gps接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能檢測系統(tǒng)中天線的多普勒頻移分析

gps接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能檢測系統(tǒng)中天線的多普勒頻移分析

gps閱讀器的動(dòng)態(tài)性能檢測gps接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能直接影響其應(yīng)用范圍。動(dòng)態(tài)性能的差異容易導(dǎo)致機(jī)器在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的鎖定，這會(huì)導(dǎo)致機(jī)器長期跟蹤和捕獲過程中的重要路程數(shù)據(jù)失敗。因此，有必要定期檢測gps接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。目前,國內(nèi)對于GPS接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能的檢驗(yàn)和評估一直是個(gè)難點(diǎn),資料缺乏,有效的方法是使用GPS信號模擬器,但其價(jià)格昂貴使用不便,本文提出了一種采用天線轉(zhuǎn)動(dòng)法檢測GPS接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能的方法,嘗試解決GPS接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能檢測難的問題。1gps天線旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)1.1gps性能參數(shù)設(shè)計(jì)將GPS接收機(jī)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺上,其天線置于平臺轉(zhuǎn)動(dòng)臂外緣,調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷提高天線轉(zhuǎn)動(dòng)速度,通過比較GPS定位數(shù)據(jù)偏離固定點(diǎn)位情況研究其動(dòng)態(tài)環(huán)境下的定位精度,通過觀測GPS接收機(jī)定位情況和原始觀測量中多普勒頻移的變化情況來研究GPS接收機(jī)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。1.2天線的組成結(jié)構(gòu)GPS轉(zhuǎn)動(dòng)平臺測試系統(tǒng)組成如圖1所示,該系統(tǒng)又由轉(zhuǎn)動(dòng)平臺測試系統(tǒng)、差分基準(zhǔn)站系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)性能測試系統(tǒng)三個(gè)分系統(tǒng)組成。分系統(tǒng)組成及功能:1)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺測試分系統(tǒng):主要由轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(電機(jī)、轉(zhuǎn)軸等)、GPS接收機(jī)(可記錄)、數(shù)傳電臺和光電傳感器等組成,主要模擬動(dòng)態(tài)條件下的GPS接收機(jī)工作狀態(tài),完成動(dòng)態(tài)條件下GPS接收機(jī)測量精度和跟蹤性能的檢測。2)基準(zhǔn)站分系統(tǒng):主要由天線置于基準(zhǔn)點(diǎn)位的GPS接收機(jī)、記錄用筆記本和數(shù)傳電臺組成,完成基準(zhǔn)點(diǎn)位處的GPS原始觀測量的記錄和GPS差分信息發(fā)送的目的。3)動(dòng)態(tài)性能測試系統(tǒng):主要由裝有GPS動(dòng)態(tài)測試軟件的筆記本和數(shù)傳電臺組成,主要完成轉(zhuǎn)臺實(shí)時(shí)發(fā)來的定位和原始測量等信息的接收、處理和顯示的目的。2使用旋轉(zhuǎn)測試平臺確定gps衛(wèi)星的前角2.1天線轉(zhuǎn)動(dòng)引起的多普勒頻移設(shè)圓盤中心點(diǎn)為O,衛(wèi)星S在地面的投影點(diǎn)為E,EO連線與圓盤的交點(diǎn)為A和C,B、D為過O點(diǎn)和AC垂直線與圓盤的交點(diǎn),平面BDS與旋轉(zhuǎn)面(水平面)的夾角為θ(θ≤90°),如圖2所示。由衛(wèi)星和目標(biāo)相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移為:fd=fs?fr=?fsVRCfd=fs-fr=-fsVRC,其中fs為衛(wèi)星發(fā)射信號頻率,fr為接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號頻率,C為光速,VR為衛(wèi)星和目標(biāo)的徑向相對速度。