衛星導航基礎知識

及其在產品設計中的應用

2014-08-07衛星導航系統分類中國北斗衛星導航系統——BD全球衛星導航系統——GPS俄羅斯格洛納斯導航系統——GLONASS歐盟伽利略衛星導航系統——Galileo各種導航系統使用頻率衛星系統頻率（MHz）BD2B11561.098±2.046B21207.14±2.046B31268.52±10.23GPSL11575.42±1.023L21227.6±10.23L51176.45±12GLONASSL11602+0.5625*kL21246+0.4375*kGalileoE11589.74E21561.1E61278.75衛星定位的基本原理在衛星下發的報文中可以找到衛星的位置信息；已知報文中包含衛星發送報文的時間和接收機接收報文的時間，利用這個時間差乘以光速就是衛星和接收機的距離。一顆衛星——可以確定接收機在以衛星所在位置為球心的一個球面上；兩顆衛星——可以確定接收機在兩個球面相交的圓上；三顆衛星——可以確定接收機在三個球面相交的2點上；根據邏輯判斷可以舍棄一點，理論上三顆衛星就可以完成定位，但由于接收機時間的精度問題和電磁波在傳播過程中受到地球電離層的影響等問題，需要第四顆衛星來修正這些參數，確保定位數據的有效性和提高定位數據的精度。單點定位與差分定位單點定位，或絕對定位。就是通過唯一的一個接收器來確定位置；差分定位，或稱相對定位。就是通過增加一個參考接收器（基準站）來提高定位精度，是目前定位精度最高的定位方式，可以達到厘米級或毫米級。應用領域：飛機起降、車輛管理、車輛調度，測距。差分定位差分定位示意圖差分定位基準站和移動站定向授時定向是依靠基線矢量在載體坐標系和本地坐標系中的相互關系來確定載體的空間方向。基線矢量指兩天線相位中心連線構成的矢量。用與兩天線分別相連的接收機同時測定衛星載波信號的瞬時相位,比較其相位差,則可以測定基線的空間方向。這種方法就是定向的載波相位差分法。接收機通過接收衛星導航系統的標準時間信息通過專用接口輸出秒脈沖，使系統和標準時間保持同步。授時精度為ns級，如某款接收機可以達到20ns的授時精度。衛星導航設備的開發方式獨立全新開發：采用通用芯片和電子元器件處理射頻信號、基帶信號并進行數據解算獲取定位信息。缺點是開發周期長、開發成本高，接收機體積較大，優點是一些性能指標較高、能進行一些如抗干擾、處理加密信號等要求。軍用領域應用較多。采用市場上現有的接收機板/模塊/芯片：這種開發方式比較簡單，開發周期短、開發成本低，接收機體積小，缺點是不能完成一些特殊要求，不能達到一些特殊的環境要求或較高的性能指標。多用在民用領域。接收機基本功能框圖信息輸出方式和格式接收機一般通過串口輸出ASCII字符信息，輸出頻率1Hz（可以定制）；通過串口可以配置接收機的運行模式、串口屬性、輸出消息的類別、輸出頻率、讀取接收機的信息等。輸出信息的格式一般遵循NMEA0183協議，輸出信息的格式可以向生產商定制。NMEA0183輸出的常用消息有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC等。信息輸出方式和格式在產品設計，由于每次接收機輸出的信息量較多，我們可以只選擇需要的數據進行存儲或傳輸，當數據比較穩定時，如果允許，也可以降低存儲或傳輸的頻率。輸出消息內容經緯高等位置信息；時間信息；水平速度、垂直速度等速度信息；可見衛星數量和星號；參與定位的衛星及其信噪比、方位角、仰角等信息；定位精度信息PDOP、HDOP、VDOP等；……接收機性能指標評價一個接收機性能的主要參數有：定位模式、冷啟動時間、熱啟動時間、重捕獲時間、定位精度、速度精度、授時精度、最大使用速度、最大使用加速度、靈敏度等定位模式主要指在多模接收機中采用單獨定位、聯合定位中的哪一種定位模式。如一款BD2/GPS雙模接收機有BD2單獨定位、GPS單獨定位、聯合定位三種定位模式。在使用環境較差時，單獨定位時間可能要長于聯合定位時間，考慮到降低用戶的等待時間，應優先選擇聯合定位。當應用與軍用等關鍵領域時，考慮到安全性因素，應選擇BD優先定位。冷啟動時間接收機首次啟動、接收機沒有星歷或者接收機移動1000公里以上距離等情況下，從啟動到定位成功所需要的時間，是衡量接收機性能的關鍵指標。如某款接收機的標稱冷啟動時間可以達到35s。在測試中可以通過串口向接收機發送冷啟動命令來測量冷啟動時間。熱啟動時間接收機保存有其最后計算的可視衛星的位置、歷書和UTC時間，在重啟以后，接收機以保存的上述內容為基礎獲取和計算當前衛星的最新位置，重新開機后首次定位時間。一般斷電2小時以內可以進行熱啟動。