衛(wèi)星導(dǎo)航基礎(chǔ)知識及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

衛(wèi)星導(dǎo)航基礎(chǔ)知識

及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

2014-08-07衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)分類中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——BD全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——GPS俄羅斯格洛納斯導(dǎo)航系統(tǒng)——GLONASS歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——Galileo各種導(dǎo)航系統(tǒng)使用頻率衛(wèi)星系統(tǒng)頻率（MHz）BD2B11561.098±2.046B21207.14±2.046B31268.52±10.23GPSL11575.42±1.023L21227.6±10.23L51176.45±12GLONASSL11602+0.5625*kL21246+0.4375*kGalileoE11589.74E21561.1E61278.75衛(wèi)星定位的基本原理在衛(wèi)星下發(fā)的報文中可以找到衛(wèi)星的位置信息；已知報文中包含衛(wèi)星發(fā)送報文的時間和接收機(jī)接收報文的時間，利用這個時間差乘以光速就是衛(wèi)星和接收機(jī)的距離。一顆衛(wèi)星——可以確定接收機(jī)在以衛(wèi)星所在位置為球心的一個球面上；兩顆衛(wèi)星——可以確定接收機(jī)在兩個球面相交的圓上；三顆衛(wèi)星——可以確定接收機(jī)在三個球面相交的2點上；根據(jù)邏輯判斷可以舍棄一點，理論上三顆衛(wèi)星就可以完成定位，但由于接收機(jī)時間的精度問題和電磁波在傳播過程中受到地球電離層的影響等問題，需要第四顆衛(wèi)星來修正這些參數(shù)，確保定位數(shù)據(jù)的有效性和提高定位數(shù)據(jù)的精度。單點定位與差分定位單點定位，或絕對定位。就是通過唯一的一個接收器來確定位置；差分定位，或稱相對定位。就是通過增加一個參考接收器（基準(zhǔn)站）來提高定位精度，是目前定位精度最高的定位方式，可以達(dá)到厘米級或毫米級。應(yīng)用領(lǐng)域：飛機(jī)起降、車輛管理、車輛調(diào)度，測距。差分定位差分定位示意圖差分定位基準(zhǔn)站和移動站定向授時定向是依靠基線矢量在載體坐標(biāo)系和本地坐標(biāo)系中的相互關(guān)系來確定載體的空間方向。基線矢量指兩天線相位中心連線構(gòu)成的矢量。用與兩天線分別相連的接收機(jī)同時測定衛(wèi)星載波信號的瞬時相位,比較其相位差,則可以測定基線的空間方向。這種方法就是定向的載波相位差分法。接收機(jī)通過接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間信息通過專用接口輸出秒脈沖，使系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)時間保持同步。授時精度為ns級，如某款接收機(jī)可以達(dá)到20ns的授時精度。衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備的開發(fā)方式獨立全新開發(fā)：采用通用芯片和電子元器件處理射頻信號、基帶信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)解算獲取定位信息。缺點是開發(fā)周期長、開發(fā)成本高，接收機(jī)體積較大，優(yōu)點是一些性能指標(biāo)較高、能進(jìn)行一些如抗干擾、處理加密信號等要求。軍用領(lǐng)域應(yīng)用較多。采用市場上現(xiàn)有的接收機(jī)板/模塊/芯片：這種開發(fā)方式比較簡單，開發(fā)周期短、開發(fā)成本低，接收機(jī)體積小，缺點是不能完成一些特殊要求，不能達(dá)到一些特殊的環(huán)境要求或較高的性能指標(biāo)。多用在民用領(lǐng)域。接收機(jī)基本功能框圖信息輸出方式和格式接收機(jī)一般通過串口輸出ASCII字符信息，輸出頻率1Hz（可以定制）；通過串口可以配置接收機(jī)的運行模式、串口屬性、輸出消息的類別、輸出頻率、讀取接收機(jī)的信息等。輸出信息的格式一般遵循NMEA0183協(xié)議，輸出信息的格式可以向生產(chǎn)商定制。