GNSS系统

GNSS系统（精选8篇）

GNSS系统 篇1

0引言

我国是农业大国,发展农业规模化和精细化生产离不开土地平整技术。这种技术可以提高地面灌溉质量,改善作物的种床条件,是实施“精细农业”和建立现代地面节水灌溉农业的重要工具［l］。

基于RTK - GNSS控制的平地技术具有不受外界环境影响,能够适应复杂工作环境等优势。作为新兴的土地平整技术,其在发达国家已得到一定的应用, 包括日本的拓普康AGS土地平整系统和美国天宝公司Field LevelⅡ系统、GCS900系统等。基于GNSS的土地平整技术作为新兴科技,在欧美、日本等发达国家已得到较好地应用; 而中国由于精准农业起步较晚,GNSS在农业中的应用技术与发达国家有一定差距。然而,从国外引进GNSS平地设备的价格比较高, 平地成本较高,如美国天宝GNSS自动平地控制系统低档次的GNSS控制设备需要近4 000美元,约合3万多人民币。一般的普通农户和一些小型的农场根本无法承受。

在国内,该技术尚处于初步的研发阶段,目前只初步实现了作业前农田地形测量及土地平整功能,而且测量精度相对较低。但是,随着中国北斗系统建设的发展和完善,以及GNSS定位精度的提高,适用于中国的GNSS精细平整势必会得到广泛推广应用［2］。本文将GNSS( Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统) 平地控制技术与中等马力的拖拉机结合, 设计了与中等马力的拖拉机相配套的牵引式GNSS平地机,测试了平地铲和液压系统,并对平地机的高程运动性能进行相关试验,且在农场进行了相关的田间作业试验［2］。

GNSS平地机自动控制系统可使平地机按照驾驶员预先设定的高程进行自动平地控制,从而实现平地机自动操作,保证平地机按照预先设定高程进行精确平地。该系统具有操作简单、效率高、工作不受天气影响等优点,高程控制精度可达到10cm( ± 5cm) ; 可对农场现有的拖拉机导航高精度GPS接收机及RTK差分站进行充分利用,节省设备投资。创新研究通过软件参数的设置来调控平地铲油缸伸缩速度,通过控制液压电磁阀占空比来控制液压油流量,调控平地铲升降速度,避免平地铲超调震荡,影响平地精度。

1系统的组成

随着科学技术的发展,农田平地机的基本结构已经极为成熟,改进的余地很小。其主要由平地铲、液压控制系统及自动控制系统3部分组成。其中,平地铲部分和液压系统部分的原理和功能也大致相同,很难通过其进行改进提高平地机的作业精度,而对平地机自动控制系统的研究以提高平地机的作业精度和自动化程度是近年来发展的主流。

对国内外GNSS平地机控制系统情况进行分析, 总结出各种GNSS平地机控制系统的优缺点,在此基础上进行GNSS农田平地机控制系统的总体设计,并提出新的适合黑龙江垦区的GNSS农田平地机控制系统方案。利用Mat Lab中的仿真系统,建立了GNSS平地机控制系统的运动数学模型,得到了GNSS平地机控制系统的仿真模型,并仿真分析了控制系统的动态特性,设计出合理的自动控制系统。

系统组成: 以RTK - GNSS接收设备为定位装置, 以车载式触控一体机及控制器为控制中枢,以液压系统平地铲为机械动力设备,总体设计如图1所示。

RTK( Real Time Kinematic ) 是GNSS实时处理定位的简称,是一种将RTK与数据传输技术相结合的实时载波相位测量的差分GNSS定位,同时实时解算并进行数据处理,在1 ~ 2s时间内得到高精度位置信息的技术［3］。

本文设计的GNSS定位系统主要包括以下两个部分:

1) GNSS差分站。基准站GNSS接收机及数传发射器固定在三角架上。流动站GNSS接收器置于平地机上,基准站和流动站同时接收同一时间、同一GNSS卫星发射的信号,基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较,得到GNSS差分改正值。

2) GNSS接收器。流动站的GNSS接收机固定安装在平地机的平地铲立杆上,通过电缆与平地机自动控制系统设备相连接; 将接收到的差分信号通过RS - 232串口发送到放置在控制箱中的嵌入式一体机中。

2土地平整方法对比

我国主要使用激光平地机进行大规模的土地精细平整作业,相比传统的、通过肉眼校正平地机进行平整地作业只能够进行粗平,使用激光平地机进行作业能够大幅度地提农田的平整精度从而实现精平作业, 自动化程度较高。但是,激光平地机的作业精度易受地形和天气等因素影响,如在强光、大风或有雾环境下工作,会使平地机的平地精度受影响,产生较大误差,影响平地作业精度。同时,由于激光平地机的接收器的垂直接收范围有限,所以该技术难以对水田或高低起伏较高的土地进行平地作业。在进行大面积的农田平整作业时,由于激光平地机的辐射半径较小,有时在进行平地作业时会出现激光信号丢失现象,导致激光平地机无法正常工作,影响平地作业精度,且难以满足农田坡面平整要求［4］。

GNSS( Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统) 技术能够获取地表任何点的定位信息,具有测量速度快、工作效率高等突出特点,如图2所示。 随着GNSS定位精度的提高和设备成本的降低,其在农业中的应用也越来越广泛。

GNSS控制平地系统可提高农田区域的土地平整作业精度,且可以全天候作业,受到天气等外界因素影响小,自动化控制程度较高。GNSS自动控制在平地机上的应用能大幅度地提高土地平整精度1 ~ 3倍,其感应系统的灵敏性至少比人工视觉判断和平机具上操作人员的手动液压系统准确10 ~ 50倍。其自动化程度高、操作简单、作业效率高,适宜在常规粗平基上完成田面精平。

本文研究的GNSS平地机自动控制系统接收高精度的GPS高程信息,进行高程定位,解决了平地机平地效果差的问题。随着垦区农业现代化进程的加快, 垦区大部分的大中型拖拉机配有GNSS接收器,且垦区大部分农场建有GNSS固定差分站。安装GNSS平地机自动控制系统可充分利用农场的现有资源,节约了成本,有利其进行大规模推广应用。

3 GNSS在农田平地作业中的应用及试验

3. 1田间试验地点

试验地点为黑龙江省八五三农场二分场第五作业站,试验田块前茬为南瓜田,地块长约259m,宽约57m,地块面积约1. 46hm2。试验地块相关情况如表1及图3所示。

3. 2架设GNSS差分基准站与移动站

在进行试验前,先把GNSS差分基站架设好,将GNSS差分基准站架设在农田附近,如图4所示。

开始连接设置在平地机上的GNSS流动站。农用平地机的常用作业速度为粗平作业5 ~ 6km /h,细平作业6 ~ 8 km /h; 用此速度即可开始采集动态数据采集的坐标点［6］。

3. 3平地前农田地形GNSS测量试验

在进行平地作业前用车载GNSS在田间测量作业地号地表的起伏偏差,然后用Mat Lab软件绘制出田地长度方向的平均偏差三维立体图。首先,打开平地机自动控制系统,实时接收GNSS数据,然后通过农用车辆牵引GNSS平地机在农田中进行大S形弯行走,进行农田动态地形测量; 然后,从GNSS自动控制系统中导出相关数据,通过Mata Lab成图软件,生成平地前后三维效果图,并记录数据; 最后,进行比较分析土方量的多或少,为驾驶员进行粗平作业确定了重点刮土和填土部位。

采集得到的GNSS定位数据点的经纬度坐标在程序中使用UTM投影,变换到了平面直角坐标,如图5所示。

本文使用Mat Lab软件作为GNSS数据处理和田地地形图绘图的工具。首先把通过记录仪采集到的数据点的平面直角坐标和高程分别赋值给x、y、z 3个变量。作业后,进行数据处理时可先把记录在. txt文件中的记录导出到Excel表格中,再把数据导入到Mat Lab软件中进行数据处理。通过Mat Lab软件可以实现三维曲面图形的快速绘制,插值数据生成的三维曲面图,如图6所示。

3. 4田间土地平整作业试验

平地前田块已经耙好,把地块平均分为3等份,分别进行作业。在田边选取合适的地点架设GNSS差分站天线,GNSS高程控制系统和水平控制系统的平地机田间作业情况如图7所示。GNSS平地机作业应分粗平和精平两步进行。粗平之前,地块内高低起伏偏差在80cm以内,比较平缓的地块,粗平3 ~ 4遍便可完成［7］。

经过3 ~ 4遍粗平作业后,观察到农田地块地表基本平整时,调整GNSS平地控制系统的高程参数, 进行精细平整作业［8］。GNSS移动站设置,开始连接设置在平地机上的GNSS流动站。农用平地机的常用作业速度为粗平作业5 ~ 6km /h,细平作业6 ~ 8 km / h; 用此速度即可开始采集动态数据采集的坐标点,并使用自动控制系统中记录功能进行试验数据记录。

4试验数据处理

在GNSS平地数据内业处理时,除了将数据点输入文档中进行保存留档之外,还要画出坐标点图,选择用Mat Lab软件处理数据并绘制地形图［9］。为了准确地测量农田作业区三维地形数据。使用Mat Lab软件对农田地形图进行绘制。

在GNSS平地控制试验中,通过Mat Lab软件分析和数学推算,以Mat Lab实现作业数据的后处理,建立了平地作业GNSS轨迹图,如图8所示。

利用Mat Lab分析软件极其强大的数据可视化功能,制作出平地机作业地块3D地形图［10］,如图9所示。

使用EXCEL软件对平地试验数据进行分析,得到GNSS平地机作业试验数据统计表,如表2所示。

经过EXCEL软件进行试验数据分析,得到试验数据统计直方图,如图10所示。

5结论

1) 通过进行室内台架试验,得出了GNSS平地机的高程响应特性。高程液压油缸和平地铲的上升响应时间长于下降响应时间,约为下降响应时间的1. 98倍,平地铲全程384mm,上升的时间为3. 23 ~ 4. 16s, 下降所需时间为1. 8s左右。

2) 平地机GNSS高度控制器设置高程为86. 548 m,总记录数据为10 963组,经过EXCEL进行分析可得到中位数86. 577m,与设置高程为86. 548m相差2cm,两者非常接近。86. 54 ~ 86. 64cm出现次数为8 439次,占总数的77. 81% ,表明平地作业高程偏差10 ± 5cm。

3) 平地机田间试验表明: 平地作业后土地的平整情况得到显著改善,粗平作业后田面最大高程差由80cm降低到20cm,而精平作业后高程差变为10 ± 5cm,基本可应用于土地平整作业。

GNSS系统 篇2

Compass纳入GNSS运行可行性探讨

根据全球卫星导航系统及我国“北斗”系统的`建设和发展,阐述了国际民航组织对GNSS的定义及性能要求.结合当前GNSS运行情况,探讨了将“北斗二号”纳入GNSS运行的可行性及必然性,阐明了GNSS多系统兼容运行的优势.

