國產(chǎn)雙頻測(cè)地型 GPS接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)及其性能

王永泉,趙延平,張文強(qiáng),孫國良

(上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司,上海 200233)

國產(chǎn)雙頻測(cè)地型 GPS接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)及其性能

王永泉,趙延平,張文強(qiáng),孫國良

(上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司,上海 200233)

介紹具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙頻高精度、測(cè)地型 GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方法以及相應(yīng)的性能指標(biāo)。該接收機(jī)核心板的實(shí)現(xiàn)是基于通用射頻器件、具有DSP功能的低成本 FPGA和ARM9微處理器。將其主要性能與采用進(jìn)口OEM板卡的測(cè)地型 GPS接收機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)比較。通過各種環(huán)境下短、中、長(zhǎng)距離的比較試驗(yàn)表明,接收機(jī)的動(dòng)態(tài)精度和初始化時(shí)間等指標(biāo)優(yōu)于同類型的主流產(chǎn)品。該成果對(duì)于北斗二代測(cè)地型接收機(jī)的研制具有積極意義。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng);測(cè)地型;接收機(jī);整周模糊度;實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)

一、引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已進(jìn)入百花齊放、群星爭(zhēng)艷的時(shí)代,同時(shí),我國測(cè)地型 GNSS接收機(jī)的制造也處于蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)[1]。然而,不可否認(rèn)的是,目前所有的國產(chǎn)雙頻高精度GNSS接收機(jī)均依賴于進(jìn)口OEM主板,國內(nèi)主要測(cè)地型 GNSS接收機(jī)廠家,均在利用進(jìn)口OEM板進(jìn)行二次開發(fā)及組裝[2]。

上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司歷時(shí) 4年開發(fā),成功研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙頻高精度測(cè)地型GPS接收機(jī)。該接收機(jī)基于通用射頻器件、具有DSP功能的低成本 FPGA和 ARM9微處理器,實(shí)現(xiàn)了 GPS L1 C/A碼、L1/L2 P碼的捕獲與跟蹤等核心功能;同時(shí),實(shí)現(xiàn)了 RTK必備的參考站和流動(dòng)站數(shù)據(jù)處理軟件[3]。

目前,國外同類產(chǎn)品 OEM板的價(jià)格超過 2 000美元,而集成了更多功能的華測(cè) X90R型接收機(jī)核心主板的制造成本不到 2 000元人民幣,同時(shí)在功耗、精度、初始化速度、可靠性等方面與國外同類產(chǎn)品均具有可比性。這款擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙頻高精度、測(cè)地型 GPS接收機(jī)已經(jīng)在 2009年批量進(jìn)入國內(nèi)外市場(chǎng)。

二、接收機(jī)設(shè)計(jì)概述

目前,主流的一體化雙頻測(cè)地型 GPS接收機(jī)在電子電路上,除必須具有 GPS信號(hào)接收和處理部分之外,還包括差分?jǐn)?shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)、電源,以及藍(lán)牙和 RS232等接口電路。而僅從 GPS信號(hào)處理而言,本研究在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,采用分立集成電路構(gòu)成射頻部分,采用ARM9與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)相結(jié)合構(gòu)成數(shù)字部分,整個(gè)接收機(jī)的總體框圖如圖 1所示。

圖 1 接收機(jī)主板核心部分總體框圖

雙頻 GPS接收機(jī)需要同時(shí)處理帶寬達(dá)20MHz的 GPSL1和L2信號(hào),而市場(chǎng)上目前沒有能滿足這些要求的專用射頻集成電路,所以本研究基于分立集成電路來實(shí)現(xiàn),這也是目前國外同類產(chǎn)品采用的主要方法。該雙頻接收機(jī)將天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器、帶通濾波、一級(jí)變頻、帶通濾波、二級(jí)變頻、AGC、低通濾波后得到零中頻信號(hào),然后在中頻進(jìn)行 A/D采樣,在數(shù)字域內(nèi)完成數(shù)字信號(hào)的下變頻、碼捕獲跟蹤、載波捕獲跟蹤、信號(hào)的解擴(kuò)解調(diào)等處理任務(wù)[4]。

基帶電路完成信號(hào)的數(shù)字化,數(shù)字信號(hào)的頻率變換、提取,偽碼的捕獲、跟蹤,載波的捕獲、跟蹤,擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)解調(diào),以及產(chǎn)生模擬前端AGC控制電平。具體實(shí)現(xiàn)電路有A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字下變頻器、解擴(kuò)、解調(diào)、碼環(huán)誤差提取、載波環(huán)誤差提取、碼環(huán)濾波器、載波環(huán)濾波器、碼NCO、載波NCO、PN碼產(chǎn)生與時(shí)鐘產(chǎn)生等幾部分組成,整個(gè)電路在 Xilinx低成本 FPG A上完成。其中 P2碼的捕獲與跟蹤采用了半無碼的跟蹤方法,并利用 FPG A內(nèi)置的DSP核實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵電路,從而降低了對(duì) FPG A門電路的需求。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,通過雙頻 GPS信號(hào)模擬器測(cè)試表明：接收機(jī)的偽距精度達(dá)到 ±10 cm、載波相位精度達(dá)到了 ±1mm,這些指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品處于同一水平。

