实用高精度GPS算法研究及A12 OEM板接收机设计

实用高精度GPS算法研究及A12OEM板接收机设计

王海英1，王峰波1，陈国军2时间:2008年05月07日

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关键词:<"cblue""/search/?q=差分"target='_blank'>差分<"cblue""/search/?q=定位精度"target='_blank'>定位精度<"cblue""/search/?q=单点"target='_blank'>单点<"cblue""/search/?q=数据处理"target='_blank'>数据处理<"cblue""/search/?q=测量精度"target='_blank'>测量精度

摘要：论述了<"cblue""/search/?q=差分"title="差分">差分GPS算法模型。通过算法比较，确定了将双差算法模型作为高精度<"cblue""/search/?q=数据处理"title="数据处理">数据处理软件的解算模型。在此基础上，给出了通过已知坐标解算出未知坐标的全过程,设计了以A12OEM板为核心的GPS接收系统。实验测量结果表明，此GPS接收系统可以实现高精度的定位。

关键词：差分GPS基线解算A12OEM板外围电路

GPS利用最简单的C/A码定位，精度可达到14米。美国为了防止别的国家把GPS用于军事目的，采用SA政策，人为地将误差引入卫星时钟和卫星数据中，故意降低GPS的<"cblue""/search/?q=定位精度"title="定位精度">定位精度。近几年来，国内外学者在研究GPS定位精度方面取得了重大进展。利用载波相位差分技术可以进行高精度定位，将动态精度提高到厘米级，而静态精度甚至可以提高到毫米级。载波相位差分技术应用双差算法来实现坐标的解算，可以有效地消除星钟误差和星历误差，更重要的是它可以消除接收机的收钟误差。因此显著地提高了定位精度。

GPS通过数据处理来提高精度的同时，接收机的硬件对精度也有着直接的影响。而GPS-OEM板是封装极其简单、便于二次开发的GPS传感器，能完成GPS主要数据采集以及简单的定位解算功能；通过对外围电路的设计，再联系自开发的数据后，处理软件可得到高精度的定位。

本文以载波相位差分为例，讨论静态高精度差分算法模型及数据处理方法，设计了以A12OEM板为核心的低成本高精度GPS接收系统。此系统包括电源、系统设置电路、通信和时间标志信息输出等外围电路。试验结果证明，该GPS接收系统<"cblue""/search/?q=测量精度"title="测量精度">测量精度达到毫米级。

1高精度GPS算法

[1]

利用载波相位进行测量，就其本身而言，测量精度可达0.5～2.0mm。然而GPS测量会受到多种误差的影响，如卫星轨道误差、卫星钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响。为了提高定位精度，有必要研究各种误差规律，建立改正模型对其进行改正。但由于这种改正往往难以完全正确地反映规律，所以，观测值中仍然存在残余影响。虽然可通过在观测方程中加入相应的附加参数来消除其影响，然而大量的多余未知参数不但增加了平差计算的工作量，而且还影响定位未知参数的可靠性。一种简单有效消除或减弱误差影响的方法是将这些观测量进行不同的线性组合。

在GPS相位定位中，常用的三种差分(线性组合)是单差、双差和三差。由于GPS接收机使用稳定性较差的石英钟，它难以用模型来表示。如果将每个观测历元的接收机钟差都作为未知数求解，则将使解算基线向量的法方程中的未知数个数大大增加。而使用双差模型后，接收机钟差的影响被消除了，它既不涉及钟差模型，又使法方程中未知数个数大大减少，这也是双差模型的最大优势。所以本文在研究算法时，采用的是双差模型来解算。

1.1.2双差分观测方程

若在求单差分的基础上再对不同卫星Sj和Sk求差，便可得到双差观测方程：

1.2数据处理

1.2.1基线向量解算的数学模型[2～3]

由GPS卫星定位原理可知，设在GPS标准时刻ti，在测站1、2同时对卫星Sj和Sk进行载波相位测量，用向量解算方法由双差观测值模型解算基线向量，由基线向量与站星之间的关系可得站星双差相位观测方程为：

式中，卫星Sj和Sk在选择j=1的卫星为参考卫星时，k=2,3,4……。对于j=1，k=2；j=1,k=3,……,其站星双差观测值误差方程可仿照公式(6)、(7)写出，对不同观测历元(即ti时刻)可分别列出类似的各历元时刻的一组误差方程。