作 者：张光明 ZHANG Guang-ming  作者单位：中国民航飞行学院,四川,广汉618307 刊 名：全球定位系统 英文刊名：GNSS WORLD OF CHINA 年，卷(期)： 34(2) 分类号：P228 关键词：“北斗二号”   GNSS   区域导航   完好性   基于性能导航  

GNSS系统 篇3

近年来在世界范围内如飓风、地震、台风、海啸等重大自然灾害频繁发生, 对人民的生命财产造成了严重的伤害。在全球范围内, 应急减灾系统的建立、完善和加强再次得到了各国政府部门及相关国际组织的高度重视。旅游景区大都在超负荷的接待游客, 产生很多安全隐患。综合所有的搜救过程不难发现, 搜救工作之所以艰难的主要原因在于无法快速获知精确的失事地点。尤其是在地形复杂的山区地带, 由于通信受阻、地形复杂、遇险者无法描述所处地域等各种原因, 使救援工作困难重重、耗时费力。为此, 构建一套组织高效、资源配置优化、反应迅速和辅助决策科学的救援系统就显得尤为迫切。卫星导航系统能够为用户提供精确的位置、速度、时间等信息, 但是在室内、森林、城市等复杂环境下, 导航卫星信号受到严重的衰弱, 信号功率远远低于一般导航卫星接收机的工作范围。基于卫星导航与位置服务的应急搜救技术研究创新性的提出了复杂环境下基于应急导航搜救终端的应急搜救方法和应用技术。

1 系统概述

1.1 结构设计

大型自然景区是目前最需要实现区域服务的典型区域环境, 大量的游客对数字导游、自主规划、周边服务查询、应急求助等提出了越来越高的要求, 在示范平台规划中, 应急搜救平台将与位置服务平台、监控平台、公共服务平台、通信管理平台共同作为技术支撑以达到景区管理平台的常态运作。

该平台依托国家“十二五”科技支撑项目“智能导航搜救终端及其区域应用示范”, 接收智能导航搜救终端与位置服务平台提供的报警信息, 通过接警信息分析与处理, 制定“有计划、有步骤、可操作、可执行”的应急搜救预案以提供决策支持, 实现景区应急事件灾害险情、景区旅游运营突发事件的及时处理, 达到景区对突发事件的快速响应。

1.2 流程设计

应急搜救平台通过移动通信网络、北斗、WIFI等接收应急报警信息, 经过分析处理后生成应急救援方案, 并进行指挥调度, 同时将一些指挥调度命令通过网络推送到搜救终端和指挥终端。

应急搜救平台主要对景区内突发应急事件提供相应的服务信息。救援调度服务用于应急调度工作, 能够将指定目标的有关信息通过内部网络随时调取, 并连同搜救终端的各种信息实时、准确地显示在电子地图上, 通过不同颜色图标区分监控目标的状态, 同时系统也可以实时监控救援人员的分布和运动轨迹, 使整个救援工作直观清晰。通过通信功能模块可进行短句文字通信、数据通信等, 并提供搜救编组内部的通信能力, 便于联合行动和动态指挥。此外, 通过该功能还可以扩展实现向管理中心的汇报和通信, 支持大范围、大区域的联合搜救行动调度控制。与数字地图的结合可以为搜救指挥调度人员提供直观的区域界面, 便于进行搜救路线的规划、距离量测、行动指挥等工作, 进而提高搜救效率。数据共享和与上级主管部门间的互联互通能够支持大型区域救援任务, 实现搜救过程中多人、多部门间协作管理, 救援调度的数据通过预留的网络接口可以接入到上级管理部门, 进而纳入公共搜救信息网络或应急指挥系统。

1.3 功能设计

该应急搜救平台将以九寨沟景区作为应用示范点, 主要包括了接警功能、应急处理、指挥调度、信息发布与管理、系统管理、预案管理、决策支持等功能。

1.3.1 接警功能

本功能模块主要实现对报警信息的记录、处理, 分为系统接警和人工接警。

系统接警通过通信模块可自动接收终端的求救及环境监测报警;人工接警可受理短信、电话报警, 由专人在系统中录入报警信息。

1.3.2 应急处理功能

突发事件发生后, 应急处理模块制定发布应急搜救方案、应急疏导方案, 并通过控制中心发布一系列指令, 向终端提供行动说明和所需要进行的应对措施, 具体包括现场信息查询与显示、应急搜救方案制定与发布、应急疏导方案制定与发布。在进行应急搜救的同时, 对景区内人群高密度和高危险度区域必须进行应急疏导。参考应急预案库中的疏导方案, 结合突发事件的特点进行数据分析, 以此为基础, 制定“人机交互”的应急疏导方案。制定好的应急搜救方案可通过广播, 以及客户端短信、彩信和电话的方式在景区内进行发布。

1.3.3 指挥调度功能

根据搜救决策, 平台将向指挥型搜救终端发布搜救策略, 通过与智能导航用户终端和指挥型搜救终端的交互对被救对象、搜救队伍进行实时的监控和指挥调度。

1.3.4 信息发布与管理功能

本功能模块可以通过广播和终端实时进行信息的发布与管理, 包括以下两个子功能:

(1) 公共信息发布与管理

结合九寨沟景区的实际情况, 平台将采取多样化的信息传播方式:建立单向广播站点, 进行信息的单向广播, 对游人进行安全宣传教育及紧急事件的播报。

(2) 组信息发布与管理

分组是指在团队间以组的形式管理公共信息, 为指挥型应急救援终端提供组内搜救与疏导信息。

1.3.5 系统管理功能

本功能模块对日志、任务和应急资源进行管理, 包括用户的权限管理。为新建任务提供需要制定的任务信息。包括新建任务、根据任务类别查看表单、新建表单。建立任务队列列表, 跟踪队列中各任务的执行情况, 对各任务进行查看、管理等任务模板:建立核心任务模板, 建立演练任务模板。包括查看、编辑、删除任务, 并可以把所选任务在地图上显示出来。能对任务的任一表单任一数据项进行精确或模糊查询, 以历史查询为主, 也可以按行政区划分级查询。包括统计查询、查询结果输出、生成专题图、专题图整饰、专题图打印。

1.3.6 预案管理功能

本功能模块主要实现对应急预案库和国内外应急案例库的管理, 并实现三维模拟演练和实练评估模块。包括以下子模块:

(1) 应急预案库管理

应急预案数据库包含了完备的应急预案机制, 该功能模块主要完成对数据的增加、删除、存储、编辑、查询及维护等。

(2) 模拟演练模块

该功能模块可进行三维模拟应急事件演练, 并实练评估。

(3) 案例库管理

案例数据库包含了众多国内外著名的应急案例, 为应急搜救提供经验指导。该功能模块主要完成对数据的增加、删除、存储、编辑、查询及维护等。

2 关键技术

2.1 基于UDP协议的通信调度

UDP是User Datagram Protocol的简称, 中文名是用户数据包协议, 是OSI参考模型中一种无连接的传输层协议。在网络中它与TCP协议一样用于处理数据包, 是一种无连接的协议。在OSI模型中, 在第四层——传输层, 处于IP协议的上一层。UDP用来支持那些需要在计算机之间传输数据的网络应用。包括网络视频会议系统在内的众多的客户/服务器模式的网络应用都需要使用UDP协议。与所熟知的TCP (传输控制协议) 协议一样, UDP协议直接位于IP (网际协议) 协议的顶层。UDP协议的主要作用是将网络数据流量压缩成数据包的形式。

本平台通过将相关信息基于XML进行格式化, 并调用相关操作系统的网络接口, 可基于UDP协议实现对景区各种应急资源的网络监控及调度, 在系统中通过对象的服务或者行为来改变该属性值, 即对象的状态, 具体对应实际世界中的救援任务, 如疏导、救助等。

2.2 应急物资储备库模型

在紧急状态出现以后, 所需物资不可能也不应该同时到达应急现场, 要使整个应急工作有条不紊、有重点的实施, 必须在第一时间将最需要的物资送达应急现场。这样不仅有力提高了应急救援工作效率, 同时也减少了应急现场不必要的物资积压。优先级是按照应急救援工作的一般流程设定的, 在紧急状态处理的过程中第一时间到达应急现场的是优先级最高的物资, 也即应急现场最需要的物资。按照应急物资的优先级对应急物资进行分类, 更有利于整个应急方案有条不紊的实施。按照优先级对应急物资分类后, 相关部门在得知紧急状态后的第一项工作即是召集、采购、派发优先级最高的应急物资, 确保这些物资能在最佳时间到达应急现场。然后, 就可以相应的准备、派发第二级、第三级应急物资。这样, 就避免了应急物资配置的盲目性, 同时为应急物资储备策略的制定提供了依据按照上述分类标准, 参照应急保障物资分类及产品目录, 可以对涉及的应急物资进行分类。

