GPS接收机工作原理及发展现状

陈 勖,李尔园

(1.北京安华北斗信息技术有限公司,北京100084;2.北京合众思壮科技股份有限公司,北京100015)

0 引 言

全球定位系统(GPS)接收机专门用来接收、解码和处理GPS卫星信号。根据用户的不同需求,GPS接收机设备各异,从应用角度上可以分为高精度、导航型和授时型。GPS接收机可以独立存在,比如个人车载导航设备(PND),同时也可以集成嵌入到其他相关系统中,如带有导航功能的手机系统。GPS接收机分为设备硬件和数据处理软件两部分。随着GPS和GNSS定位导航技术的迅速发展和应用领域的扩大,很多国家都在研制开发不同要求的接收机及相应的数据处理软件[1]。GPS接收机硬件一般包括主机、天线和电源,主要是接收GPS卫星发射的信号,获得必要的导航数据和定位信息,经过简单数据处理后实现导航和定位服务。GPS软件部分指各种后处理软件包,主要用于对观测数据进行精加工,获得精密定位的结果。随着GNSS卫星信号兼容性与互操作性的发展,多模双频型接收机将成为GPS接收机的发展趋势。

1 接收机工作原理

1.1 接收机原理

GPS接收机是用来接收、处理和测量GPS卫星信号的专门设备,其主要结构大体可分为天线单元和接收单元两大部分。如图1所示,天线单元的主要功能是将GPS卫星信号的非常微弱的电磁波转化为电流,并对这种信号电流进行放大和变频处理。而接收单元的主要功能则是对放大和变频处理过的信号电流进行跟踪、处理和测量。接收机要完成位置、速度和时间的(PVT)解算,需要完成以下步骤[2]:

1)卫星选择

接收机首先确定可跟踪卫星的可见度,以其中一颗为目标进行跟踪,开始卫星信号的捕获。接收机可以跟踪所有可见的卫星,进行“全景”卫星信号的解算。但考虑到复杂性、精度和可靠性等综合因素,一般GPS接收机只选择特定的一组卫星(至少为4颗卫星)进行跟踪。

2)卫星信号捕获

接收机使用码相关技术进行信号捕获:接收机生成一个捕获信号的复制码,并通过对复制码重新排列,实现复制码与捕获信号的对齐。通常,接收机使用码跟踪环和载波跟踪环来跟踪C/A码、P码信号和载波频率。

3)下变频

通过两个中间频率(IF),将接收到的无线电频率信号转换成码基带附近的频率,然后模数(A/D)转换器采用同向和正交数字采样方式对转换后的信号进行采样。A/D转换器精确跟踪卫星信号中的多普勒值,并进行移除。

图1 普通GPS接收机跟踪系统原理

4)码跟踪

接收机使用码跟踪环进行GPS卫星和GPS接收机间的伪距测量。从输入信号中减去提示码,便可从导航电文中提取载波,使用载波跟踪环中的多普勒测量值对复制码的中心频率进行调整,最终得到更精确的伪距测量值。

5)载波跟踪和数据探测

接收机通过调整频率合成器来跟踪卫星载波,在码跟踪环的输出结果中生成一个静止的相位,同向与正交信号部分分别用来计算载波的相位及多普勒值。

6)数据解调

载波跟踪环锁定后,接收机就可以读取导航数据电文。导航电文的每个子帧都以同步码开始,同步码包含在遥测字(Telemetry Word)中,它使接收机能够探测到每个子帧的开头。交接字(Hand over Word,HOW)可以识别每个子帧,能帮助接收机正确地对子帧数据进行解码。

7)P(Y)码信号获取

P(Y)码无法使用上述的技术进行捕获。GPS导航电文中的交接字(HOW)主要向用户提供捕获P码和Z计数。知道了Z计数,也就知道了观测瞬间在P码周期中所处的准确位置,这样便可快速捕获P码。

8)PVT计算

当接收机搜集到来自四颗卫星的伪距测量值、距离改正数和导航数据时,就可以进行导航解算和PVT计算。接收机同时解算四个伪距方程,其形式如下

公式中的未知量包括接收机的三维位置X、Y、Z,和时钟补偿△t。其余的参数为已知量,其中包括R为伪距,CB为距离改正数,UX、UY、UZ为卫星的三维位置。

1.2 连续接收机

连续跟踪接收机硬件一般包含五个通道,可同时跟踪四颗卫星,另一个通道用于获取其他卫星信号相关数据。这类接收机的特点是复杂性较高,价格昂贵,但是能够提供最好性能的多功能接收机[2]。多通道接收机使用第五个通道读取新卫星的导航(NAV)电文,同时与另外四个通道组成双频测量值,进行通道延迟差分。专用的跟踪通道使接收机能在高动态下保持较高的精度,能够提供最佳的抗干扰性能,并拥有最短的T TFF(首次定位时间)。这类接收机非常适合高动态载体、要求首次定位时间较短的载体,以及其他一些对抗干扰性能要求较高的用户。一般军用接收机均为连续接收机。

