GPS卫星信号发生器

关键词： 脉冲调制 信号强度 效应 引言

GPS卫星信号发生器（精选八篇）

GPS卫星信号发生器 篇1

伪卫星在设计过程中存在远近效应的问题[1,2],分析发现主要由于伪卫星布设在地面或飞机等近地目标上,即与GNSS导航系统相比,伪卫星与接收机之间相距很近,当二者距离发生相对变化时,信号强度会发生剧烈的变化[3]。脉冲调制被认为是一种减少远近效应影响的有效方式[4,5]。然而在设计过程中,伪卫星的脉冲图案的好坏直接影响到伪卫星的性能[[6,7],有可能会对周围的卫星信号甚至临近的伪卫星信号形成干扰,导致用户接收机捕获受到影响[8]。

当前,在伪卫星脉冲图案设计方面,国外研究相对比较早且技术分析系统深入。其中Cobb等[9]从对卫星信号影响的角度分析了伪卫星占空比与卫星信干比之间的影响关系[10,11],Le Master从伪卫星间影响的角度分析了卫星数目、占空比与伪卫星信干比的关系。国内研究相对较少,主要集中在远近效应克服分析方面,在脉冲图案研究方面主要以叶红军[12]、李涛护[13]、周必磊[14,15]等人对伽利略的脉冲图案的设计进行了详细的分析。

本文以基于Matlab的GPS/BD双频伪卫星系统为平台,对伪卫星信号之间的干扰和伪卫星信号对卫星信号的捕获干扰进行分析。

1 脉冲图案设计

脉冲图案设计首先考虑伪卫星信号和GNSS卫星信号间的影响关系。通常考虑GNSS卫星信号受到干扰时,可以根据卫星信号的信干比大小进行分析。由Cobb[9]给出的计算伪卫星占空比的信干比公式为:

式中,d为占空比,取值为0~1;为卫星典型的跟踪信干比;

由上式发现,伪卫星信号对GNSS信号的影响与伪卫星的功率和占空比有关。当d一定时,随着伪卫星功率的增强,卫星信号的信干比逐渐减小,当信干比减小到卫星的临界值时,卫星将不能进行正常的捕获跟踪。当伪卫星功率一定时,d越高,卫星的信干比越小。由此在确定伪卫星的最大占空比时,需要充分考虑这一点。

其次伪卫星信号彼此之间也会产生一定的干扰衰弱。由Le Master给出的公式:

式中,;NPL为伪卫星数。可以看出,在指定的区域,伪卫星的数目和伪卫星的占空比同样会影响伪卫星的信干比,从而影响接收机对伪卫星的捕获跟踪。

因此在设计脉冲图案设计时参考RTCM SC-104委员会推荐的一种伪卫星脉冲方式的设计。该设计可以保证接收机硬件在做最小更改的前提下同时接收卫星和伪卫星信号。方案中每个脉冲持续1/11 ms时间,即每个脉冲发送93个码片,每ms发送一个脉冲。但是每次到第10个脉冲时,将同时发送第10个和第11个两个脉冲,以此保证脉冲的平均占空比为10%。在每个周期之间,脉冲位置在11个可能的时隙上变化,同时在每个数据比特之间11个脉冲位置也在变化。这样所有可能的脉冲位置在200 ms内完成一次循环,以此尽可能地消除重叠的影响。

设计过程中,伪卫星GPS信号采用32~36号扩频码进行分析。北斗脉冲图案采用与GPS伪卫星信号相似的结构,每个时隙186 bit,分为11个时隙,为了保证伪卫星在同时发射GPS和北斗信号时不会相互干扰,因此确定如表1所示的时隙发射关系。

根据表1的时隙,在图1中给出了具体的脉冲图案,下面将针对该脉冲图案的性能进行分析。

2 脉冲信号捕获分析

2.1 伪卫星间信号捕获分析

为了有效补偿脉冲形式带来的能量损失,伪卫星信号在发射时,功率一般很强。由于伪卫星在设计时结构与卫星相似,所以正常情况下,卫星接收机可以捕获跟踪伪卫星,但是实验测试时发现,当存在多颗伪卫星时,泰斗、skytrap等多款卫星接收机会出现难以同时捕到所有的伪卫星、伪卫星数据跳动太大等现象,为了有效验证在捕获时信号间的干扰问题,现针对多颗伪卫星时的捕获特征进行仿真分析。伪卫星双系统的时隙分布如表1所示。

由图2中伪卫星PL01和PL04的捕获结果为例,当采用卫星接收机进行捕获时,GPS32出现5个主峰,且其余的旁瓣峰值错落交织,接收机在捕获时很难确定正确的码相位和频率位置,从而导致接收机误判或接收不稳定,严重影响接收机后续的跟踪和时间的计算;在GPS35中尽管相对GPS33峰值较好,但相关峰值仍然有2个主峰且存在峰值展宽的现象,这样的现象同样会影响接收机码捕获相位位置的确定;同时关于北斗33和北斗36,由图2可见,存在于GPS相似的情况,如BD33由于多颗伪卫星信号的存在,当外界干扰严重时,接收机可能很难完成捕获。

