国产双频测地型 GPS接收机的实现及其性能

王永泉,赵延平,张文强,孙国良

(上海华测导航技术有限公司,上海 200233)

国产双频测地型 GPS接收机的实现及其性能

王永泉,赵延平,张文强,孙国良

(上海华测导航技术有限公司,上海 200233)

介绍具有自主知识产权的双频高精度、测地型 GPS接收机实现方法以及相应的性能指标。该接收机核心板的实现是基于通用射频器件、具有DSP功能的低成本 FPGA和ARM9微处理器。将其主要性能与采用进口OEM板卡的测地型 GPS接收机进行各项比较。通过各种环境下短、中、长距离的比较试验表明,接收机的动态精度和初始化时间等指标优于同类型的主流产品。该成果对于北斗二代测地型接收机的研制具有积极意义。

全球导航卫星系统;测地型;接收机;整周模糊度;实时动态

一、引 言

卫星导航系统已进入百花齐放、群星争艳的时代,同时,我国测地型 GNSS接收机的制造也处于蓬勃发展的态势[1]。然而,不可否认的是,目前所有的国产双频高精度GNSS接收机均依赖于进口OEM主板,国内主要测地型 GNSS接收机厂家,均在利用进口OEM板进行二次开发及组装[2]。

上海华测导航技术有限公司历时 4年开发,成功研发了具有自主知识产权的双频高精度测地型GPS接收机。该接收机基于通用射频器件、具有DSP功能的低成本 FPGA和 ARM9微处理器,实现了 GPS L1 C/A码、L1/L2 P码的捕获与跟踪等核心功能;同时,实现了 RTK必备的参考站和流动站数据处理软件[3]。

目前,国外同类产品 OEM板的价格超过 2 000美元,而集成了更多功能的华测 X90R型接收机核心主板的制造成本不到 2 000元人民币,同时在功耗、精度、初始化速度、可靠性等方面与国外同类产品均具有可比性。这款拥有自主知识产权的双频高精度、测地型 GPS接收机已经在 2009年批量进入国内外市场。

二、接收机设计概述

目前,主流的一体化双频测地型 GPS接收机在电子电路上,除必须具有 GPS信号接收和处理部分之外,还包括差分数据通讯、数据记录和存储、电源,以及蓝牙和 RS232等接口电路。而仅从 GPS信号处理而言,本研究在系统设计中,采用分立集成电路构成射频部分,采用ARM9与现场可编程门阵列(FPGA)相结合构成数字部分,整个接收机的总体框图如图 1所示。

图 1 接收机主板核心部分总体框图

双频 GPS接收机需要同时处理带宽达20MHz的 GPSL1和L2信号,而市场上目前没有能满足这些要求的专用射频集成电路,所以本研究基于分立集成电路来实现,这也是目前国外同类产品采用的主要方法。该双频接收机将天线接收到的射频信号经过低噪声放大器、带通滤波、一级变频、带通滤波、二级变频、AGC、低通滤波后得到零中频信号,然后在中频进行 A/D采样,在数字域内完成数字信号的下变频、码捕获跟踪、载波捕获跟踪、信号的解扩解调等处理任务[4]。

基带电路完成信号的数字化,数字信号的频率变换、提取,伪码的捕获、跟踪,载波的捕获、跟踪,扩频信号的解扩解调,以及产生模拟前端AGC控制电平。具体实现电路有A/D转换器、数字下变频器、解扩、解调、码环误差提取、载波环误差提取、码环滤波器、载波环滤波器、码NCO、载波NCO、PN码产生与时钟产生等几部分组成,整个电路在 Xilinx低成本 FPG A上完成。其中 P2码的捕获与跟踪采用了半无码的跟踪方法,并利用 FPG A内置的DSP核实现了关键电路,从而降低了对 FPG A门电路的需求。在实验室环境下,通过双频 GPS信号模拟器测试表明：接收机的伪距精度达到 ±10 cm、载波相位精度达到了 ±1mm,这些指标与国外同类产品处于同一水平。