設(shè)衛(wèi)星靜止,即多普勒頻移僅由天線轉(zhuǎn)動(dòng)引起,又設(shè)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臂外緣(GPS天線處)線速度為V,外緣某點(diǎn)速度(切線)方向與該點(diǎn)與衛(wèi)星S連線方向夾角為α,則該點(diǎn)相對衛(wèi)星S轉(zhuǎn)動(dòng)引起的徑向速度為VR=V×cosα。[當(dāng)α>90°時(shí),該點(diǎn)遠(yuǎn)離S(多普勒頻移為正);當(dāng)α<90°時(shí),該點(diǎn)靠近S(多普勒頻移為負(fù));當(dāng)α=90°時(shí),該點(diǎn)相對衛(wèi)星S的徑向速度為0(多普勒頻移為0)]設(shè)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)臂為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),則由天線轉(zhuǎn)動(dòng)引起的多普勒頻移分析如下:1)由A到B,α由90°逐漸增大,至B點(diǎn)達(dá)最大(鈍角)[徑向速度由0逐漸減為負(fù)最大值,多普勒頻移值由0逐漸減為正最大值];2)由B到C,α由最大逐漸減小,至C點(diǎn)達(dá)90°[徑向速度由負(fù)最大值逐漸增為0,多普勒頻移值也由正最大值逐漸減為0];3)由C到D,α由90°逐漸減小,至D點(diǎn)達(dá)最小(銳角)[徑向速度由0逐漸增為正最大值,多普勒頻移值也由0逐漸減為負(fù)最大值];4)由D到A,α由最小逐漸增大,至A點(diǎn)達(dá)90°[徑向速度由正最大值逐漸減為0,多普勒頻移值也由負(fù)最大值逐漸變?yōu)?]。2.2gps衛(wèi)星仰角的計(jì)算由圖2可以看出,由于衛(wèi)星至轉(zhuǎn)臺距離SO遠(yuǎn)大于OD(轉(zhuǎn)臺半徑),當(dāng)天線轉(zhuǎn)到B、D點(diǎn)時(shí),α≌θ,由式fd=fs?fr=?fsVRCfd=fs-fr=-fsVRC和式VR=V×cosα可推出α=arccos(?CfdVfs)α=arccos(-CfdVfs),其中,fd為僅由GPS天線轉(zhuǎn)動(dòng)引起的多普勒頻移最大值(即B、D點(diǎn)的多普勒頻移值),實(shí)際GPS接收機(jī)測出的為包含衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和天線運(yùn)動(dòng)引起的綜合多普勒頻移,為消除由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移,可將轉(zhuǎn)臺上GPS接收機(jī)測出的多普勒頻移值減去處于靜止?fàn)顟B(tài)的基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)測出的多普勒頻移值即可,計(jì)算得出的α值即為該GPS衛(wèi)星的仰角θ值。推廣應(yīng)用:如能實(shí)現(xiàn)通過轉(zhuǎn)動(dòng)平臺和基準(zhǔn)站接收設(shè)備測出空中移動(dòng)目標(biāo)發(fā)出信號的多普勒頻移,也可采用此方法反推出其他衛(wèi)星或空中目標(biāo)的瞬時(shí)仰角。3事后載荷相位雙差差異檢測目前地面航跡顯示一般采用的是GPS單點(diǎn)定位數(shù)據(jù),而事后載波相位雙差數(shù)據(jù)可作為真值提交使用,下面將重點(diǎn)對GPS接收機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)條件下的實(shí)時(shí)單點(diǎn)和事后載波相位雙差數(shù)據(jù)精度進(jìn)行檢測和分析。3.1測量精度測定測試方法一:在轉(zhuǎn)動(dòng)的GPS天線中心點(diǎn)下方安裝一光電傳感器(觸發(fā)端經(jīng)過一電平轉(zhuǎn)換電路與GPS接收機(jī)的I/O口上的MKI端連接),同時(shí)在天線轉(zhuǎn)動(dòng)所經(jīng)過的某虛擬點(diǎn)(某精確坐標(biāo)已知的基準(zhǔn)點(diǎn)正上方某處)的正下方安裝一遮擋條,當(dāng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)到該虛擬點(diǎn)處時(shí),光電傳感器的觸發(fā)信號將傳至接收機(jī)I/O口的MKI端,該接收機(jī)將實(shí)時(shí)記錄該觸發(fā)點(diǎn)的位置信息并保存在MKPA記錄中,也可通過電臺實(shí)時(shí)發(fā)送出來,經(jīng)“GPS動(dòng)態(tài)測量精度測試軟件”將該數(shù)據(jù)的偏差曲線實(shí)時(shí)顯示出來。圖3顯示在不同轉(zhuǎn)速條件下MKPA數(shù)據(jù)相對該虛擬點(diǎn)位的位置偏差。測試方法二:當(dāng)要檢測的GPS接收機(jī)沒有I/O口或是沒有MKI端和MKPA記錄時(shí),僅讓該接收機(jī)實(shí)時(shí)記錄或發(fā)送定位信息PRTKA(或GPGGA),地面電臺接收后經(jīng)“GPS動(dòng)態(tài)測量精度測試軟件”將該數(shù)據(jù)的偏差曲線實(shí)時(shí)顯示出來。