GNSS相关知识介绍全解.pptx
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1、GNSS相关知识介绍主讲人:孙泉目目 录录一、GNSS系统介绍二、GPS系统的组成及信号结构三、A-GPS技术四、GPS模块电路五、GPS模块测试六、Q&AGNSS系统介绍GNSS是Global Navigation Satellite System 的缩写,中文译为全球导航卫星系统。目前,GNSS包含了以下系统:QZSSIRNSSGPSGLONASSGalileoCompass GNSS系统介绍GPS/Glonass/Galileo系统主要参数对比GPS系统组成及其信号结构GPS系统组成 GPS系统描述整个GPS系统由三个功能部分组成:控制部分太空部分用户部分GPS系统组成 GPS系统控制部
2、分Hawaii(夏威夷)、Colorado(科罗拉罗州)、Ascension(阿森松岛)、Diego Garcia(迪戈加西亚岛)Kwajalein(夸贾林岛)GPS系统组成 GPS系统控制部分作用观察卫星运动情况并计算卫星轨道数据监测卫星时钟并做相应的预测同步机载卫星时间中继转发接收到的某颗卫星精确轨道数据中继转发接收到的所有卫星粗略轨道数据中继转发其他信息,包括卫星健康状态、时钟误差信息等GPS系统组成 GPS系统太空部分24+3颗卫星(最多32颗)6个轨道平面距地面高度20180km与赤道面夹角为55WGS84坐标系统运行周期11小时58分钟GPS系统组成 GPS系统太空部分 GPS卫星
3、有效工作范围GPS卫星回到地面上方初始位置的运行周期是23小时56分钟GPS系统组成 GPS系统太空部分 GPS卫星分布状态示例GPS系统组成 GPS系统太空部分 GPS信号通信链路分析GPS系统组成 GPS系统太空部分 GPS信号频谱密度分布GPS卫星信号 信号内容卫星时钟参数和同步信号精确的卫星轨道参数(广播星历)用于确定卫星精确时间的时间校正信息粗略的卫星轨道参数(卫星历书)大气电离层数据用于计算传输时间的其他校正信号卫星的健康状态、运行信息GPS卫星信号 信号结构 总览框图(L1&L2)GPS卫星信号 信号结构 概述GPS卫星信号的组成部分载波(Carrier)L1L2测距码(Rang
4、ing Code)C/A码(目前只被调制在L1上)P(Y)码(被分别调制在L1和L2上)卫星(导航)电文(Message)GPS卫星信号的生成关键设备 原子钟GPS卫星信号 信号结构 基准频率由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频 GPS卫星的基准频率f0GPS卫星信号 信号结构 整体框图GPS卫星信号 信号结构 简化框图GPS卫星信号 信号结构 示例GPS卫星信号 信号结构 载波作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1 频率:154f0 =1575.43MHz;波长:19.03cmL2 频率:120f0 =1227.60MHz;波
5、长:24.42cm现代化后增加L5 频率:115f0=1176.45MHz;波长:25.48cmGPS卫星信号 信号结构 载波(续)特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟(电离层折射延迟于信号的频率有关)GPS卫星信号 信号结构 测距码作用测距性质为伪随机噪声码(PRN Pseudo Random Noise)不同的码(包括未对齐的同一组码)间的相关系数为0或1/n(n为码元数)对齐的同一组码间的相关系数为1GPS卫星信号 信号结构 测距码(续)类型目前C/A码(Coarse/Acquisition Co
