TurboRogue系列GPS接收機(jī)工作原理及特點(diǎn)

1、TurboRogue系列GPS接收機(jī)工作原理及特點(diǎn)夏林元張松波摘要分析了采用互相關(guān)跟蹤技術(shù)的TurboRogue系列GPS接收機(jī)的基本工作原理，主機(jī)的自主式完善性監(jiān)控措施及鐘差的控制方法。同時(shí)為方便應(yīng)用，對(duì)使用中易出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，最后介紹了該系列機(jī)設(shè)計(jì)中的一些特色。GPS這一高效空間定位系統(tǒng)已成為許多新型行業(yè)的生長(zhǎng)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于工程形變監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航、水域測(cè)量、電力調(diào)度等領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星接收機(jī)的定位性能也必隨之得到提高。測(cè)繪信息網(wǎng)主題詞全球定位系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)設(shè)計(jì)接收機(jī)1基本工作原理測(cè)繪信息網(wǎng)GPS這一高效空間定位系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于工程形變監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航、水域測(cè)量、電力調(diào)度等領(lǐng)

2、域。但若要滿足精密形變監(jiān)測(cè)，大地定位的要求，通常需要雙頻雙P碼型接收機(jī)，而且其性能的優(yōu)劣，直接影響到所采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。目前各GPS生產(chǎn)廠家競(jìng)相采用各種技術(shù)改進(jìn)其大地型GPS接收機(jī)的性能，如互相關(guān)技術(shù)、Z跟蹤技術(shù)、相位平滑及超級(jí)C/A碼等。測(cè)繪信息網(wǎng)1.1互相關(guān)跟蹤技術(shù)測(cè)繪信息網(wǎng)在GPS衛(wèi)星實(shí)施AS技術(shù)的情況下，若仍想獲得全波相位觀測(cè)值，GPS接收機(jī)通常采用互相關(guān)跟蹤技術(shù)或Z跟蹤技術(shù)。實(shí)施AS技術(shù)時(shí)，P碼已和保密的W碼相加形成保密的Y碼。互相關(guān)跟蹤技術(shù)利用了調(diào)制在L1和L2載波上的兩個(gè)Y碼(Y1碼和Y2碼)都有相同的結(jié)構(gòu)這一特點(diǎn)，將Y1碼和Y2碼進(jìn)行互相關(guān)處理，從而求得它們的延遲量RY1RY2。

3、由于該量精確地反映了電離層的影響，故可用來提高對(duì)偽距的觀測(cè)精度。TurboRogue系列GPS接收機(jī)在這種互相關(guān)跟蹤方式中還提取相位觀測(cè)值差分量L1L2，從而對(duì)相位值進(jìn)行改正。該機(jī)的29050系列VLSI高速處理芯片產(chǎn)生被跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的復(fù)制碼。信號(hào)的采樣頻率為20.456 MHz，以此頻率采樣的信號(hào)經(jīng)互相關(guān)求和處理后的結(jié)果，被跟蹤環(huán)以50 Hz的速率接收。因此主機(jī)內(nèi)部每秒可獲取50次每顆衛(wèi)星的觀測(cè)值，其經(jīng)過可概略表示為圖1。測(cè)繪信息網(wǎng)測(cè)繪信息網(wǎng)圖1TurboRogue系列接收機(jī)跟蹤信號(hào)流程主機(jī)的29050系列微處理器為可選件，每個(gè)29050系列VLSI芯片可跟蹤和處理4顆衛(wèi)星的信號(hào)。因此，12

4、通道的主機(jī)需要3個(gè)29050系列芯片。測(cè)繪信息網(wǎng)信息網(wǎng)1.2與Z跟蹤技術(shù)的比較Z跟蹤技術(shù)的基本思想是將保密的Y碼分離為P碼和W碼。由于W碼速率遠(yuǎn)低于P碼，主機(jī)將接收到的L1和L2信號(hào)與接收機(jī)的復(fù)制信號(hào)相關(guān)處理后，與互相關(guān)技術(shù)不同之處在于Z技術(shù)將頻帶寬降低到保密碼的帶寬，再估計(jì)低速W碼元是0還是1，從而得到W碼的估值，然后用反向頻率信號(hào)處理法將該估值從接收信號(hào)中減去，消除W碼的大部分影響，得到信噪比較高的觀測(cè)量。而在互相關(guān)技術(shù)中是將兩個(gè)微弱的衛(wèi)星信號(hào)互乘，故所得觀測(cè)量信噪比較低。按TurboRogue系列接收機(jī)的觀測(cè)結(jié)果，無AS時(shí)，P2碼信噪比約為C/A碼的一半，P1碼信噪比在C/A碼和P2碼之

