線的原因，從原子剝離出電子。電離層隨每年季節(jié)、每天時(shí)辰以及在地球上位置的變化而變化。密度通常在中午前后較高，并且地球在其軌道中最接近太陽時(shí)也是如此。更復(fù)雜的是，電離層有多個(gè)層次，各層對信號的影響不同，且各層在一天中也發(fā)生變化。如果某顆衛(wèi)星靠近地平面，信號就必須通過更多的電離層，延遲進(jìn)一步增大。充分利用載頻對無線電波延遲的影響，可解決這種較大的隨機(jī)變化延遲：頻率越高，延遲越小。從同一衛(wèi)星接收的兩個(gè)載波信號將穿過相同的電離層，延遲不同。通過測量延遲差，即可計(jì)算得到絕對延遲。因此，多載波接收可以提供更高精度的電離層延遲測量，有效降低最大距離誤差源。地面控制網(wǎng)絡(luò)利用雙載波技術(shù)定期測量地球上不同地點(diǎn)的電離層延遲，將修正因子注入到衛(wèi)星，然后在NAV消息中廣播到接收機(jī)。如果使用單載波接收機(jī)，則必須依賴于電離層模型，根據(jù)頻率修正電離層延遲。然而，這種方法的精度不是特別高，因?yàn)槟Ｐ屯幻刻旄乱淮?，且最近的地面站可能在?shù)千公里之外。多徑干擾是另一需要解決的誤差源。理想情況下，無線電信號直接沿著從衛(wèi)星到接收機(jī)的視線通路傳輸。但是，尤其對于接近地平線的衛(wèi)星，信號很有可能受到障礙物的反射，例如建筑物和樹木。通過天線設(shè)計(jì)和使用遮蔽角等技術(shù)，可減輕多徑誤差。天線使用垂直接地天線防止接收到地面反射的信號。扼流圈天線可衰減地面反射的信號接觸到垂直接地天線邊緣時(shí)發(fā)生的表面波。遮蔽角忽略地平面上仰角小于某個(gè)角度(通常為15°)的衛(wèi)星，因?yàn)榇祟愋l(wèi)星更容易受多徑干擾。GNSS衛(wèi)星由于其較高速度和高度的原因，如果不進(jìn)行修正，這些影響會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無法使用。在GPS接收機(jī)和智能手機(jī)普及之前，相對論一般并不影響我們的日常生活。根據(jù)愛因斯坦的狹義相對論，當(dāng)運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系接近光速時(shí)，時(shí)間變得越來越慢。將該理論應(yīng)用到衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星以相對于地球的時(shí)鐘高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，衛(wèi)星原子鐘比地球表面的靜止時(shí)鐘“嘀嗒”的慢。可利用洛倫茲變換計(jì)算時(shí)間延展：式中：v=衛(wèi)星速度=4Km/s

c=光速=2.998x108m/s

1/y=相對時(shí)間膨脹=10-10所以，衛(wèi)星時(shí)鐘比地面時(shí)鐘慢大約1010分之一。在一天中，這一差異累積達(dá)到7μs。現(xiàn)在，根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，重力會(huì)使時(shí)間延展，時(shí)鐘在較高重力變慢。將該理論應(yīng)用到衛(wèi)星，我們可以推測，由于衛(wèi)星高度，其重力比地球表面時(shí)鐘重力小，所以其時(shí)鐘走的較快。計(jì)算這種影響的重力時(shí)間延展公式如下：式中：G=萬有引力常數(shù)=6.674x10-11Nm2/Kg2

M=地球質(zhì)量=5.974x1024Kg

c=光速=2.998x108m/s

r=地球質(zhì)心到衛(wèi)星的距離

1/y=相對時(shí)間延展如果我們通過近似來簡化方程并計(jì)算地球表面時(shí)鐘與GPS軌道時(shí)鐘的1/y之差，可得到下式：式中：REarth=地球半徑=6,357,000m

