實用高精度GPS算法研究及A12 OEM板接收機(jī)設(shè)計

實用高精度GPS算法研究及A12OEM板接收機(jī)設(shè)計

王海英1，王峰波1，陳國軍2時間:2008年05月07日

字體:大中小

關(guān)鍵詞:<"cblue""/search/?q=差分"target='_blank'>差分<"cblue""/search/?q=定位精度"target='_blank'>定位精度<"cblue""/search/?q=單點"target='_blank'>單點<"cblue""/search/?q=數(shù)據(jù)處理"target='_blank'>數(shù)據(jù)處理<"cblue""/search/?q=測量精度"target='_blank'>測量精度

摘要：論述了<"cblue""/search/?q=差分"title="差分">差分GPS算法模型。通過算法比較，確定了將雙差算法模型作為高精度<"cblue""/search/?q=數(shù)據(jù)處理"title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理軟件的解算模型。在此基礎(chǔ)上，給出了通過已知坐標(biāo)解算出未知坐標(biāo)的全過程,設(shè)計了以A12OEM板為核心的GPS接收系統(tǒng)。實驗測量結(jié)果表明，此GPS接收系統(tǒng)可以實現(xiàn)高精度的定位。

關(guān)鍵詞：差分GPS基線解算A12OEM板外圍電路

GPS利用最簡單的C/A碼定位，精度可達(dá)到14米。美國為了防止別的國家把GPS用于軍事目的，采用SA政策，人為地將誤差引入衛(wèi)星時鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，故意降低GPS的<"cblue""/search/?q=定位精度"title="定位精度">定位精度。近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者在研究GPS定位精度方面取得了重大進(jìn)展。利用載波相位差分技術(shù)可以進(jìn)行高精度定位，將動態(tài)精度提高到厘米級，而靜態(tài)精度甚至可以提高到毫米級。載波相位差分技術(shù)應(yīng)用雙差算法來實現(xiàn)坐標(biāo)的解算，可以有效地消除星鐘誤差和星歷誤差，更重要的是它可以消除接收機(jī)的收鐘誤差。因此顯著地提高了定位精度。

GPS通過數(shù)據(jù)處理來提高精度的同時，接收機(jī)的硬件對精度也有著直接的影響。而GPS-OEM板是封裝極其簡單、便于二次開發(fā)的GPS傳感器，能完成GPS主要數(shù)據(jù)采集以及簡單的定位解算功能；通過對外圍電路的設(shè)計，再聯(lián)系自開發(fā)的數(shù)據(jù)后，處理軟件可得到高精度的定位。

本文以載波相位差分為例，討論靜態(tài)高精度差分算法模型及數(shù)據(jù)處理方法，設(shè)計了以A12OEM板為核心的低成本高精度GPS接收系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括電源、系統(tǒng)設(shè)置電路、通信和時間標(biāo)志信息輸出等外圍電路。試驗結(jié)果證明，該GPS接收系統(tǒng)<"cblue""/search/?q=測量精度"title="測量精度">測量精度達(dá)到毫米級。

1高精度GPS算法

[1]

利用載波相位進(jìn)行測量，就其本身而言，測量精度可達(dá)0.5～2.0mm。然而GPS測量會受到多種誤差的影響，如衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響。為了提高定位精度，有必要研究各種誤差規(guī)律，建立改正模型對其進(jìn)行改正。但由于這種改正往往難以完全正確地反映規(guī)律，所以，觀測值中仍然存在殘余影響。雖然可通過在觀測方程中加入相應(yīng)的附加參數(shù)來消除其影響，然而大量的多余未知參數(shù)不但增加了平差計算的工作量，而且還影響定位未知參數(shù)的可靠性。一種簡單有效消除或減弱誤差影響的方法是將這些觀測量進(jìn)行不同的線性組合。

在GPS相位定位中，常用的三種差分(線性組合)是單差、雙差和三差。由于GPS接收機(jī)使用穩(wěn)定性較差的石英鐘，它難以用模型來表示。如果將每個觀測歷元的接收機(jī)鐘差都作為未知數(shù)求解，則將使解算基線向量的法方程中的未知數(shù)個數(shù)大大增加。而使用雙差模型后，接收機(jī)鐘差的影響被消除了，它既不涉及鐘差模型，又使法方程中未知數(shù)個數(shù)大大減少，這也是雙差模型的最大優(yōu)勢。所以本文在研究算法時，采用的是雙差模型來解算。

