卫星导航基础知识及其在产品设计中的应用

卫星导航基础知识及其在产品设计中的应用卫星导航系统分类中国北斗卫星导航系统——BD全球卫星导航系统——GPS俄罗斯格洛纳斯导航系统——GLONASS欧盟伽利略卫星导航系统——Galileo各种导航系统使用频率卫星系统频率（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卫星定位的基本原理在卫星下发的报文中可以找到卫星的位置信息；已知报文中包含卫星发送报文的时间和接收机接收报文的时间，利用这个时间差乘以光速就是卫星和接收机的距离。一颗卫星——可以确定接收机在以卫星所在位置为球心的一个球面上；两颗卫星——可以确定接收机在两个球面相交的圆上；三颗卫星——可以确定接收机在三个球面相交的2点上；根据逻辑判断可以舍弃一点，理论上三颗卫星就可以完成定位，但由于接收机时间的精度问题和电磁波在传播过程中受到地球电离层的影响等问题，需要第四颗卫星来修正这些参数，确保定位数据的有效性和提高定位数据的精度。单点定位与差分定位单点定位，或绝对定位。就是通过唯一的一个接收器来确定位置；差分定位，或称相对定位。就是通过增加一个参考接收器（基准站）来提高定位精度，是目前定位精度最高的定位方式，可以达到厘米级或毫米级。应用领域：飞机起降、车辆管理、车辆调度，测距。差分定位差分定位示意图差分定位基准站和移动站定向授时定向是依靠基线矢量在载体坐标系和本地坐标系中的相互关系来确定载体的空间方向。基线矢量指两天线相位中心连线构成的矢量。用与两天线分别相连的接收机同时测定卫星载波信号的瞬时相位,比较其相位差,则可以测定基线的空间方向。这种方法就是定向的载波相位差分法。接收机通过接收卫星导航系统的标准时间信息通过专用接口输出秒脉冲，使系统和标准时间保持同步。授时精度为ns级，如某款接收机可以达到20ns的授时精度。卫星导航设备的开发方式独立全新开发：采用通用芯片和电子元器件处理射频信号、基带信号并进行数据解算获取定位信息。缺点是开发周期长、开发成本高，接收机体积较大，优点是一些性能指标较高、能进行一些如抗干扰、处理加密信号等要求。军用领域应用较多。采用市场上现有的接收机板/模块/芯片：这种开发方式比较简单，开发周期短、开发成本低，接收机体积小，缺点是不能完成一些特殊要求，不能达到一些特殊的环境要求或较高的性能指标。多用在民用领域。接收机基本功能框图信息输出方式和格式接收机一般通过串口输出ASCII字符信息，输出频率1Hz（可以定制）；通过串口可以配置接收机的运行模式、串口属性、输出消息的类别、输出频率、读取接收机的信息等。输出信息的格式一般遵循NMEA0183协议，输出信息的格式可以向生产商定制。NMEA0183输出的常用消息有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC等。信息输出方式和格式在产品设计，由于每次接收机输出的信息量较多，我们可以只选择需要的数据进行存储或传输，当数据比较稳定时，如果允许，也可以降低存储或传输的频率。输出消息内容经纬高等位置信息；时间信息；水平速度、垂直速度等速度信息；可见卫星数量和星号；参与定位的卫星及其信噪比、方位角、仰角等信息；定位精度信息PDOP、HDOP、VDOP等；……接收机性能指标评价一个接收机性能的主要参数有：定位模式、冷启动时间、热启动时间、重捕获时间、定位精度、速度精度、授时精度、最大使用速度、最大使用加速度、灵敏度等定位模式主要指在多模接收机中采用单独定位、联合定位中的哪一种定位模式。如一款BD2/GPS双模接收机有BD2单独定位、GPS单独定位、联合定位三种定位模式。在使用环境较差时，单独定位时间可能要长于联合定位时间，考虑到降低用户的等待时间，应优先选择联合定位。当应用与军用等关键领域时，考虑到安全性因素，应选择BD优先定位。冷启动时间接收机首次启动、接收机没有星历或者接收机移动1000公里以上距离等情况下，从启动到定位成功所需要的时间，是衡量接收机性能的关键指标。如某款接收机的标称冷启动时间可以达到35s。在测试中可以通过串口向接收机发送冷启动命令来测量冷启动时间。热启动时间接收机保存有其最后计算的可视卫星的位置、历书和UTC时间，在重启以后，接收机以保存的上述内容为基础获取和计算当前卫星的最新位置，重新开机后首次定位时间。一般断电2小时以内可以进行热启动。如某款接收机的标称热启动时间为1s。可见热启动时间远小于冷启动时间，为了更好的用户体验，在设计时应增加电池给接收机RTC供电，使接收机能保持星历等信息，以便在短时间重启时，接收机能快速定位。重捕获时间在接收机不断电的情况下，失去卫星信号后再次恢复信号到定位成功的时间，是衡量接收机性能的关键指标。