6、de)粗码/捕获码;码率1.023MHz;周期1ms;1周期含码元数1023个;码元宽度293.05m;仅被调制在L1频段上;P(Y)码(Precise Code)精码;码率10.23MHz;周期7天;1周期含码元数618710400000个;码元宽度29.30m;被调制在L1和L2上;现代化后在L2上调制C/A码;在L1和L2增加调制M码;GPS卫星信号 导航电文 内容&概述导航信息内容GPS系统时间和卫星时钟校准值高精度的卫星轨道数据(星历)粗略的卫星轨道数据(历书)系统卫星健康状态导航信息概述导航信息共分25帧,每帧1500bits,共37500bits每帧分5个子帧,每子帧300bit
7、s每子帧分10个Word,每个Word为30bits完整接收需耗时37500/50=12.5分钟GPS卫星信号 导航电文 数据结构框图GPS卫星信号 导航电文 数据结构简介 每帧分为5个子帧,每个子帧传输不同的信息子帧1包含每颗卫星的星期时间、时钟修正系数等信息;子帧2、子帧3包含了每颗卫星的星历信息;子帧4包含电离层参数、2532号卫星历书信息;子帧5包含124号卫星历书信息、卫星健康状态信息;每个子帧只能传输一颗卫星历书信息;GPS卫星信号 导航电文 遥测字&交接字遥测字TLM(30bit)前8bit固定序列(10001011)用于信号同步;中间16bit用于识别授权用户;后6bit用于奇
8、偶校验;交接字HOW(30bit)前17bit为时间计数器,每经过6秒增加1,计数器值从0100799循环变化;中间7bit作用未知;后6bit用于奇偶校验;GPS卫星信号 导航电文 星历VS历书用户部分 测距码测距原理用户部分 相关器工作原理用户部分 相关器工作示意图用户部分 相关器数据处理示意图(续)A-GPS技术 定位技术简介基于位置的服务LBS(Location Based Service),它是通过电信移动运营商的无线电通讯网络(如GSM、CDMA网)或外部定位方式(如GPS)获取移动终端用户的位置信息(地理坐标或大地坐标),在GIS(Geographic Information S
9、ystem 地理信息系统)平台的支持下,为用户提供相应服务的一种增值业务。定位技术 移动定位技术A-GPS小区识别码(Cell-ID)到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)增强型观测时间差(Enhanced-Observed Time Difference,E-OTD)角度到达时间差(Arrival of Angle,AOA)蓝牙定位WIFI定位 定位技术 移动定位技术 Cell-ID基于Cell-ID的定位定位技术:该技术又称起源蜂窝小区(Cell of Origin)定位技术。每个小区都有自己特定的小区标识号(Cell-ID),当进入某一小区时,移动终
10、端要在当前小区进行注册,系统的数据中就会有相应的小区ID标识。系统根据采集到的移动终端所处小区的标识号来确定移动终端用户的位置。这种定位技术在小区密集的地区精度较高且易于实现,无需对现有网络和手机做较大的改动,得到广泛的应用。定位技术 移动定位技术 TDOA到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)定位技术:移动终端对基站进行监听并测量出信号到达两个基站的时间差,每两个基站得到一个测量值,形成一个双曲线定位定位区,这样,三个基站得到2个双曲线定位定位区,求解出它们的交结点并施以附加条件就可以得到移动终端的确切位置。由于所测量为时间差而非绝对时间,不必满足时间同
11、步的要求,所以TDOA备受关注。定位技术 移动定位技术 E-OTD增强型观测时间差(Enhanced-Observed Time Difference,E-OTD)定位技术:在无线网络中放置若干位置接收器或参考点作为位置测量单元LMU,参考点都有一个精确的定时源,当具有 E-OTD功能的手机和LMU接收到3个以上的基站信号时,每个基站信号到达两者的时间差将被算出来,从而估算出手机所处的位置。这项定位技术定位精度较高但硬件实现也复杂。定位技术 移动定位技术 AOA角度到达(Arrival of Angle,AOA)定位技术:这种定位技术的首要条件是基站需装设阵列智能天线。通过这种天线测出基站与发