双频测地型 GPS接收机在工作时,还需要通过相应的实时数据处理软件进行 RTK解算,从而得到用户需要的厘米级成果,其中的关键算法在于在航解算 (on the fly,OTF)整周模糊度[5]。与其他进口GNSS接收机内置 RTK算法不同的是,该款接收机将RTK软件运行在外业手簿内。与接收机内使用的微处理器一样,手簿内采用了主频 628 MHz的ARM9(PXA271),在观测 8颗 GPS卫星时,更新一次结果的计算时间最长为 120 ms。本研究的 RTK算法基于扩展卡尔曼滤波实现,模糊度分解采用了LAMBDA方法,另外采用了非中心χ2检验的方法对OTF结果进行了检验。整个算法具有初始化速度快、可靠性高的特点[6]。

将 RTK算法由传统的在接收机内运行改为在外业手簿内运行,可以降低接收机内微处理器的运算量,从而降低接收机的功耗。

这款接收机的主板除拥有通常的OEM板的功能外,还集成了大容量存储、GPRS/UHF通讯等功能,如图2所示。

图2 X90R双频GPS接收机主板

三、性能测试

将自主研发的双频测地型 GPS接收机 (X90R)同配置了 Tr imble公司 BD950型双频 OEM板的X90D型接收机、配置了 NovAtel公司 OEMV-2型OEM板的 X90F型接收机进行对比测试。

1.接收机内部噪声的零基线检验

接收机的内部噪声,主要是由于接收机硬件电路引起的,其检验方法通常采用零基线检验法。

零基线检验的具体操作是,将同一天线接收的卫星导航信号通过功分器分成相位、功率相同的两路信号,分别输入两台同类型被测接收机,观测时间为 1 h。根据两台接收机的观测数据,利用相对定位的原理求解测距精度。表 1为 X90R、X90D和X90F三种接收机内部噪声水平比较[7],结果表明, X90R的内部噪声与采用进口主板的国产接收机处于同等水平。

表1 接收机内部噪声水平 m

2.动态 RTK性能的可靠性和精度

RTK技术的关键在于求解起始相位整周模糊度,又称RTK初始化。它要求基准站 GPS接收机把观测数据及已知参考坐标实时传输给流动站 GPS接收机,流动站快速求解整周模糊度,在观测到 5颗或以上卫星后,可实时求解出毫米/厘米级的流动站动态位置。

本研究在相邻的两个静止不动的点上,分别利用 X90R和 X90F进行长达 10 h的 RTK测量,在此期间,接收机被设定成每 1 min初始化一次。记录两者的结果,并比较两者的点位离散分布,如图 3所示。

由图 3可见,X90R和 X90F这 10 h的测量中,均没有出现模糊度解算错误的情况,但 X90R的点位分布更集中,精度更高。

初始化时间是 RTK性能的一个重要指标,初始化时间受电离层、周围环境、卫星分布等因素的影响。本研究采用 X90F和 X90R接收机在距离基站不同距离的环境下比较了两者的初始化时间(见表2)。

图 3 X90F(a)和X90R(b)RTK的精度和可靠性比较

表2 不同距离的初始化时间s

从表 2可以看出,对于中、短的测量条件,由于电离层影响较小,仪器一般都能在 10 s内初始化完毕,在中长基线条件下(超过 30 km),初始化时间将受到一定的影响。应当注意的是,表 2的结果是在电离层不活跃季节、卫星分布较好的情况下测量的结果。

RTK的性能除受电离层的影响外,还受到周围环境的影响。本研究分别在空旷地带、高压线下、小树林、高楼旁和大树下等有遮挡和干扰的环境下进行了比较测试,如表 3所示。

表3 不同环境下初始化时间s

从表 3可以看出,对于空旷地带、信号无遮挡的观测条件,仪器都能在 5 s内初始化完毕;在高压线下、小树林中和大楼旁,初始化时间将受到较大的影响,流动站初始化时间一般在 20～40 s之间,能够满足用户对快速定位的需求,而在枝叶茂密的大树下,初始化时间较长且没有可循的规律,表中未列出。比较结果表明,X90R在恶劣环境下的性能不如 X90F,但上述行为结果会因为卫星的分布不同而有很大的差异。