应急物资储备应全力保障关键物资的储备量。对于重要物资则要保持一定的安全库存, 而关键物资则是根据具体情况及专家的建议设定储备量。

2.3 路网应急疏散模型

路网应急疏散是指发生突发性灾害事件时, 将处于路网中的人员、车辆及时疏散到安全区域。也就是按照某一种目标准则对路网交通流路径进行分解与指派, 充分发挥路网的输送能力, 引导车流尽快进行疏散。在突发事件发生时, 应急交通需求量加载到路网中的累计百分比可以通过S型行为反应曲线来计算。但是S型反应曲线将所有OD (起终点间的交通出行量) 间的出行都按照同样的时间分布比例进行考虑, 这与实际情况并不相符。受突发事故源属性以及事故集结点与事故源的距离的影响, 根据突发事件影响范围模型, 不同事故集结点的疏散时间要求和疏散主体对灾害的反应 (与疏散紧急程度有关) 是不完全相同的。因此, 不同集结点有着不同的S型反应曲线分布。从这个角度讲, 实际过程中整个系统的应急交通需求量加载到路网中的累计百分比并不是单纯的S型行为反应曲线, 而是不同集结点的S型行为反应曲线的叠加, 即为广义S型行为反应曲线。根据广义S型行为反应曲线, 可以获得疏散总量在不同时段内的比例分布情况信息, 从而为针对性的采取对应的应急交通管理和组织措施提供依据。广义S型曲线给定了交通量得时间分布状况, 对应于疏散比例较高的时段, 可以制定针对性的交通组织和管理方案, 考虑通过单向车道组织、交叉口组织、变向车道应用等多种手段使得该时段交通量在道路网空间分布层面趋向均衡, 以达到快速疏散的目的。

3 结束语

卫星导航系统能够为用户提供精确的位置、速度、时间等信息, 但是在室内、森林、城市等复杂环境下, 导航卫星信号受到严重的衰弱, 信号功率远远低于一般导航卫星接收机的工作范围。基于卫星导航与位置服务的应急搜救技术研究创新性的提出了复杂环境下基于应急导航搜救终端的应急搜救方法和应用技术。当发生险情时, 具备定位、导航、信息服务和求助信号发播等功能的智能终端既能够利用GNSS组合定位系统向用户提供基于当前位置的信息服务, 也能在危险时发播求救信号, 若具有同时接收本地伪卫星导航信号的能力, 它将充分提高设备导航定位的可靠性和可用性。

摘要：开发基于景区管理的应急搜救平台, 包括系统管理、预案管理、报警信息处理、信息发布与管理、指挥调度五大功能模块。本文结合GNSS组合定位算法的现有模块, 通过3G模块与应急搜救平台进行通信, 设计基于多模GNSS的应急搜救系统, 进行应急救援仿真试验, 实现组合定位方法在应急搜救系统中的应用研究。

关键词：GNSS,景区,应急救援

参考文献

[1]刘伟.基于“北斗一号”的车载导航终端系统设计与实现[D].电子科技大学, 2010.

[2]秦智.北斗全球导航系统标准国际化的思考[J].中国民用航空, 2010 (11) :45-48.

[3]魏二虎, 张晓峰, 安治国, 徐峰.GPS/北斗组合导航保障系统的设计研究[J].测绘通报, 2008 (7) :7-9.

GNSS系统 篇4

1 GNSS网络增强服务系统

1.1 系统架构

GNSS网络综合服务系统的组成部分及网络通讯架构如图1(a)所示,其基本工作流程:参考站通过专用网络并遵循Ntrip或TCP/IP协议将采集的数据传输至数据中心;数据中心对各种数据融合处理,生成各种满足不同需要的数据产品;针对不同需求用户通过无线网络或Internet从数据中心实时或事后下载数据产品。系统主要组成部分:

(1)参考站。其是由均匀分布于某一区域的3个以上参考站组成,每个参考站的设备主要包括CORS专用GNSS接收机、扼流圈天线、UPS、路由器、避雷设施等。CORS专用GNSS接收机能够接收GPS、GLONASS信号,并兼顾北斗二代的民用功能,采用嵌入式Linux系统,遵循FTP、TCP/IP、Ntrip等协议,具有基于Web的远程管理、远程数据传输、短信/邮件提醒的自动监控等功能,真正实现无人值守的自动一体化办公。

(2)数据控制中心。其是系统的“心脏”,对参考站数据进行融合处理为用户提供不同需求的数据产品,其硬件主要包括交换机、数据转发服务器、计算软件服务器、数据Web服务器、防火墙、显示器。软件主要有数据库管理软件、计算软件、Web服务软件、NtripCaster、操作系统等。其中,NtripCaster软件能够统一收集所有参考站的观测数据并且能够同时转发给多个用户;数据库管理软件是对用户信息、参考站信息及网络空间关系、二进制格式和Rinex格式的观测数据、播发给用户的差分数据进行统一存储和管理;计算软件为自主开发的基于VRS技术的GNSS网络差分软件,通过参考站间基线模糊度解算、大气误差估计、VRS技术等关键技术向用户播发能够满足RTK/RTD定位需要的RTCM格式的网络差分数据;Web服务软件为用户提供参考站事后观测数据、坐标转换、坐标联测及其他高精度数据产品服务的远程数据下载服务。

(3)用户部分是系统的终端。其中,实时定位服务的用户的设备装置除了GNSS接收机外,还需要无线网络通讯模块、差分模块;而事后服务客户仅需具有网络通讯功能的PC或者其他接收装置。

(4)系统的网络通讯是整个系统的“脉络”,对网络延迟、稳定性、数据安全性有严格要求。参考站与数据控制中心之间的通讯采用专网或VPN,确保数据传输的稳定、安全、快速。数据传输协议常用的有TCP/IP和Ntrip两种协议,TCP/IP是一种比较简单的网络数据传输协议,而Ntrip协议是针对GNSS数据网络传输的一种专用的数据加密协议。当采用Ntrip协议时,参考站部分需安装NtripSever,数据中心需安装NtripCaster。Ntrip协议有利于数据中心对参考站数据传输进行统一管理,有利于不同系统之间的数据共享,特别是采用局域网建立的系统。数据控制中心内部的数据通讯,都是由计算软件服务器和Web服务器从数据转发服务器接收数据,向用户播发数据,其中为了数据安全,Web服务器与外网联接需采用防火墙技术。用户与数据控制中心之间的通讯根据服务对象的不同,分别采用GSM/GPRS/CDMA/3G(实时服务)和Internet(事后服务),都遵循Ntrip协议,用户部分相当于NtripClient。

1.2 GNSS网络差分系统软件———EarthNet

自主研制的基于VRS技术GNSS网络差分数据处理软件———EarthNet,如图1(b)所示,能够为用户提供实时网络RTK和网络RTD服务,主要由五大功能模块组成。

(1)基于Ntrip和TCP/IP协议的参考站、EarthNet网络差分数据处理软件之间的网络通讯模块,该模块用于联接NtripCaster并将各参考站的GNSS原始观测数据、设备监测信息转发至EarthNet网络差分数据处理软件;

(2)原始电文解析模块:能够解析NovAtel、NavCom、Trimble(Binex)等产品的原始观测值,生成规定格式的观测文件和导航文件,将多个参考站的观测数据进行融合处理;

(3)区域大气误差估计模块:该模块是EarthNet网络差分数据处理软件的核心模块,主要包括参考站观测数据预处理、参考站间双差模糊度解算、与空间距离相关的参考站间双差大气误差和轨道误差的估计;

(4)虚拟观测值生成模块:根据用户提供的概略坐标在用户旁边虚拟一个参考站,并利用区域大气改正数、轨道误差、虚拟参考站的坐标,由虚拟参考站、主参考站、卫星之间的空间矢量关系,生成虚拟参考站的伪距和载波相位观测值;

(5)基于Ntrip协议用户、EarthNet网络差分数据处理软件之间的网络通讯模块:用于用户与EarthNet之间的网络通讯,用户将其概略坐标以NMEA的格式上传至EarthNet,EarthNet再将生成的虚拟观测值以RTCM的格式发至用户。

五大功能模块之间数据处理流程如图2所示,另外还有用于对用户接入权限、费用收取等方面的用户管理模块,将离散的参考站按一定的空间关系网络化的参考站网络化模块,将虚拟观测值或改正信息编码成RTCM格式的RTCM模块。

1.3 Web事后数据增值服务软件

基于Web事后数据服务软件的主要作用是作为用户与GNSS综合数据库之间的桥梁,实现两者之间的可视化互操作,为不同需求的用户提供数据增值服务。它的网络架构如图3(a)所示,主要由服务端和客户端两部分组成。

服务端由基于Web的数据服务软件(如图3(b))和GNSS数据库组成,其中,GNSS综合数据库包含参考站原始观测数据、Rinex格式的观测数据、事后处理高精度定位结果、根据用户需求加工后的各种数据产品(如将定位结果转换至当地坐标、GPS高程改正值等)、内外网用户的基本信息。

