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GNSS

GNSS接收技术研究

姓名：

班级：

学号：

指导老师：

2015.10

摘要

以全球定位系统（GPS）为代表的全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS）应用产业已经逐渐发展成为一个全球性的、多领域的高新技术产业。

全球导航卫星系统已经广泛应用于农业、工业、交通运输业以及科学研究等当今社会的各个领域。

GNSS产业应用的不断扩展和市场的不断扩大使得市场对GNSS接收机的需求不断扩大。

射频前端芯片作为GNSS无线接收机中的一个重要组成部分，其自主产权化对于我国建立完善的GNSS产业链具有重要的意义。

随着GNSS及其相关产业的不断发展以及GNSS技术的广泛应用，用户对于GNSS终端，即GNSS接收机性能的要求也在不断地提升。

近年来，GNSS接收机性能分析及评估逐步成为卫星导航业界的关注重点嘲。

不同的GNSS接收机对GNSS信号的接收及处理能力并不完全一致。

并且，就目前的情况而言，GNSS信号非常容易受到干扰的影响，这就进一步提高了对GNSS接收机的性能的要求。

因此，需要统一并且合适的标准对GNSS接收机的性能进行测试。

就普通的GNSS商用硬件接收机而言，习惯上将其性能指标分为硬件性能指标和软件性能指标两个组成部分。

其中，芯片性能、耐用性、并行通道数、定位时间、定位精度、DGPS功能、接口、速率、数据记录、周跳以及重量、体积、防水性、防尘性、防震性、耐温性、耗电性等物理指标构成了其硬件性能；而其软件性能，即GNSS澍试测量软件所应具备的性能包括以下几个指标：

对天线高粗差的查找功能、对较大周跳进行检测与修复的功能、基线解算、网平差、坐标转化、地图投影以及精度估计等。

在传统的测试方法中，对GNSS接收机的测试过程包括：

一般性检视，即对硬件设备的外观进行检查；通电检视，即对接收机的人机交互界面进行检查，以及对接收机内部噪声水平、天线相位中心稳定性、野外作业性能和测量精度指标等的测试，对接收机短周期频率稳定特性和数据质量的评估等等。

关键词：

GNSS，接收机。

Abstract

（GlobalPositioningSystem（GPS）astherepresentativeoftheglobalnavigationsatellitesystem（NavigationSatelliteSystemGlobal,GNSS）applicationindustryhasgraduallydevelopedintoaglobal,multifieldofhigh-techindustry.Theglobalnavigationsatellitesystemhasbeenwidelyusedinmanyfieldssuchasagriculture,industry,transportationandscientificresearchandsoon.GNSSindustryapplicationscontinuetoexpandandexpandthemarketmakesthemarketdemandforGNSSreceiverscontinuetoexpand.AsoneoftheimportantpartsoftheGNSSwirelessreceiver,theRFfront-endchipisanimportantpartoftheestablishmentoftheGNSSindustrychaininChina.

WiththecontinuousdevelopmentofGNSSanditsrelatedindustries,aswellasthewideapplicationofGNSStechnology,therequirementsoftheuserfortheGNSSterminal,namelyGNSSreceiverperformancearealsocontinuouslyimproved.Inrecentyears,analysisandevaluationofGNSSreceiverperformancegraduallybecomethefocusofattentionatsatellitenavigationindustry.

DifferentGNSSreceiversarenotentirelyconsistentwiththereceptionandprocessingofGNSSsignals.And,asfarasthepresentsituationisconcerned,theGNSSsignalisveryvulnerabletointerference,whichfurtherimprovestheperformanceoftheGNSSreceiver.Therefore,theperformanceoftheGNSSreceiverisrequiredtobeuniformandappropriate.

Intermsofordinarycommercialhardwarereceiver,theperformanceindexofGNSSisdividedintotwoparts,thehardwareperformanceindexandtheperformanceindex.Thechipperformance,durability,parallelchannelnumberandpositioningtime,positioningaccuracy,DGPSfunction,interface,rate,datarecording,cycleslipsandweight,volume,waterproof,dustproof,shockproof,temperatureresistance,powerconsumptionandotherphysicalindicatorsconstitutethehardware,anditssoftwareperformance,namelyGNSSShutestmeasurementsoftwareshouldhavetheperformanceincludesthefollowingindicators:

thesearchfunctionofantennahighgrosserror,forlargerweekjumptodetectandrepairfunction,baselinesolution,networkadjustment,coordinatetransformation,mapprojectionandaccuracyestimationand.Intraditionaltestingmethods,thetestingprocessofGNSSreceiverincludes:

generalview,theappearanceofhardwaredevice,theinspectionofthereceiver,thetestofthereceiver'sinternalnoiselevel,antennaphasecenterstability,fieldoperationperformanceandmeasurementaccuracy.