圖4顯示在不同轉(zhuǎn)速條件下實(shí)時(shí)單點(diǎn)PRTKA數(shù)據(jù)相對該虛擬點(diǎn)位的位置偏差。精度分析:從圖3和圖4可以看出,隨著轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的提高,該接收機(jī)動(dòng)態(tài)單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)的精度逐漸變低,從5m逐漸增大為20m左右,觀測噪聲誤差增大后引起的隨機(jī)誤差也逐漸增大,說明該GPS接收機(jī)單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)受動(dòng)態(tài)環(huán)境的影響較大,圖上偏離值為天線轉(zhuǎn)動(dòng)過程中實(shí)時(shí)離開某虛擬點(diǎn)的距離(本次測試天線中心離轉(zhuǎn)軸距離為0.99m,天線距某基準(zhǔn)點(diǎn)高為2.12m,采用的點(diǎn)坐標(biāo)為該基準(zhǔn)點(diǎn)正上方天線轉(zhuǎn)動(dòng)所經(jīng)過的虛擬點(diǎn)坐標(biāo))。3.2動(dòng)態(tài)誤差測量數(shù)據(jù)處理測試方法一:基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)和置于轉(zhuǎn)動(dòng)平臺上GPS接收機(jī)同時(shí)記錄RGEB(原始觀測量信息)和REPB(衛(wèi)星星歷信息),改變轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速,通過事后雙差處理軟件處理出的數(shù)據(jù)偏離某精確點(diǎn)位的大小來反映該動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的精度。圖6顯示在不同轉(zhuǎn)速條件下(從靜態(tài)直至不定位)雙差載波相位數(shù)據(jù)相對某點(diǎn)位偏差。測試方法二:基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)通過電臺給轉(zhuǎn)臺上的GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送差分信息(RTCAOBS和RTCAREF),轉(zhuǎn)臺上GPS接收機(jī)經(jīng)過內(nèi)部處理后通過電臺將實(shí)時(shí)雙差后的定位信息發(fā)送出來,地面電臺接收后可通過研發(fā)的“GPS動(dòng)態(tài)測量精度測試軟件”將該數(shù)據(jù)的偏差曲線實(shí)時(shí)顯示出來。精度分析:從圖6可以看出,隨著轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速的提高,載波相位雙差動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)的精度波動(dòng)不大,說明該GPS接收機(jī)事后載波相位雙差動(dòng)態(tài)定位數(shù)據(jù)的精度非常高,可達(dá)厘米級。4gps衛(wèi)星不定位前后的多普勒頻移對比測試方法:將NovAtelRT2雙頻GPS接收機(jī)置于轉(zhuǎn)動(dòng)測試平臺上,不斷調(diào)整平臺轉(zhuǎn)速直至接收機(jī)不定位,事后將轉(zhuǎn)臺上接收機(jī)記錄的原始觀測數(shù)據(jù)按衛(wèi)星號進(jìn)行提取,圖7顯示16號GPS衛(wèi)星在接收機(jī)不定位前的連續(xù)跟蹤(周跳)情況(半徑為0.99m),圖8顯示16號GPS衛(wèi)星在接收機(jī)不定位前的多普勒頻移改變情況。跟蹤性能分析:從圖7和圖8可以看出,隨著GPS天線轉(zhuǎn)動(dòng)速度的提高,由天線相對天線轉(zhuǎn)動(dòng)引起的多普勒頻移逐漸增大,當(dāng)轉(zhuǎn)速從73轉(zhuǎn)/分改變?yōu)?8轉(zhuǎn)/分時(shí),該衛(wèi)星信號發(fā)生了周跳;當(dāng)提高到83轉(zhuǎn)/分時(shí),該接收機(jī)對16#衛(wèi)星已無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤,同時(shí)說明要確保該接收機(jī)對同類仰角衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤,此條件下由轉(zhuǎn)動(dòng)引起的多普勒頻移值不能超過40Hz/s。實(shí)際應(yīng)用:為檢驗(yàn)新進(jìn)GPS接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能是否滿足任務(wù)需要,可將該待驗(yàn)收的接收機(jī)和在用的接收機(jī)同時(shí)置于轉(zhuǎn)動(dòng)測試平臺上,不斷提高轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速直至其中一臺接收機(jī)