TurboRogue系列GPS接收机工作原理及特点

1、TurboRogue系列GPS接收机工作原理及特点夏林元张松波摘要分析了采用互相关跟踪技术的TurboRogue系列GPS接收机的基本工作原理，主机的自主式完善性监控措施及钟差的控制方法。同时为方便应用，对使用中易出现的问题进行了分析，最后介绍了该系列机设计中的一些特色。GPS这一高效空间定位系统已成为许多新型行业的生长点，目前被广泛应用于工程形变监测、导航、水域测量、电力调度等领域。随着计算机技术的进步，卫星接收机的定位性能也必随之得到提高。测绘信息网主题词全球定位系统监控技术设计接收机1基本工作原理测绘信息网GPS这一高效空间定位系统已被广泛应用于工程形变监测、导航、水域测量、电力调度等领

2、域。但若要满足精密形变监测，大地定位的要求，通常需要双频双P码型接收机，而且其性能的优劣，直接影响到所采集数据的质量。目前各GPS生产厂家竞相采用各种技术改进其大地型GPS接收机的性能，如互相关技术、Z跟踪技术、相位平滑及超级C/A码等。测绘信息网1.1互相关跟踪技术测绘信息网在GPS卫星实施AS技术的情况下，若仍想获得全波相位观测值，GPS接收机通常采用互相关跟踪技术或Z跟踪技术。实施AS技术时，P码已和保密的W码相加形成保密的Y码。互相关跟踪技术利用了调制在L1和L2载波上的两个Y码(Y1码和Y2码)都有相同的结构这一特点，将Y1码和Y2码进行互相关处理，从而求得它们的延迟量RY1RY2。

3、由于该量精确地反映了电离层的影响，故可用来提高对伪距的观测精度。TurboRogue系列GPS接收机在这种互相关跟踪方式中还提取相位观测值差分量L1L2，从而对相位值进行改正。该机的29050系列VLSI高速处理芯片产生被跟踪卫星信号的复制码。信号的采样频率为20.456 MHz，以此频率采样的信号经互相关求和处理后的结果，被跟踪环以50 Hz的速率接收。因此主机内部每秒可获取50次每颗卫星的观测值，其经过可概略表示为图1。测绘信息网测绘信息网图1TurboRogue系列接收机跟踪信号流程主机的29050系列微处理器为可选件，每个29050系列VLSI芯片可跟踪和处理4颗卫星的信号。因此，12

4、通道的主机需要3个29050系列芯片。测绘信息网信息网1.2与Z跟踪技术的比较Z跟踪技术的基本思想是将保密的Y码分离为P码和W码。由于W码速率远低于P码，主机将接收到的L1和L2信号与接收机的复制信号相关处理后，与互相关技术不同之处在于Z技术将频带宽降低到保密码的带宽，再估计低速W码元是0还是1，从而得到W码的估值，然后用反向频率信号处理法将该估值从接收信号中减去，消除W码的大部分影响，得到信噪比较高的观测量。而在互相关技术中是将两个微弱的卫星信号互乘，故所得观测量信噪比较低。按TurboRogue系列接收机的观测结果，无AS时，P2码信噪比约为C/A码的一半，P1码信噪比在C/A码和P2码之

5、间；而有AS时，P2码的信噪比降低许多。表1和表2列出了该系列机两个观测时刻观测量信噪比情况。表1实施AS时观测量的信噪比项 目卫 星 通 道227191631182829C/A171395729134369819246514P1ASASASASASASASASP26175421675930表2无AS时观测量的信噪比项 目卫 星 通 道241213722627C/A12599776718588296327P17575510471407194215P2110783004883022031712自主式完备性监控测绘信息网自主式完备性监控(RAIM)系指接收机能自动地实时监视并判断标记为健康的卫星信

6、号是否出现故障，并在实时导航解算中停止利用该卫星信号，直到后续历元中经不断监视并证实该卫星信号恢复正常为止，这对保证导航的可靠性和安全性十分重要。TurboRogue系列机每历元都利用所跟踪的卫星信号计算当前点位及点位精度指标，此即相当于导航解。若某历元点位精度指标不佳，则作点位测试计算，计算中依次删除一颗星，直到找到较好精度指标值为止，并对所找到的不健康星作标记。当锁定卫星数不够多(如少于5颗)时，则不作RAIM解算。此外，该机还从每颗卫星历书中、卫星星历中以及第24和25页面的健康状况位中获取并评估卫星健康状况，以综合评定卫星信号及射频健康状况。图2RAIM处理基本流程3钟差控制方法测绘信

