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GPS再厉害,我们还是要有自己的北斗

中科院半导体所 来源:中科院半导体所 作者:中科院半导体所 2020-11-19 15:29 次阅读

我在哪? 现在是什么时间? 要达到目的地该怎么走? 说到GPS,大多数人的第一反应就是定位和导航,这是GPS设计的初衷,也是其最典型的应用。 并且,由于GPS免费、公开,并且性能可靠,全球的形形色色的大量用户已经为其开发出了数百种用途,几乎影响到我们生活的方方面面。 空中,飞机借助GPS导航在云中穿梭;路上,无数的汽车通过GPS来规划行驶路线;甚至,在你的手机后台,一个个APP在贪婪地记录着你的位置,在提供便利服务的同时,个人行踪也被默默地上传,作为大数据和所谓人工智能的食粮。 最关键的是,5G基站需要高精度的时间同步才能正常工作,这也要依赖于GPS。当然,随着中国的北斗系统的发展,GPS的重要性有所下降。

什么是GPS ? GPS的全称是Global Positionsing System,也就是全球定位系统。这个看似如此全球化的名字,实际上掌握在美国国防部手中,最初是作为军用的,开放给民用之后,在全球形成了一个巨大的产业链。

上世纪中叶,随着美国在全球的扩张,海陆空三军都亟需一个可靠的卫星定位系统。海军和空军各自提出了各自的实现方案,甚至已经开始了实验。 国防部一看,这些系统的复杂度很大,各家自行研发的话太费钱了,既然大家的目标是一致的,何不集中力量一起搞呢? 于是,在1973年,GPS计划在国防部下辖的卫星导航定位联合计划局的领导下诞生了。 经过了十几年的方案论证,初步设计,全面研制以及系统实验,终于在1989年,第一颗GPS工作卫星发射成功,宣告GPS系统进入工程建设状态。到了1994年,规模为24个的GPS星座已经建成。

至此,GPS计划共花掉了50亿美元。 最初,耗费了巨资的GPS系统完全由美国军方使用,后来开放给民用,但给信号加入了选择性误差(增加干扰),用来降低定位精度。直到2000年5月,克林顿下令取消干扰,终于,民用信号也可以达到和军用相同的精度了。 虽然美国已经将这个先进的系统免费开放给全球民用,但其所有权依然属于美国政府,因此美国随时可以在一些地方关闭GPS服务。这样的基础服务一旦被掐断,必然是痛彻心扉。 于是,其它国家纷纷着手研制自己的卫星定位系统。俄罗斯搞出来了个GLONASS系统(GLobal NAvigation Satellite System,格洛纳斯);欧盟也自食其力大力研发伽利略系统(Galileo);中国的北斗(Beidou)导航卫星系统也在2020年得以建成。

上述这些卫星导航系统,连带GPS被统称做GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)。GNSS看着和俄罗斯GLONASS的全称是一样的?还真一样,不过由于缩写不同,想要区分开还是很容易的。

GPS系统的组成 GPS系统主要由天上飞的卫星(空间星座),地面监控部分,以及用户设备部分组成。2.1 星座:GPS卫星星座原本设计由24颗卫星组成,其中21颗为工作卫星,3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上,即每个轨道面上有4颗卫星。

这些卫星位于中地球轨道,平均高度为20200千米。卫星轨道相对地球赤道面的倾角是55°,各轨道平面升交点的赤经相差60°,卫星的运行周期是11小时58分钟。

经过对卫星轨道布局的精心设计,可以保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。为什么是4颗呢?这和定位的实现方式有关,在下文会详细介绍。 2011年6月,美国空军成功扩展GPS卫星星座,调整了6颗卫星的位置,并加入多3颗卫星。这使工作卫星的数目增加至27颗,扩大了GPS系统的覆盖范围,并提高了准确度。 截止2020年9月,工作卫星的数量为30颗,不包括退役及备用卫星。 美国军方除了增加卫星数量之外,还要让卫星本身的设计和功能也更新换代,并对系统软件功能进行升级。由于卫星的设计寿命仅为7.5年到15年,卫星的更换工作会持续进行,这叫做卫星的现代化。

由上图可以看出,最早的卫星BLOCK IIA已经全部退服,从2018年起目前正在替换最新一代卫星GPS III/IIIF,民用信号不断更新换代,功能也不断增强,设计寿命也不断延长。 所以,不要以为几十年前的系统就一定老旧,只要架构搭建良好,拥有持续的升级能力,就可以做到历久弥新。 要跟踪GPS卫星的运行,监控它们的传输状态,分析工作性能,并发送相关的指令,必须要通过地面控制系统来进行。 2.2 地面控制系统:地面控制系统包括:监测站,主控站,地面天线站这三类。监测站:跟踪该区域经过的GPS卫星,收集卫星发射的导航数据,测距码,载波等测量信息,以及大气层相关的数据。这些数据数据,最终会发送给主控站,并进行相关的分析和处理。