Keywords:

GNSS,receiver.

§1GNSS系统介绍

导航是一门科学，有着悠久的历史。

先辈们曾经依靠观测星星的位置来辨别方向，后来依靠指南针导航定位。

进入20世纪，技术的发展使得惯性导航和无线电导航成为导航定位的主要手段。

全球卫星导航系统（GNSS）从类别上讲是无线电导航系统，它不是特指某一个系统，而是一类系统，一类利用无线电波传播特征，以卫星作为载体，具备全球覆盖能力的导航定位系统。

§1．1无线电导航的基本原理

无线电导航在二战之后得到了快速发展，产生了基于不同方法的无线电导航系统。

无线电导航的基本原理是电波传播速度是已知的，利用这个基本原理的导航方法主要有如下三种：

1）基于距离测量的定位方法：

在速度已知的情况下距离和时间是成比例的，因此这种方法有时也称为基于时间到达测量法（TOA，TuneofArrive），这样的系统称为TOA系统。

以2D定位为例，如果观测者知道到信号发射站S1的距离，并且知道S1的具体地理位置，那么观测者必然在一个以S1为圆心的圆上。

如果再知道S2的地理位置和距观测者的距离，那么观测者位置的不确定性缩小到两个点。

这样观测者要么根据其他一些先验知识去掉一个不可能点，要么通过第三个发射站确定具体位置。

3D定位和2D是相似的，只是观测者和发射站的地理位置扩展到三维空间。

总结TOA系统导航定位的基本思想是：

接收发射站的信号，获取多个发射站的地理位置以及信号从发射站到达观测者花费的时间，得到一簇圆方程，然后解方程得到观测者的位置信息。

当前主要的卫星导航系统如GPS、GLONASS等都是这类定位系统，即TOA系统。

2）基于距离差测量的定位方法：

速度已知时距离差是通过测量发射站信号到达观察者的时间差来获得的，因此有时也称这种方法为到达时间差法（TDOA，TuneDifferenceof／1d'rive），这样的系统称为TDOA系统。