5、間；而有AS時(shí)，P2碼的信噪比降低許多。表1和表2列出了該系列機(jī)兩個(gè)觀測(cè)時(shí)刻觀測(cè)量信噪比情況。表1實(shí)施AS時(shí)觀測(cè)量的信噪比項(xiàng) 目衛(wèi) 星 通 道227191631182829C/A171395729134369819246514P1ASASASASASASASASP26175421675930表2無AS時(shí)觀測(cè)量的信噪比項(xiàng) 目衛(wèi) 星 通 道241213722627C/A12599776718588296327P17575510471407194215P2110783004883022031712自主式完備性監(jiān)控測(cè)繪信息網(wǎng)自主式完備性監(jiān)控(RAIM)系指接收機(jī)能自動(dòng)地實(shí)時(shí)監(jiān)視并判斷標(biāo)記為健康的衛(wèi)星信

6、號(hào)是否出現(xiàn)故障，并在實(shí)時(shí)導(dǎo)航解算中停止利用該衛(wèi)星信號(hào)，直到后續(xù)歷元中經(jīng)不斷監(jiān)視并證實(shí)該衛(wèi)星信號(hào)恢復(fù)正常為止，這對(duì)保證導(dǎo)航的可靠性和安全性十分重要。TurboRogue系列機(jī)每歷元都利用所跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)位及點(diǎn)位精度指標(biāo)，此即相當(dāng)于導(dǎo)航解。若某歷元點(diǎn)位精度指標(biāo)不佳，則作點(diǎn)位測(cè)試計(jì)算，計(jì)算中依次刪除一顆星，直到找到較好精度指標(biāo)值為止，并對(duì)所找到的不健康星作標(biāo)記。當(dāng)鎖定衛(wèi)星數(shù)不夠多(如少于5顆)時(shí)，則不作RAIM解算。此外，該機(jī)還從每顆衛(wèi)星歷書中、衛(wèi)星星歷中以及第24和25頁面的健康狀況位中獲取并評(píng)估衛(wèi)星健康狀況，以綜合評(píng)定衛(wèi)星信號(hào)及射頻健康狀況。圖2RAIM處理基本流程3鐘差控制方法測(cè)繪信

7、息網(wǎng)該系列接收機(jī)在自主式完備性監(jiān)控中除計(jì)算點(diǎn)位、精度外，還計(jì)算出單歷元的接收機(jī)鐘差并據(jù)此鐘差值來調(diào)整內(nèi)部5 MHz的石英晶振頻率，以使鐘差及鐘速維持在較小的數(shù)值上。因此，主機(jī)連續(xù)而準(zhǔn)確地計(jì)算當(dāng)前位置及鐘差的能力如何直接關(guān)系到跟蹤連續(xù)衛(wèi)星的能力，該機(jī)依計(jì)算中對(duì)當(dāng)前點(diǎn)位坐標(biāo)及速率的約束方式不同而將點(diǎn)位分為如下4類。(1) Clock(時(shí)鐘)型：假定點(diǎn)位坐標(biāo)正確無誤并恒定不變(速度為0)，用所觀測(cè)偽距來擬合求定當(dāng)前鐘差及鐘速。此時(shí)鐘改正值表示為：測(cè)繪信息網(wǎng)Vt=a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2式中a1，a2，a3分別表示鐘差，鐘速及鐘速變率；t0為對(duì)應(yīng)于a0的起始時(shí)刻，而擬合方程可表示為：

8、=Ion+trop+cVt-cVs式中Ion和trop為電離層、對(duì)流層改正，而Vs為衛(wèi)星時(shí)鐘改正，c為光速。=-其中=(Xs-X)2+(Ys-Y)2+(Zs-Z)21/2為由衛(wèi)星位置和測(cè)量點(diǎn)位置計(jì)算得出的幾何偽距，此時(shí)Xs，Ys，Zs由星歷計(jì)算，而X，Y，Z是認(rèn)為正確無誤的坐標(biāo)值。測(cè)繪信息網(wǎng)因此，若所給定坐標(biāo)不準(zhǔn)，則算出的鐘差與實(shí)際值相差過大，會(huì)導(dǎo)致難以鎖定衛(wèi)星或鎖定后很快失鎖，因?yàn)樵撓盗袡C(jī)鐘差大于310 s時(shí)需要重新與衛(wèi)星鐘同步。(2) Fixed(固定)型：當(dāng)點(diǎn)位上的天線十分穩(wěn)定，可假定其運(yùn)動(dòng)速度為零時(shí)，對(duì)先驗(yàn)坐標(biāo)值用指數(shù)函數(shù)定權(quán)通過平滑求定當(dāng)前點(diǎn)位及鐘差數(shù)值，所顯示的點(diǎn)位精度由于SA因素

