locate, communicate, accelerate
漂移的产生及其改善
Nicholas
Dec 20, 2010
Confidential
漂移
•漂移是GPS 讨论的热门话题之一, 尤其是车载和跟踪器应用
•漂移是GPS 生活的一部分, GPS系统的设计原理决定了漂移的存在, 所以漂移是无法完全消除的
•漂移可以依靠算法及软硬件优化得到改善
GPS 定位原理
•GPS 定位是由卫星的位置及测得与卫星的距离计算出来的, 如下图所示, 一个2D 定位是由3颗卫星的位置及到卫星的距离推算出定位位置
GPS 定位原理
•到卫星的距离是测算卫星信号传输时延得出的
信号编码及信号强度对于定位精度的影响
•到卫星的距离由测量GPS 编码的时延计算得出, 所以GPS 编码速率决定了时延测量的精度, 也就决定了距离的精度, 由于民用码的编码速率是1.023MHz, 而军用码为10.23MHz, 所以GPS 的军用码的精度更高. 由于信号减弱, GPS信号解码后的信号边沿模糊, 会引入时延测量误差, 从而影响定位精度. 干扰也会影响信号质量而加大误差.
定位的不确定性
•即使在开阔环境, 由于GPS 民用C/A码结构, 外界环境的影响(包括电离层, 大气层及周围环境) 及其GPS 接收机本地时钟的抖动, GPS经计算得出的定位位置范围已经不是理论上的一个点, 而是一个区域(如下图所示), GPS输出的定位位置是该区域内的任意点.
多径误差的引入
•如果卫星信号经过反射, 那么信号的传输时间就会增长, 所对应计算出的到卫星的距离就会出现误差, 但反射信号如果没有进入接收机则为无效反射, 由下图可以看出多径效应是变化的, 尤其是在反射面众多的室内
卫星分布对于定位精度的影响
•下图显示了卫星分布对于定位精度的影响, 两个淡蓝的卫星在平面上相交所得的位置范围要大大小于位于右侧两个卫星相交所得位置范围, 所以有利的卫星分布会提高定位精度
卫星分布的描述--DOP
•可以将DOP 值视为卫星与所在位置所组成的多面体体积的倒数•DOP 值越小, 卫星分布对于定位精度越有利
卫星的移动
•卫星每24小时重新出现在天空中的同一位置, 下图描述的卫星的移动
DOP 值随卫星运动的变化
•由于卫星的移动, 可见卫星数以及卫星分布都会发生变化, 下图是在某地开阔环境中记录的24小时中卫星数及DOP 值变化的过程, 所以不同时刻同一地点的定位精度也不同
遮蔽情况下DOP 值的变化
•如果测试环境周围有遮蔽, 则DOP 值会在某些时段明显恶化
启动后第一次的位置计算
•GPS 位置计算是通过迭代算法实现的, 新的位置是依据上个位置迭代计算而来, 首次定位时该算法首先预估一个位置, 然后进行多次迭代, 每次迭代后会检查该位置是否在误差范围影响以内, 所以在GPS 接收机定位后计算得出的前几个定位点误差会比后续定位点大.
其他影响位置精度的原因
•干扰会降低GPS 信号的质量, 从而使到卫星的伪距计算产生误差, 引起位置误差
•电源的纹波会造成GPS 本地时钟的抖动, 而使到卫星的伪距计算产生误差•温度的剧烈变化及振动也会造成GPS 本地时钟的抖动, 而使到卫星的伪距计算产生误差
各种情况漂移的具体表现
•开阔环境: 表现为3~30米的小范围漂移, 这是GPS 本身的特性
•单纯多径: 典型环境为高楼旁(尤其是玻璃外墙), 表现为向反射面相反漂移, 有时可达数百米
•多径及弱信号: 典型环境为室内窗边, 由于GPS 的波长约为19cm, 室内反射面众多信号弱, 加值快衰落和慢衰落叠加, 在GPS 接收天线处信号峰峰交叠和峰谷交叠快速变化, 使GPS 定位表现为无规律的大范围漂移, 有时可达百米
•干扰: 典型环境为PND, 手机, 上网本, MID等小体积高密度产品, GPS带内干扰会严重降低GPS 信号质量, 极端时会影响数个时延测量周期, 而且干扰存在时参与定位卫星数较少, 极端时会产生数百公里的漂移
•出隧道: 此时的漂移由于GPS 位置计算算法决定, 极限时会有几十米的漂移
漂移的改善
•GPS 算法的提高
•提高GPS 的整体性能以提高信号质量及跟踪更多卫星以改善DOP, 这包括电路的优化及天线的优化
•消除设备本身的干扰, 对于设备外部产生的带内干扰源暂时没有好的办法•通过AGPS 获取完整星历以使用更多卫星来改善DOP 值
•使用辅助传感器来增加判断条件
•在上层应用程序增加后处理
通过软件配置来滤除较大漂移点
•ublox 的默认配置是对于所有应用, 所以对于特定应用可以使用UBX-CFG-NAV5来优化配置, 包括更改定位类型,DOP 门限等, 下图列举了对于车辆跟踪的推荐配置•同时对于跟踪器应用, 建议使用后续定位点
软件配置后的测试对比漂移
•把天线放在室内环境中测试, 左图是使用ublox 默认配置时位置输出, 右图是使用车载优化配置的测试结果
对于车载和跟踪器应用, 在设计开始阶段需要FAE 对客户进行相应的配置及软件处理建议
locate, communicate, accelerate
漂移的产生及其改善
Nicholas
Dec 20, 2010
Confidential
漂移
•漂移是GPS 讨论的热门话题之一, 尤其是车载和跟踪器应用
•漂移是GPS 生活的一部分, GPS系统的设计原理决定了漂移的存在, 所以漂移是无法完全消除的
•漂移可以依靠算法及软硬件优化得到改善
GPS 定位原理
•GPS 定位是由卫星的位置及测得与卫星的距离计算出来的, 如下图所示, 一个2D 定位是由3颗卫星的位置及到卫星的距离推算出定位位置
GPS 定位原理
•到卫星的距离是测算卫星信号传输时延得出的
信号编码及信号强度对于定位精度的影响
•到卫星的距离由测量GPS 编码的时延计算得出, 所以GPS 编码速率决定了时延测量的精度, 也就决定了距离的精度, 由于民用码的编码速率是1.023MHz, 而军用码为10.23MHz, 所以GPS 的军用码的精度更高. 由于信号减弱, GPS信号解码后的信号边沿模糊, 会引入时延测量误差, 从而影响定位精度. 干扰也会影响信号质量而加大误差.