1.3 序贯接收机

序贯GPS接收机一般使用一到两个硬件通道对卫星进行跟踪,每次只跟踪一颗卫星,以时间参数对测量值进行标记,当所有四颗卫星的伪距测量工作完成后,就把四个测量值组合起来[2]。这种接收机是目前接收机中最经济,缺点是它们无法在高动态环境下工作,并且首次定位时间性能(T TFF)也比较最低的。序贯接收机分为单通道序贯接收机和双通道序贯接收机。单通道序贯接收机在得到导航解算结果之前,必须将这四个伪距测量值换算到同一个时间参考基准上,这种解算方法限制在低动态或静止的环境中。双通道序贯接收机主要用于中等动态程度的载体上,例如直升机和高速铁路火车上。在首次启动过程中,每个通道的工作原理与单通道序贯接收机相同。在获得了四颗卫星信息后,一个通道专门进行导航,而另一个通道读取来自每颗卫星的导航信息。所有的接收机通道都被用来执行双频测量,进行电离层延迟补偿及通道延迟差分。

1.4 多元接收机

多元接收机在选择跟踪的卫星时,卫星的替换速度较快。它连续搜集采样数据,以维持软件中二到八个信号处理算法,并连续读取来自所有卫星的导航数据信息[2]。在单通道多元接收机中,硬件通道的时间参数共享,只需要一个码产生器和一个载波合成器就可以实现卫星的跟踪。但多元接收机对许多卫星信号的载波测量信噪比(C/N)为10 log(n)dB(n为跟踪的卫星数量),低于连续跟踪接收机的水平。所以多元接收机技术与连续接收机相比,其抗干扰性和抗干涉能力较低。

2 GNSS接收机应用类型

2.1 高精度接收机(测量型接收机)

高精度接收机主要用于精密测量,一般均采用载波相位观测量进行相对定位,通常定位精度可达到厘米级甚至更高[3]。近几年,测量型接收机在技术上取得了重大进展,开发出实时差分动态定位(RTD)技术和实时相位差分动态定位(RTK)技术。前者以伪距观测量为基础,实时提供流动观测站米级精度的坐标;后者以载波相位观测量为基础,实时提供流动站厘米级精度的坐标。RTD主要用于精密导航和海上定位;RTK则主要用于精密导航、工程测量、三维动态放样、一步法成图等许多方面,并成为地理信息系统数据采集的重要手段。高精度信号接收机结构复杂,通常配备有功能完善的数据处理软件,因此其价格也比较昂贵。

图2 多样化的GPS接收机类型

2.2 导航型接收机

导航型接收机主要用来确定船舶、车辆、飞机和导弹等运动载体的实时位置和速度,主要目的是对目标进行导航,即保障运动载体按照预定的路线前进。这种接收机采用C/A码伪距单点实时定位,精度较低(5～10 m),但它的结构简单,操作方便,价格便宜,应用十分广泛[3]。导航型接收机又可分为:低动态型、中动态型、高动态型3种。低动态型主要是指车载和船载导航接收机;中动态型是指用于飞行速度低于400 km/h的民用机载接收机;而高动态型则指用于飞行速度大于400 km/h的飞机、导弹的机载接收机,拥有这类接收机的用户往往为特许用户,一般为军事用户,并可利用P码进行导航。因此精度较高,可达2 m左右。

2.3 授时型接收机

精密时间参数的传送是导航卫星的常见应用之一。精密授时接收机通常只需要一颗导航卫星提供的精密时间基准[3]。这类接收机包含一个内置振荡器或外接频率源(铷钟或者铯钟)。当接收机跟踪卫星时,卫星产生一个与世界标准时间(UTC)同步的参考频率;如果没有可视卫星,则由内置或者外接的频率源生成参考频率。接收机提供单点或者辅助的授时服务。一般单点精确定位时间接收机提供的时间精度为100 ns,具有精密时间和时间间隔(PPTI)接口的静止精确定位接收机能够提供的UTC精度为50～60 ns。授时型接收机主要用于天文台或地面监测站进行时间频标的同步测定。

接收机的类型如图2所示。

3 GPS接收机性能指标

接收机的性能主要是评估接收机的位置、速度和时间(PVT)解算能力。PVT解算的质量主要取决于两个因素,一个是可视卫星数量及它们在空间的分布,另一个是测量接收机到卫星距离的质量[1]。

卫星在空中的分布图形称为卫星几何图形。当卫星穿过接收机可见的空域时,卫星几何图形随着时间而变化。如果卫星的分布在接收机上空呈四周分布,高度各不相同,这时候的卫星几何图形最好,此刻GPS接收机的PVT解算能力也是最强的。因此只要能够接收到4颗或以上卫星的信号,就可以进行PVT的解算。但是如果接收机上空的能见度较低,接收机的性能就会减弱,在这种几何图形较差的情况下,接收机解算出来的精度就比较差[4]。