2.2 脉冲信号对GPS/BD卫星信号捕获分析

在图3中以GPS01号星的捕获结果为例,给出了当不存在伪卫星和存在伪卫星数分别为1、3、5时的信号捕获结果。

在一些特定环境中,伪卫星信号可以有效地扩展GNSS系统的定位能力,但是伪卫星也可能会对卫星接收机产生严重的干扰,导致接收机无法正常进行信号解算。此处共选用11颗星进行仿真,其中卫星信号选用GPS 1号星,伪卫星选用PL01~PL05时隙分布如上述表1脉冲图案设置所示。

由图3可得,当伪卫星数目为1、3时,GPS01信号可以正常捕获,但与不存在伪卫星的情况相比,GPS01信号的相关性随着伪卫星数目的增多逐渐减小。当伪卫星的数量为5时,GPS01卫星信号完成被干扰,很难判断哪个是正确的相关峰,不能正常被接收机使用。

随着伪卫星数目变化GPS01捕获的相关主次峰的关系图如图4所示。由图4可得,随着伪卫星数目的增多,卫星接收机对GPS01号星捕获的主次峰值逐渐增大,伪卫星信号的增多可以有效地减少次峰的影响。在图4中可见,随着伪卫星数目的增多,卫星捕获峰值逐渐减少,当伪卫星的占空比和达到100%时,卫星信号被完全干扰,无法正常进行捕获。因此,在一定区域布设伪卫星时可以考虑使所有伪卫星的占空比之和小于100%,这样可以有效避免某些位置因占空比和为100%而产生的对正常卫星的干扰。

2.3 仿真结论

通过上述捕获特性的仿真分析,主要得出以下几点结论:

(1)相关函数中主瓣和副瓣峰值的关系比采用连续信号差很多[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17]。当接收机的积分时间很短时,这一影响非常大,即对高数据率非常关键。当无数据或仅有低数据率时,影响减弱。

(2)相关性函数的多个副瓣包括具备不同相关性级别的许多峰值,表明接收机跟踪环路一定程度上“被激励”(不像采用连续信号时那么稳定)。

(3)脉冲与接收机内产生的连续参考信号的部分自相关导致不对称自相关曲线的出现。这又进一步导致编码测量的偏差,这些偏差在高不对称时最差,导致积分间隔短。

3 结束语

GPS卫星定位管理系统 篇2

座落于厦门软件园的都飞（福建）信息科技有限公司(flygps.com.cn/)，成立于2008年，注册资金500万元，拥有一体化的办公环境，一支专业的研发和服务队伍。

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发展愿景

GPS卫星信号发生器 篇3

目前, 县市级供电企业和110k V及以下变电站的时间同步方式采用站内GPS卫星同步时钟装置统一的状态, 由站内的GPS装置对每套设备进行对时, 实现每套保护、自动化装置的时间同步。这种分布式部署的GPS装置容易出现的异常问题为GPS装置搜索不到卫星。一旦GPS装置搜索不到卫星就会出现GPS装置时间不准, 将会导致继电保护装置、自动化装置等的时间不准确, 从而引起电力系统运行时间不一致问题。

结合本人多年GPS装置维护经验, GPS装置搜索不到卫星信号问题原因一般分为三大类:1、GPS装置接收天线安装不正确及天线线缆铺设问题;2、周围有其它信号对GPS装置授时天线干扰;3、GPS装置接收机设备问题。并根据问题原因总结出相关解决方案。

1 GPS装置接收天线安装不正确或天线线缆铺设问题处理

GPS装置接收天线是一个很小的有源天线, 它是保证GPS接收机与卫星同步的关键部件, 它架设的正确性将直接关系到GPS装置卫星信号的接收性能。天线安装时必须接收头朝上, 固定在建筑物顶部, 并要求接收头周围可视天空范围开阔, 以确保天线能够收到足够强的卫星信号。在多雷地区, 天线的架设位置应避开容易雷击位置, 同时要采取避雷措施, 防止雷击引起接收头损坏及GPS装置的损坏。

接收天线线缆铺设要按照通讯电缆架设要求分管道铺设, 严防电缆挤压打结。天线电缆长度是根据天线增益严格设计的, 不得剪断、延长、缩短或加装接头等, 否则将严重影响接收效果, 甚至收不到信号。

2 周围有其它信号对GPS装置授时天线信号干扰问题处理

GPS装置授时天线容易受到其它大功率微波及高频天线等通信信号的干扰, 导致GPS装置搜索不到卫星。我们在安装授时天线时应尽量远离或避开大功率微波及高频天线等信号盲区, 减少其通信信号的串扰。可以选择多个位置进行测试卫星信号强度, 寻找信号强度最大的点进行授时天线接收器的安装。

由于通讯产业日益发展的现在, 各类通信站塔如雨后春笋破土而出, 林立在变电站周围。有可能使得原来GPS信号强度优良的位置变为信号接收不良地点。这就需要我们定期巡查GPS装置接收卫星信号情况, 及时调整GPS装置授时天线位置, 使其保持接收信号良好状态。

3 GPS装置接收机设备性能老旧问题处理

GPS装置接收机设备性能老旧问题也会对搜索不到卫星有影响, 如90年代生产的GPS装置接收机的芯片由于年代久远, 通常只能跟踪1~3颗卫星, 在偏远山区安装和运行情况下可能会经常出现GPS装置搜索不到卫星的问题。而最近生产的GPS装置接收机由于芯片技术更新换代, 通常能跟踪12颗或24颗卫星, 即使安装在山区, 也能很好地接收到卫星信号。这就需要我们在工程设计时考虑变电站的地理位置, 配置相应的GPS装置以保证GPS装置接收卫星信号优良。