1.1.2雙差分觀測方程

若在求單差分的基礎(chǔ)上再對不同衛(wèi)星Sj和Sk求差，便可得到雙差觀測方程：

1.2數(shù)據(jù)處理

1.2.1基線向量解算的數(shù)學(xué)模型[2～3]

由GPS衛(wèi)星定位原理可知，設(shè)在GPS標(biāo)準(zhǔn)時刻ti，在測站1、2同時對衛(wèi)星Sj和Sk進(jìn)行載波相位測量，用向量解算方法由雙差觀測值模型解算基線向量，由基線向量與站星之間的關(guān)系可得站星雙差相位觀測方程為：

式中，衛(wèi)星Sj和Sk在選擇j=1的衛(wèi)星為參考衛(wèi)星時，k=2,3,4……。對于j=1，k=2；j=1,k=3,……,其站星雙差觀測值誤差方程可仿照公式(6)、(7)寫出，對不同觀測歷元(即ti時刻)可分別列出類似的各歷元時刻的一組誤差方程。

1.2.2基線解算

t1歷元在1、2測站上同時觀測了s個衛(wèi)星，在連續(xù)觀測的情況下，共有n=M(s-1)個誤差方程，其中M為觀測歷元個數(shù)。

將所有誤差方程寫成矩陣形式:V=AX+L(7)

其中j為歷元個數(shù)，j=n/(k-1)。

按各類雙差觀測值等權(quán)且彼此獨立，即權(quán)陣P為單位陣，組成法方程：

NX+B=0(8)

式中，N=ATA;B=ATL?？山獾肵為：

X=-N-1B=ATA-1(ATL)(9)

若1點坐標(biāo)已知，可求得2點坐標(biāo)：

2接收機(jī)的設(shè)計

2.1A12OEM板

A12OEM板是法國ThalesNavigation公司生產(chǎn)的模塊式GPS單頻單板定位設(shè)備，其原理框圖[4～5]如圖1所示。A12OEM板采用的是單3.3V電源供電，其內(nèi)嵌有定位XA處理器，具有快速軟件執(zhí)行速率，并可通過RS232串行接口對存儲在閃存中的定位解算軟件進(jìn)行更新或升級；具有12通道代碼差分，集GPS接收、定位于一體；帶有完整載波相位數(shù)據(jù)輸出，能夠跟蹤L1頻率的C/A碼及載波相位；12個獨立的并行相關(guān)通道用于跟蹤全部GPS可見衛(wèi)星，各個通道可同時跟蹤1顆GPS衛(wèi)星的信號。

由于采用代碼及載波跟蹤GPS的L1頻段，A12OEM板具有較高的定位精度，工作時能為用戶提供三維位置、速度、時間和其他狀態(tài)信息。根據(jù)GPS衛(wèi)星星座的空間布置，接收機(jī)有12條并行通道，在同一時刻最多可觀測到12顆衛(wèi)星。同時，它作為GPS接收機(jī)核心部分，既可以配置成參考站，又可以配置成移動單元，廣泛用于定位和導(dǎo)航領(lǐng)域。

2.2外圍電路設(shè)計[5]

A12OEM板及PC機(jī)的正常運行需要運行如圖2所示的相應(yīng)外圍電路。定位信號由天線接收，經(jīng)過低噪聲前置放大后，進(jìn)入射頻前端。射頻前端具有變頻作用，將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號。中頻信號經(jīng)采樣信號采樣、量化后，轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號。數(shù)字中頻信號進(jìn)入相關(guān)通道經(jīng)過處理后，解譯出導(dǎo)航電文。微處理器接收導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)處理后給出所需的定位信號或提供特定的應(yīng)用服務(wù)。