如某款接收機的標稱熱啟動時間為1s。可見熱啟動時間遠小于冷啟動時間，為了更好的用戶體驗，在設計時應增加電池給接收機RTC供電，使接收機能保持星歷等信息，以便在短時間重啟時，接收機能快速定位。重捕獲時間在接收機不斷電的情況下，失去衛星信號后再次恢復信號到定位成功的時間，是衡量接收機性能的關鍵指標。如某款接收機的重捕獲時間可以達到1s。當汽車經過立交橋、山洞、建筑物等遮擋衛星信號的區域后，接收機會進行衛星的重捕獲。定位精度、速度精度定位精度、速度精度是一個統計數據，他反映接收機給出的定位、速度信息和實際位置、速度的偏差。定位精度、速度精度（靜態）可通過分析接收機輸出的數據得出。方法如下：一、獲取接收機若干組數據（如600、7200）；二、確定當前位置的基準點（可以通過標準接收機長時間的統計得出），在沒有基準點時可以用平均值。三、具體的統計算法有1б、2б、3б、CEP50、CEP95、均方根誤差等，根據所要求的即可計算出精度。在一些情況下，如果允許的話，可以根據一定標準剔除一些異常數據后再進行計算。定位精度圖形分析結果靈敏度靈敏度是反映接收機能接收信號強弱的關鍵指標。接收機靈敏度可以在暗室中利用信號發生器、發射天線、標準增益接收天線、頻譜儀等設備測出。室外衛星信號的強度約為-133dBm，一般選購接收機時應要求接收機靈敏度優于-133dBm。根據經緯度計算距離在軟件設計中，因為接收機給出的是經緯度信息，有時需要計算兩點間的距離，可以使用下面的計算公式根據經緯度計算距離根據經緯度計算距離另一精簡算法：衛星導航系統中的干擾衛星導航系統干擾分為壓制式干擾和欺騙式干擾兩大類。壓制式干擾有窄帶干擾（瞄準式）、寬帶干擾（阻塞式），在干擾作用時間上有連續干擾和脈沖干擾。壓制式干擾通過發射大功率的同頻信號以干擾接收機接收正常的衛星信號以達到干擾的目的，優點是技術難度較小，但所需干擾功率較大。欺騙式干擾是發射與衛星信號相類似的干擾信號，誤導接收機偏離準確的導航和定位。這種干擾的優點是所需干擾功率小，干擾效果大大好于壓制式干擾。當然欺騙式干擾的技術難度要遠遠大于壓制式干擾。因為要實現欺騙就必須了解衛星的碼型及當時發出的電文數據等信息，而了解和掌握這些又是相當困難的。衛星導航系統中的多路徑效應反射波對直射波的破壞性干涉而引起的接收機至衛星距離誤差，導致衛星信號的能量發生衰減和相位發生延遲。這種誤差的大小主要取決于反射波的強度和用戶接收機天線抗御反射波的能力。衛星導航系統中的多路徑效應多路徑處理方法：天線方面的處理和接收機方面的處理。通過對天線加裝抑制盤和扼流圈來減弱多路徑效應抑制盤是在天線底部加裝一個扁平圓盤，只用抑制盤有時并不能達到很好的效果，因為反射信號會在抑制盤表面形成明顯的衍射波，衍射波會在天線內部進行傳輸。扼流圈是帶多個圓形凹槽的圓盤，當凹槽的深度略大于信號波長的1/4時，可以阻止衍射信號在其表面進行傳輸。在產品結構設計上應避免人為的增加多路徑效應。接收機方面的處理是通過改進算法來進行多路徑效應的抑制。產品設計中的電磁干擾防護產品設計中應特別注意接收機模塊、天線、其他設備（包括顯示屏等設備）這三者之間的電磁干擾，并采取防護措施。特別在一些產品中接收天線需要板載時，要盡可能的隔離天線和其他設備間的電磁傳播通道，并盡可能的遠離其他設備，如果無法解決這些問題，將顯著降低接收機的搜星數量。特別是陶瓷天線的銀層面要高于其他能發射或反射電磁波的部件。一旦狀態確定，天線的水平位置、重置位置、方向都不允許更改。當天線需要饋電時，應盡可能的采用獨立電源或增加其他隔離措施，減少天線信號對系統電源的影響。天線陶瓷天線帶外殼的陶瓷天線航空天線含有多個天線振子的抗干擾天線室外天線螺旋天線天線選型主要關注的性能指標介質天線電性能：頻率范圍、增益、軸比、駐波、極化方式；LNA電性能：頻率范圍、增益、輸入/輸出紋波、噪聲系數、帶外抑制、帶內平坦度、供電電壓、供電電流；其他指標：阻抗、接口形式、尺寸、工作溫度、存儲溫度、重量等國內導航模塊/芯片/板卡供應商和芯星通、東方聯星、華力創通、泰斗微電子、西安華訊、國騰、北斗星通、合眾思壯、寰亞翔宇、北斗天匯、博納雨田、海格通信、中海達泰斗TD3020D模塊介紹及其應用TD3020D是一款BD2B1/GPSL1雙模導航模塊。支持對有源天線供電，并且內部具備有源天線狀態檢測和天線短路保護功能。TD3020D應用領域

車載、船載定位導航終端個人定位終端

平板電腦

對講機等通訊設備TD3020D典型應用和星芯通UM220介紹及其應用UM220模塊是一款支持BD2B1和GPSL1的雙模接收機，已經上市多年，性能穩定，功耗低，應用方