JAVAD技术简介

JA V AD公司的GPS应用产品的技术及其创新
GPS是相对年轻,但又非常复杂的技术。

利用GPS，人们测量很长的距离，要求其精度达到一个硬币的厚度，而所依靠的是远在20000公里以外的每个卫星传来的微弱信号。

经历这种挑战，获得了很好的结果。

值得指出的是，人们面对的不是尽善尽美的条件，而是世界党不尽如人意。

JA V AD公司的研究结果达到了GPS技术的一个新高地（有10个专利申请），成为GPS的第四代接收机。

他们的目标是要成十倍地改进产品性能，这都江堰市是借助于下述的一系列措施达到的。

一、 天线的创新和特征
1．具有高相位中心稳定性的（零中心）GPS天线
在人们计算定位结果时，将GPS天线的相位（电气）中心视为一个点，为了能确定一个点的坐标，必须使天线的相位中心与这个点共位。

通常的做法，是把天线的物理中心精确地定位于该点之上，并测定其垂直偏差。

然后考虑这垂直偏差的条件下，计算所求点的坐标。

这种计算是关提是天线的物理中心与它的相位中心是在同一位置点上。

这种假设只有在专门为精密测量设计的天线情况下才有可能。

一个普通GPS天线的相位中心，在卫星位置改变时，会随之改变，改变数值可达许多厘米。

因此，相位中心稳定性是精密定位应用的GPS天线的重要特征。

JA V AD公司的GPS天线相位中心稳定性是用四个馈点来实现的，这是稳定的相位中心所要求的最小馈点数。

零中心天线是个宽带天线，它只接收
GPS和GLONASS的L1和L2频率信号，而
抑制其它信号，而通常的宽带天线却允许不想要的信号进入系统，增加了噪声电平。

天线另一个重要特性是抑制天线附近区域反射回来的信号，这就是多径效应抑制。

由于多径反射带给载波测量误差为厘米级，给码相位带来的误差达到数米，为此要引入带扼流圈的天线地网。

JA V AD公司新产品包括单深度和双深度扼流圈天线，其特殊的设计也改进了天线 拉相位中心稳定性。

JA V AD公司的扼流圈天线（零中心天线）与其它单位的最好的扼流圈天线（微中心天线）相比，其扼制多径的能力要强12dB （JPL的天线杂波反射比为－28dB,JA V AD为-40dB）。

JA V AD天线中的低噪声放大器还装有良好的、L1和L2分开的滤波器，进一步改进了抑制干扰信号的能力。

2．单深度低多径扼流圈
在GPS精密定位中，多径效应是获得高精度结果的一个限制因子。

倘使多径距大于10cm，则可用信号处理技术来减少多径影响。

对于通常的大地测量应用，天线位于离地不足2m的高度，多径距差不多为4m，无法用数字方法减小多径效应。

只能用天线扼流圈地网方法。

JA V AD在理论上突破了普通扼流圈原理，利用了无限直径的扼流圈，并且通过实验确定了最佳槽沟深度，构成了小尺寸高性能的扼流圈天线，得到了比JPL还好的结果。

单深度天线是对L2设计的，给L1也带来了好处，但对L1的效果不如对L2。

3．双深度双频率低多径扼流圈
普通的扼流圈天线或单深度扼流圈天线都是对于单个频率而言的，JA V AD公司设计的扼流圈的有效槽深对于L1和L2是不同的，可以分别实现最佳化。

办法是在槽中间装有专门设计的并行于底面的电路板，其作用对于L1为金属板而对于L2则不受影响，从而实现了双深度双频率效果。

4．集成的扩频无线电天线
与GPS集成在一起的，还有扩展频无线电台（MODEM）天线，该天线性能等效于半波长天线，但尺寸小得多，有2dB的增益。

无线电台天线装在GPS天线的正中心处， 所以不会影响它的特性和GPS天线的相位中心稳定性。

二、GPS电子器件的创新与特征
1．高集成度的“模范”芯片
“模范”芯片是整个GPS技术的心脏，它利用了最新的低功耗集成技术，在一个芯片上集成了40个能用的超级信道，他们中的每一个都能接收L1或L2频率，都能用于
GPS或GLONASS卫星信号，具有高数据率（32kb/s）的通信能力（专利）。

芯片中运用了新的GPS技术－共同跟踪（专利），增进了数据质量和跟踪卫星的能力，即使在很差的（低信号噪比）条件下，仍有良好的性能，特别是对存在AS时的L2的跟踪能力（专利）有帮助。