影响PVT解算质量的另一个因素就是伪距和多普勒测量的质量。主要的误差源来自导航电文中参数的误差、信号在电离层与对流层的延迟、多径效应以及接收机噪声等。导航电文的误差取决于空间信号(SIS)的质量,直接影响卫星位置和信号的传播时间,目前现代化GPS对于SIS的完好性采取了多样化的监测手段,从原来的地面监测扩展到空中的卫星的自相关监测[5]。电离层与对流层产生的延迟一直是接收机最主要的误差源,但是随着L2C和L5卫星信号的广播,双频接收机设备大大降低了这方面的误差。另外,材质、结构更好的接收机天线可以保证多径效应误差减到最小。

由于GPS卫星几何图形和测量误差是随时间和地点变化的,所以接收机的性能也是动态的。因此GPS接收机的性能指标根据卫星星座情况和接收机的能力而定。从统计学角度规定,接收机性能为95%的误差分布。20世纪90年代,美国SA(Selective Availability)政策是主要的误差源,接收机水平和垂直方向95%误差的性能指标为100 m和156 m,这个指标的条件是基于在世界上任意点,天空视野不受任何影响下进行的24 h测量。随着SA政策的取消,性能指标仅仅受卫星导航电文数据误差的影响,称为空间信号(SIS)误差,因此具体性能指标如表1。由于目前GPS用户通常使用差分接收机,所以实际的测量数据要比标准的性能指标要好[1]。

表1 GPS接收机性能指标

4 GPS接收机最新发展动向

根据之前讨论的GPS接收机原理和性能,我们看出直接影响GPS接收机指标的主要因素是卫星星座的几何图形和卫星信号误差源。由于近年全球导航卫星系统(GNSS)的快速发展,美国、俄罗斯、欧洲、中国等国家的导航系统(GPS、GLONASS、Galileo、Compass)日趋完善。接收机的发展朝着兼容互操作的方向前进。GNSS拥有上百个导航卫星围绕在地球周围,很好地解决卫星星座几何图形的问题。一个多模接收机可以同时接收到若干个来自不同系统的卫星信号,从而提高PVT解算能力。另外,随着GNSS多个新卫星信号进入导航信号大家庭,如近期GPS的L5信号和Galileo的E5a信号的广播,双频接收机对于减少电离层与对流层产生的误差有了根本上的改进[6]。因此,各国家卫星导航系统的兼容性和互操作性是新一代接收机发展的奠基石,GPS接收机逐步转向GNSS接收机。

2010年7月,美国和欧洲宣布已经联手进行GPS和Galileo联合接收机的测试工作。测试的接收机类型分为单频和双频接收机,测试环境包括空旷的地域和一些典型的城区(人口数量大于500万),其结果证明多模双频接收机在垂直精度误差(VPE)和水平精度误差(HPE)方面都有了提升,接收机精度指标比之前的单系统更加优秀。具体的指标数见表2和表3[6]。

表2 多模GPS接收机垂直精度误差(VPE)/m

表3 多模GPS接收机水平精度误差(HPE)/m

5 结 论

着重研究了GPS接收机的工作原理,根据工作原理GPS接收机分为连续接收机,序贯接收机和多元接收机。连续接收机的定位精度较高,成本较高,适用于军用接收机;序贯接收机是对卫星进行逐一跟踪解码,定位速度较慢,但是造价低廉,是民用设备的首选;多元接收机在定位速度上比序贯接收机有了明显提高,然而抗干扰性和可靠性方面还远不如连续接收机。另外,根据GPS接收机的应用需求不同,接收机还可以分为高精度接收机,导航型接收机和授时型接收机。高精度接收机主要用于精密测量服务,其精度可以达到厘米级;导航型接收机主要应用在交通工具中,对用户的路线进行计算,提供最佳导航方案;授时型接收机提供精密的时间基准,在电力系统方面提供服务。2000年后,美国取消了GPS的SA政策,因此GPS接收机的性能有了较大的提升,实测数据显示其水平误差和垂直误差均为10 m左右。随着GNSS的发展和完善,各国都在进行接收机的研发,各个系统的兼容和互操作性可以更好地提高接收机性能指标。美国GPS和欧洲的Galileo系统共同进行了多模双频接收机的测试,从数据结果中看出,联合多模(GPS+Galileo)双频的接收机比单频的GPS接收机表现得更为优秀,垂直和水平误差更小,因此这一新型接收机是GPS接收机未来发展的趋势。

[1] Pratap M,Per E.全球定位系统-信号、测量与性能[M].罗 鸣,曹 冲,肖雄兵,译.北京:电子工业出版社,2008.

[2] NAVSTAR.GPS User Equipment Introduction[R].NAVSTAR-GPS Joint Program Office,Los Angeles Air Force Base,USA,1996.

[3] 徐绍铨,张华海,杨志强,等.GPS测量原理及应用[M].3版.湖北:武汉大学出版社,2008.

[4] 李天文.GPS原理及应用[M].北京:科学出版社,2006.

[5] Leo E,FAA GNSS Group.GNSS Evolutionary Architecture Study[R].PNT Advisory Board,2008.

[6] EU-US Cooperation on Satellite Navigation Working Group C.Combined Performances for Open GPS/Galileo Receivers[M/OL].2010-07-19,http://ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/files/combined-open-gps-galileo-en.pdf.