客户端由管理员、外网用户、内网用户三种类型的用户组成。客户端的管理员主要是对内外网用户的信息、GNSS综合数据库进行管理。外网用户的主要功能是其权限的申请注册、信息查询编辑、用户观测数据及数据处理要求上传、数据产品下载。内网用户具有其自身权限申请注册、信息查询编辑、用户观测数据及数据处理要求下载、数据产品上传等功能。

2 系统测试

系统测试包括功能性测试和指标测试。功能性测试包括网络通讯能力测试、系统自动连续运行的能力测试、系统数据产品自动服务能力的测试等内容。指标测试是系统测试的关键内容,目的是评价系统定位精度、覆盖范围等是否达到设计指标的要求,主要包括可用性测试(时间和空间)、精度测试、定位实效性测试、用户接收机兼容性测试等内容。

2.1 可用性测试

2.1.1 时间可用性测试

系统要求导航定位时间的可用性指标为年可用性为95%、日可用性为95%的时间。RTK测量所要求的最少有效卫星数是5颗,如果某一段时刻有效卫星数在5颗,则可认为RTK测量服务可用。通过一天卫星情况分析:官渡站GPS接收机截止高度角20°最少卫星为6颗。分析各基准站跟踪卫星数、解算卫星数和可用卫星数随时间变化的情况可以看出,系统各基准站可用卫星数最少为6颗,系统24h可用性为100%,优于系统设计的全天可用性≥95%的指标。图4为长沙CORS官渡站连续24h的卫星跟踪图,在每一时刻其观测到的截止高度角大于20°的卫星个数都保持在6颗以上。

2.1.2 空间可用性测试

空间的可用性指标为在达到精度指标要求的前提下,系统覆盖的范围,其可以从两方面进行测试并计算出其覆盖范围:在系统参考站网内外均匀地选择一定数量的已知点进行RTK和RTD测试,检测系统的精度;车载实验,以1s采样率、40～120km/h速度在网内外行驶,测算出系统的覆盖范围。

图5为青岛CORS动态车载测试的轨迹图和测试车,测试里程约240km,测试区域包括了网内和网外。结果表明,当测试车速达到120km/h、GPRS信号稳定、GPS有效跟踪卫星正常时,可以正常完成初始化进行RTK作业;当车辆经过困难区域(天桥、树荫、高楼等)时卫星失锁或有效卫星数降低,RTK无法作业,离开困难区域后一般20～50s即可重新初始化,恢复正常记录。通过车载RTK测试也表明,RTK的有效作业区域不但可以覆盖青岛市CORS网内,而且可以覆盖网外约30km的范围。

2.2 精度测试

精度测试包括内符合精度评定和外符合精度评定。前者是单个测点所有观测值的均方差,反映定位结果的收敛情况。后者又可分为国家2000坐标系外符合精度和国家1980坐标系外符合精度,二者都需要精确的已知坐标。其中国家2000外符合精度反映实时定位的精度,国家1980坐标系外符合精度与已知点精度、转换参数、定位精度都有关。

内符合精度:

式(1)中,珚Δ为单个历元的定位结果三个方向与其所有历元定位结果平均值之间的差值,n所有观测历元的个数。根据国家规范要求,RTK定位精度:σin水平≤5cm、σin垂直≤10cm。

青岛CORS测试点的分布如图6(a)所示,共有20个,分别为国家GPS C级、D级控制点,分布于青岛市各个区县,在CORS网覆盖区域内或边缘地带。

由图6(b)可见,对于检测点C025的WGS-84空间直角坐标系下,其内符合精度为:x、y、z方向都为2cm。表1为用户在所有检测点分别接入EarthNet和GPSNet两个系统得到的定位结果在WGS-84高斯平面坐标系下内符合精度的数理统计情况,可见两个系统内符合精度在坐标系三个方向上最大不到1cm,表明EarthNet与GPSNet的内符合精度相当,满足规定的RTK定位精度的要求。

外符合精度:

式(2)中,n所有观测历元的个数,^Δ为各个观测历元的定位结果与其已知坐标之间的差值。根据国家规范要求,RTK定位精度:σout水平≤5cm、σout垂直≤10cm。根据不同的已知坐标,可以得到不同坐标系的外符合精度,其中对于国家坐标系、地方坐标系的外符合精度还取决于控制点和转换参数的精度。

由图7可见,EarthNet大部分(9/13)检测点的x、y方向的外符合精度都小于3cm,最大不超过5cm。表2比较分析表明,EarthNet的外符合精度与GPSNet相当,最大差值不超过2cm,满足规定要求的RTK定位精度的要求。

2.3 定位时效性测试

系统定位时效性,是指用户实时定位的初始化时间,对于RTK定位是从用户单点定位接入系统获得数据服务开始到浮点解以及最终符合精度要求的固定解所需的时间。影响RTK定位初始化时间的因素主要有:有效观测卫星的个数、卫星的几何分布、测站与参考站间的距离和观测环境等。

图8为在所有检测点采用调查之星分别接入EarthNet和GPSNet两个系统RTK定位的初始化时间比较分析图,可见,两个系统82%检测点的初始化时间小于30s,而GPSNet要稍快;EarthNet有12%的初始化时间在30～60s之间,其余则大于60s,而GPSNet有6%无法固定。总体上,两个系统的初始化时间相当。

2.4 兼容性测试

兼容性测试主要是检测中心软件对不同厂家的GNSS RTK设备的兼容情况。测试内容包括定位结果精度、RTK固定情况、初始化时间等。本文采用了调查之星、天宝、拓普康三种不同的用户设备接入EarthNet进行RTK测试,测试结果WGS-84高斯平面坐标之差如表3所示,RTK固定情况和初始化时间如表4所示。

由表3和表4可见,对于外界环境较好的GTJ和C068两个检测点三种不同设备都能实现固定且初始化时间相当,定位结果之间差值在WGS-84高斯平面x、y方向小于3cm,h方向小于10cm;而对于有效卫星较少的D194检测点和通讯不稳定的JB03检测点,虽然最后都能实现固定,但其初始化时间较长,且最终定位结果之差最大在y方向超过5cm,h方向超过60cm。因此,在不受外界环境影响的条件下,三种设备接入EarthNet的定位情况相当,都能与其兼容。

2.5 荷载测试

CORS系统的建立给导航和定位领域带来了重大的变化,其准确、高效、实时的定位服务必将吸引越来越多的用户。随着用户的增多,软件的压力也加大。测试软件能够满足最大同时在线用户的数量,以保证用户能够有效地进行定位服务。其测试方法为:在CSCORS覆盖区域内,多用户(大于25)在某一时段内同时接入中心系统软件EarthNet,测试各用户是否能正常完成初始化以及多用户同时在线时是否能够实时有效地进行外业施测。记录各用户初始化时间和连续记录50次以上固定解测量值,统计其内、外符合精度,验证RTK测量的可靠性。在测试时,采用野外实测和虚拟用户组合的方式进行,共有30个用户接入进行压力测试,用户的分布图如图9所示。

用户数量压力测试表明,当接入一定数量的用户时(30个),中心软件EarthNet能够稳定可靠运行,且能够有效地提供网络RTK数据服务。系统设计用户同时并行有效荷载数量在100个,系统实际的有效荷载量实际多少有待进一步测试。

3 结语

通过系统测试表明,自主研制的GNSS网络差分软件EarthNet的各项性能指标与目前国外先进产品GPSNet相当,平均初始化时间为21s,WGS-84高斯平面内符合精度x、y、h方向分别为0.008m、0.004m、0.011m,国家2000平面坐标系x、y方向的外符合分别为0.027m、0.025m,都满足规定的RTK定位精度要求。

摘要：为了突破国外产品对CORS核心技术的垄断,自主研制了拥有自主知识产权的GNSS网络增强综合服务系统,并投入工程应用。为了确保该系统的准确性、可靠性和稳定性,研究了系统时间和空间可用性、精度、定位时效性、用户接收机兼容性、荷载等主要性能指标的测试方法。系统经过工程应用及测试表明,其空间和时间可用性超过95%,WGS-84高斯平面内符合精度x、y、h方向分别为0.008m、0.004m、0.011m,国家2000平面坐标系x、y方向的外符合分别为0.027m、0.025m,平均初始化时间为21s,可以兼容天宝、南方、中海达等国内外主流GNSS产品,用户有效荷载数达到30个,其总体性能与GPSNet相当,满足国家CORS建设规范要求。

关键词：GNSS,网络增强,综合服务,测试方法

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GNSS系统 篇5

2009年,瑞士的洛桑联邦理工大学设计出了多频射频直接采样的前端,并对各级信号增益和三阶截止点进行了详细的评估。同时对多频信号的采样率要求进行了分析[1]。2009年,北京航空航天大学设计出了能够同时在射频上直接采集GPS L1、L2双信号的接收机,采样率为100 MHz[2]。

国内外目前对于多频射频直接采样的高速数据采集部分研究很少,北京航空航天大学之前的方案只是做到双频的集成,采样率较低。而洛桑联邦理工大学的射频前端方案成熟但是对于数据采集和定位分析的工作没有论述。能够同时接收GPS 3个频带信号、伽利略信号以及北斗信号的接收机需要的采样率更高更难以实现。因此多频直接采样接收机的硬件设计工作在国内外均开展较少,其中高速数据采集以及多频射频前端设计是其中的两个关键问题。

1 硬件系统设计

卫星导航系统软件接收机的思想是让宽带A/D转换器尽可能靠近射频天线,尽早地将模拟信号转为数字信号[3],最大程度地用软件来实现接收机的各种功能。

本文中数据采集系统的工作原理是,使用宽频天线接收信号后,在射频前端进行放大、滤波和增益控制工作。其中多频技术需要使用分路滤波技术。前端输出的信号被送到高速ADC进行采样,其后通过FPGA进行缓冲和处理(如FIR数字滤波器处理等)。然后PFGA将数据封装成帧结构通过以太网口将其传送到主机上。主机在物理层抓获以太网数据包,分析MAC地址后将需要的数据存储到硬盘之中。