监测站共有16个,分布在全球各地。

一个1984-2007年间使用的GPS地面监测站,现收藏于美国空军太空与导弹博物馆主控站:通过全球各个监控站提供的数据来计算各个卫星的精确位置,监控卫星的完整性和准确性,执行卫星维护和异常解决,包括重新定位卫星以保持最佳星座等操作,并生成导航数据以便向卫星注入,还可提供各种指令来控制GPS星座。

主控站相当于整个GPS系统的神经中枢一样,非常重要,因此存在两个主控站作为相互备份。地面天线站:顾名思义,这种地面站有着大大的天线,也称为注入站,它们可以直接和天上的卫星通信,向卫星发送命令,导航数据上传和处理器程序加载。

地面天线站共有11个,由4个专用GPS地面天线和7个空军卫星控制网络(AFSCN,Air Force Satellite Control Network)远程跟踪站组成。

遍布全球的GPS地面控制系统 2.3 GPS用户设备:GPS用户设备,也叫GPS接收机,顾名思义,就是接收GPS信号供各行各业使用的设备。 由于使用场景的不同,GPS接收机的类型是非常多的,大体可以分为导航型,测量型,以及授时型这三类。

用于无线通信基站之间同步的,当然就是授时型GPS了。其在架构上分为GPS天线和GPS接收机两部分。 GPS接收机一般内置于基站的BBU里面,用于GPS信号处理,并出一个接口用于连接GPS天线。GPS天线则必须安装在不受遮挡的室外以方便接收信号。 3

GPS定位的原理 试想在西游的路上,唐僧身无一物,又很不巧地走到一个前不着村后不着店的地方迷了路,野外阴风阵阵,狼嚎四起,这可咋办? 还能咋办?赶紧找人问路啊! 终于遇到了一位放羊的老大爷,他便迫不及待追上去地问:我这是在哪里啊?大爷也是个有意思的人,对数学有迷之兴趣,淡然说到:这里离饿狼屯有10公里。 这句话所含的信息并不能确定唐僧的位置。因为以饿狼屯为圆心,以10公里为半径画一个圆,他所在的位置就在这个长度为62.8公里的圆周上。 然而唐僧肯定是不甘心的,等待许久终于又看到一个扛着铁锹要去耕田的大叔,便又过去问路。

这位大叔也同样有趣,说到:你现在离卧龙岗有15公里。 这家伙,到底说不说人话?好在信息越多,就离正确答案越接近。唐僧所在的位置,必然在圆心为饿狼屯,半径为10公里的圆,以及卧龙岗为圆心,半径15公里的圆这两个圆的交点。然而交点有两个,还是不能确定具体位置。 终于又等来了一个路过的小姑娘,唐僧只得又去问路。小姑娘莞尔一笑:圣僧莫要心焦,此处距盘丝洞有8公里,正好小女子要去那里赴宴,要不我们同行? 话说凭此三条信息,必然可以唯一确定唐僧的位置。那就是饿狼屯,卧龙岗,以及盘丝洞这三个圆唯一的交点。

上述的定位方法,就叫做三边定位。基本思想就是:饿狼屯,卧龙岗,以及盘丝洞这三个点的坐标已知,并且它们到目标点的距离也已知,就可以据此确定目标点的位置。 GPS定位的基本原理正是如此,所不同的是,上面的定位是在一个平面上的,而GPS定位则是三维的,因此需要围绕多个卫星画球并求得交点。 下图是GPS定位的工作图示:

1、GPS卫星广播自己的位置和精确时间t1; 2、GPS信号以光速C在空中传播,速率为299792千米每秒; 3、GPS接收机收到信号,比较发送时间 t1 和自己收到信号的时间 T 便可知时间差,再乘以光速就是和卫星的距离:d1 = C·(T-t1); 4、假设卫星的三维坐标为(x1,y1,z1),GPS接收机的坐标为(x,y,z),根据勾股定理,它们之间的距离还可以这么算:

参考第3步的结论,两个式子合起来就有了这样的一个方程:

理论上,使用三颗卫星就有这样三个这样的方程,它们联立就可以解出GSP接收机的坐标(x,y,z)。 但是,由于GPS接收机上的时钟的精度不高,差以毫厘谬以千里,因此将接收时间T当做一个未知数来看待,这样就有4个未知数,必须使用4颗卫星才能完成精准定位。

