引用本文:

杨慧君,刘李娟,刘昌建,等:GNSS接收机观测精度动态评估方法及高动态特性分析[J]. 光通信技术,2019,43(6):44-49.

GNSS接收机观测精度动态评估方法及高动态特性分析

杨慧君1,2,刘李娟1,2,刘昌建1,2,谷宇舒1,2,冯克明2

(1.北京无线电计量测试研究所,北京 100854;2.中国航天科工集团第二研究院,北京 100854)

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摘要:在无线光通信系统中,全球卫星导航系统(GNSS)定位技术能够辅助系统快速、准确地完成光信号的捕获,但高动态下GNSS接收机的观测噪声增大,对定位精度造成重要影响。提出了一种适用于动态场景的观测噪声评估方法,明确了接收机观测精度的具体推导方法,并对GPS信号在不同动态下的噪声进行了分析。研究结果表明:观测噪声仅与加速度有关,与速度无关,且加速度越大,噪声越大;载波相位的观测精度远高于伪距观测精度,且不同频率的观测噪声随动态变化的整体趋势相仿,其中L1频率的噪声略大,L5频率观测精度最优。

关键词:光纤通信;光正交频分复用;快速傅里叶变换;现场可编程门阵列;共轭变换

中图分类号:TN957. 5 文献标志码:文章编号:1002-5561(2019)06-0044-06

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.06.011

0 引言
     光纤通信由于具有传输容量大、保密性好和传输距离远等特点,被越来越多地应用于实际生活中,特别是对于带宽和传输容量要求更大的数据中心网络。光正交全球卫星导航系统[1](GNSS)在无线光通信、大地测绘和航空航天等领域中起着至关重要的作用。特别在无线光通信领域中,自由空间激光链路的持续畅通是光通信系统的基础保障,而GNSS定位能够辅助系统快速、准确地完成光信号的捕获[2,3]。尤其是在机载光通信、船载光通信等高动态应用场景下,通信端的高速运动和强震动会对光通信链路产生强干扰。GNSS可为无线光通信系统提供高精度跟踪服务[4,5],保证了光束的稳定跟踪,保障了系统的正常运转。然而,在高动态场景下,GNSS接收机的观测噪声[6,7]显著增加,是接收机在高动态下定位精度变低的重要原因之一。GNSS观测噪声中包含各种电子元器件的热噪声、系统干扰及载波相位和码相位的跟踪环路的鉴别误差等[8,9],它决定着接收机的观测精度,是考查接收机性能的重要指标[10]。因此,在机载、船载等高动态环境下,有效分析GNSS接收机的观测精度,对于高动态无线光通信系统的建立是十分必要的。
      接收机观测噪声具有随机性,通常其大小以统计特性表征。一般认为,伪距的观测噪声在1m以下,载波相位的观测噪声约几毫米[11,12]。但在高动态下,由于接收机锁相环及码环为适应高动态信号,需增加环路带宽[13],这势必会增大观测噪声。目前,对接收机观测噪声的测试手段较少,且通常仅作用于静态情况,尚缺乏对接收机在动态场景下观测精度的有效评估方法。因此,本文有效建立一种适用于动态条件的接收机观测噪声评估方法,并首次明确衡量观测精度的具体推导方法,探究不同动态下接收机观测噪声的特性。

3 结束语
      本文针对无线光通信系统中的GNSS定位辅助快速捕获结构,提出了一种适用于动态场景下的观测精度评估方法,明确了接收机观测精度因子的求解过程,并以GPS系统为例,对L1、L2和L5频率的载波相位和伪距观测量在不同的动态场景下的观测噪声及观测精度进行分析。研究结果表明:接收机的观测噪声主要与加速度有关,与速度无关,且加速度越大,接收机的观测噪声越大,观测精度越低;不同频率的计算结果随动态的变化趋势相仿,数值相近。整体上,在相同动态条件下,L1频段的信号噪声最大,观测精度最低;L5频段的噪声最小,观测精度最高,即频率越高噪声越大、观测精度越低;载波相位的观测精度要远优于伪距的观测精度。因此,在高动态无线光通信系统中,采用载波相位观测量进行定位辅助,可以提高光信号捕获的速度和成功率;同时该方法有利于判断GNSS定位辅助系统能否满足无线光通信系统的使用需求。