1.1 射频前端设计

直接采样的射频前端与传统的采用下变频技术的接收机前端有所不同。如图1所示,直接采样的射频前端使用高增益GNSS天线接收信号。而信号经过LNA作第一级放大后,经过1.1 GHz~1.7 GHz带通滤波,再使用PA进一步放大。此后射频信号分为3路,分别进行滤波、放大、再滤波后合并,之后使用AGC环路调节输出信号功率。

下变频前端的混频器频率由晶振提供,通过混频对射频信号进行多级下变频,并进行放大和滤波,最后输出中频信号供ADC采集。

在射频上直接进行采样不需要本地晶振,但是所有放大器和滤波器均需要在射频下工作。多频前端需要对不同的频带进行分路滤波放大,同时将带外噪声尽可能地滤除掉。本系统使用了实验室自行设计的射频前端,能够在ADC之前得到频谱形状如图2所示的信号。它包括了GPS的L1、L2、L5信号和伽利略E1、E5a、E5b以及部分北斗卫星的信号。表1列出了上述导航系统的信号频率及带宽。

前端将信号放大至ADC可以采样的电平,对于ADC08D500,1 bit量化的信号最小输入能量是-47.92 d Bm[5]。GNSS天线的增益为50 d B,两级LNA增益共约35 d B,PA增益20 d B,前端总插入损耗约为20 d B,AGC环路增益动态范围为-35d B~+22d B,使用前端的增益足够对信号进行4 bit采样。

对于GNSS信号,超过2 bit采样对信噪比的改善作用不是很明显,而太高量化位数会增加数据处理的困难。本设计选择存储了1 bit和2 bit的采样数据,但是在ADC采样时仍然进行了8 bit采样,以便于FPGA进行FIR滤波。经过FIR滤波以后的数据可以进行截位处理,即截取1 bit或者2 bit进行保存。

前端设计的主要难点在于以下三个方面:射频宽频带放大器容易饱和;分路放大再合路会给信号带来很大损耗;射频AGC电路需要进行特殊屏蔽处理。

1.2 采样率的选择

卫星导航系统使用扩频通信技术,ADC采集的是噪声信号,信号频带上的混叠相当于将其他频带信号作为噪声混叠到目标频带中。因此可以容忍一定程度信号频谱的混叠。对于GPS的3个频带,根据带通采样原理可以计算需要的采样频率。计算时不仅要求信号采样后频谱自身不混叠,同时不同频带的频谱两两之间也不混叠。

对于GPS的L1、L2、L5信号(实际也包括了伽利略的E1、E5a),采样后频谱不混叠可选用的最低采样频率是158 MHz。若考虑伽利略的E5b,直采系统的最低采样率为227 MHz[1]。为了满足不同采样频率的要求,本设计采样频率合成器生成多种采样时钟,使用FPGA的SPI对频率合成器进行配置,本文1.3节中将会介绍多种采样时钟的生成方法。

1.3 ADC模块的设计

ADC08D500是美国国家半导体公司生产的高速模数转换芯片,其取样率可高达500 MS/s,使用差分输入,有效位数为8 bit,可以进行双通道采样,而功耗仅有1.4 W[5]。

ADC08D500除了单通道能实现最高采样达500 MS/s的速率外,还能够进行双边沿采样(DES),只对某一路通道的信号在时钟信号的一个周期的上下两个边沿进行采样,利用芯片内置的两个转换器进行交错操作,最终达到1 GS/s的采样率。

ADC采样的时钟来自于频率合成器输出的时钟。为了满足ADC采样对于采样时钟的相位噪声的要求,本设计使用了10 MHz的原子钟作为频率合成器输入,通过FPGA的SPI将频率合成器输出配置成需要的频率,如230 MHz。此外本文还使用了TCXO作输入,对频率合成器输出信号的相位噪声情况进行衡量。通过相位噪声和时钟抖动的情况计算出频率合成器输出时钟总的抖动为1.24 ps,这个抖动情况能够满足ADC08D500对GNSS信号的采集需要。

ADC08D500的输出有两个通道四组8 bit差分总线,分别是I[7:0]、Id[7:0]、Q[7:0]、Qd[7:0],另外还有两组输出的差分时钟做FPGA的数据采集时钟。

1.4 高速数据传输设计

将卫星导航信号进行数字化时,通常将量化位数选取为1 bit或者是2 bit。当采样率为230 MHz时,2 bit采样数据传输需要约60 MB/s的接口传输速度和硬盘写入速度。千兆位以太网的理论速度达1 000 Mb/s,能够满足数据传输的需要,而且ISE工具自带了Ethernet MAC IP核。因此,本文中采用以太网进行数据的传输。

使用以太网传输数据,可以在FPGA实现TCP/IP协议功能,也可以直接通过以太网的物理层进行数据传输。Virtex5 FPGA内部拥有嵌入式软核处理器Micro B-laze,能够进行FPGA内部的嵌入式开发。开发以太网时通常在嵌入式系统中添加TCP/IP协议栈,常用的TCP/IP协议栈是Lwip或者是Treck协议栈[6]。但是使用TCP/IP协议,协议的每一层都会在数据帧前添加各自的帧头,再加上协议的一些检错重发等功能,真正待传输的数据的吞吐率是很低的,千兆以太网的速度通常只有200 Mb/s~300 Mb/s,不能满足本系统对于数据传输率的要求。

在物理层直接传输数据,数据传输速率几乎可以达到以太网的理论传输极限(实测能超过900 Mb,根据数据帧封装不同有所差异)。虽然没有TCP/IP协议中对丢包错包等数据完整性问题的修正功能,但可以通过上层的校验和序号发现数据帧错误和乱序。下文将讨论在主机端如何在网卡上直接捕获并存储高速数据。

整个数据采集系统的结构如图3所示,除了ADC电路的设计,主要工作在FPGA下完成。

1.4.1 FPGA数据预处理

本文使用Xilinx公司的Virtex5系列FPGA开发板ML506进行数字信号处理,开发环境基于ISE Design suite 11进行。

从ADC传送出的数字信号为8对或者16对差分数据以及1路差分时钟。对于采样数据的截位处理可以分为直接截位和滤波后截位两种处理方式。直接截位是只选择其中的高位数据进行传输,滤波后截位是接收全部的8 bit数据,将数据送给数字滤波器处理后再进行截位,本文采用先滤波后截位的方法,可以选择保存1 bit或者2 bit数据。

ADC08D500器件以230 MHz的高采样率进行8 bit量化时,输出数据率将非常大。单独对其中任一导航信号频带来说,高达230 MHz的采样率都是不必要的。对此,在FPGA中添加入FIR(有限冲激响应数字滤波器),分别滤出采样后导航信号各频带,在使用截位输出来降低量化位数的同时,使用抽取来降低采样率。以GPS系统为例,当采样率为230 MHz时,L1、L2和L5的中频分别为195.42 MHz、77.6 MHz和26.45 MHz。因此,在FPGA中生成3个FIR(带通FIR)就可以滤除带外信号,消除信号互相之间的干扰。具体实现方法是在MATLAB通过“ftdtools”滤波器设计工具,计算滤波器参数以生成COE形式的滤波器文件。

将设计出的3个滤波器文件(.COE文件)导入FPGA的FIR IPcore中,就可以生成相应的滤波器Verilog代码,即可获得对应的频率幅度响应图,其效果如图4所示。

FIR输出数据可以根据数据传输能力和需要进行截位,一般只截取最高的符号位或者选取其中2位。数据分三路进行FIR滤波之后,即可对每一路数据进行降采样处理。直接进行抽取就可以降低数据量和采样率,这将降低后续数据处理复杂度。

在对三路滤波后信号进行传输过程中,通过以太网封装帧给不同频点信号赋予不同的MAC地址。主机捕获时可以通过识别MAC地址的方法,将三路数据进行分类存储。

1.4.2 以太网数据传输

V5系列FPGA开发板上有以太网物理芯片88E1111实现开发板与电脑网卡的以太网物理层连接,ISE 11套装中的core generator可以生成Ethernet MAC IP核,直接例化它就可以进行以太网数据传输的开发[7]。其结构如图5所示。

直接接收ADC的输出数据或者是FIR截位之后的数据作为图6模块中的用户输入数据。因为设置的MAC核按照字节来传输数据,所以在MAC核前面需要添加一个FIFO进行缓冲和串并转换,进入FIFO的数据是1 bit或2 bit,按照整字节输出数据。

直接发送的数据帧是以太网物理层的数据帧,高层协议(TCP/IP协议)并没有使用到。

以太网数据帧的包头首先是8 B的前导码(7 B原语和1 B帧起始)[7],然后是6 B的目的MAC地址和6 B的源MAC地址,之后是2 bit的协议类型或数据包长度,中间是46~1 500 B的数据内容,以及4 bit的校验位,如图6所示。基于EMAC核实现以太网络协议数据报文的发送具体包括以下几个步骤:数据输出缓冲、MAC地址添加、数据FCS校验和原语添加。最终经过MAC封装以后,整个数据报文的长度为64~1 518 B。校验位和前导码是可以选择自动添加的,所以在输入数据时,通过编写状态机代码添加正确的MAC地址,设置固定字节的数据包大小就可以让数据正确地传输了。设计时设置每个数据帧除了帧头信息以外有1 024 B的数据,正好是1 KB,即可方便地观察数据包是否出错和衡量整体数据传输完整性。

