國產雙頻測地型 GPS接收機的實現及其性能

王永泉,趙延平,張文強,孫國良

(上海華測導航技術有限公司,上海 200233)

國產雙頻測地型 GPS接收機的實現及其性能

王永泉,趙延平,張文強,孫國良

(上海華測導航技術有限公司,上海 200233)

介紹具有自主知識產權的雙頻高精度、測地型 GPS接收機實現方法以及相應的性能指標。該接收機核心板的實現是基于通用射頻器件、具有DSP功能的低成本 FPGA和ARM9微處理器。將其主要性能與采用進口OEM板卡的測地型 GPS接收機進行各項比較。通過各種環境下短、中、長距離的比較試驗表明,接收機的動態精度和初始化時間等指標優于同類型的主流產品。該成果對于北斗二代測地型接收機的研制具有積極意義。

全球導航衛星系統;測地型;接收機;整周模糊度;實時動態

一、引 言

衛星導航系統已進入百花齊放、群星爭艷的時代,同時,我國測地型 GNSS接收機的制造也處于蓬勃發展的態勢[1]。然而,不可否認的是,目前所有的國產雙頻高精度GNSS接收機均依賴于進口OEM主板,國內主要測地型 GNSS接收機廠家,均在利用進口OEM板進行二次開發及組裝[2]。

上海華測導航技術有限公司歷時 4年開發,成功研發了具有自主知識產權的雙頻高精度測地型GPS接收機。該接收機基于通用射頻器件、具有DSP功能的低成本 FPGA和 ARM9微處理器,實現了 GPS L1 C/A碼、L1/L2 P碼的捕獲與跟蹤等核心功能;同時,實現了 RTK必備的參考站和流動站數據處理軟件[3]。

目前,國外同類產品 OEM板的價格超過 2 000美元,而集成了更多功能的華測 X90R型接收機核心主板的制造成本不到 2 000元人民幣,同時在功耗、精度、初始化速度、可靠性等方面與國外同類產品均具有可比性。這款擁有自主知識產權的雙頻高精度、測地型 GPS接收機已經在 2009年批量進入國內外市場。

二、接收機設計概述

目前,主流的一體化雙頻測地型 GPS接收機在電子電路上,除必須具有 GPS信號接收和處理部分之外,還包括差分數據通訊、數據記錄和存儲、電源,以及藍牙和 RS232等接口電路。而僅從 GPS信號處理而言,本研究在系統設計中,采用分立集成電路構成射頻部分,采用ARM9與現場可編程門陣列(FPGA)相結合構成數字部分,整個接收機的總體框圖如圖 1所示。

圖 1 接收機主板核心部分總體框圖

雙頻 GPS接收機需要同時處理帶寬達20MHz的 GPSL1和L2信號,而市場上目前沒有能滿足這些要求的專用射頻集成電路,所以本研究基于分立集成電路來實現,這也是目前國外同類產品采用的主要方法。該雙頻接收機將天線接收到的射頻信號經過低噪聲放大器、帶通濾波、一級變頻、帶通濾波、二級變頻、AGC、低通濾波后得到零中頻信號,然后在中頻進行 A/D采樣,在數字域內完成數字信號的下變頻、碼捕獲跟蹤、載波捕獲跟蹤、信號的解擴解調等處理任務[4]。

基帶電路完成信號的數字化,數字信號的頻率變換、提取,偽碼的捕獲、跟蹤,載波的捕獲、跟蹤,擴頻信號的解擴解調,以及產生模擬前端AGC控制電平。具體實現電路有A/D轉換器、數字下變頻器、解擴、解調、碼環誤差提取、載波環誤差提取、碼環濾波器、載波環濾波器、碼NCO、載波NCO、PN碼產生與時鐘產生等幾部分組成,整個電路在 Xilinx低成本 FPG A上完成。其中 P2碼的捕獲與跟蹤采用了半無碼的跟蹤方法,并利用 FPG A內置的DSP核實現了關鍵電路,從而降低了對 FPG A門電路的需求。在實驗室環境下,通過雙頻 GPS信號模擬器測試表明：接收機的偽距精度達到 ±10 cm、載波相位精度達到了 ±1mm,這些指標與國外同類產品處于同一水平。

雙頻測地型 GPS接收機在工作時,還需要通過相應的實時數據處理軟件進行 RTK解算,從而得到用戶需要的厘米級成果,其中的關鍵算法在于在航解算 (on the fly,OTF)整周模糊度[5]。與其他進口GNSS接收機內置 RTK算法不同的是,該款接收機將RTK軟件運行在外業手簿內。與接收機內使用的微處理器一樣,手簿內采用了主頻 628 MHz的ARM9(PXA271),在觀測 8顆 GPS衛星時,更新一次結果的計算時間最長為 120 ms。本研究的 RTK算法基于擴展卡爾曼濾波實現,模糊度分解采用了LAMBDA方法,另外采用了非中心χ2檢驗的方法對OTF結果進行了檢驗。整個算法具有初始化速度快、可靠性高的特點[6]。

將 RTK算法由傳統的在接收機內運行改為在外業手簿內運行,可以降低接收機內微處理器的運算量,從而降低接收機的功耗。

這款接收機的主板除擁有通常的OEM板的功能外,還集成了大容量存儲、GPRS/UHF通訊等功能,如圖2所示。

圖2 X90R雙頻GPS接收機主板

三、性能測試

將自主研發的雙頻測地型 GPS接收機 (X90R)同配置了 Tr imble公司 BD950型雙頻 OEM板的X90D型接收機、配置了 NovAtel公司 OEMV-2型OEM板的 X90F型接收機進行對比測試。