根据双曲线的定义可知，与两个固定发射站有相同距离差的点的轨迹是一条双曲线，曲线的曲率与距离差有关。

还是以2D定位为例，这里假设有三个信号发射站，分别为主站M，副站X和Y，三个发射站组成两个发射站对（M，X）和（M，Ⅵ。

以发射站对（M，X）为信号源，观测者测量出到M和X的距离差为d12，那么以发射站M的地理位置、X的地理位置以及d12作为参数可以确定一条双曲线^。

同样道理，以发射站对（M，Y）为信号源，可以确定另一条双曲线如。

两条曲线的交点就是观测者的地理位置。

存在的问题是两条双曲线的交点有时并非只有一个，此时可以通过增加观测量，或者根据先验知识来剔除不合理的点。

TDOA系统导航定位的基本原理：

接收若干发射站对的信号，获取发射站地理位置信息以及信号到达时间差，得到一簇双曲线方程，解方程后得到观测者的位置信息。

早期的地基无线电导航系统一般就以这种方法导航定位的，如Loran系统和Omega系统都是TDOA系统。

3）基于多普勒的定位方法：

多普勒效应是无线电传播的又一特性，此特性也广泛应用于导航定位系统。

发射站发射信号的频率固定为疔，观测者接收到的信号频率为，R。

如果发射站和观测者之间存在视距的相对运动，那么接收的频率，R和发射的频率厅就存在差别。

根据这个差别观测者可以得到接收频率关于时间的函数曲线，观测者和发射站之间不同的位置关系得到不同的曲线形状，这样就可以确定观测者相对于发射站的地理位置。

第一个卫星导航系统Transit系统就是基于多普勒工作的。

§1．2GNSS系统的发展趋势

目前GPS是唯一正在运行的能提供全球覆盖、全天候、连续、不分昼夜服务能力的卫星导航系统，GLONASS由于卫星数的不足而不具备这样的能力。

但是这样的状况在未来5—10年会得到改变，因为有更多的系统加入到GNSS“家庭”。

Galileo系统是在欧盟和欧空局联合倡议下启动的，是欧洲人自己的全球卫星导航系统，旨在摆脱对GPS的依赖。

“北斗二代”是我国下一代类似GPS的卫星导航系统。

虽然Galileo和“北斗二代”还没有组网运行，但是未来它们必将成为GPS和GLONASS的有力竞争者。

当然，美国人不愿意看到自己的GPS系统被超越，于是对GPS进行了现代化改造。

事实上，GPS现代化从20世纪90年代后期就开始了。

GLONASS经历了相当长一段时间的“沉寂”后，随着俄罗斯经济的复苏，GLONASS系统再次得到了重视。

根据俄罗斯官方消息，到2010—2011年，GLONASS将有24颗卫星，届时其将真正具备全球覆盖能力。

GPS的现代化旨在增加额外的民用信号以及提高系统的精度，同时增加新的抗干扰能力更强的军事信号。

以民用自称的Galileo在发展之初就使用了近年来导航领域的新技术以及研究成果，目的是增加用户的可选择性，提供比GPS更高的导航定位精度，这也是Galileo系统一直在宣传的一个优势。

我国的。

北斗二代”和GPS类似，在发展过程中也在不断使用新的技术。

GLONASS重生后，官方也宣称将增加新的导航信号，改变信号格式等。

由这些导航系统的发展趋势可见，未来GNSS系统的精度将不断提高，可选择的信号也将越来越多。

这些GNSS系统在建立、改进过程中，发射信号的变化主要体现在如下几个方面：

●增加发射信号：

GPS起先只在L1频点发射C／A码和P（Y）码，在L2频点发射P（Ⅵ码。

GPS现代化后，在L2频点增加新的民用信号一一L2C，在L5频点增加采用QPSK调制的民用信号。

未来Galileo和BD-2都将在三个频点上广播导航信号。

卫星导航系统的增加，可用信号的增多使得接收机的可靠性以及完好性得到了保证。

●改变码速率和码周期：

我们知道，测距码的码率直接影响到定位导航的精度。

BD-2民用信号码率为2．046MHz，理论上比GPS的C／A码定位精度要高。

GPS在L5频点的民用信号码率为10．23MHz，使得该信号的测距性能接近军用信号P（Ⅵ码。

在增加码率的同时，现代化的导航信号也增加测距码的周期。

测距码码周期的长短不仅会影响自相关扩频增益，同时也会影响不同测距码之间的互相关性能。

GPS的L2C信号的码周期就超过1ms。

●增加新的调制方式：

Galileo与GPS都将采用一种新的调制方式一一BOC（Binary-Offset-CarrieroBOC本质上是CDMA调制，但是又带有FDMA调制的色彩，因而比BPSK具有一定的技术优势。

BOC调制信号的频谱分布在载频的两侧，提高了抗干扰能力，同时也实现了频谱资源的充分利用。

另一方面，由于BoC信号自相关函数主峰宽度要比同码率的BPSK信号窄，因而具有更高的导航定位精度。

●增加辅助通道：

原来GPS和GLONASS信号将扩频码、导航电文以及载波调制在一起，这样接收机跟踪扩频码以及解调电文时依赖于同一接收信号。

具体体现为导航电文的存在限制了相干积分时间的长度，从而导致接收机灵敏度性能的牺牲。

GPS的L2C信号每颗卫星发射两种扩频码，CM码和CL码。

CM码码周期较短，CL码码周期较长，两者交替发送。

CM码调制有导航电文，接收机接收CM码解调电文，然后利用CL码可以在恶劣环境下保持良好的跟踪性能。

另一种增加辅助通道的方式是，对于某一颗卫星而言，在同一频点发射两种扩频码，一种调制有电文，另一种不存在电文。

第三种增加辅助通道的方式是在相近频点发射相同的扩频码从而辅助扩频码和载波的跟踪。

后两种辅助通道方武可能会在Galileo和BD-2导航系统中出现。

图1.1：

未来GNSS信号摄谱

§2高灵敏度GNSS研究进展

导航接收机的研究与开发已经有30多年的历史。

已处于广泛的工程应用阶段。

不管在国外还是国内，从整体上讲企业相比高校不营在研发方面还是开发应用方面都具有明显的优势。

在民用领域发晨起来之前，卫星导航定位主要应用于测绘、军事等领域。

以美国n（德州仪器）、Raytheon（雷神）以及ockheedMart曲．（洛克希穗马丁）为代表的一批公司是军用导航接收机的先驱，也是军用接收技术，抗干扰等技术的领跑者，Trimble和NovAtel是全球最大的两家测绘型接收机的供应商。