定位的不确定性
•即使在开阔环境, 由于GPS 民用C/A码结构, 外界环境的影响(包括电离层, 大气层及周围环境) 及其GPS 接收机本地时钟的抖动, GPS经计算得出的定位位置范围已经不是理论上的一个点, 而是一个区域(如下图所示), GPS输出的定位位置是该区域内的任意点.
多径误差的引入
•如果卫星信号经过反射, 那么信号的传输时间就会增长, 所对应计算出的到卫星的距离就会出现误差, 但反射信号如果没有进入接收机则为无效反射, 由下图可以看出多径效应是变化的, 尤其是在反射面众多的室内
卫星分布对于定位精度的影响
•下图显示了卫星分布对于定位精度的影响, 两个淡蓝的卫星在平面上相交所得的位置范围要大大小于位于右侧两个卫星相交所得位置范围, 所以有利的卫星分布会提高定位精度
卫星分布的描述--DOP
•可以将DOP 值视为卫星与所在位置所组成的多面体体积的倒数•DOP 值越小, 卫星分布对于定位精度越有利
卫星的移动
•卫星每24小时重新出现在天空中的同一位置, 下图描述的卫星的移动
DOP 值随卫星运动的变化
•由于卫星的移动, 可见卫星数以及卫星分布都会发生变化, 下图是在某地开阔环境中记录的24小时中卫星数及DOP 值变化的过程, 所以不同时刻同一地点的定位精度也不同
遮蔽情况下DOP 值的变化
•如果测试环境周围有遮蔽, 则DOP 值会在某些时段明显恶化
启动后第一次的位置计算
•GPS 位置计算是通过迭代算法实现的, 新的位置是依据上个位置迭代计算而来, 首次定位时该算法首先预估一个位置, 然后进行多次迭代, 每次迭代后会检查该位置是否在误差范围影响以内, 所以在GPS 接收机定位后计算得出的前几个定位点误差会比后续定位点大.
其他影响位置精度的原因
•干扰会降低GPS 信号的质量, 从而使到卫星的伪距计算产生误差, 引起位置误差
•电源的纹波会造成GPS 本地时钟的抖动, 而使到卫星的伪距计算产生误差•温度的剧烈变化及振动也会造成GPS 本地时钟的抖动, 而使到卫星的伪距计算产生误差
各种情况漂移的具体表现
•开阔环境: 表现为3~30米的小范围漂移, 这是GPS 本身的特性
•单纯多径: 典型环境为高楼旁(尤其是玻璃外墙), 表现为向反射面相反漂移, 有时可达数百米
•多径及弱信号: 典型环境为室内窗边, 由于GPS 的波长约为19cm, 室内反射面众多信号弱, 加值快衰落和慢衰落叠加, 在GPS 接收天线处信号峰峰交叠和峰谷交叠快速变化, 使GPS 定位表现为无规律的大范围漂移, 有时可达百米
•干扰: 典型环境为PND, 手机, 上网本, MID等小体积高密度产品, GPS带内干扰会严重降低GPS 信号质量, 极端时会影响数个时延测量周期, 而且干扰存在时参与定位卫星数较少, 极端时会产生数百公里的漂移
•出隧道: 此时的漂移由于GPS 位置计算算法决定, 极限时会有几十米的漂移
漂移的改善
•GPS 算法的提高
•提高GPS 的整体性能以提高信号质量及跟踪更多卫星以改善DOP, 这包括电路的优化及天线的优化
•消除设备本身的干扰, 对于设备外部产生的带内干扰源暂时没有好的办法•通过AGPS 获取完整星历以使用更多卫星来改善DOP 值
•使用辅助传感器来增加判断条件
•在上层应用程序增加后处理
通过软件配置来滤除较大漂移点
•ublox 的默认配置是对于所有应用, 所以对于特定应用可以使用UBX-CFG-NAV5来优化配置, 包括更改定位类型,DOP 门限等, 下图列举了对于车辆跟踪的推荐配置•同时对于跟踪器应用, 建议使用后续定位点
软件配置后的测试对比漂移
•把天线放在室内环境中测试, 左图是使用ublox 默认配置时位置输出, 右图是使用车载优化配置的测试结果
对于车载和跟踪器应用, 在设计开始阶段需要FAE 对客户进行相应的配置及软件处理建议