NMEA0183輸出的常用消息有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC等。信息輸出方式和格式在產(chǎn)品設(shè)計，由于每次接收機(jī)輸出的信息量較多，我們可以只選擇需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲或傳輸，當(dāng)數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定時，如果允許，也可以降低存儲或傳輸?shù)念l率。輸出消息內(nèi)容經(jīng)緯高等位置信息；時間信息；水平速度、垂直速度等速度信息；可見衛(wèi)星數(shù)量和星號；參與定位的衛(wèi)星及其信噪比、方位角、仰角等信息；定位精度信息PDOP、HDOP、VDOP等；……接收機(jī)性能指標(biāo)評價一個接收機(jī)性能的主要參數(shù)有：定位模式、冷啟動時間、熱啟動時間、重捕獲時間、定位精度、速度精度、授時精度、最大使用速度、最大使用加速度、靈敏度等定位模式主要指在多模接收機(jī)中采用單獨定位、聯(lián)合定位中的哪一種定位模式。如一款BD2/GPS雙模接收機(jī)有BD2單獨定位、GPS單獨定位、聯(lián)合定位三種定位模式。在使用環(huán)境較差時，單獨定位時間可能要長于聯(lián)合定位時間，考慮到降低用戶的等待時間，應(yīng)優(yōu)先選擇聯(lián)合定位。當(dāng)應(yīng)用與軍用等關(guān)鍵領(lǐng)域時，考慮到安全性因素，應(yīng)選擇BD優(yōu)先定位。冷啟動時間接收機(jī)首次啟動、接收機(jī)沒有星歷或者接收機(jī)移動1000公里以上距離等情況下，從啟動到定位成功所需要的時間，是衡量接收機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。如某款接收機(jī)的標(biāo)稱冷啟動時間可以達(dá)到35s。在測試中可以通過串口向接收機(jī)發(fā)送冷啟動命令來測量冷啟動時間。熱啟動時間接收機(jī)保存有其最后計算的可視衛(wèi)星的位置、歷書和UTC時間，在重啟以后，接收機(jī)以保存的上述內(nèi)容為基礎(chǔ)獲取和計算當(dāng)前衛(wèi)星的最新位置，重新開機(jī)后首次定位時間。一般斷電2小時以內(nèi)可以進(jìn)行熱啟動。如某款接收機(jī)的標(biāo)稱熱啟動時間為1s?？梢姛釂訒r間遠(yuǎn)小于冷啟動時間，為了更好的用戶體驗，在設(shè)計時應(yīng)增加電池給接收機(jī)RTC供電，使接收機(jī)能保持星歷等信息，以便在短時間重啟時，接收機(jī)能快速定位。重捕獲時間在接收機(jī)不斷電的情況下，失去衛(wèi)星信號后再次恢復(fù)信號到定位成功的時間，是衡量接收機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。如某款接收機(jī)的重捕獲時間可以達(dá)到1s。當(dāng)汽車經(jīng)過立交橋、山洞、建筑物等遮擋衛(wèi)星信號的區(qū)域后，接收機(jī)會進(jìn)行衛(wèi)星的重捕獲。定位精度、速度精度定位精度、速度精度是一個統(tǒng)計數(shù)據(jù)，他反映接收機(jī)給出的定位、速度信息和實際位置、速度的偏差。定位精度、速度精度（靜態(tài)）可通過分析接收機(jī)輸出的數(shù)據(jù)得出。方法如下：一、獲取接收機(jī)若干組數(shù)據(jù)（如600、7200）；二、確定當(dāng)前位置的基準(zhǔn)點（可以通過標(biāo)準(zhǔn)接收機(jī)長時間的統(tǒng)計得出），在沒有基準(zhǔn)點時可以用平均值。三、具體的統(tǒng)計算法有1б、2б、3б、CEP50、CEP95、均方根誤差等，根據(jù)所要求的即可計算出精度。在一些情況下，如果允許的話，可以根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)剔除一些異常數(shù)據(jù)后再進(jìn)行計算。定位精度圖形分析結(jié)果靈敏度靈敏度是反映接收機(jī)能接收信號強(qiáng)弱的關(guān)鍵指標(biāo)。接收機(jī)靈敏度可以在暗室中利用信號發(fā)生器、發(fā)射天線、標(biāo)準(zhǔn)增益接收天線、頻譜儀等設(shè)備測出。室外衛(wèi)星信號的強(qiáng)度約為-133dBm，一般選購接收機(jī)時應(yīng)要求接收機(jī)靈敏度優(yōu)于-133dBm。