雙頻測(cè)地型 GPS接收機(jī)在工作時(shí),還需要通過相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行 RTK解算,從而得到用戶需要的厘米級(jí)成果,其中的關(guān)鍵算法在于在航解算 (on the fly,OTF)整周模糊度[5]。與其他進(jìn)口GNSS接收機(jī)內(nèi)置 RTK算法不同的是,該款接收機(jī)將RTK軟件運(yùn)行在外業(yè)手簿內(nèi)。與接收機(jī)內(nèi)使用的微處理器一樣,手簿內(nèi)采用了主頻 628 MHz的ARM9(PXA271),在觀測(cè) 8顆 GPS衛(wèi)星時(shí),更新一次結(jié)果的計(jì)算時(shí)間最長(zhǎng)為 120 ms。本研究的 RTK算法基于擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn),模糊度分解采用了LAMBDA方法,另外采用了非中心χ2檢驗(yàn)的方法對(duì)OTF結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。整個(gè)算法具有初始化速度快、可靠性高的特點(diǎn)[6]。

將 RTK算法由傳統(tǒng)的在接收機(jī)內(nèi)運(yùn)行改為在外業(yè)手簿內(nèi)運(yùn)行,可以降低接收機(jī)內(nèi)微處理器的運(yùn)算量,從而降低接收機(jī)的功耗。

這款接收機(jī)的主板除擁有通常的OEM板的功能外,還集成了大容量存儲(chǔ)、GPRS/UHF通訊等功能,如圖2所示。

圖2 X90R雙頻GPS接收機(jī)主板

三、性能測(cè)試

將自主研發(fā)的雙頻測(cè)地型 GPS接收機(jī) (X90R)同配置了 Tr imble公司 BD950型雙頻 OEM板的X90D型接收機(jī)、配置了 NovAtel公司 OEMV-2型OEM板的 X90F型接收機(jī)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

1.接收機(jī)內(nèi)部噪聲的零基線檢驗(yàn)

接收機(jī)的內(nèi)部噪聲,主要是由于接收機(jī)硬件電路引起的,其檢驗(yàn)方法通常采用零基線檢驗(yàn)法。

零基線檢驗(yàn)的具體操作是,將同一天線接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)通過功分器分成相位、功率相同的兩路信號(hào),分別輸入兩臺(tái)同類型被測(cè)接收機(jī),觀測(cè)時(shí)間為 1 h。根據(jù)兩臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù),利用相對(duì)定位的原理求解測(cè)距精度。表 1為 X90R、X90D和X90F三種接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平比較[7],結(jié)果表明, X90R的內(nèi)部噪聲與采用進(jìn)口主板的國產(chǎn)接收機(jī)處于同等水平。

表1 接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平 m

2.動(dòng)態(tài) RTK性能的可靠性和精度

RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于求解起始相位整周模糊度,又稱RTK初始化。它要求基準(zhǔn)站 GPS接收機(jī)把觀測(cè)數(shù)據(jù)及已知參考坐標(biāo)實(shí)時(shí)傳輸給流動(dòng)站 GPS接收機(jī),流動(dòng)站快速求解整周模糊度,在觀測(cè)到 5顆或以上衛(wèi)星后,可實(shí)時(shí)求解出毫米/厘米級(jí)的流動(dòng)站動(dòng)態(tài)位置。

本研究在相鄰的兩個(gè)靜止不動(dòng)的點(diǎn)上,分別利用 X90R和 X90F進(jìn)行長(zhǎng)達(dá) 10 h的 RTK測(cè)量,在此期間,接收機(jī)被設(shè)定成每 1 min初始化一次。記錄兩者的結(jié)果,并比較兩者的點(diǎn)位離散分布,如圖 3所示。

由圖 3可見,X90R和 X90F這 10 h的測(cè)量中,均沒有出現(xiàn)模糊度解算錯(cuò)誤的情況,但 X90R的點(diǎn)位分布更集中,精度更高。

初始化時(shí)間是 RTK性能的一個(gè)重要指標(biāo),初始化時(shí)間受電離層、周圍環(huán)境、衛(wèi)星分布等因素的影響。本研究采用 X90F和 X90R接收機(jī)在距離基站不同距離的環(huán)境下比較了兩者的初始化時(shí)間(見表2)。