这一堆乱七八糟的方程其实可以直观地理解,就是以4个卫星为中心的球体相交于地球上的一点。 这一点,就正是我们要定位的目标。

4

GPS信号的发送 首先,让我们考虑一下GPS定位需要哪些条件: 1. 要测量卫星到目标的距离,必须有特定编码格式的信号可供GPS接收机捕获,这就是测距码。 2. GPS接收机必须知道至少4颗卫星的精确位置和精确时间,这些数据需要编码为导航电文,由卫星源源不断地向下来发送。 3. 要发射上述有用信号,必须使用一段较高频率的电磁波作为工具来运载,这就需要载波。

在传统的GPS信号中,测距码分为两类:C/A码和P码。它们都属于伪随机噪声码,就像随机噪声一样,不使用特定的接收机来接收,是感受不到它们的存在的。 C/A(Coarse/Acquisition)码又被称作粗码/捕获码,这是一种公开的明码,可供全球用户免费使用。但就像它的名称一样,提供的定位精度有限,所以只能民用。 P(Precision)码又被称作精码,可较完善地消除电离层延迟,故用它来测距可获得较精确的结果。P码是一种结构保密的军用码,经加密后也叫做Y码或者P(Y)码,美国政府不提供给一般GPS民用用户使用。 下面我们说导航电文(也叫数据码)。 导航电文主要包括卫星的星历,卫星历书,卫星时钟,以及卫星的健康状态等参数

卫星星历:由于卫星无时无刻不在围绕着地球运转,GPS接收机怎么知道它的详细位置(三维坐标)呢? 这就要靠星历表,里面有发送信号的卫星在哪个轨道,以及每个时刻的精确位置。它是由分布在全球的16个监测站对卫星进行跟踪观测,并由主控站进行计算的,每两小时更新一次。卫星历书:所有卫星的粗略的卫星轨道参数,更新周期较长,使用历书计算卫星位置只能达到公里级的精度,其作用是方便GPS接收机搜寻卫星。卫星时钟:卫星时钟:每颗GPS卫星上都装有高精度的原子钟,其时钟是精准的。

规定GPS与协调时UTC的时刻与1980年1月6日0时相一致。其后随着时间的积累两者之间的差别将表现为秒的整数倍。 有了这些数据,需要把它们都调制到载波上才能发射出去。 传统的GPS卫星有两个工作频段的载波:L1和L2。L1载波的频率是1575.42MHz,L2载波的频率是1227.60MHz。 卫星内部时钟的频率是10.23MHz,其他频率都将由此生成。将其乘以154,便得到L1载波,将其乘以120,便得到L2载波。 L1载波主要是民用的,它能发民用信号C/A码和军用信号P码,而L2载波是军用频段,只能发军用的P码,P码比C/A码的保密性要好得多。

随着GPS卫星的现代化,GPS发送的载波和信号不断增加,能力也不断增强。 2003年以后,L2载波也可以发送民用信号了,称作L2C。使用双频的GPS终端将获得更高的定位精度。 2005年以后,又增加了一个新的民用载波,频率为1176MHz,称作L5,它在专门为航空安全服务,具有更大的带宽和先进的信号设计,飞机可以同时使用L1和L5来提升定位精度。除此之外,在L1和L2载波还新增的新的军用码:M码。 2018年以后,在最新发射的卫星上还增加了第四个民用信号:L1C,专门用于和其他GNSS系统(前面讲到的GLONASS,伽利略,北斗等)进行交互。

在这些信号的加成之下,支持GPS普通的的智能手机在开阔地的定位精度能达到5米以内,专业的高端双频GPS接收机能达到厘米级别的实时测量精度,长期测量精度甚至能到毫米级别。 5

基站GPS时钟同步 基站内部的GPS接收机收到并解调GPS信号中的定时信息之后,再结合自身的晶振,会输出一个关键的信号:1PPS,专门用于网络同步。 1PPS的全称是1 Puls Per Second,意思就是秒脉冲,它每秒固定输出一个方波,精度可达±20纳秒,用于5G基站同步完全不在话下。

目前商用的4G网络以FDD模式为主,大量使用了IP时钟1588v2,在5G时代,这种依赖于传输网络层层传递时钟的方式,虽然理论上可行,在实际应用中却由于各种限制,精度难以满足5G同步要求。

因此,以GPS为代表的GNSS系统,在5G时代又重新大放异彩。北斗,也在润物细无声地潜入我们的生活。 好了,本期的内容就到这里,希望对大家有所帮助。

责任编辑:xj

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