如某款接收机的重捕获时间可以达到1s。当汽车经过立交桥、山洞、建筑物等遮挡卫星信号的区域后，接收机会进行卫星的重捕获。定位精度、速度精度定位精度、速度精度是一个统计数据，他反映接收机给出的定位、速度信息和实际位置、速度的偏差。定位精度、速度精度（静态）可通过分析接收机输出的数据得出。方法如下：一、获取接收机若干组数据（如600、7200）；二、确定当前位置的基准点（可以通过标准接收机长时间的统计得出），在没有基准点时可以用平均值。三、具体的统计算法有1б、2б、3б、CEP50、CEP95、均方根误差等，根据所要求的即可计算出精度。在一些情况下，如果允许的话，可以根据一定标准剔除一些异常数据后再进行计算。定位精度图形分析结果灵敏度灵敏度是反映接收机能接收信号强弱的关键指标。接收机灵敏度可以在暗室中利用信号发生器、发射天线、标准增益接收天线、频谱仪等设备测出。室外卫星信号的强度约为-133dBm，一般选购接收机时应要求接收机灵敏度优于-133dBm。根据经纬度计算距离在软件设计中，因为接收机给出的是经纬度信息，有时需要计算两点间的距离，可以使用下面的计算公式根据经纬度计算距离根据经纬度计算距离另一精简算法：卫星导航系统中的干扰卫星导航系统干扰分为压制式干扰和欺骗式干扰两大类。压制式干扰有窄带干扰（瞄准式）、宽带干扰（阻塞式），在干扰作用时间上有连续干扰和脉冲干扰。压制式干扰通过发射大功率的同频信号以干扰接收机接收正常的卫星信号以达到干扰的目的，优点是技术难度较小，但所需干扰功率较大。欺骗式干扰是发射与卫星信号相类似的干扰信号，误导接收机偏离准确的导航和定位。这种干扰的优点是所需干扰功率小，干扰效果大大好于压制式干扰。当然欺骗式干扰的技术难度要远远大于压制式干扰。因为要实现欺骗就必须了解卫星的码型及当时发出的电文数据等信息，而了解和掌握这些又是相当困难的。卫星导航系统中的多路径效应反射波对直射波的破坏性干涉而引起的接收机至卫星距离误差，导致卫星信号的能量发生衰减和相位发生延迟。这种误差的大小主要取决于反射波的强度和用户接收机天线抗御反射波的能力。卫星导航系统中的多路径效应多路径处理方法：天线方面的处理和接收机方面的处理。通过对天线加装抑制盘和扼流圈来减弱多路径效应抑制盘是在天线底部加装一个扁平圆盘，只用抑制盘有时并不能达到很好的效果，因为反射信号会在抑制盘表面形成明显的衍射波，衍射波会在天线内部进行传输。扼流圈是带多个圆形凹槽的圆盘，当凹槽的深度略大于信号波长的1/4时，可以阻止衍射信号在其表面进行传输。在产品结构设计上应避免人为的增加多路径效应。接收机方面的处理是通过改进算法来进行多路径效应的抑制。产品设计中的电磁干扰防护产品设计中应特别注意接收机模块、天线、其他设备（包括显示屏等设备）这三者之间的电磁干扰，并采取防护措施。特别在一些产品中接收天线需要板载时，要尽可能的隔离天线和其他设备间的电磁传播通道，并尽可能的远离其他设备，如果无法解决这些问题，将显著降低接收机的搜星数量。特别是陶瓷天线的银层面要高于其他能发射或反射电磁波的部件。一旦状态确定，天线的水平位置、重置位置、方向都不允许更改。当天线需要馈电时，应尽可能的采用独立电源或增加其他隔离措施，减少天线信号对系统电源的影响。天线陶瓷天线带外壳的陶瓷天线航空天线含有多个天线振子的抗干扰天线室外天线螺旋天线天线选型主要关注的性能指标介质天线电性能：频率范围、增益、轴比、驻波、极化方式；LNA电性能：频率范围、增益、输入/输出纹波、噪声系数、带外抑制、带内平坦度、供电电压、供电电流；其他指标：阻抗、接口形式、尺寸、工作温度、存储温度、重量等国内导航模块/芯片/板卡供应商和芯星通、东方联星、华力创通、泰斗微电子、西安华讯、国腾、北斗星通、合众思壮、寰亚翔宇、北斗天汇、博纳雨田、海格通信、中海达泰斗TD3020D模块介绍及其应用TD3020D是一款BD2B1/GPSL1双模导航模块。支持对有源天线供电，并且内部具备有源天线状态检测和天线短路保护功能。TD3020D应用领域车载、船载定位导航终端个人定位终端平板电脑对讲机等通讯设备TD3020D典型应用和星芯通UM220介绍及其应用UM220模块是一款支持BD2B1和GPSL1的双模接收机，已经上市多年，性能稳定，功耗低，应用方便，支持单独定位和联合定位。UM220应用领域车辆导航车辆监控车队管理海洋渔业电信/电力授时气象探测单兵手持终端UM220应用原理图天线布线连接线需要进行50Ω的阻抗匹配，走线不要走直角和锐角，尽量不要更换信号层，而且连接线下面相邻层最好有完整的地平面，至少保证标识区域对应下面一层的区域要有完整的地平面。推荐天线和厂家板载天线外置（车载）天线推荐厂家：朗赛微波、鼎耀科技