GPS卫星信号发生器 篇4

自主驾驶智能车辆的研究受到许多国家的重视, 并成为研究的重要内容。 车辆实现无人驾驶的前提是其配备的导航系统能够实时、 准确地提供车辆的状态信息。其中以惯性导航系统(INS) 和全球定位系统(GPS) 提供信息更为丰富完备。 车载导航系统常采用多传感器进行组合导航,常见组合形式有INS/GPS组合导航。 文献[1]将GPS观测姿态信息引入组合导航滤波模型,提高了组合导航系统的估计精度,且提高了方位失准角的估计速度,但是没顾及在城市化道路中GPS信号易受建筑群遮挡, 造成信号丢失或跳变的问题, 因此有很多学者提出INS / GPS / 视觉的组合方式。 文献[ 2 ] 采用此方法, 但该方法矩阵维数较高, 易出现数值不稳定情况, 存在不合理性。 针对以上问题,本文提出一种新的组合导航方法,通过摄像头采集的周围环境信息对GPS的卫星数据进行筛选后再进行组合导航。 并通过实车实验验证了其可靠的导航性能和突出的容错性,具有较高的实用价值。

1 基于视觉筛选的组合导航方法系统框架

本文提出的导航系统框架如图1 所示, 通过机器视觉采集周围环境信息,处理得到周围建筑物对车体遮挡角度并与GPS接收到的卫星与地面夹角信息进行对比,判定GPS卫星有效性并筛选。 由于GPS基于无线电定位技术,其中视距传播(Line of Sight ,LOS)是准确定位的必要条件。 而移动端与基站间大多通过反射、散射、衍射方式到达接收端,多为非视距传播(Not Line of Sight,NLOS),因此对GPS卫星数据的准确性筛选很有必要。

2 基于视觉筛选的GPS卫星有效性判定

2 . 1 视觉模块坐标定义

摄像头成像变换涉及不同坐标系之间的转换。 在视觉系统中需将大地坐标系换算成摄像头坐标系,大地坐标系原点Ow在车体重心正下方地面上,zv轴垂直向上,xv轴平行地面指向车体前进方向,yv轴在图中垂直纸面向外。 Oc为摄像机坐标系原点,与Ow点的水平距离为l1,与地面的垂直距离为l2。 α , β , γ 分别为摄像头旋转角度, 本文摄像头只绕x,y,z轴旋转, 该轴与水平面倾斜角为 α,旋转角度 β、γ 为0。 如图2 所示,(xc,yc,zc)T为摄像头坐标系,大地坐标系中点(xw,yw,zw)T换算到(xc,yc,zc)T为摄像头坐标系采用式(1)的方法[3,4,5]。

其中(tx,ty,tz)T为平移向量,R为旋转矩阵。

本文以大地坐标系为主坐标系,统一其他坐标系[16]。视觉坐标系中X轴的正方向为行驶方向的负方向,Y轴的正方向垂直于X轴,水平向右。 建筑物的特征点其在视觉坐标系中的坐标定义为(xpvision, ypvision) 。 摄像头在大地坐标系中的位置是由GPS实时获得的,其坐标为(xv, yv) ,通过此坐标和智能车航向角可以将视觉坐标系转换到大地坐标系下,求出目标点在大地坐标系下的坐标(xp, yp) 。建筑物特征点在大地坐标中的坐标与视觉坐标系中的坐标可表示为:

其中,由GPS提供车辆行驶航向角 φv。

2 . 2 周围环境图像处理方法

图像经处理后提取出代表建筑物特征的候选点。 为了寻找建筑物上下角点, 对图像做Canny变换以累计概率霍夫变换寻找连续性较高的、近水平和竖直方向的直线簇作为建筑边缘。 寻找水平和竖直方向建筑边缘的交点作为建筑物上角点, 以上角点作垂线, 与最大填充域的交点最为建筑物下角点。 然后,分别计算各交点到车体的距离。 最后求处于同一垂直线上的点(大于一个的)到车体点距离的余弦值[6]。

建筑物的俯仰角换算方法定义如下:

其中,表示车体位置到前方第n个建筑物下隅角的向量,表示车体位置到前方第n个建筑物上隅角的向量。 最终得到前方楼宇上隅角与车体连线相对水平线的角度, 本文将其定义为楼宇遮挡角度Ebn, 将其与GPS接收卫星角度Ea进行对比,进行非视距环境下卫星信号可用性检测。

2 . 3 非视距环境下卫星信号可用性检测

本文采用改进的NLOS识别方法,主要为判断车体周围的建筑物是否遮挡了GPS提供的卫星信号,原理如图3 所示。

其中,a,b分别表示被建筑物遮挡而进行非视距传播的卫星与未被遮挡直接进行视距传播的卫星。 如果卫星的高度Ea、Eb以及与航向角夹角Aa、 Ab属于建筑物Bn遮挡区域, 此卫星被定义为NLOS情况。 卫星高度与车体所在位置水平切线的夹角定义为:

其中,rs为卫星轨道半径,re为地球半径,Ls为卫星所处纬度,Le为参照点所处纬度,ls为卫星所处经度,le参考点的经度。

因此,若cos(Ea) < cos ( Ebn) , 则说明卫星Sa俯仰角度大于前方建筑物Bn的俯仰角度, 接收机接收到的Sa卫星传输数据属于视距传播,精确度高。 若cos(Ea) ≥ cos ( Ebn)则说明卫星Sa俯仰角度小于前方建筑物Bn的俯仰角度,接收机接收到的Sa卫星传输数据属于NLOS传播方式,精确度相对较低,此颗卫星提供的数据信息被筛掉,不参与下一步的组合导航。 由于采用双目摄像头可以直接采集车体到前方建筑物距离信息,因此采用此方法计算量小,实时性好,能很好地满足实际工程需求。

经过视觉筛选后的GPS数据与INS采用松组合模式,状态变量取为15 维, 包括3 个相对平面坐标系的位置及速度误差、姿态角误差、加速度计偏差、陀螺漂移[7,8]。

其中F为系统状态转移矩阵,u为状态过程噪声向量。

组合导航数据融合采用松耦合方式, 取GPS/INS输出的位置和速度之差作为观测值,构造观测量。

3 实验分析

本文以无人驾驶智能车BJUT-IV为实验对象如图4所示。 BJUT-IV实验平台安装应用载波相位技术的差分GPS , 设备组为Flex Pak - G2 系列GPS接收处理机和PDL4535 数传电台及GPS - 702 - GG接收天线。 将摄像机安装在导航车前端的支架上, 距离地面高度为1.73 m,与水平面平行,距车体中心约1 m。

BJUT - IV组合导航控制系统以Microsoft VS2008 为软件开发平台并引入Map X地图控件, 编写了导航与定位系统软件,利用此软件平台进行实验验证。

实车实验环境及周边环境情况如图5 所示, 试验路段为一段两侧有连续建筑物群遮挡的NLOS路段, 如下图所示。

BJUT - IV采用本文所提出的基于摄像头的组合导航系统, 重新定义坐标原点O于北纬39.871 9° , 东经116 . 478 9 ° ( 即图6 中N8 点为原点) 。 实验中GPS / INS组合导航处理结果呈现于一台移动电脑上, 如图6 所示,视觉模块单独在一台移动电脑上运行,如图7 所示。

试验车辆严格按照试验道路中线以低于20 m/s的速度沿实验路线低速行驶5 次, 为未采用视觉筛选法GPS数据, 选取其中一次结果进行分析讨论, 如图8 所示,画圈部分未有较大偏差,究其原因,由于道路周围存在较高建筑物, 遮挡了部分GPS卫星信号, 导致其传播方式为NLOS, 即使采用跟踪强度较高平滑度较好的滤波算法仍造成定位精度下降,图8 中N6 到N7 段路线出现多处偏差甚至跳变,此种情况和前文分析周围建筑物群密集情况相符。

如图9 所示,采用本文提出的导航方法对GPS数据信号进行筛选后,依旧行驶在建筑物密集的N6 至N7 路段轨迹, 估计数据稳定准确, 且在其他有建筑物遮挡的路段均未发生大偏差。

4 结论

无人驾驶智能车行驶在城市道路上, 其配备导航系统容易受到连续建筑物群遮挡,进而造成接收机接收到的GPS信号为NLOS传播方式, 最终导致定位偏差甚至跳变的问题。 本文提出的基于视觉筛选GPS信号的组合导航方法首先通过摄像头采集到的车体周围环境信息,处理得出周围建筑物与车体当前位置形成的遮挡角度,并与此时接收机接收到的GPS导航的卫星所处俯仰角进行对比, 若建筑物的遮挡角度大于卫星的俯仰角,则建筑物遮挡了部分卫星信号, 造成卫星信号非视距传播, 导致定位精度下降, 因此通过视觉模块对此类卫星信号进行剔除。 将经过视觉模块筛选后的GPS卫星数据信息与惯导进行组合导航,从而最大限度降低由于建筑物群遮挡对车辆定位系统准确性造成的影响。 实车实验表明,无人驾驶汽车采用本文提出的基于机器视觉筛选的组合导航系统,能在道路两侧存在连续建筑物遮挡的情况下, 保证定位信息不发生跳变, 与传统方法相比定位精度明显提高,满足了无人驾驶智能汽车在城市路况下导航需求,方法新颖且具有很高的工程实用价值。

摘要：针对无人驾驶智能车在城市道路环境中全球定位系统信号以非视距传播而造成伪距估计偏差,导致定位不准确的问题,提出了一种以视觉信息为筛选条件的组合导航方法。该系统通过摄像头采集到车体周围环境信息图像并处理,最终得到建筑物上隅角与下隅角的差值,换算出建筑物相对车体所形成的遮挡角度,以此筛选GPS卫星有效信息,采用容积卡尔曼滤波对组合导航信息进行滤波估计,提高导航信息准确性。实验证明,该系统能有效弥补无人驾驶智能车城市道路环境中GPS信号偏差的缺点,较传统组合方式相比具有较高的可靠性及实用价值。

关键词：组合导航,非视距传播,机器视觉,城市环境

参考文献

[1]周建军.车辆自动导航定位与控制方法研究[D].北京:中国农业大学,2009.