圖 3 X90F(a)和X90R(b)RTK的精度和可靠性比較

表2 不同距離的初始化時(shí)間s

從表 2可以看出,對(duì)于中、短的測(cè)量條件,由于電離層影響較小,儀器一般都能在 10 s內(nèi)初始化完畢,在中長(zhǎng)基線條件下(超過 30 km),初始化時(shí)間將受到一定的影響。應(yīng)當(dāng)注意的是,表 2的結(jié)果是在電離層不活躍季節(jié)、衛(wèi)星分布較好的情況下測(cè)量的結(jié)果。

RTK的性能除受電離層的影響外,還受到周圍環(huán)境的影響。本研究分別在空曠地帶、高壓線下、小樹林、高樓旁和大樹下等有遮擋和干擾的環(huán)境下進(jìn)行了比較測(cè)試,如表 3所示。

表3 不同環(huán)境下初始化時(shí)間s

從表 3可以看出,對(duì)于空曠地帶、信號(hào)無遮擋的觀測(cè)條件,儀器都能在 5 s內(nèi)初始化完畢;在高壓線下、小樹林中和大樓旁,初始化時(shí)間將受到較大的影響,流動(dòng)站初始化時(shí)間一般在 20～40 s之間,能夠滿足用戶對(duì)快速定位的需求,而在枝葉茂密的大樹下,初始化時(shí)間較長(zhǎng)且沒有可循的規(guī)律,表中未列出。比較結(jié)果表明,X90R在惡劣環(huán)境下的性能不如 X90F,但上述行為結(jié)果會(huì)因?yàn)樾l(wèi)星的分布不同而有很大的差異。

由于BD950為 Trimble公司 5年之前生產(chǎn)的產(chǎn)品,其動(dòng)態(tài)性能與目前市場(chǎng)上的最新產(chǎn)品有一定的差距,所以在本節(jié)測(cè)試中沒有比較其性能。

3.動(dòng)態(tài)定位性能測(cè)試

為檢驗(yàn)雙頻 GPS接收機(jī) RTK的動(dòng)態(tài)性能,對(duì)X90F和 X90R接收機(jī)在滬A9高速上進(jìn)行了實(shí)際跑車對(duì)比測(cè)試,基于同樣的原因,本節(jié)沒有比較 X90D的性能。

跑車起始經(jīng)度、緯度和高程分別為 (東經(jīng)121°21′08.04″、北緯 31°11′05.46″、26.349 m),距基站4 km;終止經(jīng)度、緯度和高程分別高為 (東經(jīng)121°11′42.15″、北緯 31°09′03.09″、25.251 m),距基站20 km,路線總長(zhǎng)度約為 16.354 km。整個(gè)跑車路線出現(xiàn)多處因廣告牌、立交橋等遮擋導(dǎo)致衛(wèi)星全部失鎖,需要重新初始化。測(cè)試過程中,進(jìn)行了多次加減速,最大速度約為 90 km/h,最大加速度約為 3m/s2。

圖 4給出了兩種接收機(jī)動(dòng)態(tài)定位能力比較結(jié)果,其中粗線為固定解的結(jié)果。動(dòng)態(tài)性能測(cè)試表明,X90R在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下,捕獲迅速,跟蹤準(zhǔn)確,具有穩(wěn)定的解算能力。比較X90R和X90F的精度,兩者互差均在允許范圍內(nèi)。圖中,X90F由于數(shù)據(jù)鏈中斷,因此得不到固定解的時(shí)間比 X90R多一些。

圖 4 X90F(a)和 X90R(b)軌跡圖(固定解)

四、結(jié)束語

本文介紹了基于通用射頻器件、FPGA和ARM9微處理器實(shí)現(xiàn)的雙頻測(cè)地型 GPS接收機(jī),并分別與基于 Trimble BD950主板的接收機(jī)、NovAtel OEMV主板的接收機(jī)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。性能測(cè)試結(jié)果表明：X90R的靜態(tài)數(shù)據(jù)質(zhì)量、RTK性能和穩(wěn)定性等主要指標(biāo)均達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平;個(gè)別性能,如不同距離的初始化時(shí)間、不同環(huán)境的初始化時(shí)間甚至優(yōu)于最新的 OEMV主板。目前,自主研發(fā)的雙頻GPS接收機(jī)已可滿足測(cè)地型生產(chǎn)作業(yè)的要求,并已經(jīng)取得了計(jì)量?jī)x器生產(chǎn)許可證。

目前,華測(cè)公司正在研制雙頻測(cè)地型 GPS接收機(jī)的基礎(chǔ)上,研制能同時(shí)接收 GPS/北斗二代信號(hào)的多頻測(cè)地型接收機(jī)。

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Domestic Dual-frequency Geodetic GPS Receiver:I mplementation and Performance

WANG Yongquan,ZHAO Yanping,ZHANGWenqiang,SUN Guoliang

0494-0911(2010)07-0019-04

P245

B

2009-11-30

王永泉(1970—),男,江蘇海安人,博士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)闇y(cè)地型 GPS/GNSS接收機(jī)。