此外，如果L2调制有C/A码，它也能跟踪L2上的C/A码。

JA V AD芯片方框图
芯片还包括6个独立的高数据率的扩频通信道，能工作于跳频（64kb/s）和直接扩频（32kb/s）。

同时，该产品的扩频通信技术具有优良的时间同步能力，因为实现了与GPS 定时的紧配合（专利）。

芯片还集成了自然/人为干扰的抑制系统（专利），可以同时抑制带内6个干扰。

芯片还包括了信号处理新技术，以减小码和载波的多径效应，保证用尽量少的硬件，得到好的性能（专利）。

2．带内自然/人为干扰的抑制
当存在带内自然/人为干扰时，GPS接收机的工作会受到限制，或完全中断。

这种带内干扰的威胁随着新的通信系统投入工作而日益严重，无线电频率污染变得越来越厉害。

这种威胁不仅来自干扰的基频，也来自落在GPS带内的谐波分量。

为了解决这一威胁，有的公司（如五月花通信）专门设计了一种独立的干扰抑制盒。

得用一个AJM抑制一个干扰的图形
JA V AD公司则造就了一种有效的完全不同一般的干扰抑制系统（专利），集成到GPS芯片中。

这种全数字补偿型系统能估算干扰信号的参量（带宽、频率、幅度和相位），并对它们进行抑制。

六个独立的这种抑制系统，可能同时抑制带内六个窄带、脉冲、连续波干扰信号，抑制度可以高达60dB。

这种干扰抑制系统集成在芯片内的扩频通信信道内，能实现RTK数据传输，以及GPS/GLONASS的L1和L2频段接收。

至今，包含带内干扰抑制系统的民用GPS接收机还只是独此一家。

3．共同跟踪
GPS接收机的主要功能是盥洗室卫星信号，并实现跟踪和精确测量，JA V AD公司的接收机改进之处是在所有的环境条件和动态特性中，以及测量数据的各种类型的优良情况中卫星。

来自通信系统、电力传输线、雷达和各种电子设备，及各种各样车辆的无线电干扰，经常性工作的GPS接收机，尤其是在市区，经受的干扰和遮挡更多，实现跟踪的问题尤为突出。

跟踪卫星载波信号必须跟踪三种动力学特性：
(1)由于卫星运动的动力学特性
(2)与接收机运动有关的动力学特性
(3)与接收机振荡器（时钟）有关的动力学特性。

卫星运动相对从种是最平滑的，可以用每天预报方式达到数米的精度。

即使不跟踪卫星，而仅依靠，一个小时内的误差不会超过1m。

接收机的运动是无法预报的，接收机时钟
的性能也是不可预报的，还可能是突发性的，特别是遭受冲击、振动和温度变化时。

而接收机时钟性能的变化即使接收机置于测量点上，不在运动时也会发生变化。

以上三种动力特性加在一起导致接收机与卫星间的相对动力学特性，接收机必须能跟踪这一总的动力学特性。

接收机跟踪卫星的动力学特性的能力与卫星信号强度直接有关。

共同跟踪的概念是指将跟踪接收机（及其时钟）的载波动力学的特性与单独跟踪每颗星的载波分开。

为了跟踪该接收机的动力学特性，先确定综合所有卫星信号在一起的场源，知道场强值，可以校正该接收机及其时钟的动力学特性，基于单个卫星信号场强可以分别跟踪每颗卫星的载波。

利用这一革命性的技术（专利），即使在密林遮挡的条件下也能跟踪卫星，跟踪卫星越多，更多的信号能加在一起，从而跟踪接收机及其时钟的动力必。

实现卫星们的共同跟踪是件困难任务，在其完成之后，则需要每颗卫星的分开的场强，以跟踪其自己平滑的和能高度预报的运动。

共同跟踪的能力不仅能跟踪低信号的卫星（密林中或低仰角），而且也能跟踪高动态和强干扰条件下（低信噪比）的卫星信号。

总之，共同跟踪具有如下一些优点：
(1)可以跟踪信号很低的卫星；
(2)可以跟踪受到信号干扰的卫星（硬件抑制干扰的能力也起着作用）；
(3)尽管许多卫星被同时遮挡，便周跳仍不发生，这是因为接收机及其时钟的动力
学特性（是周跳的主要来源）形成的所有卫星信号组合仍被跟踪着。

这对于
AS条件下的GPS L2信号的跟踪特别重要；
(4)当暂时失锁时，卫星关不多能瞬时地被重新捕获；
(5)由于有那么窄的独立的卫星载波跟踪环（2Hz-20Hz）工作，使测量数据的质量
改进了10dB；
(6)由于对所有卫星组合信号进行跟踪，大大改进了输出频率信号的质量；
(7)由于接收机及其时钟的动力学特性跟卫星重捕和是密不可分的，帮低场强信号
卫星的初始捕获迅速。