[2]Sun Chuanwei,Liu Jingao.The design of low-pass filter based on megacore functions[C].2nd International Conference on Education Technology and Computer.2010,V1-24-V1-27.

[3]邱茂林,马颂德,李毅.计算机视觉中摄像机定标综述[J].自动化学报,2000,26(1):43-55.

[4]杨少荣,吴迪靖,段德山.机器视觉算法与应用[M].北京:清华大学出版社,2008.

[5]赵颖,孙群,王书茂.单目视觉导航智能车辆的自定位方法[J].计算机工程与设计,2008,29(9):2372-2374.

[6]Jay A F,Tony D G,Matthew J B.Real-time differential carrier phase GPS-aided INS[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2000,8(4):709-720.

[7]赵其杰,屠大维,高健,等.基于Kalman滤波的视觉预测目标跟踪及其应用[J].光学精密工程,2008(5):937-942.

浅谈GPS卫星定位的误差 篇5

但是,不可避免的,GPS卫星定位测量仍然存在着测量误差,影响其定位精度因素分为以下四大类:与GPS卫星有关的因素、与传播路径有关的因素、与观测接收设备有关的因素以及其它因素。

1 与GPS卫星有关的因素

1.1 星历误差

在进行GPS定位时,计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的,但不论采用哪种类型的星历,所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异,这就是所谓的星历误差。星历误差是GPS测量的重要误差来源。

消除星历误差的方法主要有:①建立卫星观测网独立定位法。这对于保证定位的可靠性和精度都是至关重要的措施。如果跟踪站的数量和分布选择得当,实测星历有可能达到10-7的精度,这对提高精密定位的精度将起着显著作用。②相对定位差分技术法。因为星历误差对相对不太远的两个测站的影响基本相同,采用接收机间的一次差分观测值可消除卫星星历误差的影响。③轨道松弛法。所谓轨道松弛法,就是在平差模型中引入表达卫星位置的附加参数,通过平差求得测站位置和轨道改正数,从而改善轨道精度。不过这种方法不适合范围较小的测区,计算过程较复杂,不宜在作业单位普遍推广。

1.2 卫星钟差

卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间的误差。卫星钟有偏差和漂移,差1ms,相当于300km。

消除方法:使用同步观测相对定位方法。

1.3 卫星信号发射天线相位中心偏差

卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。

2 与传播路径有关的因素

2.1 离层延迟

由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,这种变化称为电离层延迟。电离层折射误差与频率、时间及地点等因素均有密切相关。对GPS卫星频率来说,对测距的影响一般在50～100m[1]内变化。可见它对测量精度影响是不可忽略的,必须采取有效的措施来削弱它的影响。

对于电离层时延改正,双频接收机和单频接收机应采用的方法是不同的:①单频接收机,采用电离层模型来补偿它的影响。其基本思想是假定把整个电离层压缩到等效高度为H的一个单层L上,用该层代表整个电离层。②对双频接收机码相位测量或载波相位测量,由于电离层对L1和L2频率有色散作用,故可利用两个频率的相位观测值求出免受电离层折射影响的相位观测值。

2.2 对流层延迟

对于地球周围的对流层对电磁波的折射效应,使得GPS信号的传播速度发生变化,这种变化称为对流层延迟。对流层折射率与大气压力、温度和湿度密切相关。由于大气的对流作用很强,大气状态变化复杂,所以大气折射率的变化及其影响比较复杂。

减弱对流层折射的措施主要有:采用对流层模型加以改正;引入描述对流层影响的附加待估参数,在数据处理中一并求得;利用同步观测值求差;利用水气辐射计直接测定信号传播的影响。此法求得的对流层折射湿分量的精度可优于1cm。

2.3 多路径效应

由于接收机周围环境的影响,测站周围的反射物所反射的卫星信号进入接收机天线,使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有反射和折射信号的影响,这就是所谓的多路径效应。多路径效应是GPS测量中的一种重要的误差来源,它严重影响GPS测量的精度。反射物可以是地面、山坡、高层建筑等。由于反射波一部分能量被反射面吸收,GPS接收天线为右旋圆极化结构,也能抑制反射波,因此反射波除了存在相位延迟外,信号强度一般也会减少。

目前减弱多路径误差的方法有:选择合适的站址;测站应远离大面积平静的水面,不宜选择在山坡、山谷和盆地中,应尽量远离高层建筑物;在天线中设置抑径板,接收机天线对于极化特性不同的反射信号应有较强的抑制作用。

3 与观测接收设备有关的因素

3.1 接收机钟差

接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的钟面时与GPS标准时之间的差异。

减弱接收机钟差的方法有:①把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数,在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。②把各观测时刻的接收机钟差间作相关处理,将接收机钟差表示为时间多项式,并在观测量的平差计算中求解多项式的系数。③通过卫星间求一次差来消除接收机的钟误差。

3.2 接收机天线相位中心偏差

接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。

在实际工作中若使用同一类天线,在相距不远的两个或多个测站同步观测同一组卫星,可通过观测值求差来减弱相位偏移的影响。但这时各测站的天线均应按天线附有的方位标进行定向,使之根据罗盘指向磁北极。