Rgps=GPS衛(wèi)星軌道半徑=20,184x103+REarth=26,541,000m

?=衛(wèi)星和地球上觀測者之間的時(shí)間延展差=5.3x10-10每天累積為45.85μs。衛(wèi)星的速度致使衛(wèi)星時(shí)鐘每天慢7μs，但重力使該時(shí)鐘每天快46μs，所以最終的結(jié)果是每天快38.6μs。GPS衛(wèi)星使用的基頻全部是10.23MHz，其它時(shí)鐘都據(jù)此獲得。例如，GPSL1C/A碼率為該頻率的十分之一，即1.023MHz。為補(bǔ)償時(shí)間延展，衛(wèi)星上使用的基頻被調(diào)諧為10.229999995453MHz，而非10.23MHz。所以，從地球上觀測者的角度看，衛(wèi)星時(shí)鐘的頻率恰好是10.23MHz。偽距中存在一個(gè)有意為之的誤差源。最初，GPS衛(wèi)星特意在發(fā)射粗碼(C/A)信號中增加時(shí)變誤差，以防敵人利用民用GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)精確武器制導(dǎo)。這種特意降低性能的方法被稱為選擇可用性(SA)。SA誤差通常在水平方向?yàn)?0m，垂直方向?yàn)?00m。然而，由于SA誤差對某個(gè)地區(qū)的所有接收機(jī)具有相同的影響，如果我們利用GPS接收機(jī)和某個(gè)已知位置，就能夠估算出SA誤差，并將其發(fā)送給其它接收機(jī)。該技術(shù)稱為差分GPS，該技術(shù)的應(yīng)用造成SA失效，所以SA政策于2000年取消。高精度定位技術(shù)差分GPS(DGPS)提供了一種實(shí)現(xiàn)更高定位精度的方法，這對于測繪、農(nóng)業(yè)和無人駕駛汽車等需要精準(zhǔn)定位的應(yīng)用至關(guān)重要。典型民用GPS接收機(jī)在水平方向可達(dá)到2-5m定位精度，但以上所述應(yīng)用要求亞米級精度。利用DGPS技術(shù)，位于已知固定位置的靜態(tài)參考點(diǎn)接收機(jī)計(jì)算每顆可見衛(wèi)星的偽距，也計(jì)算定時(shí)誤差。通過某種渠道將定時(shí)誤差修正信息發(fā)送給附近的“漫游”接收機(jī)，后者可將修正信息作用到偽距計(jì)算。如果接收機(jī)位于參考點(diǎn)接收機(jī)的幾百公里范圍之內(nèi)，參考接收機(jī)和漫游接收機(jī)接收的信號通過的大氣層相同，所以具有相同的延遲。所有公共誤差源都將被修正(多徑誤差除外，因?yàn)檫@些在接收機(jī)本地)。基于載波的GPS是實(shí)現(xiàn)更高精度的另一途徑。該方法使用無線電載波的相位而非PRN碼來估算距離。利用1%精度經(jīng)驗(yàn)法則，實(shí)測載波相位的分辨率可達(dá)到1%。對于GPSL1C/A碼，載頻為1575.42MHz，波長為19cm，測量分辨率為1.9mm。這種方法的精度如此之高，致使參考接收機(jī)的位置必須考慮地殼構(gòu)造板塊的大陸漂移，為每年幾英寸。為您的設(shè)計(jì)選擇最優(yōu)的GNSS接收機(jī)GNSS接收機(jī)通過處理衛(wèi)星廣播信號，確定用戶位置、速度和準(zhǔn)確時(shí)間(PVT)。如圖2所示，典型GNSS接收機(jī)由以下部分組成：·天線

·外部低噪聲放大器(LNA，可選)，靠近天線位置的低噪聲放大

·SAW濾波器(可選)，用于抑制干擾

·溫補(bǔ)晶振(TCXO)

·RF前端IC，對GNSS信號進(jìn)行放大、下變頻、濾波和采樣

·基帶數(shù)字信號處理器(DSP)，實(shí)時(shí)接收計(jì)算通常在FPGA實(shí)現(xiàn)。DSP輸出NAV位和信息，例如載波相位和碼相位。

·基帶處理器子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)執(zhí)行所有的數(shù)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)、解析NAV消息以及應(yīng)用修正圖2.典型GNSS接收機(jī)結(jié)構(gòu)截至目前，我們在本文中討論的是美國的GNSS。其它國家和地區(qū)開發(fā)的星群包括俄羅斯的GLONASS、歐盟的伽利略、中國北斗和印度IRNSS。每個(gè)星群都擁有自身的信號結(jié)構(gòu)，使用不同的頻帶，當(dāng)然有些是重疊的。表1所示為各種不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。表1：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在評估GNSS接收機(jī)時(shí)，確保首先考慮目標(biāo)應(yīng)用，這將影響您需要的功能以及性能、精度和功耗。例如，如果要求高精度定位，就需要支持多個(gè)頻率和多個(gè)星群的接收機(jī)。Maxim擁有經(jīng)過長期驗(yàn)證的GNSS技術(shù)，被多家世界頂級GNSS公司所采用。Maxim產(chǎn)品既包括GNSSRF前端IC，又包括GNSSLNA。例如，Maxim提供MAX2769——業(yè)界第一款可完全編程的通用GNSS接收器，單芯片即可支持GPS、GLONASS和伽利略系統(tǒng)。作為一次變頻、低中頻(IF)GNSS接收器，MAX2769集成單芯片濾波器，無需外部中頻濾波器，并提供低至1.4dB的總噪聲系數(shù)。也提供汽車級產(chǎn)品MAX2769B。MAX2769C單芯片通用GNSS接收器支持L1/E1、B1和G1波段，支持GPS、伽利略、北斗和GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)。與MAX2769一樣，MAX2769C(圖3所示)也提供低至1