12、送信号的移动终端之间的角度,进一步确定两者之间的连线,这样移动终端与两个基站可得到两条连线,其交点即为待测移动终端的位置。该定位技术的缺点是所需智能天线要求较高,且有定位盲点。定位技术 室内定位技术光跟随定位室内GPS定位超声波定位蓝牙定位WIFI定位A-GPS技术 产生背景 当前,基于个人消费者需求的智能化,定位服务LBS(Location-based Service)伴随网络技术的发展,需求呈大幅度增长趋势。随着GPS产品走向消费性,A-GPS作为一种易于实现的定位服务技术,经历了从政策驱动到市场驱动的转变。A-GPS最早的发展背景是来自于美国联邦电信委员会(FCC)所制定的E911政策,
13、要求美国境内手机均须具备立即寻址功能,以在紧急时刻发挥定位寻人的用途。A-GPS技术 工作原理 前面章节已经讲过GPS导航电文中子帧2和子帧3包含广播星历、星期时间和时钟修正系数等信息。要想完成一次定位,需要合理分布的四颗卫星星历数据,其中最关键的是必须完整接收到子帧2和子帧3的信息,完整接收子帧2和子帧3的信息最快需要18秒时间。如果用户所处的位置信号较差(如在高楼林立的建筑群中),只要有一些讯号未被下载,就得再耗时30秒重复下载完整的星历信息。A-GPS技术的实现原理是通过其它网络来实时或预先提供这些星历数据,以加速定位时间。A-GPS技术 工作原理(续)若GPS接收器可不用解算二进制相移
14、键控(BPSK)调变的导航资料(Navigation Data),则GPS的灵敏度可大幅提升。在没有任何辅助数据之下当卫星讯号的强度低于-142dBm时,GPS接收器便很难从噪声层(Noise Floor)中解算正确的导航数据。但此时Code Phase的量测却可正确无误。由于导航数据和用户位置无关,因此可藉由一个具有良好接收效果的远程接收器,提供导航数据给客户端的接收器,而毋须透过接收器本身解算出导航数据,这就是AGPS的基本特色之一。远程位置服务器所提供的数据包含Ephemeris系数、Almanac系数、卫星健康数据、卫星时钟误差(Clock Error)与大气层误差系数(Atmosph
15、eric Error Coefficients)等,GPS接收器便可利用辅助信息将同相累加的时间长度延伸至超过20毫秒,即一个导航数据位的时间。A-GPS技术 实现方式 取得卫星定位辅助数据有两种方式:Online A-GPS 实时的通过GSM、GPRS、UMTS、CDMA等通信网络取得;Offline A-GPS通过通信网络或因特网预先下载相应的卫星星历数据;A-GPS技术 发展方向 A-GPS的发展可分为政策导向和市场导向:政策导向的语音紧急服务因需要高可靠性的定位功能,因此产生了控制平面(Control Plane)架构;市场导向的LBS和导航应用,强调透过无线数据传输来达成定位应用服务
16、,因此产生了用户平面(User Plane)架构;A-GPS技术 发展方向(续页)控制平面和用户平面的差异在于:控制平面(Control Plane)专为紧急救援服务而设计,目的是要让手机能随时随地提供高精度、高可用性的定位功能,不允许其它应用优先于此需求;A-GPS数据通过无线网络控制信道发送,可以与语音通话同时进行;用户平面(User Plane)基于TCP/IP协议传送数据来支持所有的LBS应用,使用在非紧急的应用上,其目的是要缩短TTFF的时间;A-GPS技术 控制平面 A-GPS只是定位技术之控制平面标准的一种,其它还包括基于CDMA的进阶前向链路三角定位(AFLT)技术、基于WCD
17、MA的观察到达时间差(OTDOA)技术、基于GSM的增强到达时间差(E-OTD)技术等。控制平面中的终端设备,可以是本身具有GPS接收器的手机,也可以是普通手机,为了支持位置服务,必须新增网关服务器(Gateway Server)、定位服务器(Positioning Server)和定位业务(Location Services,LCS)终端。不同通信网络系统针对定位辅助功能定义出不同的接口规格,其中GSM/GPRS网络是无线资源定位协议(RRLP),UMTS/WCDMA网络是无线资源控制(RRC),CDMA网络则是IS-801A。控制平面标准与架构定义见表1。A-GPS技术 用户平面 用户平面