千兆位以太网使用的时钟是ML506板载的晶振分频出的125 MHz时钟,通过FPGA内部的PLL合成。

1.4.3 上位机数据捕获

因为FPGA发送数据时仅使用了以太网的物理层,所以在主机抓包的时候仅需要关注数据包的MAC地址信息即可,不需要再对TCP/IP协议进行分析和处理。

因此本文采用winpcap(windows packet capture)开放代码来实现MAC数据报文的采集功能。winpcap能够为win32应用程序提供访问网络底层的能力,因此独立于TCP/IP协议的以太网数据包能够被上层应用程序捕获和保存。

由于一般的SATA硬盘的写入速度在40 MB/s~80 MB/s,为了保证数据能够完整写入硬盘,应尽可能使用高速硬盘。同时,在编写捕捉和存储数据的软件时,应该设立一定的缓冲区域。将网络采集到的数据首先写入内存之中,待累积了一段数据之后将其一次性写入硬盘,以减少CPU时间分配对写入数据完整性的影响。

2 实验结果

通过SPI配置的不同采样率对实际卫星信号进行采集,存储下来的数据文件采用实验室自研的捕获算法可以成功地捕获出GPS L1、L2、L5信号。图7是在采集的一段数据中L2、L5信号的捕获结果。通过与下变频前端采集的数据进行对比分析可以发现,两个系统捕获到的卫星数量、编号、多普勒频偏是一致的,但直接采样数据的信噪比要略高。该实验结果如表2所示。这说明该系统采集的数据是正确有效的。

本文介绍了使用射频直接采样技术的多频GNSS数据采集系统的设计实现方法。本文首先提供了主要的硬件平台结构设计方案,并对于射频前端的电路设计和高速数据采集这两个关键技术进行了详细阐述。在此基础上,本系统实现了多频多系统卫星导航信号的采集功能,并且与下变频方法采集的数据进行了对比。实验表明,该系统在性能和可扩展性方面都要优于传统的下变频采集系统,具备很好的通用性。随着技术的发展,更多更高性能的射频放大滤波器件的价格不再昂贵,运用直接采样技术的多频卫星导航接收机将具备很大的发展空间。

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GNSS系统 篇6

雾霾是特定气候条件与人类活动相互作用的结果。 高密度人口的经济及社会活动必然会排放大量细颗粒物( PM 2.5 ), 一旦排放超过大气循环能力和承载度, 细颗粒物浓度将持续积聚,此时如果受静稳天气等影响,极易出现大范围的雾霾。 近几年来雾霾天气越来越受到人类重视,许多城市都受到雾霾天气的困扰,在雾霾到来之际,空气质量极差,能见度也受到雾霾严重程度影响而降低。 更重要的是,雾霾天气空中浮游大量尘粒和烟粒等有害物质,会对人体的呼吸道造成伤害,甚至引发肺部癌变的风险。 采用合理手段对雾霾天气进行监测显得必要而紧迫。 在全球导航卫星定位系统发展成熟的今天,已经实现利用GNSS进行对流层水汽反演并且基本满足数值天气预报要求。 这使得结合全球导航卫星系统实现对雾霾天气的监测成为可能[1,2]。

另外,国内外学者在利用精密单点定位技术估计天顶对流层延迟方面做出了许多的研究工作[3,4], 研究多是基于单系统[5,6]。 相对于单系统,利用多星座组合系统进行对流层监测能够有更多的数据来源,有利于获得高精度的对流层延迟信息[7,8]。

基于此, 本文利用GPS/GLONASS双系统组合精密单点定位方法,结合北京地区雾霾时段IGS测站数据研究雾霾天气对对流层延迟的影响,并利用IGS延迟产品对延迟影响程度进行评估。

1 GPS/ GLONASS组合精密单点定位估计

通过精密轨道和钟差,利用伪距和相位的双频消电离层组合观测值,估计测站坐标、接收机钟差、天顶对流层延迟和整周模糊度等参数。 GPS/GLONASS无电离层组合观测模型如下[9,10]:

式中,gps和glo分别代表GPS卫星和GLONASS卫星,PIF和 ΦIF为伪距和相位消电离层观测值。 fi为Li载波频率(i=1 ,2) ,Pi和 Φi为Li载波上伪距和相位观测值(i=1,2),ρ为卫星到测站几何距离,c为光速,Tr为接收机钟差,M为映射函数,dzwd为天顶方向对流程延迟,NIF为消电离层组合模糊度,ε 为观测噪声及其他残差。

2 研究数据

污染物在清晨即7:00~8:00 am间开始迅速增加,到10:00 开始进入线性增加期, 而到傍晚时分开始下降,并于晚间回归较低的值。 因为白天在水气和阳光的作用下, 一次排放的污染物发生二次反应, 从而快速积累, 而人的活动也在白天达到高峰, 排放物的增加和积累促使污染在下午达到高峰;而晚间,由于光照的减少,二次反应降低, 排放也因为人们的活动减少而降低,从而使得空气污染得到缓解。 但是北京的雾霾曲线则与普通的空气污染曲线不同, 空气污染往往在晚间达到峰值,而白天则处于不断积累的过程中。 表明北京的空气污染有其特殊性。

根据北京近年来雾霾发生的情况, 通过查阅分析过去历史气象资料可知,2015 年11 月底, 北京经历了2015 年以来最严重的一轮空气重污染。 11 月27 日14时启动空气重污染黄色预警;29 日上午10 时升级为橙色预警,12 月1 日解除,共持续了106 个小时(4 天零10个小时)。 在12 月7 日北京更是启动历史上首个重污染红色警报。 2014 年10 月8 日~12 日北京雾霾污染为严重污染级别,PM2.5 也达到300 μg/m3以上。 2013 年1 月的30 天里北京有26 天出现雾霾天气, 其中10 日~14日最为严重,有两天为严重污染,3 天为重度污染[11], 其中12 日最为严重,PM2.5 甚至短暂达到1 000 μg/m3。

本文选取北京2015 年11 月27 日~12 月7 日,2014年10 月7 日~14 日,2013 年1 月10 日~14 日这三个时间段的雾霾天气为研究对象, 利用分布在北京地区的IGS站点BJFS站的观测数据, 数据采样间隔为30 s , 采用IGS提供的精密星历通过GPS / GLONASS组合精密单点定位模型进行解算,估计天顶对流层总延迟量。 并利用IGS提供的BJFS站气象观测数据计算静力学延迟, 也即对流层干延迟分量。 将估计的天顶对流层总延迟减去干延迟分量, 得到湿延迟分量, 再通过转换因子便可转换为可降水量信息。

3 组合模型估计天顶对流层延迟可靠性验证

利用IGS提供的对流层延迟产品来评估GPS/GLONASS组合精密单点定位估计的对流层延迟精度。 并对比GPS单系统站点数据解算得到的天顶对流层延迟估计值,验证GPS/GLONASS组合精密单点定位计算的天顶对流层延迟估计值的可靠性。

图1 给出了北京近三年雾霾天气BJFS站各5 天的PPP估计的天顶对流层延迟与IGS差值的统计数据, 由图可以得到PPP的估计值与IGS产品存在偏差,但总体上与IGS产品结果相符。 另外可以看出与GPS相比,GPS / GLONASS组合精密单点定位估计的ZPD值同IGS具有更好的一致性。 由此可以说明双系统组合模型的ZPD估计值是可靠的。

4 雾霾天气对GPS / GLONASS组合定位天顶对流层延迟影响

4 . 1 2015 年雾霾时段

由图2 可以看出, 11 月27 日(0 时) 开始ZPD值达到2.44 m, 随后几天呈逐步下降趋势, 并在12 月1 日( 100 h左右) 降至最低值。 从1 日~ 7 日, 天顶对流层延迟值又逐渐呈上升趋势,甚至达到11 月27 日天顶对流层延迟量水平。 这也与7 日北京启动历史上首个重污染红色警报相一致。

从图3 可知, 27 日当天ZPD总体呈上升趋势,27日凌晨到上午7 时,ZPD值从2.43 m下降至2.423 m,随后急剧上升,下午15 时左右延迟量达到白天最大值,这与北京市27 日14 时启动空气重污染黄色预警时间相一致。 15 时~21 时延迟量略有下降,21 时后直到28日凌晨对流层天顶延迟呈显著上升趋势并达到当日峰值。 根据北京空气污染特性,北京空气污染往往在晚间达到峰值, 而白天则处于不断积累的过程中。 27 日的ZPD变化值很好体现了单日雾霾发生时间段与天顶对流层延迟变化走势的一致性。

图4 所示为12 月1 日当天的天顶对流层延迟变化情况, 天顶对流层延迟在当天上午7 时左右降至最低,随后逐步上升直到晚间达到当日峰值,再一次体现了单日雾霾发生时间段与天顶对流层延迟变化走势呈一致性。 但相对于前几日,1 日ZPD估计值仍处于较低值,这与北京市12 月1 日解除雾霾污染橙色预警相一致。

总体而言,这段时间雾霾天气对GPS/GLONASS组合定位天顶对流层延迟影响与实际雾霾天气变化相一致。

4.2 2014年雾霾时段

图5 可看出, 从10 月7 日(0 h) 到11 日凌晨(100 h)这段时间, 对流层天顶延迟在缓慢上升, 总体变化较为平稳,在2.357~2.367 m之间。 11 日~12 日(120 h)ZPD变化明显,20 小时内从2.36 m升到2.388 m,并且在12 日整日维持在较高水平。 12 日过后从13 日开始,ZPD呈明显下降趋势。