1.接收機內部噪聲的零基線檢驗

接收機的內部噪聲,主要是由于接收機硬件電路引起的,其檢驗方法通常采用零基線檢驗法。

零基線檢驗的具體操作是,將同一天線接收的衛星導航信號通過功分器分成相位、功率相同的兩路信號,分別輸入兩臺同類型被測接收機,觀測時間為 1 h。根據兩臺接收機的觀測數據,利用相對定位的原理求解測距精度。表 1為 X90R、X90D和X90F三種接收機內部噪聲水平比較[7],結果表明, X90R的內部噪聲與采用進口主板的國產接收機處于同等水平。

表1 接收機內部噪聲水平 m

2.動態 RTK性能的可靠性和精度

RTK技術的關鍵在于求解起始相位整周模糊度,又稱RTK初始化。它要求基準站 GPS接收機把觀測數據及已知參考坐標實時傳輸給流動站 GPS接收機,流動站快速求解整周模糊度,在觀測到 5顆或以上衛星后,可實時求解出毫米/厘米級的流動站動態位置。

本研究在相鄰的兩個靜止不動的點上,分別利用 X90R和 X90F進行長達 10 h的 RTK測量,在此期間,接收機被設定成每 1 min初始化一次。記錄兩者的結果,并比較兩者的點位離散分布,如圖 3所示。

由圖 3可見,X90R和 X90F這 10 h的測量中,均沒有出現模糊度解算錯誤的情況,但 X90R的點位分布更集中,精度更高。

初始化時間是 RTK性能的一個重要指標,初始化時間受電離層、周圍環境、衛星分布等因素的影響。本研究采用 X90F和 X90R接收機在距離基站不同距離的環境下比較了兩者的初始化時間(見表2)。

圖 3 X90F(a)和X90R(b)RTK的精度和可靠性比較

表2 不同距離的初始化時間s

從表 2可以看出,對于中、短的測量條件,由于電離層影響較小,儀器一般都能在 10 s內初始化完畢,在中長基線條件下(超過 30 km),初始化時間將受到一定的影響。應當注意的是,表 2的結果是在電離層不活躍季節、衛星分布較好的情況下測量的結果。

RTK的性能除受電離層的影響外,還受到周圍環境的影響。本研究分別在空曠地帶、高壓線下、小樹林、高樓旁和大樹下等有遮擋和干擾的環境下進行了比較測試,如表 3所示。

表3 不同環境下初始化時間s

從表 3可以看出,對于空曠地帶、信號無遮擋的觀測條件,儀器都能在 5 s內初始化完畢;在高壓線下、小樹林中和大樓旁,初始化時間將受到較大的影響,流動站初始化時間一般在 20～40 s之間,能夠滿足用戶對快速定位的需求,而在枝葉茂密的大樹下,初始化時間較長且沒有可循的規律,表中未列出。比較結果表明,X90R在惡劣環境下的性能不如 X90F,但上述行為結果會因為衛星的分布不同而有很大的差異。

由于BD950為 Trimble公司 5年之前生產的產品,其動態性能與目前市場上的最新產品有一定的差距,所以在本節測試中沒有比較其性能。

3.動態定位性能測試

為檢驗雙頻 GPS接收機 RTK的動態性能,對X90F和 X90R接收機在滬A9高速上進行了實際跑車對比測試,基于同樣的原因,本節沒有比較 X90D的性能。

跑車起始經度、緯度和高程分別為 (東經121°21′08.04″、北緯 31°11′05.46″、26.349 m),距基站4 km;終止經度、緯度和高程分別高為 (東經121°11′42.15″、北緯 31°09′03.09″、25.251 m),距基站20 km,路線總長度約為 16.354 km。整個跑車路線出現多處因廣告牌、立交橋等遮擋導致衛星全部失鎖,需要重新初始化。測試過程中,進行了多次加減速,最大速度約為 90 km/h,最大加速度約為 3m/s2。

圖 4給出了兩種接收機動態定位能力比較結果,其中粗線為固定解的結果。動態性能測試表明,X90R在高動態環境下,捕獲迅速,跟蹤準確,具有穩定的解算能力。比較X90R和X90F的精度,兩者互差均在允許范圍內。圖中,X90F由于數據鏈中斷,因此得不到固定解的時間比 X90R多一些。

圖 4 X90F(a)和 X90R(b)軌跡圖(固定解)

四、結束語

本文介紹了基于通用射頻器件、FPGA和ARM9微處理器實現的雙頻測地型 GPS接收機,并分別與基于 Trimble BD950主板的接收機、NovAtel OEMV主板的接收機進行了對比試驗。性能測試結果表明：X90R的靜態數據質量、RTK性能和穩定性等主要指標均達到國外同類產品水平;個別性能,如不同距離的初始化時間、不同環境的初始化時間甚至優于最新的 OEMV主板。目前,自主研發的雙頻GPS接收機已可滿足測地型生產作業的要求,并已經取得了計量儀器生產許可證。

目前,華測公司正在研制雙頻測地型 GPS接收機的基礎上,研制能同時接收 GPS/北斗二代信號的多頻測地型接收機。

[1] 楊元喜.北斗衛星導航系統的進展、貢獻與挑戰[J].測繪學報,2010,39(1)：1-6.

[2] 袁明翠.我國測繪發展現狀與發展戰略初析 [J].華章,2008(18)：11-14.

[3] 王永泉,王玫,張炎華.基于解析法的 GPS姿態測量初始化的方法 [J].上海交通大學學報,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.顧及基線先驗信息的 GPS模糊度快速解算[J].測繪學報,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] 國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T18214.1—2000全球導航衛星系統 (GNSS)第 1部分：全球定位系統(GPS)接收設備性能標準、測試方法和要求的測試結果[S].北京：中國標準出版社,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,江蘇海安人,博士,高級工程師,主要研究方向為測地型 GPS/GNSS接收機。