4．GPS L2的跟踪
GPS L1信号调制有C/A码和P码，GPS L2信号只调制有P码。

在AS工作模式下，因安全的理由，L1和L2的P码是加密的，不提供给民用。

此时，L1信号仍可通过C/A 码实现跟踪，但L2没有C/A码，用旁通的码跟踪技术无法实现跟踪。

由于GPS高精度的应用，必须利用L2的载波，所以GPS厂家装备了AS条件下跟踪L2载波的技
术。

JA V AD公司发民了一种新技术，用于跟踪GPS L2信号，有许多所有早先技术的优点。

这一技术（专利）是与共同跟踪的一种组合，通过信号们的强度对可用信号加权，运用合成的信号作为跟踪决策的基础。

由于从一个频率到另一个频率无需馈给任何信号，所以可以独立地对L1和L2的码的载波进行跟踪。

这一技术也改进了有效信噪比，将周跳的出现概率减小了十倍。

JA V AD提供所有应用产品的最高的性能－价格比，其双频价格可与其它的单频接收机相比较。

而且一旦L2信号采用C/A码时，它们可以不作任何屐，就可适应这种新的变化。

5．用信号处理技术降低多径效应
多径效应可以通过扼流圈天线和信号处理两种技术予以减小。

通常，扼流圈天线可以减小天线高度以下目标反射回来的多径信号，但是对于高于天线（如建筑物和树等）的目标反射回来的多径信号却无能为力。

信号处理技术对于多径距小于几米的多径效应作用不大，但它却与反射信号来自于天线高度以上或以下无关。

值得庆幸的是大多数天线以上反射回来的信号，其多径距均大于数米，因此可以用信号处理技术给予减小。

在JA V AD接收机中所采用的抑制多径效应的新技术（专利），具有一个较简单的硬件方法，用以改进的性能优于任何以前胜过的方法。

它消除了以往存在所谓假锁点的任何可能性。

当一个强多径距（30－300m）存在时，假锁点会引入的误差。

6．快速的初始捕获和再捕获
JA V AD的“模范”芯片中的40个信道中的每一个都包含4个相关器，在初始搜索和捕获卫星信号期间，每个信道的每个相关器，如同一个信道一样，独立地搜索卫星信号。