本設(shè)計中，射頻前端和相關(guān)通道部分選用Philips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的SAA1575和UAA1570芯片。其中，UAA1570能夠與外圍電路組合完成射頻前端的功能。A12OEM板有兩種接口：JP1連接器是通常使用的20引腳輸入/輸出及供電接口，用于外圍應(yīng)用電路的連接，J1連接器是BNC型的RF天線接口，用于連接GPS射頻天線。

A12OEM板與外圍應(yīng)用電路組合構(gòu)成GPS接收機(jī)，實現(xiàn)與PC機(jī)的通信。通過OEM板接收、采集衛(wèi)星信息，運行存儲于EEPROM中，并根據(jù)定位原理編寫的解算軟件計算出相應(yīng)的結(jié)果，從而實現(xiàn)PC機(jī)利用專用軟件完成對GPS接收機(jī)的設(shè)置及控制。該電路為此類GPS接收機(jī)提供了三個串行口：主串行口J4、差分串行口J5和可選擇串行口J3。其中，主串行口用于與導(dǎo)航計算機(jī)通信，差分串行口用于差分修正信息的輸入或輸出。對于電源、差分信息、時間標(biāo)志信息的輸出則設(shè)有相應(yīng)的發(fā)光二極管指示其工作狀態(tài)。整個電路結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，各種功能易于實現(xiàn)。

2.2.1電源電路

電源電路主要為整個接收機(jī)系統(tǒng)提供電源，同時產(chǎn)生接收機(jī)運行時所需的高電平，為此采用了三端穩(wěn)壓電源模塊mc78m05以及0.1μF、0.33μF的電容組成電源電路，以提供5V的主電源Vcc(其允許誤差為±5%)。

2.2.2系統(tǒng)設(shè)置電路

為使該系統(tǒng)正常運行，電路中通過DIP(S8)開關(guān)、跳線(J6)完成系統(tǒng)的初始設(shè)置。本方案中采用的默認(rèn)設(shè)置為：DIP1～DIP3設(shè)為關(guān)閉狀態(tài)，DIP4～DIP6設(shè)為打開狀態(tài)；跳線分別使得J6-8和J6-9、J6-5和J6-6、J6-2和J6-1連通，從而將S8-1端、S8-2端設(shè)為高電平，S8-3端設(shè)為低電平；復(fù)位按鈕RESET默認(rèn)為開。

2.2.3通信電路

通信電路以MAX202為核心部件。MAX202芯片是一款較為常用的電平轉(zhuǎn)換芯片，可以實現(xiàn)RS-232電平與TTL電平的雙向轉(zhuǎn)換。該芯片內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，僅需外接幾個小電容和＋5V電源便可工作，使用十分方便；芯片中還有兩路發(fā)送、接收串行通信接口，與JP1連接器各相應(yīng)引腳的連接總是從“出”到“入”和從“入”到“出”，因此要注意其發(fā)送、接收引腳的對應(yīng)。MAX202需四個0.1μF電容配合，且要保證電容極性連接正確。A12OEM板通過RS-232接口輸出二進(jìn)制的測量數(shù)據(jù)信息，只有每次傳送的歷書是新的GPS衛(wèi)星信號時，接收的信息才為有效信息。

2.31PPS信息輸出電路

時間標(biāo)志信息輸出電路用74HC14實現(xiàn)對時間信號的處理。74HC14是施密特觸發(fā)器，可驅(qū)動10個LS-TTL負(fù)載。由于施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)，可用來將緩慢上升和下降的輸入信號加快，在電路中用于不規(guī)則波形的整形及變換。因此用它將A12OEM板輸出的時間波形變換成規(guī)則的脈沖信號，從而輸出秒脈沖時間信息1PPS(1PulsePerSecond)。標(biāo)準(zhǔn)GPS時間的秒脈沖輸出1PPS的誤差精度在±250ns范圍內(nèi)。在絕對模式時，1PPS的調(diào)整精度為±250ns；在相對模式時，1PPS的調(diào)整精度為±1ms。時間標(biāo)記信息輸出1PPS排除了時鐘漂移，每秒輸出一次并與GPS時間同步。