3.3 接收机软件和硬件造成的误差

在进行GPS定位时,定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。

3.4 天线相对旋转产生的相位增加效应

4 其它误差

4.1 GPS控制部分人为或计算机造成的影响

由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。

4.2 数据处理软件的影响

数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。

4.3 固体潮、极潮和海水负荷的影响

4.4 相对论效应。

卫星钟和地面钟由于存在相对运动,从地面观测,卫星钟走得慢,影响电磁波传播时间的测定。

结论

因为在GPS测量中受以上各种误差的影响,所以我们在实际工作中要严格按照测量规程的要求进行操作,尽量减弱各种误差的影响。又因为高精度GPS仪器设备较昂贵,一般的单位或部门很难承受,所以建议对从事一般测量的单位来说选用一般精度的GPS仪器或用传统测量仪器即可;对于承接高精度精密定位的较大单位就要用高精度的GPS仪器,以保证测量成果精度满足要求。

参考文献

[1]孔祥元,梅是义.控制测量学上册(第二版) [M]]武汉大学出版社,2002.2.

[2]付水旺.浅谈GPS测量与误差分析[J].世界采矿快报,2000.16(10/11):406-407.

GPS卫星捕捉及跟踪算法研究 篇6

本设计是针对使用带有C/A码的L1频段的GPS信号进行定位。尽管本设计没有做射频前端的信号处理工作,但所使用的数据都是基于真实的GPS数据。数据文件"GPSdata-Discrete Components-fs38_192-if9_55.bin"中的数据由美国科罗拉多大学团队利用其设计的专用射频采集前端采集获得[2]。

GPS卫星导航系统中的信号处理是基于通道结构的,一个单一的接收机通道概要如图1所示。

1 GPS信号的捕获算法研究

本设计采用的捕获方法是CDMA系统中常用的一种捕获算法,其框图如图2所示。这种方式是基于接收信号与本地产生伪码序列及本地载波的乘积。大体分为以下几步:(1)接收信号首先与本地产生的伪码序列相乘;(2)与本地产生载波相乘产生I支路信号;(3)与本地产生载波的90°相移信号相乘产生正交Q支路路信号;(4)I、Q支路信号分别经过1 ms,即C/A码周期的时间积分后,平方相加;(5)同时对I、Q支路信号进行研究,输出接收信号与本地产生信号的相关值;(6)判断相关值是否超过了预设门限,若超过,则转入跟踪过程。

1.1 积分与平方

串行搜索的最后一部分是余弦和正弦信号分别相乘后进行积分和平方。其中,平方是为了获得信号功率;积分则是将对应于处理数据长度的所有38 192个点的值相加。如果本地伪码与接收信号伪码完全对齐,且本地载波频率与接收信号频率相匹配,则得到的输出值比不满足这些条件的结果要大得多。图3(a)为对应于一个不可见星的捕获结果,图3(b)显示的是对应于一颗可见星的捕获结果[3,4]。

其中,第19颗星为不可见星,第21颗为可见星。显然,在对不可见星的捕获中,没有一点的幅度能够超过门限值500,所以表示相关运算的结果均较小,即没有完全自相关的点,捕获失败。而对可见星的捕获中,可得到一个明显的相关峰输出。

1.2 捕获仿真结果

对32颗卫星的捕获结果如图4所示。其中,横坐标代表32颗卫星的PRN号,即1~32,纵坐标用于度量捕获的结果,Acquisition signals代表捕获到了信号,Not acquired signals代表未捕获到的信号。显然,此刻可见卫星号为:3,6,9,15,18,21,22,26。

2 GPS信号的跟踪算法研究

GPS卫星首先利用伪码(C/A码)对所要播发的数据码进行扩频调制,再将伪码与数据码的组合码通过BPSK机制对载波进行调制。因此,在信号接收端,接收机要同时复制出与接收到的卫星信号相一致的载波和伪码信号。其中,复制载波与接收信号进行混频可以将信号下变频到基带,而复制伪码与接收信号进行相乘可以实现信号解扩。如此,便得到了接收信号中的数据码[5,6,7]。

2.1 载波跟踪

为产生准确的载波信号,锁相环或者锁频环常用于跟踪载波信号。GPS接收机常采用到的是Costas环,其特点是对180°相位不敏感,这也保证了导航数据的翻转不会对其造成影响。

如图5所示,Cotas环内包括两个乘法器,一个是本地载波和与C/A码相乘后的输入信号相乘形成I支路,另一个是经过90°相移本地载波和与C/A码相乘后的输入信号相乘形成Q支路。其主要目的是通过对载波发生器加上反馈回路,从而将能量保留在I支路。

2.2 码跟踪

码跟踪环的作用是保持对信号中特定码的相位跟踪,其输出是和输入信号中的伪码完全相同并且对齐的序列。本设计的接收机中采用了一种Early-Late跟踪环的延迟锁定环(DLL)。DLL的基本思想是输入信号和3个不同相位的码做相关,如图6所示。

输入信号首先和一个完全对齐的本地载波相乘后转换到基带,相乘后的信号I和超前(E)、即时(P)、滞后(L)3个不同的码序列分别相乘,其中P序列的初始相位是捕获得到C/A码相位,E、L序列的相位与P序列的相位相差为±1/2个码元。最后第2个乘法器的输出信号经过积分滤波运算输出IE,IP和IL,这3个值的大小代表了输入信号中的PRN码和本地C/A码的相关程度,通过对相关结果IE,IP,IL的比较,可找到最大的相关结果,从而得到C/A的初始相位[8]。