所以能在每个毫秒期间搜索160个C/A码元的卫星能量，这样与现在市场出售的任何L2通道机器相比，其搜索能力了13倍。

此外，共同跟踪有助于对低信号强度的卫星进行初始搜索。

机内装有卫星“符号同步”和“能量搜索”的改进算法。

7．瞬时重捕
由于共同跟踪，所以不管失锁期多长，对卫星重捕时，盥洗室差不多能瞬时地实现。

只要失锁只发生在短短的数秒之内，重锁也不会出现任何周跳。

8．低信噪比条件下的捕获和跟踪
利用一种算法，能10倍地改进低信噪比条件下的捕获卫星信号的能力，其根据是利用信号同步沿未达到时的捕获期中的较长的能量积累时间。

除了共同跟踪，还完善了跟踪弱信号卫星的跟踪算法。

这两者的组合，使跟踪低强度信号的能力增强了10dB。

这一技术，也改进了跟踪处于自然/人为干扰条件下的卫星能力。

9．高动态冲击和振动
由于应用共同跟踪技术，使JA V AD接收机跟踪高动态的能力改进了约10dB，跟踪所有卫星信号强度是组合在一个20Hz带宽的三阶跟踪环内。

冲击和振动的适应能力是由设备的外壳包装来实现的。

10．测量类型和质量
高质量的大地测量接收机可以输出L1和L2信号的码和载波相位测量数据，能跟踪的卫星数目也起着重要作用。

有九颗卫星的数据加上好的低多径天线的保证，关苤多能瞬时地得到高质量的结果。

JA V AD接收机能提供所有GPS和GLONASS卫星的码和载波的测量数据，可以周时跟踪20颗卫星。

由于采用了共同跟踪技术，可以将所有卫星的跟踪环带宽压窄到1或2Hz，能10dB地减小测量数据的噪声电平，提供最好的数据结果。

11．实时检测和修改周跳
GPS定位的高精度的结果的达到是利用GPS信号和载波相位来得到的。

这涉及到求解相位的整周多义性问题。

如算不出准确的整周数，则会引来明显的定位误差。

这个任务的完成有时相当麻烦，而且每次接收机信号的瞬时失锁，该整周数还需重算。

共同跟踪的优点之一是，除了瞬时失锁后整周数的任何差错计算外，沿能实际地估算周跳造成的误差。

周跳检测与修改单元
12．高质量的参考频率发生器
JA V AD接收机的本振是盥洗室于GPS定时系统上的，这避免了本振频率偏移产生的数据漂移。

盥洗室的频率也可以作为20Hz的输出信号，其长期稳定度等于GPS控制段保持的铯钟组的稳定度。

由于振荡器的跟踪是通过共同跟踪来达到的，所以修正后的输出频率具有很好的稳定度和低噪声性能。

13．外接频率输入
所有的JA V AD接收机允许外接5，10和20MHz频率，作为接收机主振荡器。

这一有时用于参考站的监测站。

14．事件标识（航空摄影）
所有的JA V AD接收机都可包含有两个事件标识输入的，其测量外面事件的时间精度为25ns。

15．1PPS和可编程定时信号
所有的JA V AD接收机具有含有两个定时信号的，其周期和事件可以由用户编程。

时间信号偏差为25ns。

16．高输出率
接收机能提供每秒20次的完整的原始数据和定位结果输出，这在GPS和GLONASS可用卫星数达到最大值时也能实现。

一个每秒1Mb数据转移率的增选商品减小了数据转移的执行时间。

这也大大节省了已采集数据的卸载时间。

17．GPS与扩频无线电MODEM（直接扩频和跳频扩频）的集成
通常有两类扩频电台，直接扩频和跳频扩频。

一般直接扩频较好实现，但对于自然/人为干扰甚为敏感。

在“模范”芯片中集成的扩频无线电MODEM，因采用了压缩技术而消除了自然/人为干扰问题。

在直接扩频技术中，不仅锁定直射信号上，而且锁定于反射信号（多径）上，用它们来确定发射的数据，在这里利用了多径信号，这是跳频扩频无法利用的技术。

从现在条件看，跳频扩频仍有其优点。

在JA V AD接收机集成的扩频无线电MODEM中，集成了直扩和跳扩两种高速版本。

直扩的速率为32kb/s，跳扩的速率为64kb/s。

与GPS定时的紧密集成导致更为耐用的同步和可靠的通信系统。

GPS辅助的时间同步的一个优点是可以用较低的波特率换取传输距离的增加和可靠性，以及更快的初始
用户可以通过选择跳扩和直扩来进行数据的收发，也可以同时选用直扩和跳扩最大限度地增加可靠性。

扩频无线电台的所有信号处理部分均已集成到“模范”芯片之中，所以可以构成低功耗高可靠性的一体化系统。

专门设计的扩频天线也集成到在JA V AD的两种机型中（Odyssey和Regenc），与GPS 天线在一起。

对于JA V AD的GPS和无线MODEM也允许外接天线。

当连上外接天线时，内部天线自动停止工作。

18．集成的UHF天线电MODEM
与PCC公司合作，集成其最新的UHF无线电MODEM接收机为一模块，插入“Odyssey”。

这UHF电台已为许多国家认可，其标准包装也可以用于JA V AD的所有GPS系统中。

19．实时动态系统
耐用和可靠的RTK系统，能每秒输出20Hz次数据，有如下优点：
(1)基于先进的天线和信号处理技术，能不受多径影响得到最干净的GPS数据；
(2)共同跟踪技术实际上消除了未检测到周跳的任何可能 性。

周能瞬间地检测并得到
修复；
(3)精确和有效的算法能求得浮动和固定的多义性，并算出结果。

最可靠的RTK结果可以利用双频GPS/GLONASS系统来得到。

利用双频数据解多义性要容易得多，即使在非常长的基线上。

GPS与GLONASS卫星的总是能提供更多的可测卫星，能又快又可靠地得到结果。

20．用户定义的信息格式
为了与任何现有GPS接收机系统兼容，给用户提供按其需要用户自己定义的信息格式，这可用于实时和数据记录。

21．INMARSAT和WAAS功能已具备
正在开发部署中的WAAS系统在广大的区域内广播GPS修正和完善性信息。

所有的JA V AD接收系统都可接收这类信号和信息，以及所有从INMARSAT卫星发出的与GPS 有关的信号和信息。

22．低于3.3W的功耗
利用高效节能电子技术和集成电路，使双频的GPS/GLONASS20通道接收机低于
23．防水的精致和外壳
接收机外壳是防水的，高技术材料制就的外壳又轻又漂亮，且能经受得住野外恶劣环境。

24．GLONASS选件
GPS/GLONASS组合能明显改进获得结果的速度，可靠性的精度。

所有JA V AD的GPS接收机都可以包括GLONASS选件。

上述的GPS所有的革新，都同时竟未着对于GLONASS。

JA V AD接收机的40WH能用信道可以周时跟踪GPS和GLONASS各20颗卫星的L1和L2信号。