9、影響，并不反映實(shí)際點(diǎn)位精度。與(1)中過程相比較，X、Y、Z此時(shí)并不精確已知，只是其變率為零，在求定當(dāng)前點(diǎn)位及鐘差時(shí)(如歷元i)對(duì)X，Y，Z平滑，即i=Xi-1+X0(1-W)W=akti其中常數(shù)k及a均通過平滑約束條件給定，如初始時(shí)刻t=t0時(shí)，W=1，此時(shí)i=Xi-1，本機(jī)中對(duì)具有一定精度的點(diǎn)，由用戶給定平滑時(shí)間，如取t=24 h時(shí)，W為t=t0時(shí)的一半，即所謂half life定權(quán)。(3) Rover(移動(dòng))型：假定運(yùn)動(dòng)速度為0，用最新同步跟蹤觀測(cè)值計(jì)算點(diǎn)位及鐘差，而不顧及以前的點(diǎn)位結(jié)果和跟蹤數(shù)據(jù)。(4) Kinematic(動(dòng)態(tài))型：對(duì)當(dāng)前點(diǎn)位及速度均不作約束，所求出的點(diǎn)位速度鐘差和加

10、速度均認(rèn)為是當(dāng)前狀態(tài)的反映。因此用戶宜在作業(yè)開始前正確輸入指定點(diǎn)位類型，以利作業(yè)順利進(jìn)行。例如，在常規(guī)控制網(wǎng)作業(yè)中，各點(diǎn)觀測(cè)中點(diǎn)位類型應(yīng)指定為Fixed型，而不應(yīng)輸為Clock或Kinematic等型。主機(jī)調(diào)整晶振時(shí)，首先自動(dòng)確定晶振內(nèi)部的電位值(pot)和晶振頻率的關(guān)系曲線是MONITOR型還是TOYOCOM型。前者pot值隨頻率f上升而上升，后者則相反，然后再調(diào)節(jié)pot值以達(dá)到鐘差控制目的。跟蹤過程中當(dāng)鐘差非常小時(shí)，主機(jī)會(huì)自動(dòng)存入此時(shí)的pot值，以便下次開始跟蹤時(shí)使用。因此，若儀器長(zhǎng)時(shí)間沒有使用，則開始跟蹤時(shí)主機(jī)需要重新采集歷書，計(jì)算并調(diào)整晶振pot值，故需要的同步時(shí)間可能稍長(zhǎng)些。4設(shè)計(jì)特

11、點(diǎn)測(cè)繪信息網(wǎng)該系列GPS接收機(jī)在硬軟件的設(shè)計(jì)中還考慮了以下幾點(diǎn)。(1) C/A碼相位驅(qū)動(dòng)快速反饋：由于C/A碼有較強(qiáng)的信噪比，故當(dāng)信號(hào)減弱時(shí)，只要C/A碼有足夠的信噪比，各通道在較低高度角仍可維持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的鎖定。(2) 鎖相環(huán)中將相位分為原相位(反饋值)的相位殘差(跟蹤誤差)來計(jì)算，并在數(shù)據(jù)采樣間隔時(shí)間內(nèi)進(jìn)行平滑處理，從而得到數(shù)據(jù)歷元上的精確相位值，對(duì)群延量也按此法處理，使觀測(cè)值中的噪聲相關(guān)性得到消除。(3) VLSI芯片中對(duì)信號(hào)均以20 MHz頻率采樣。因此C/A碼延遲量的相關(guān)處理時(shí)間間隔為正常值的十分之一，有助于減弱系統(tǒng)噪聲，提高偽距的觀測(cè)精度。測(cè)繪信息網(wǎng)5結(jié) 語測(cè)繪信息網(wǎng)以上對(duì)TurboRogue系列機(jī)的基本原