2.3 跟踪算法仿真

如图7所示,在对卫星的跟踪图中,图7(a)是载波跟踪环路原始的PLL鉴别器的幅度响应;图7(b)和图7(d)分别是码跟踪环路中,原始DLL鉴别器的幅度响应和对信号进行跟踪后的DLL鉴别器的幅度响应。从图7可看出,由于跟踪环路中噪声的存在,载波跟踪环路中原始的PLL鉴别器的幅度响应均码跟踪环路中原始的DLL鉴别器的幅度响应都不为零。跟踪结果为下一步的导航解算提供导航数据信息[9]。

3 结束语

为了能完成卫星定位,需要对卫星信号进行捕获、追踪。捕获的目的是从接收的信号中粗略地估算出那些可见卫星的信号参数,用于帮助接收机初始化跟踪环路,并开始跟踪信号。捕获给出了信号参数的粗略估计,而码跟踪和载波跟踪模块则将这些参数细化。跟踪后即可解调出导航数据。本文针对带有C/A码的L1频段的GPS信号进行定位研究,给出了捕捉算法和跟踪算法的原理,介绍了跟踪原理中的Costas环、码跟踪环结构。仿真结果表明,文中方法可准确快速地捕捉和跟踪卫星信号。

参考文献

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[3]刘俊成.GPS软件接收机关键技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2006.

[4]刘中华,刘文红.基于FPGA的北斗卫星信号接收机设计[J].数字技术与应用,2014(7):144-145.

[5]郭盛桃.北斗导航接收机中频频率设计[J].无线电工程,2014,44(9):63-66.

[6]刘辰.基于北斗收发系统的前端研制[D].合肥:安徽大学,2012.

[7]李晶.北斗/GPS接收机设计与实现[D].武汉:华中师范大学,2014.

[8]杨鑫.Locata系统定位算法研究[D].成都:西南交通大学,2015.

关于卫星定位及GPS干扰研究 篇7

1.1 GPS 信号结构分析

GPS信号结构中信号的组成主要内容有两个载波分量,还有就是GPS导航电文,它的主要内容就是卫星星历和卫星时钟校正参量以及测距时间标记等用户接收机处理导航信号,提取导航信息并通过适当定位解算算法完成定位解算。导航电文是通过非归零二进制码根据格式所组成,按帧向外发送。按传送参量信息量大小通过不同数目二进制码组成字符以及数据块。在C/A码以及P码方面,GPS卫星发送两种伪随机测距码,一个是粗捕获码C/A码,一个是精密测距码P码。

1.2 GPS 定位类型分析

在GPS定位的基本原理方面主要就是将卫星视为飞行的控制点,在已知其瞬时坐标条件下,通过GPS卫星和用户接收天线间距离作为观测量,进行空间距离后方教会,以此来确定用户接收天气所处位置。能够将其分为静态定位以及动态定位两种,倘若接收机的天线在跟踪GPS卫星中位置是处在固定状态那么就属于静态定位,反之则是动态定位。

2 卫星定位及 GPS 干扰问题与解决策略

2.1 卫星定位及 GPS 干扰问题分析

在GPS干扰问题方面的压制式干扰由于其干扰的功率比较大,这样不仅是能够降低接收机的伪距测量精度,同时也直接的造成D码解码错误,从而使得接收机无法定位。一般情况下,在GPS接收机接收有用的信号时,不能够对外部的干扰完全的抑制,这样GPS接收机检测有用信号的时候就一定会存在不确定的因素,这样就会释放干扰信号。由于GPS系统是通过空间部分以及地面监控站和用户接收机这几个重要部分所组成,所以针对GPS干扰主要就是这几个方面的干扰。从技术角度出发,可将GPS干扰方式分为两种,也就是欺骗性干扰和压制性干扰。这两者的干扰方式都各不相同,首先对于压制性干扰来说,它主要就是在干扰机所发射的强烈信号影响下,对接手机产生的影响,这样就会造成信号不能够正常的进行放大检测,最终会使得接收机的功能大幅度的降低或者是能力的丧失。而在压制性的干扰方面又能够将其分为不同的干扰种类,最为常见的就是阻塞式的干扰以及瞄准式的干扰。前者主要就是对信号的载频以及带宽的功率进行的干扰,从而使得在一定的区域当中达到扰乱信号使其不能正常接收。后者则是通过载波调制的方法对接收机的分辨能力进行扰乱,使其不能够准确分辨信号,从而来达到信号扰乱的目的。

除了以上介绍的压制式干扰外,欺骗式的干扰也是在GPS信号干扰中比较重要的一种干扰方式,在这一干扰方式其主要就是对接收机接收假信号进行引导,使接收机不能够正常的进行分辨信号和位置所在,对这一种信号干扰的方式也能够分为两种重要的形式,可将其分为产生式的干扰以及转发式的干扰,前者主要就是通过干扰机进行发射信号,这一信号和和卫星信号是相同的,这样就能够起到对接收机欺骗的效果,从而使其出现错误的解码,达到预期的目的。而后者则是通过对信号进行接收,然后再将这一信号进行广播,从而就能够构成一个虚假的信号,也会使得接收机的信息解码产生错误。