由于BD950为 Trimble公司 5年之前生产的产品,其动态性能与目前市场上的最新产品有一定的差距,所以在本节测试中没有比较其性能。

3.动态定位性能测试

为检验双频 GPS接收机 RTK的动态性能,对X90F和 X90R接收机在沪A9高速上进行了实际跑车对比测试,基于同样的原因,本节没有比较 X90D的性能。

跑车起始经度、纬度和高程分别为 (东经121°21′08.04″、北纬 31°11′05.46″、26.349 m),距基站4 km;终止经度、纬度和高程分别高为 (东经121°11′42.15″、北纬 31°09′03.09″、25.251 m),距基站20 km,路线总长度约为 16.354 km。整个跑车路线出现多处因广告牌、立交桥等遮挡导致卫星全部失锁,需要重新初始化。测试过程中,进行了多次加减速,最大速度约为 90 km/h,最大加速度约为 3m/s2。

图 4给出了两种接收机动态定位能力比较结果,其中粗线为固定解的结果。动态性能测试表明,X90R在高动态环境下,捕获迅速,跟踪准确,具有稳定的解算能力。比较X90R和X90F的精度,两者互差均在允许范围内。图中,X90F由于数据链中断,因此得不到固定解的时间比 X90R多一些。

图 4 X90F(a)和 X90R(b)轨迹图(固定解)

四、结束语

本文介绍了基于通用射频器件、FPGA和ARM9微处理器实现的双频测地型 GPS接收机,并分别与基于 Trimble BD950主板的接收机、NovAtel OEMV主板的接收机进行了对比试验。性能测试结果表明：X90R的静态数据质量、RTK性能和稳定性等主要指标均达到国外同类产品水平;个别性能,如不同距离的初始化时间、不同环境的初始化时间甚至优于最新的 OEMV主板。目前,自主研发的双频GPS接收机已可满足测地型生产作业的要求,并已经取得了计量仪器生产许可证。

目前,华测公司正在研制双频测地型 GPS接收机的基础上,研制能同时接收 GPS/北斗二代信号的多频测地型接收机。

[1] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1)：1-6.

[2] 袁明翠.我国测绘发展现状与发展战略初析 [J].华章,2008(18)：11-14.

[3] 王永泉,王玫,张炎华.基于解析法的 GPS姿态测量初始化的方法 [J].上海交通大学学报,2005,39 (11)：1904-1908.

[4] WANG Yongquan,ZHAN Xingqun,ZHANG Yanhua. ImprovedAmbiguity FunctionMethodBased onAnalytical Resolution for GPSAttitude Deter mination[J].MeasurementScience and Technology, 2007, 18 (9)：2985-2990.

[5] 李博峰,沈云中.顾及基线先验信息的 GPS模糊度快速解算[J].测绘学报,2008,37(4)：423-427.

[6] TEUN ISSEN P J G.The Success Rate and Precision of GPSAmbiguities[J].Journal of Geodesy,2000(74)：321-326.

[7] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T18214.1—2000全球导航卫星系统 (GNSS)第 1部分：全球定位系统(GPS)接收设备性能标准、测试方法和要求的测试结果[S].北京：中国标准出版社,2001.

Domestic Dual-frequency Geodetic GPS Receiver:I mplementation and Performance

WANG Yongquan,ZHAO Yanping,ZHANGWenqiang,SUN Guoliang

0494-0911(2010)07-0019-04

P245

B

2009-11-30

王永泉(1970—),男,江苏海安人,博士,高级工程师,主要研究方向为测地型 GPS/GNSS接收机。