1.2.2基线解算

t1历元在1、2测站上同时观测了s个卫星，在连续观测的情况下，共有n=M(s-1)个误差方程，其中M为观测历元个数。

将所有误差方程写成矩阵形式:V=AX+L(7)

其中j为历元个数，j=n/(k-1)。

按各类双差观测值等权且彼此独立，即权阵P为单位阵，组成法方程：

NX+B=0(8)

式中，N=ATA;B=ATL。可解得X为：

X=-N-1B=ATA-1(ATL)(9)

若1点坐标已知，可求得2点坐标：

2接收机的设计

2.1A12OEM板

A12OEM板是法国ThalesNavigation公司生产的模块式GPS单频单板定位设备，其原理框图[4～5]如图1所示。A12OEM板采用的是单3.3V电源供电，其内嵌有定位XA处理器，具有快速软件执行速率，并可通过RS232串行接口对存储在闪存中的定位解算软件进行更新或升级；具有12通道代码差分，集GPS接收、定位于一体；带有完整载波相位数据输出，能够跟踪L1频率的C/A码及载波相位；12个独立的并行相关通道用于跟踪全部GPS可见卫星，各个通道可同时跟踪1颗GPS卫星的信号。

由于采用代码及载波跟踪GPS的L1频段，A12OEM板具有较高的定位精度，工作时能为用户提供三维位置、速度、时间和其他状态信息。根据GPS卫星星座的空间布置，接收机有12条并行通道，在同一时刻最多可观测到12颗卫星。同时，它作为GPS接收机核心部分，既可以配置成参考站，又可以配置成移动单元，广泛用于定位和导航领域。

2.2外围电路设计[5]

A12OEM板及PC机的正常运行需要运行如图2所示的相应外围电路。定位信号由天线接收，经过低噪声前置放大后，进入射频前端。射频前端具有变频作用，将射频信号转换为中频信号。中频信号经采样信号采样、量化后，转换为数字中频信号。数字中频信号进入相关通道经过处理后，解译出导航电文。微处理器接收导航电文数据，进行相应处理后给出所需的定位信号或提供特定的应用服务。

本设计中，射频前端和相关通道部分选用Philips半导体公司生产的SAA1575和UAA1570芯片。其中，UAA1570能够与外围电路组合完成射频前端的功能。A12OEM板有两种接口：JP1连接器是通常使用的20引脚输入/输出及供电接口，用于外围应用电路的连接，J1连接器是BNC型的RF天线接口，用于连接GPS射频天线。

A12OEM板与外围应用电路组合构成GPS接收机，实现与PC机的通信。通过OEM板接收、采集卫星信息，运行存储于EEPROM中，并根据定位原理编写的解算软件计算出相应的结果，从而实现PC机利用专用软件完成对GPS接收机的设置及控制。该电路为此类GPS接收机提供了三个串行口：主串行口J4、差分串行口J5和可选择串行口J3。其中，主串行口用于与导航计算机通信，差分串行口用于差分修正信息的输入或输出。对于电源、差分信息、时间标志信息的输出则设有相应的发光二极管指示其工作状态。整个电路结构简单、紧凑，各种功能易于实现。

2.2.1电源电路

电源电路主要为整个接收机系统提供电源，同时产生接收机运行时所需的高电平，为此采用了三端稳压电源模块mc78m05以及0.1μF、0.33μF的电容组成电源电路，以提供5V的主电源Vcc(其允许误差为±5%)。

2.2.2系统设置电路

为使该系统正常运行，电路中通过DIP(S8)开关、跳线(J6)完成系统的初始设置。本方案中采用的默认设置为：DIP1～DIP3设为关闭状态，DIP4～DIP6设为打开状态；跳线分别使得J6-8和J6-9、J6-5和J6-6、J6-2和J6-1连通，从而将S8-1端、S8-2端设为高电平，S8-3端设为低电平；复位按钮RESET默认为开。

2.2.3通信电路

通信电路以MAX202为核心部件。MAX202芯片是一款较为常用的电平转换芯片，可以实现RS-232电平与TTL电平的双向转换。该芯片内部有电压倍增电路和转换电路，仅需外接几个小电容和＋5V电源便可工作，使用十分方便；芯片中还有两路发送、接收串行通信接口，与JP1连接器各相应引脚的连接总是从“出”到“入”和从“入”到“出”，因此要注意其发送、接收引脚的对应。MAX202需四个0.1μF电容配合，且要保证电容极性连接正确。A12OEM板通过RS-232接口输出二进制的测量数据信息，只有每次传送的历书是新的GPS卫星信号时，接收的信息才为有效信息。