3測量實驗與結(jié)果分析

在定位解算計算機(jī)上運行GPS監(jiān)控軟件，用戶通過該程序控制計算機(jī)與GPS接收機(jī)的通信，從而執(zhí)行相應(yīng)的定位操作并顯示相應(yīng)的輸出信息。為配合監(jiān)控軟件工作，利用外圍應(yīng)用電路中的DIP開關(guān)及跳線對該接收系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，并把主串行口J4連接到計算機(jī)的串行接口COM1或COM2，把差分串行接口J5連接到差分信息源或其他GPS接收機(jī)的DGPS信息輸出端；在BNC插座J1上連接GPS天線。系統(tǒng)連接好后再接通外圍應(yīng)用電源。所有的操作命令和數(shù)據(jù)請求都通過外圍應(yīng)用電路及軟件發(fā)送、接收或解碼。在高精度定位中，用于位置解算的誤差源主要包括SA誤差、電離層誤差和對流層誤差等。采用差分技術(shù)可有效降低以上三種誤差。

本次實驗借用同濟(jì)大學(xué)GPS基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)，在同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院大樓519室和西南樓門前草坪完成。系統(tǒng)連接好后，運行GPS監(jiān)控軟件并將串行接口的傳輸速率設(shè)置為默認(rèn)值為9600bps。靜止?fàn)顟B(tài)觀測四小時，在水平方向上沿正東、正西、正南或者正北方向以1mm間隔移動至20mm，每移動一次觀測半小時，在豎直方向上也以1mm間隔移動至20mm，每移動一次觀測半小時。使用計算機(jī)采集到的數(shù)據(jù)，用處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

實驗時把<"cblue""/search/?q=單點"title="單點">單點定位和差分定位的精度做了比較，解算是用自編仿真軟件對GPS基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以精確測出基準(zhǔn)站坐標(biāo)為(-2848181.616859534647549.598919563311986.31800702)。下面介紹測量結(jié)果及分析。

(1)單點定位和差分定位的比較

圖3和圖4分別給出了單點獨立定位和差分定位的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的比較曲線。從圖中可以看出單點獨立定位與差分定位結(jié)果在X坐標(biāo)上的偏差約為2米左右，而Y坐標(biāo)的偏差約為4米左右。在本測量系統(tǒng)中X坐標(biāo)測量值的精度要優(yōu)于Y坐標(biāo)測量精度。

圖5給出了單點獨立定位和差分定位的高程坐標(biāo)的比較曲線。從圖中可以看出，單點獨立定位與差分定位結(jié)果在高程坐標(biāo)上的偏差約為10米左右。在GPS測量系統(tǒng)中，X、Y坐標(biāo)測量值的精度要優(yōu)于高程坐標(biāo)測量精度。

通過比較可以得出以下結(jié)論：經(jīng)過差分運算可以有效地剔除GPS測量系統(tǒng)誤差，提高測量精度。

(2)精度分析

平差后矢量的技術(shù)指標(biāo)

移動前后靜態(tài)測量時間約為1小時；本次測量的實際空間位移約為10mm，移動傾角為70°；水平方向位移分量為10×cos70=3.42mm；垂直分量為10×sin70=9.40mm。

測量數(shù)據(jù)的處理：

X1-X2=395035mm-395041mm=-6mm

Y1-Y2=147369mm-147373mm=-4mm

Z1-Z2=113931mm-113929mm=2mm

可得到定位誤差為：

δxy=3.42-7.2=-3.78mm

δz=9.4-2=7.4mm

根據(jù)仿真實驗分析可得，精度達(dá)到毫米級，水平方向定位精度較好，垂直方向較差。

本文論述了GPS的載波相位差分算法以及數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型，這是GPS定位技術(shù)軟件方面的核心部分。同時，設(shè)計了以A12OEM板為核心的GPS接收機(jī)，結(jié)合自行開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行了測量實驗，結(jié)果表明，能實現(xiàn)高精度定位，定位精度滿足工程要求。實驗表明，該方案是完全可行的，并且由于采用了自行設(shè)計的后處理軟件開發(fā)工具，其成本相當(dāng)?shù)?。此接收機(jī)最突出的特點是體積小、功耗低(A12OEM板的封裝尺寸為39mm×60mm×10mm，功耗<250mW),在