总体而言, 从7 日~12 日估计的天顶对流层延迟呈逐步上升趋势,且在12 日达到峰值,这与北京气象局发布的8 日~12 日北京雾霾污染为严重污染级别相一致。

4.3 2013年雾霾时段

从图6 中可以看出整个1 月份除了1 日(0~25 h)、6日(100~125 h)、7 日(125~150 h)、18 日(400~425 h)、25 日( 570 ~ 600 h ) 这4 个时间段的ZPD较低外, 其他时间的天顶对流层延迟估计值都相对偏高,且每日变化差距都较大。 这与历史气象资料指出的 “2013 年1 月30 天里北京有26 天出现雾霾天气”相一致,并且由此可以推断5 天没有出现雾霾的天气应出现在上述时间段。 通过查询历史气象数据, 证实了上述推测。 因此可以利用GPS/GLONASS组合精密单点定位估计的天顶对流层延迟监测雾霾发生时间段雾霾程度的变化趋势。

仔细观察图7 中1 月10 日~14 日的天顶对流层延迟估计值变化情况, 可以看出在12 日(55 时附近)ZPD估计值达到一个峰值, 可知12 日的雾霾天气严重影响了天顶对流层延迟估计值。 随后在14 日(100 时)ZPD估计值又达到另一个峰值, 可知14 日也出现了严重的雾霾天气。

5 结语

利用GPS/GLONASS组合精密单点定位估计天顶对流层延迟, 结合北京三年的雾霾天气历史气象资料和IGS产品, 可以得到:

( 1 ) 雾霾发生时间段, 天顶对流层延迟明显上升, 天顶对流层延迟的变化趋势与雾霾严重程度整体体现一致性。

( 2 ) 结合北京雾霾日一日内雾霾的高峰期, 单日雾霾发生时间段与天顶对流层延迟变化走势呈一致性。

( 3 ) 可以利用GPS / GLONASS组合精密单点定位估计的天顶对流层延迟监测雾霾发生时间段雾霾程度的变化趋势。

摘要：利用GPS/GLONASS组合精密单点定位(ppp)技术监测近年来北京地区雾霾天气对天顶对流层延迟的影响。研究表明,在雾霾发生时间段,天顶对流层延迟明显上升,天顶对流层延迟的变化趋势与雾霾严重程度整体体现一致性。结合北京雾霾天气特性,单日雾霾变化与天顶对流层延迟变化走势呈一致性。可以利用GPS/GLONASS组合精密单点定位估计的天顶对流层延迟来监测雾霾发生时间段雾霾程度的变化趋势。

关键词：雾霾,GPS/GLONASS,PPP,天顶对流层延迟

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GNSS系统 篇7

1 GNSS的发展

互联网的发展与普及为GPS、GLONASS等卫星导航技术的进展提供了广阔的发展空间和应用领域, 并由此催生了各种GNSS数据处理系统。其中, 网络在线数据处理系统不仅仅降低了处理成本, 同时也外用户带来了便捷体验。用户不论在何时, 位于何地, 都能通过邮件得知数据处理的过程和结果。目前, 许多国家以及科研机构都在互联网技术以及软件开发技术的基础之上实现了GNSS在线数据处理系统的建造工作。其中包括澳大利亚的AUSPOS系统、美国的SCOUT系统等等, 完全实现了自动化运作, 在数据的处理上, 它们会自动选择上传站点附近的参考站, 进行和平差的计算和统计, 处理过程十分迅速与严谨。

随着网络技术和经济的不断发展, 卫星定位系统的性能也得到了大大提升, 并逐渐实现了卫星导航系统兼容与相互操作。现在美国、俄罗斯以及中国都有了空中卫星定位系统, 分别为GPS、GLONASS以及北斗一号。美国以及俄罗斯的空中定位卫星系统采用的技术是被动式定位的三维定位技术, 我国的北斗一代与GPS和GLONASS相区别, 则是主动性的定位技术, 即区域性利用双星进行的二维定位。

多星座卫星定位系统的并行发展为接收机的转变也带来极大变化。现在接收机在多星座卫星系统的带动下也实现了多星座与多频接收。现在存在的双频高精度接收机包括GPS与GLONASS, 还有GPS以及EGNOS广域差分兼容接收机。多兼容系统与以往的系统相比存在着许多优势, 如定位更迅速更精确, 可用性更强等。

在高精准度卫星定位基础之上, 卫星定位仪逐渐实现静态相对定位向实时动态定位发展;单基站RTK向网络RTK进展;网络RTK技术分为两类, 即虚拟基站技术和主次站技术, 通过GSM、GPRS、CDMA、等通讯网均可进行使用, 且方便快捷易操作。对于用户来说, 只需通过一台卫星定位接收机, 便可实现远距离、快速度的RTK定位, 并实现定位的高精度和快速度。

2 GNSS在工程网中的应用

全球卫星定位系统的出现不仅仅是卫星技术自身的突破, 同时也在工程控制中得到了广泛应用, 为工程设计提供了崭新的技术手段。在工程网中的每一环节, 卫星技术都实现了便利与快捷, 不论是控制测量还是地形测绘, 施工放样还是工程机械控制等等, 卫星定位系统都在其中发挥着重要功效

2.1 卫星定位技术使工程控制测量发生革命性变革

卫星定位在工程控制测量中具有许多优势。由于卫星定位具有处理速度快、精度高且均匀、对控测网图形要求低等特点, 已在各种类型的工程控制网中得到了广泛的运用。尤其是在大地水准面更加精化的背景下, 在我国东部平原地区的测量精度可以达到3cm, 丘陵区可达到5cm。控制网从平面二维到立体三维的转变, 实现了对传统测量方法的颠覆, 同时也保障了成果的质量, 提升了运作效率。

近年来, 我国经济的快速发展带动了大型以及密集工程的设立和进展。不论是在长江三峡工程还是西气东输工程、南水北调工程等等大型工程, 都离不开卫星定位技术在控制网建设中的作用和功效。卫星定位技术为工程的高效开展和运行提供了坚强的技术后盾。

2.2 RTK技术在地形图测绘、国土资源调查和施工放样中的应用

RTK技术的优越性使其成为地形图测绘、地籍测量以及施工放样中的主要技术手段。在这些工程中采取RTK技术, 不仅仅使它高精度、快速度的优势得到极大发挥, 同时对于工程进度的提升也有着极大的辅助作用。

往往越是大型的工程建设, 对施工的要求越严谨、越高。不论是桥梁建设、高速建成、水坝工程还是大型建筑物的建筑工作等, 由于施工的复杂性和行程的紧凑型, 它们的建成都离不开卫星定位技术的辅助和指导。现在, 随着卫星定位技术不断取得新的成果, 已经开发出利用GPSRTK技术在PDA上进行施工放样的软件。例如在西气东输工程中, 这一技术就得到了使用。西气东输进程中对于油管道的施工放样极度严谨, 长达6000多公里的输油管线需要在有限时间内分多个施工段同时进行施工。其中卫星定位技术的运用不仅仅大大提升了运行的效率, 对于控制网及精准度也得到了非常精确的把握。

2.3 卫星定位技术在精密机械控制, 土木工程机械控制上的应用

除了对工程网的测量和控制, 在精密机械的控制中, 比如大型集装箱的吊装自动控制以及各种土木工程中的控制运作, 都离不开卫星定位技术。卫星定位技术以其快速高精度的优点, 与无线通讯设备相结合, 即可实现对野外施工作业的自动控制。

2.4 卫星定位技术在GIS信息采集和城市信息管理中的运用

目前我国对于GIS信息采集, 运用的主要方式是遥感技术以及卫星定位RTK技术。在GIS信息更新的基础之上使用RTK是目前的主要手段。网络RTK技术的投入使用不仅仅加速了城市的信息化进程, 与此同时还提高了城市基础设施信息采集过程中的实时性与可靠性。

由于参考站网的特殊性和服务性能, 我们利用先进的卫星技术以及通信网进行统一的信号采集以及信号散播, 便可实现一网多用, 从而节约资源, 提升效益。这样一来, 参考站网进实现了城市控制网的功能, 还能在此基础之上为城市规划管理工程等等提供快速的信息更新服务。不仅如此, 参考网站的静态观测数据能服务于其他范畴, 例如地壳形变、地震监测等等。因此这种参考网站由于其服务范围的广泛性, 也被称为卫星定位综合服务网。

目前, 我国参考战网的建立和运行已陆续在十余座城市内展开。上海、深圳、香港。澳门等城市已经陆续建立了卫星定位参考网。基于发展现状, 卫星参考网已预备实现进一步的进展和推广, 由省和地区向更大的网发展。目前江苏省内, 苏州、常州、南京、等城市以实现了网连网, 并将范围覆盖全省, 由64个站组成的江苏省连续运行参考站网;广东省内也已经建立了46个站组成的省网, 省内基本实现线了网络互连。而正在建或准备建的省份还有:浙江省、福建省、安徽省、山东省、河北省等。

3 结束语

现代GNSS技术与信息技术、计算机技术的综合集成开发, 不仅仅实现了卫星定位技术本身的进展和突破, 促使了卫星定位技术 (GNSS) 在线数据处理系统的产生和发展。与此同时, 卫星技术以其精确性和便捷性、快速性, 也实现了它在更广范围内的应用, 实现了数据的在线处理, 促进了我国工程控制网的发展。

参考文献

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GNSS系统 篇8

自1980年第一台商品GPS信号接收机问世以来, GPS信号接收机不断更新换代, 特别是20世纪90年代第一春以来, 由于微波集成电路和计算机技术的迅速发展, 致使GPS信号接收机日新月异。GPS信号接收机的种类虽然如此之多, 但是, 从仪器结构的角度来分析, 则可概括为天线单元和接收单元两大部分。对于大多数非便携式的GPS信号接收机而言, GPS信号接收机的这两个部分被分别安装成两个独立的部件, 以便天线单元能够安设在运动载体或地面的适当点位上, 接收单元置于运动载体内部或测站附近的适当地方, 进而用长达10m~100m的天线电缆将两者联接成一个整机, 仅由一个电源对该机供电。