上世纪束，民用导航接收机进入历史发展的轨道，以Qualcomm（高通）、Lucent（朗讯）为代表的一批公司开始了高灵敏度接收机的研究开发。

其中SIRF和uBLOX成为高灵敏度GN$S接收芯片的胜出者，它们推出的高灵敏度接收芯片成为业内追赶的目标。

国外一些著名大学及研究机构也在速方面展开了广泛的研究，尤其突出的是加拿大Caiga,y大学的PLAN口osifion，LocationandNavigation）研究小组，他们在室内信号环境建模、高夏敏度接收理论等方面成绩显著。

§2．1自主接收技术

自主接收技术就是指不依赖于外部的辅助信息，接收机自主完成捕获、跟踪以及电文解调等工作，实现定位导航。

下面就捕获和跟踪两方面展开。

●高灵敏度捕获

弱信号捕获需要长时间的相干积分和非相干积分。

相干积分是提高捕获灵敏度最有效的手段，但是相干积分时间的加长会导致需要搜索的多普勒频点的增加，同时导航电文的存在以及比特边界的未知也限制了相干积分时间。

非相干积分可以有效避免相干积分存在的这些问题，缺点是非相干损耗比较大，增益的提升没有相干积分明显。

介绍了一种lOres相干积分，未知比特边界及比特极性的捕获方法。

该方法计算两个独立的累积值，具体方法是：

将20ms数据分成两块，每一块独立地进行lOms相干积分，再将相干积分的结果进行多次非相干积分。

由于两组累积值至少有一组是不跨越比特边界的，因此可以用来进行捕获判决，避免了比特边界及比特极性的影响。

●高灵敏度跟踪

图1.2传统跟踪方法框图

传统的GNSS信号跟踪方法是通过负反馈环实现的。

主要包括3个基本单元：

参数提取单元、控制单元以及负反馈单元。

参数提取单元利用信号测量值z以及本地的信号期望值孕，产生一个参数误差的函数；控制单元通过对参数误差函数进行线性的或者非线性的、记忆的或者是非记忆的变换得到参数误差信号E；负反馈单元将E反馈到本地信号发生器从而使z和乏保持稳定的跟踪。

图1．2给出了传统跟踪方法的原理框图。

为了提高跟踪灵敏度，对于传统跟踪方法而言通常的做法就是减小环路噪声带宽、增加相干积分时间等。

§2．2AGNSS接收技术

与自主接收技术相对的是AGNSS（AssistedGNSS）技术，主要指从处于良好信号环境下的定位服务器获取辅助信息，以实现导航定位。

辅助的信息主要包括卫星星历信息、卫星钟差信息、卫星信号多普勒信息、参考频率信息、精确时间信息、卫星导航电文比特、接收机大概位置以及差分信息等。

获取这些辅助信息后，接收机不仅可以简化定位的算法，提高捕获和跟踪灵敏度，而且可以大大减少首次定位时间（唧，TunetoFirstFixo对于目前市场上常见的GPRS辅助网络，目前只提供卫星星历和卫星钟差两个最基本的辅助信息。

接收机可以通过辅助信息得到：

●星历信息：

计算得到卫星位置。

●卫星钟差：

修正伪距。

●多普勒信息：

可以减小捕获搜索的频点从而提高捕获速度。

●参考频率信息：

可以用来修正本地晶振的频率误差，减小捕获时搜索的范围，同时可以提高跟踪灵敏度。

●精确时间信息：

可以帮助知道扩频码相位信息，减小模糊度，还可以用来估计卫星位置和多普勒信息。

●调制比特信息：

用来剥离接收信号中的比特信息，提高捕获和跟踪灵敏度。

●接收机大概位置：

可以用来预测当时卫星可见度等状况。

●差分信息：

修正电离层误差。