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关键技术

1 . AIM+:先进的干扰检测及干扰抑制

2 . APME+:多路径抗干扰技术

3 . IONO+:电离层闪烁监测

4 . RAIM+ :接收机自主完整性监测

5 . LOCK+:信号快速变化下的稳健跟踪




1.AIM+:先进的干扰检测及干扰抑制

(参考原文链接:https://www.septentrio.com/zh-hans/xianjindeganraojiancejiganraoyizhi-aim
如何抑制无线电频率干扰,阻塞和欺骗

AIM+技术是确保Septentrio GPS/GNSS接收机可靠性的核心支柱之一。这种先进的干扰监测和抗干扰专利技术内置于我们的每一个接收机中,提供抗无线电干扰的能力,以及防止故意干扰和欺骗的安全性。

当固有的低功率GNSS信号被同一频率的其他无线电信号压倒时,就会发生干扰。这可能发生在GNSS接收器靠近其他电子设备、无线电天线或调制解调器的情况下。业余无线电爱好者在该地区发出无线电信号可能无意中造成GNSS干扰。干扰会降低定位精度,或者导致接收机同时丢失RTK甚至PVT(位置、速度、时间)。

在少数情况下,干扰源会被故意用来干扰未受保护的GPS接收机的运行。非法干扰设备可以用来击毁半径100米以内的GPS接收机。

有时卡车司机会使用干扰设备来避免道路收费。这个干扰器会使卡车里的GPS单元失效,同时也会影响附近的GPS设备。  卡车里非法的干扰设备可以使其周围100米的GPS接收机失效

欺骗是第三方故意发送带有错误位置信息的GNSS信号从而使GPS接收机输出错误位置。这样的欺骗设备可以被黑客用来劫持自动驾驶汽车并操控它驶向另外一条道路。这篇文章详细阐述了在红海上航线的船只是如何因为GPS接收机收到错误的位置从而报告其位置为在一个机场上。

AIM+ 技术可以通过简单的设置快速检测并消除干扰来减少故障时间确保安全运行。AIM+不仅可以抑制简单的窄带干扰,也可以抑制复杂的宽带干扰、阻塞和欺骗。客户可以通过接收机的输出接口分析干扰源的频谱图来判断干扰类型和可能干扰源。

频谱视图

电子设备可能会带来窄带干扰从而影响部分GNSS频谱。为了缓解窄带干扰效果,可将3个陷波滤波器配置成自动或手动模式。这些陷波滤波器有效去除RF频谱中属于干扰信号附近的窄带部分。无线电业余爱好者开放使用的L2波段,接收机尤其容易受到这类干扰的攻击。宽带干扰的效果,不管是故意还是无意的,均可通过启用WBI抗干扰系统来缓解。WBI系统还可降低脉冲干扰的效果,比传统上采用的脉冲消隐法更有效。

用频谱分析仪检测和缓解干扰

在GNSS菜单的频谱窗口中,您可监测RF频谱,配置三个单独的陷波滤波器,消除窄带干扰。图1表示的是L2频带,标明的是1227.60 MHz时的GPS L2P信号。如图所示,可通过单击‘Show table’(显示表格)按钮来查看不同频带。通过在接收机模数转换器输出端采集的基带样本计算频谱。

配置陷波滤波器

陷波滤波器处于默认自动模式时,接收机对受到干扰影响的频谱区域执行自动抗干扰。处于手动模式时,如图2中显示的Notch1的配置,通过中心频率和被陷波滤波器有效消隐的带宽来确定被影响的频谱区域。下图表示将第一个陷波滤波器Notch1配置在1235 MHz:

Notch1的设置如图2所示,陷波滤波器后面的L2波段(IM后面)显示在图3中,被消隐的部分清晰可见。陷波滤波器设置在1235 MHz后L2波段的RF频谱:

宽带抗干扰

GNSS信号的宽带干扰由军用、民用测距和通信设备无意造成。也存在信号干扰器等设备产生的故意干扰源。宽带抗干扰系统 (WBI) 可降低这两种干扰对GNSS信号的影响。

配置WBI抗干扰系统

宽带抗干扰系统 (WBI) 可选择下图中显示的‘on’(开启)来启用。

WBI抗干扰起作用

下图显示的GPS L1波段干扰由GNSS天线信号与车载GPS信号干扰器输出结合后产生。

WBI抗干扰启用时,如下图所示,干扰效果显著降低。



2. APME+:Septentrio的多路径抗干扰技术

(参考原文链接:https://www.septentrio.com/zh-hans/apme)