根據(jù)經(jīng)緯度計算距離在軟件設(shè)計中，因為接收機(jī)給出的是經(jīng)緯度信息，有時需要計算兩點間的距離，可以使用下面的計算公式根據(jù)經(jīng)緯度計算距離根據(jù)經(jīng)緯度計算距離另一精簡算法：衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的干擾衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)干擾分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩大類。壓制式干擾有窄帶干擾（瞄準(zhǔn)式）、寬帶干擾（阻塞式），在干擾作用時間上有連續(xù)干擾和脈沖干擾。壓制式干擾通過發(fā)射大功率的同頻信號以干擾接收機(jī)接收正常的衛(wèi)星信號以達(dá)到干擾的目的，優(yōu)點是技術(shù)難度較小，但所需干擾功率較大。欺騙式干擾是發(fā)射與衛(wèi)星信號相類似的干擾信號，誤導(dǎo)接收機(jī)偏離準(zhǔn)確的導(dǎo)航和定位。這種干擾的優(yōu)點是所需干擾功率小，干擾效果大大好于壓制式干擾。當(dāng)然欺騙式干擾的技術(shù)難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓制式干擾。因為要實現(xiàn)欺騙就必須了解衛(wèi)星的碼型及當(dāng)時發(fā)出的電文數(shù)據(jù)等信息，而了解和掌握這些又是相當(dāng)困難的。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的多路徑效應(yīng)反射波對直射波的破壞性干涉而引起的接收機(jī)至衛(wèi)星距離誤差，導(dǎo)致衛(wèi)星信號的能量發(fā)生衰減和相位發(fā)生延遲。這種誤差的大小主要取決于反射波的強(qiáng)度和用戶接收機(jī)天線抗御反射波的能力。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的多路徑效應(yīng)多路徑處理方法：天線方面的處理和接收機(jī)方面的處理。通過對天線加裝抑制盤和扼流圈來減弱多路徑效應(yīng)抑制盤是在天線底部加裝一個扁平圓盤，只用抑制盤有時并不能達(dá)到很好的效果，因為反射信號會在抑制盤表面形成明顯的衍射波，衍射波會在天線內(nèi)部進(jìn)行傳輸。扼流圈是帶多個圓形凹槽的圓盤，當(dāng)凹槽的深度略大于信號波長的1/4時，可以阻止衍射信號在其表面進(jìn)行傳輸。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)避免人為的增加多路徑效應(yīng)。接收機(jī)方面的處理是通過改進(jìn)算法來進(jìn)行多路徑效應(yīng)的抑制。產(chǎn)品設(shè)計中的電磁干擾防護(hù)產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)特別注意接收機(jī)模塊、天線、其他設(shè)備（包括顯示屏等設(shè)備）這三者之間的電磁干擾，并采取防護(hù)措施。特別在一些產(chǎn)品中接收天線需要板載時，要盡可能的隔離天線和其他設(shè)備間的電磁傳播通道，并盡可能的遠(yuǎn)離其他設(shè)備，如果無法解決這些問題，將顯著降低接收機(jī)的搜星數(shù)量。特別是陶瓷天線的銀層面要高于其他能發(fā)射或反射電磁波的部件。一旦狀態(tài)確定，天線的水平位置、重置位置、方向都不允許更改。當(dāng)天線需要饋電時，應(yīng)盡可能的采用獨立電源或增加其他隔離措施，減少天線信號對系統(tǒng)電源的影響。天線陶瓷天線帶外殼的陶瓷天線航空天線含有多個天線振子的抗干擾天線室外天線螺旋天線天線選型主要關(guān)注的性能指標(biāo)介質(zhì)天線電性能：頻率范圍、增益、軸比、駐波、極化方式；LNA電性能：頻率范圍、增益、輸入/輸出紋波、噪聲系數(shù)、帶外抑制、帶內(nèi)平坦度、供電電壓、供電電流；其他指標(biāo)：阻抗、接口形式、尺寸、工作溫度、存儲溫度、重量等國內(nèi)導(dǎo)航模塊/芯片/板卡供應(yīng)商和芯星通、東方聯(lián)星、華力創(chuàng)通、泰斗微電子、西安華訊、國騰、北斗星通、合眾思壯、寰亞翔宇、北斗天匯、博納雨田、海格通信、中海達(dá)泰斗TD3020D模塊介紹及其應(yīng)用TD3020D是一款BD2B1/GPSL1雙模導(dǎo)航模塊。支持對有源天線供電，并且內(nèi)部具備有源天線狀態(tài)檢測和天線短路保護(hù)功能。TD3020D應(yīng)用領(lǐng)域

車載、船載定位導(dǎo)航終端個人定位終端

平板電腦

對講機(jī)等通訊設(shè)備TD3020D典型應(yīng)用和星芯通UM220介紹及其應(yīng)用UM220模塊是一款支持BD2B1和GPSL1的雙模接收機(jī)，已經(jīng)上市多年，性能穩(wěn)定，功耗低，應(yīng)用方