18、主要以TCP/IP做为数据传送方式,目前包括CDMA、3GPP2和OMA都制定出用户平面的标准,其中OMA制定的安全用户平面地址(Secure User Plane Location,SUPL)获得业者普遍的支持。SUPL透过将RRC、RRLP等讯息包裹为一致性的规格后再发送出去,其定位的运算通常也在客户端(MS-based),能减少网络成本及维护管理上的需求;若是主要运算端为网络服务器,则称为MS-assisted。在建置上,用户平面较控制平面来得容易施行,用户平面提供的位置服务相关讯号包括定位等级(Positioning Level)和服务等级(Service Level)两类,它使用控制
19、平面定位技术的相关协议,基本上功能相当,差别在于以TCP/IP的方式传送,而优势在于通用性高,系统建置成本较低,也不必受到GSM、CDMA、WCDMA不同系统的限制,因此有助于A-GPS在手机等行动设备中的推行。用户平面标准与架构定义如表2。A-GPS技术 控制平面&用户平面标准架构定义GPS模块电路GPS模块电路 10087项目GPS模块原理图GPS模块电路 10089项目GPS模块原理图GPS模块电路 射频前端电路标准GPS接收器RF前级的架构通常为LNA+SAW;当GPS接收器和手机整合时,GPS接收器的RF前级一般会采用SAW+RF+SAW的架构,讯号先经由一个SAW滤波器将高功率的手
20、机载波降至可接受的幅度后,再经过LNA的处理,以避免LNA被高功率的手机载波给饱和,导致严重的C/N值降低。常见的手机内GPS模块射频前端电路形式见下图。GPS模块电路 射频干扰 GPS接收机和手机整合最容易面临的问题便是来自手机和主机板的干扰会导致GPS接收机灵敏度(Sensitivity)降低、值降低以及造成卫星误判(False Alarm)。一般说来,手机系统对GPS的干扰可以分类为外频(Out-of-band)和同频(In-band)干扰。下图所示为干扰源的树形图。GPS模块电路 射频干扰 外频干扰 外频干扰的干扰源主要手机发射机的高功率载波。就平均发射功率而言,手机的发射功率通常在2
21、0dBm以上,相较之下,虽然手机所发射的高功率载波落在GPS的外频,但这两种讯号的功率位准相差甚大(可达150180dBm),再加上低噪声放大器(LNA)本身是一种宽带的组件,因此会对第一级低噪声放大器产生非线性效应。此非线性效应会在GPS接收机内产生讯号饱合(Saturation)、压缩(Compression)和互调变(Inter-modulation),进而导致GPS接收机C/N0的降低,甚至产生同频干扰讯号。GPS接收器C/N值的降低主要受到手机的发射功率、TDMA系统的工作周期、手机收发机内的双功器(Diplexer)对GPS频段的抑制效果、手机发射滤波器在GPS频段的抑制效果、GP
22、S天线对手机频段的频率选择性,即GPS天线和手机天线因空间隔离所产生的隔离效果等因素影响。高功率的手机讯号进入GPS LNA的大小会受到下列几项因素的影响:发射功率、分时多任务(TDMA)系统的工作周期、GPS天线和手机天线的隔离,以及GPS射频前级的表面声波(SAW)滤波器对手机发射载波频率的抑制。总的来说,TDMA系统对GPS性能的影响会比WCDMA系统大,因为功率大小才是造成干扰的最主要的原因,至于工作周期的影响是比较轻的。GPS模块电路 射频干扰 同频干扰 宽带噪声 同频干扰源主要有宽带噪声(Wideband Noise)和连续波干扰(Continuous Wave Interfere
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