7、息网该系列接收机在自主式完备性监控中除计算点位、精度外，还计算出单历元的接收机钟差并据此钟差值来调整内部5 MHz的石英晶振频率，以使钟差及钟速维持在较小的数值上。因此，主机连续而准确地计算当前位置及钟差的能力如何直接关系到跟踪连续卫星的能力，该机依计算中对当前点位坐标及速率的约束方式不同而将点位分为如下4类。(1) Clock(时钟)型：假定点位坐标正确无误并恒定不变(速度为0)，用所观测伪距来拟合求定当前钟差及钟速。此时钟改正值表示为：测绘信息网Vt=a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2式中a1，a2，a3分别表示钟差，钟速及钟速变率；t0为对应于a0的起始时刻，而拟合方程可表示为：

8、=Ion+trop+cVt-cVs式中Ion和trop为电离层、对流层改正，而Vs为卫星时钟改正，c为光速。=-其中=(Xs-X)2+(Ys-Y)2+(Zs-Z)21/2为由卫星位置和测量点位置计算得出的几何伪距，此时Xs，Ys，Zs由星历计算，而X，Y，Z是认为正确无误的坐标值。测绘信息网因此，若所给定坐标不准，则算出的钟差与实际值相差过大，会导致难以锁定卫星或锁定后很快失锁，因为该系列机钟差大于310 s时需要重新与卫星钟同步。(2) Fixed(固定)型：当点位上的天线十分稳定，可假定其运动速度为零时，对先验坐标值用指数函数定权通过平滑求定当前点位及钟差数值，所显示的点位精度由于SA因素

9、影响，并不反映实际点位精度。与(1)中过程相比较，X、Y、Z此时并不精确已知，只是其变率为零，在求定当前点位及钟差时(如历元i)对X，Y，Z平滑，即i=Xi-1+X0(1-W)W=akti其中常数k及a均通过平滑约束条件给定，如初始时刻t=t0时，W=1，此时i=Xi-1，本机中对具有一定精度的点，由用户给定平滑时间，如取t=24 h时，W为t=t0时的一半，即所谓half life定权。(3) Rover(移动)型：假定运动速度为0，用最新同步跟踪观测值计算点位及钟差，而不顾及以前的点位结果和跟踪数据。(4) Kinematic(动态)型：对当前点位及速度均不作约束，所求出的点位速度钟差和加

10、速度均认为是当前状态的反映。因此用户宜在作业开始前正确输入指定点位类型，以利作业顺利进行。例如，在常规控制网作业中，各点观测中点位类型应指定为Fixed型，而不应输为Clock或Kinematic等型。主机调整晶振时，首先自动确定晶振内部的电位值(pot)和晶振频率的关系曲线是MONITOR型还是TOYOCOM型。前者pot值随频率f上升而上升，后者则相反，然后再调节pot值以达到钟差控制目的。跟踪过程中当钟差非常小时，主机会自动存入此时的pot值，以便下次开始跟踪时使用。因此，若仪器长时间没有使用，则开始跟踪时主机需要重新采集历书，计算并调整晶振pot值，故需要的同步时间可能稍长些。4设计特

11、点测绘信息网该系列GPS接收机在硬软件的设计中还考虑了以下几点。(1) C/A码相位驱动快速反馈：由于C/A码有较强的信噪比，故当信号减弱时，只要C/A码有足够的信噪比，各通道在较低高度角仍可维持对卫星信号的锁定。(2) 锁相环中将相位分为原相位(反馈值)的相位残差(跟踪误差)来计算，并在数据采样间隔时间内进行平滑处理，从而得到数据历元上的精确相位值，对群延量也按此法处理，使观测值中的噪声相关性得到消除。(3) VLSI芯片中对信号均以20 MHz频率采样。因此C/A码延迟量的相关处理时间间隔为正常值的十分之一，有助于减弱系统噪声，提高伪距的观测精度。测绘信息网5结 语测绘信息网以上对TurboRogue系列机的基本原