2.31PPS信息输出电路

时间标志信息输出电路用74HC14实现对时间信号的处理。74HC14是施密特触发器，可驱动10个LS-TTL负载。由于施密特触发器属于电平触发，可用来将缓慢上升和下降的输入信号加快，在电路中用于不规则波形的整形及变换。因此用它将A12OEM板输出的时间波形变换成规则的脉冲信号，从而输出秒脉冲时间信息1PPS(1PulsePerSecond)。标准GPS时间的秒脉冲输出1PPS的误差精度在±250ns范围内。在绝对模式时，1PPS的调整精度为±250ns；在相对模式时，1PPS的调整精度为±1ms。时间标记信息输出1PPS排除了时钟漂移，每秒输出一次并与GPS时间同步。

3测量实验与结果分析

在定位解算计算机上运行GPS监控软件，用户通过该程序控制计算机与GPS接收机的通信，从而执行相应的定位操作并显示相应的输出信息。为配合监控软件工作，利用外围应用电路中的DIP开关及跳线对该接收系统进行设置，并把主串行口J4连接到计算机的串行接口COM1或COM2，把差分串行接口J5连接到差分信息源或其他GPS接收机的DGPS信息输出端；在BNC插座J1上连接GPS天线。系统连接好后再接通外围应用电源。所有的操作命令和数据请求都通过外围应用电路及软件发送、接收或解码。在高精度定位中，用于位置解算的误差源主要包括SA误差、电离层误差和对流层误差等。采用差分技术可有效降低以上三种误差。

本次实验借用同济大学GPS基准站的观测数据，在同济大学中德学院大楼519室和西南楼门前草坪完成。系统连接好后，运行GPS监控软件并将串行接口的传输速率设置为默认值为9600bps。静止状态观测四小时，在水平方向上沿正东、正西、正南或者正北方向以1mm间隔移动至20mm，每移动一次观测半小时，在竖直方向上也以1mm间隔移动至20mm，每移动一次观测半小时。使用计算机采集到的数据，用处理软件进行数据处理。

实验时把<"cblue""/search/?q=单点"title="单点">单点定位和差分定位的精度做了比较，解算是用自编仿真软件对GPS基准站的数据进行处理，以精确测出基准站坐标为(-2848181.616859534647549.598919563311986.31800702)。下面介绍测量结果及分析。

(1)单点定位和差分定位的比较

图3和图4分别给出了单点独立定位和差分定位的X坐标和Y坐标的比较曲线。从图中可以看出单点独立定位与差分定位结果在X坐标上的偏差约为2米左右，而Y坐标的偏差约为4米左右。在本测量系统中X坐标测量值的精度要优于Y坐标测量精度。

图5给出了单点独立定位和差分定位的高程坐标的比较曲线。从图中可以看出，单点独立定位与差分定位结果在高程坐标上的偏差约为10米左右。在GPS测量系统中，X、Y坐标测量值的精度要优于高程坐标测量精度。

通过比较可以得出以下结论：经过差分运算可以有效地剔除GPS测量系统误差，提高测量精度。

(2)精度分析

平差后矢量的技术指标

移动前后静态测量时间约为1小时；本次测量的实际空间位移约为10mm，移动倾角为70°；水平方向位移分量为10×cos70=3.42mm；垂直分量为10×sin70=9.40mm。

测量数据的处理：

X1-X2=395035mm-395041mm=-6mm

Y1-Y2=147369mm-147373mm=-4mm

Z1-Z2=113931mm-113929mm=2mm

可得到定位误差为：

δxy=3.42-7.2=-3.78mm

δz=9.4-2=7.4mm

根据仿真实验分析可得，精度达到毫米级，水平方向定位精度较好，垂直方向较差。

本文论述了GPS的载波相位差分算法以及数据处理的数学模型，这是GPS定位技术软件方面的核心部分。同时，设计了以A12OEM板为核心的GPS接收机，结合自行开发的数据处理软件进行了测量实验，结果表明，能实现高精度定位，定位精度满足工程要求。实验表明，该方案是完全可行的，并且由于采用了自行设计的后处理软件开发工具，其成本相当低。此接收机最突出的特点是体积小、功耗低(A12OEM板的封装尺寸为39mm×60mm×10mm，功耗<250mW),在