具有30余年使用历史的现行GPS信号接收机, 面临来自两大方面的挑战:一是GPS现代化的信号扩大;二是在轨飞行的导航卫星日渐增多。2020年, 将有140余颗GNSS导航卫星在天空飞行。这给现行GPS信号接收机提出一个重大的改型问题:能否仅用一个天线单元, 接收、跟踪、变换和测量多种卫星导航定位信号?软件无线电技术的发展, 为解决这个难题奠定了技术基础。它的核心技术是用宽频带无线接收机来代替原来的窄带接收机, 将宽带的A/D和D/A变换器尽可能地靠近天线, 而尽可能多地采用软件来实现电台的功能。本文论述了基于软件无线电技术的GNSS信号接收机软件化的实现方法及其相关问题。

2 GNSS信号软件接收机的基本结构

基于软件无线电技术的设计, 软件化的GNSS信号接收机 (简称为GNSS信号软件接收机) , 其基本构成如图1A所示, 图1B给出了一个基于PC平台的软件GPS信号接收机框图。

软件GNSS信号接收机具有结构上的灵活性, 利用它的结构灵活性, 可以实现在传统GNSS信号接收机上无法实现的复杂而高效的信号处理算法。传统GNSS信号接收机由于硬件制造工艺限制等多种因素, 往往只能在机内实现一些比较简单的信号处理算法, 而软件接收机则可以突破这些限制, 实现复杂而高效的信号处理算法, 快速捕获/跟踪GNSS信号。因此, 设计优秀的信号处理算法, 是GNSS信号接收机软件化研究的重要内容。纵观现有研究成果, GNSS信号软件接收机的优点如下所述:

(1) 便于更新换代。GNSS信号软件接收机, 是一种基于软件无线电技术的卫星信号接收设备, 它用通用的硬件天线单元, 而用软件编程实现GLONASS, Galileo, 北斗, IRNSS, QZSS, GPS L5, L2 - C和L1- C等信号的导航定位。相对于现行GPS信号接收机而言, GNSS信号软件接收机的更新换代, 不仅时间短, 而且成本低。

(2) 适应软件无线电设备的发展。自20世纪90年代初期以来, 无线电设备正处在由硬件为主体到软件化的大变革时代, GNSS信号软件接收机能够适应这种大变革的发展, 与软件无线电设备集成一体, 而获得更加广泛的应用。

(3) 便于研发新型的卫星导航信号接收机。GNSS信号软件接收机, 关键在于如何用软件实现GNSS信号的捕获与跟踪, 因此, 能够充分发挥软件作用, 验证新的卫星导航信号可用性, 研发新型的卫星导航信号接收机。

(4) 便于航天器的集成应用。当航天器使用GNSS时, 能够精确测定航天器在轨飞行的实时位置、速度和姿态, 能够实现在轨航天器的自主导航, 能够为航天器上的其他设备提供高精度的时间基准。用于航天器的低功耗的GNSS信号软件接收机, 不仅能够达到上述应用目的, 而且能够在与其他设备共用一台电子计算机的情况下, 充分发挥GNSS测量数据的作用。

3 捕获/跟踪GNSS信号的相关器软件化

相对于现行GPS信号接收机而言, GNSS信号软件接收机主要是研制软件化的用于捕获/跟踪GNSS信号的相关器和导航算法。在现行GPS信号接收机中, 导航算法和PVT (位置、速度、时间) 信息应用, 已有成熟的软件产品可供借鉴。因此, GNSS信号接收机软件化, 关键是用于捕获/ 跟踪GNSS信号的相关器软件化。GNSS信号的捕获, 主要有下列方法:

(1) 串行搜索算法, 它是一种逐一预置多普勒频移和对测距码作相关运算的逐步逐行搜索算法, 也是现行GPS信号接收机广泛采用的GPS信号捕获法, 如图2所示。其优点是算法简单, 容易实现;缺点是捕获时间长, 例如, 若多普勒频移搜索步长为1k Hz, 而C/A码相位搜索步长是一个码元宽度, 需要进行21, 483次相关运算, 才能够捕获到GPS信号。

(2) 并行频率空间搜索算法, 它的基本方法是, 用离散傅立叶变换将原本在时域中进行的多普勒频移搜索过程转换到频域下进行搜索, 而将多普勒频移搜索过程作并行化处理, 如图3所示。其优点是捕获速度快, 只需要对1, 023个不同C/A码相位进行步进搜索, 而不需要像串行搜索那样对不同的多普勒频移值也进行步进搜索;缺点是每次循环都要进行一次离散傅立叶变换, 因此, 它比串行搜索法复杂一些。

(3) 并行码相位空间搜索算法, 它的基本方法是, 用环形相关技术来进行接收码与本地码的相关运算, 而不是通过改变本地码的码相位来进行搜索捕获。即, 通过离散傅立叶变换, 将时域下接收码与本地码的相关运算转换为频域下接收码与本地码共轭信号的乘法运算, 进而用离散傅立叶逆变换将结果转换到时域中来实现GPS信号捕获, 如图4所示。它的优点是并行码相位搜索算法使搜索循环数进一步减少, 只需要对21个不同的多普勒频移进行搜索, 每次相关计算仅需要进行一次离散傅立叶变换和一次离散傅立叶逆变换, 捕获速度明显提高;缺点是算法复杂度高。

上述三种捕获算法的执行时间, 通过我们所设计的基于Matlab GUI的GPS信号相关器仿真计算, 得到如表1所示的结果。由表1数据可见, 并行码相位空间搜索算法的循环次数最少 (21次) , 仅为串行搜索算法的0.098%。

C /A码的上述搜索, 只能解决本地码和本地载波基本上分别对准接收码和接收载波的问题, 换言之, 只能解决GPS信号接收机的“测量冷启动”。两者的一一精确对齐 (跟踪) , 还需依靠下述的伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路 (Costas环) 。伪噪声码跟踪环路, 一般采用延时锁定环路 (DLL, Delay-Locked Loop) , 它是跟踪两个相关波形时延差的最佳电路, 而用它获得扩频信号。载波跟踪环路, 是依据来自伪噪声码跟踪环路的扩频信号, 解调出数据码, 进而解译出卫星导航电文。图5表示伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路的集成方框图, 并由此引发两个相关概念:

(1) 捕获灵敏度 (acquisition sensitivity) 。捕获, 是接收机内部生成的本地伪噪声码 (测距码) 及其载波, 与接收到的卫星伪噪声码 (测距码) 及其载波实现“初步对准” (基本同步) 的过程, 它所需要的卫星导航信号的最低功率, 叫做捕获灵敏度 (例如-160d Bm) 。

(2) 跟踪灵敏度 (tracking sensitivity) 。跟踪, 是接收机内部生成的本地伪噪声码 (测距码) 及其载波, 与接收到的卫星伪噪声码 (测距码) 及其载波实现“准确对准” (完全同步) 的过程, 它所需要的卫星导航信号的最低功率, 叫做跟踪灵敏度 (例如-169d Bm) 。

4 基于Matlab GUI的GPS信号相关器仿真成果

表2给出了一个实用的GPS信号软件相关器的输入特性。用我们研制的GPS信号相关器的实际搜索结果表明, 对实测的GPS卫星PRN03, 06, 15, 16, 21, 22, 26, 29而言, 捕获到C/A码的所需变更的码元数, 最少是6个码元, 最多为863个码元, 详见表3和图6所示。从综观算法执行时间和参数估计性能这两个指标可见, 在上述三种搜索算法中, 并行码相位空间搜索算法的执行效率最优, 值得参考使用之。

5 结束语

GNSS信号接收机的软件化, 是以软件无线电技术为基础的, 它用通用的硬件天线单元, 而用软件编程实现GLONASS, Galileo, 北斗, IRNSS, QZSS, GPS L5, L2- C和L1- C等信号的导航定位。相对于现行GPS信号接收机而言, GNSS信号软件接收机的更新换代, 不仅时间短, 而且成本低。

GNSS信号接收机软件化的核心, 在于对信号相关器单元进行软件化设计。我们利用Matlab GUI设计并实现了一个功能较为完备的单频、可视化、事后处理型软件GPS信号相关器模拟平台。该平台能够对保存在存储器中的GPS采样数据进行信号捕获与跟踪操作。并通过更改各种参数的设置, 可以重构捕获与跟踪算法进行测试。通过实际卫星数据测试, 该平台捕获结果正确无误, 跟踪稳定, 具有较高的仿真程度, 最终能够给出卫星电文输出。并对三种捕获算法进行了效率比较研究, 试验结果表明, 从算法执行时间和参数估计性能等两个指标可见, 并行码相位空间搜索算法在所述三种搜索算法中执行效率最优。因此, 本文所述不仅为初学者打开了深入学研通途, 而且为GNSS信号接收机软件化研究人员提供了相关算法研发的参考。

摘要：基于软件无线电技术的GNSS信号软件接收机, 是近年来GNSS技术研究的一个热点, 也是GNSS用户设备的一个重要发展方向。本文综析了GNSS信号软件接收机的四大优点, 以及研发GNSS信号软件接收机的关键技术, 并用我们研发的GPS软件相关器模拟平台给出了仿真结果。

关键词：GNSS信号软件接收机,软件无线电技术,GPS软件相关器

参考文献

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