2.2 卫星定位及 GPS 抗干扰技术探究

由于GPS比较受到干扰所以针对这一问题对其进行解决,通过抗干扰技术能够有效的增强GPS自身对外部环境的抵抗,首先在直接P(Y)码捕获技术方面能够有效的对GPS干扰问题得以解决,在这一抗干扰原理上主要就是由于C/A码只有25分贝抗干扰能力,所以在抗干扰能力方面比较弱,而在P(Y)码作用下就能够达到43分贝抗干扰能力,所以在这一抗干扰技术下对GPS的实际应用的安全性有着重要保障。在这一抗干扰技术的应用领域主要在军事方面,随着技术的发展这一抗干扰技术不断的增强,已经从单频向着双频发展,通过多个相关器技术以及小型化的高稳定时钟技术对P(Y) 码进行直接的捕获,并引入GPS接收机应用模块技术,使得接收机更加容易的嵌入其它系统当中。

另外就是在自适应调零天线技术下应调零天线主要有多个阵元的天线阵,在阵中的各个天线和微波网都是相连的,微波网络又是和一个处理器相连接,在天线阵的方向图中产生对干扰源方向的零点,这样能够减低干扰机的效能,抵消干扰数量等于天线阵元数减1,倘若是在理想的条件下就能够使得GPS接收机抗干扰能力提高四十到五十分贝。

在GPS抗干扰技术的应用中,将GPS和惯性导航系统相结合能够提高抗干扰能力,在将两者得到有机结合后,在GPS承受射频干扰的时候,惯性导航系统就能够提供记忆功能,从而将组合系统从产生的导航误差中恢复,有效的对导航任务加以完成。在解决干扰问题之后,惯性导航系统又能够协助GPS重新的获取信号,在这一组合系统技术的应用下能够将抗干扰的能力提升百分之十到百分之十五左右,从实际的应用当中能够发现,其已经在各类的巡航导弹精确制导炸弹方面起到了重要作用。

再者就是通过陆基伪卫星的技术也能够起到很好的抗干扰作用,在对这一技术进进行实施过程中,它能够有效的将从一个区域内的地面发射信号进行捕捉以及改善,从而将对信号分辨的精度大幅度的提升,在长时间的干扰技术方面最为常见的就是机载卫星技术和数字束波向天线技术,通过将这两种技术在实际当中进行应用能够有效的将抗干扰的性能得以提升,这样就能够有效的将信号的接受准确率得以增加。在不断的技术进步过程中,对于信号干扰问题也将会得到进一步的加强,从而在根本上解决实际问题。

3 结语

GPS卫星信号发生器 篇8

北斗在通信领域凸显三大意义

据悉, 北斗系统历经的12年研发与测试时间在卫星导航领域已“相当迅速”, 通过16颗在轨卫星, 北斗系统已经可以达到平面10米、高程10米的定位精度, 授时精度单向50纳秒, 还可提供双向高精度授时和短报文通信服务。

继亚太区之后, 北斗系统还定出了“2020年覆盖全球”的目标。此前, 美国GPS系统从军事走向民用, 引领了世界范围内的高精度位置服务潮流。中国卫星导航定位协会咨询中心主任曹冲接受《通信世界》记者采访时表示, 对于北斗系统在军用领域有显著意义之外, 对于通信领域, 北斗系统在三个方面体现出重要意义。

一是北斗系统的授时 (时间传递) 与同步功能在通信系统中具有明显应用, 尤其是在宽带和高速无线电通信中, 时间基准是个重要参量, 在码分多址通信中, 通信传输系统的时间参照和时间统一问题是件大事, 移动基站通常都有专门的利用卫星导航的高精度时间模块;二是通信与导航是天然的最佳组合, 基于位置的服务就是一个典型;三是未来的产业融合发展将出现导航通信的一体化集成, 形成一个新兴的产业集群, 是将新一代新兴技术和智能信息产业推向新的发展阶段的重要关键、基础、共性技术, 是通信与导航技术发展的重大方向。

“泛在智能服务”目标

在信息时代, 卫星导航还集合了大数据、智能化、无线革命等特点, 对于“北斗对于目前移动互联网重点发展的位置服务会带来什么样的创新”这一问题, 曹冲表示, 位置服务是导航与通信的结合的范例, 是移动互联网的标准配置。北斗和其它传感网络在一起, 是解决全源感知和大数据的问题, 而云计算和软件系统等现代计算机技术解决的是数据处理和分发, 把它们关联起来, 是为了实现泛在智能服务的终极目标。

“未来, 北斗系统的双向短信通信功能会进一步发挥通信作用。通信与导航系统的融合也将是全方位的。总有一天, 在卫星上将实现通信与导航的融合, 形成一体化服务, 这需要经过实际研发, 2020年之后有望实施建设。”鉴于北斗带来的巨大科技效应与经济效应, 此前很多GPS企业也都转向北斗产业, 但产业链尚未真正完善也是业内提及最多的问题。

曹冲表示, 我国的北斗系统建设比美国的GPS晚近30年, 在系统整体上赶超国际先进水平尚需时日, 但是从产业应用技术而言, 北斗可以发挥后发优势, 集中突破若干关键的技术瓶颈, 实现产业的快速、可持续、跨越式发展还是有可能的。“但企业要结合市场需求和自己的优势, 创新产品和服务, 做出各自的特色和差异化。”