GNSS应用建立在精确测量从接收机到GNSS卫星的距离基础之上。该距离通过测量卫星发射信号到信号被接收机接收之间的延迟来确定。信号从卫星径直传输到接收机时,这种方式非常有效。 但是,大部分时候,信号会被接收机周围的物体和表面反射。接收机收到的是真实信号加上若干反射信号的混合信号。这种现象称为多路径。它会导致测量的卫星距离产生米级误差(伪距和载波相位),大幅降低位置和时间精度。 多路径经常是GNSS应用的主要误差源。多路径对每个伪距造成的误差可在Setptentrio的RxControl应用中实时监测,只需打开MPx时间曲线图。多路径误差往往呈现振荡图形,振幅达到米级,如下面的RxControl屏幕截图所示。

APME+:原理

APME+在每个跟踪通道中采用额外的相关因子估算伪距和载波相位测量的多路径误差。然后减去估算的误差,对测量进行校正。大部分其他多路径抗干扰技术涉及跟踪通道相关因子的修改,而APME+则保持跟踪通道不变。 多路径误差独立估算,与信号跟踪无关。 下图表示的是APME+停用时(蓝色)和启用时(绿色)伪距误差之间的差异。APME+使误差减少二分之一以上。  图3表示的是DGNSS模式时APME+对位置精度的影响。  所有Septentrio接收机默认启用APME+。

APME+:专为短延迟多路径而调整

附近表面(屋顶、地面、建筑物等)产生的反射是最普遍的,也是最不可靠的。附近表面(距离<20m)反射的信号到达天线,与真实信号相比,只有很短的延迟。因此,很难从真实信号区分出它们,许多抗干扰算法不能很好地处理它们。另一方面,APME+是专为解决短延迟多路径而设计的。这可参见图4的说明,图中展示了GPS L1 CA信号的多路径包络。多路径包络表示的是特定延迟反射信号产生的误差。正如看到的那样,APME+具有最小的短延迟包络。

APME+:无偏差!

其他多路径抗干扰技术的一个共同问题是它们给测量引入偏差。这是因为它们需要修改跟踪通道内部的相关因子,从而修改了接收机锁定GNSS信号的点。引入取决于卫星的偏差,这是众所周知的事。许多情况下,这些偏差是不可接受的。另一方面,APME+通过设计消除了任何偏差。APME+实时估算多路径误差,而不修改基础的跟踪回路。多路径估算值高通滤波,然后再从伪距和载波相位减去。 高通滤波保证APME+不会引入测量偏差。

APME+:没有秘密!

APME+的另一个优点是接收机应用于各伪距和载波相位的多路径校正显示在SBF消息中。因此,对进一步了解APME+如何工作感兴趣的用户可直接看到接收机已应用什么校正,甚至可撤销该校正,恢复未抗干扰的原始测量值。

3. IONO+:电离层闪烁监测

(参考原文链接:https://www.septentrio.com/zh-hans/ionodianlicengshanshuojiance)
电离层、闪烁和卫星信号

来自GNSS卫星的信号传播20,000 km到达地球,大部分行程基本上畅通无阻。然而,在地球大气层中,尤其是电离层(地球上方100至1000 km之间的带电层)中,GNSS信号发生折射和衍射,可导致信号延迟和失真。

顾名思义,电离层包含带电荷或被电离的粒子,这是与太阳发射的高能粒子相互作用的结果。这些电离粒子平稳或均匀分布时,GNSS接收机可以根据模型计算它们对卫星信号的影响。当电离层出现不规则状况时,问题出现了。这些不规则状况为电离层电子密度的局部波动,可使GNSS信号的相位和振幅失真,产生称为闪烁的波动。电离层闪烁 (IS) 通常用两个指数来表示:S4:振幅闪烁指数,和σφ:相位闪烁指数

何处?

闪烁事件在地磁赤道附近区域发生的最多、最密集,南极和北极也会发生,但是程度较小。与其他自然现象类似,它们的出现是不可预测的,西欧和美国的中纬度地区也曾报道过闪烁事件。

何时?

太阳运动用太阳黑子数量来衡量,大量记录资料证明存在11年的周期性。太阳活动高峰期的特征是频繁的太阳耀斑,一阵阵释放出强大的高能质子和X射线。这些粒子然后与地球大气层相互作用,使接近太阳活动高峰期的年份闪烁事件增加。闪烁事件还在每天的历程中表现出变化,日落促使电离层活动急剧增加,可持续数小时之久。

闪烁事件还在每天的历程中表现出变化,日落促使电离层活动急剧增加,可持续数小时之久。

闪烁对GNSS定位意味着什么?

GPS或者更普遍的GNSS(全球导航卫星系统)接收机利用环绕地球轨道飞行的卫星发送的信号计算它们的位置。太阳活动的增加会产生所谓的电离层闪烁事件,降低卫星信号的质量。对于标准型GNSS接收机,温和的闪烁可使位置精度降低数米。更严重的闪烁可造成周跳,极端情况下,可导致信号锁完全缺失。这些时候,即便正常的无线电通信也会被闪烁严重干扰。因此,无论您在巴西从事精准农业,在阿拉斯加进行石油勘探,还是在新加坡经营大型建设项目,最好确保您的精准GNSS系统具有电离层稳健性。

磨砺我们的IONO+算法

巴西是一个经常被闪烁困扰的国家,作为在这个国家参与各种项目的直接成果,Septentrio开发出IONO+技术。采用IONO+技术的Septentrio接收机,能够在阻扰标准型接收机的条件下持续跟踪信号。它还使Septentrio接收机能够识别闪烁事件,限制它们可能对位置精度产生的任何不利影响。上图表示的是静态接收机在闪烁期间计算的高度:IONO+算法正确识别受闪烁影响的信号,将其从位置计算中去除。

IONO+技术的目的是减轻正常活动和闪烁的电离层的不利影响。采用标准RTK定位技术时,通常需要参考站网络,对电离层延迟进行插补,在流动站对它们进行补偿。采用IONO+技术时,电离层延迟在内部估算,不需要参考站网络。一个基线达40 km的参考站就足够,如果电离层处于平静状态,基线甚至可达80 km。

更多详细信息和实例,请参见我们的技术论文 (英文版):CALIBRA:在巴西减轻电离层闪烁对精确定位的影响。(链接:https://www.septentrio.com/sites/default/files/2019-06/Paper_2011_CALIBRA_Ionospheric_scintillation_Brazil_ION_GNSS.pdf)

4. RAIM+ :接收机自主完整性监测

(参考原文链接:https://www.septentrio.com/zh-hans/raim-jieshoujizizhuwanzhengxingjiance)

接收机自主完整性监测 (RAIM+) 由所有层级的接收机故障检测机制组成,包括测量值生成、质量控制和导航算法。通常由高空多路径或活动电离层造成的错误测量值,在检测到时将从解算中去除。

通过仔细评估所有观测值和误差源的统计特征,使RAIM成为可能。这些统计特征根据动态情况和环境,尤其是车速、多路径密度、大气条件、信号强度等进行调整。接收机通过几种统计试验核对测量值的内在一致性。如果出现错误,则发出警报,而且接收机还尝试修复解算,或者切换至另一种定位模式。决策算法根据广泛试验和各种环境下的用户经验仔细协调。测试严格度通过SetRAIMlevels指令额外优化,以满足特定的用户应用需求。  Septentrio技术 RAIM+接收机自主完整性监控

上图介绍了一个模拟案例,说明RAIM是如何工作的。图中表示的是多路径程度相对较高的现场静态测试的实际RTK固定解的高度偏差。在历元494000,一个时间线性偏差人为添加到GPS PRN 19的L1相位测量。蓝色曲线对应于RAIM停用情况下的解算:偏差造成重大失真。红色曲线表示的是由RAIM修复的解算:高度偏差始终在名义误差范围内,不会注意到偏差的影响。

5. LOCK+:信号快速变化下的稳健跟踪

(参考原文链接:https://www.septentrio.com/zh-hans/lockxinhaokuaisubianhuaxiadewenjiangenzong)

Lock+是一组保证信号快速变化下稳健跟踪的技术,比如那些由机械振动或冲击、地震或电离层闪烁造成的变化。

传统上,GNSS接收机需要一些时间对GNSS信号的变化作出反应。如果(例如)冲击后天线位置突然变化,接收机要花些时间感知该变化并报告新位置。

“跌落试验”是一种形象化展示接收机响应时间的简便方法。该试验最好用安装在杆子上的天线来完成,参见下图所示。试验只需将杆子提升到高于地面10至15 cm的位置,然后让其垂直落下。

下图表示的是该跌落过程中标准型接收机报告的天线高度变化。天线的真实位置用灰色表示,接收机报告的位置用绿色表示。显然,标准型接收机很难跟踪真实位置。它的反应存在延迟和过冲。

作为另一个例子,下图表示的是天线南北方向剧烈振动时报告的纬度变化。不采用Lock+(绿色)技术,接收机很难跟踪快速变化,位置最终由于周跳而偏离。 Lock+(蓝色)技术可实现连续的精确跟踪。

Lock+在高动态情形下大显身手,但这是以略微增加定位噪声为代价的。 为了避免非必要时增加噪声,Septentrio接收机自动检测天线发生的运动类型,只在需要时启用Lock+,接收机平稳运动或静止时保持噪声尽可能低。 无需任何用户交互。