衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機原理與設計——之一(上）

+ 劉天雄

衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機原理與設計——之一(上）

+ 劉天雄

圖1　基于到達時間測距原理接收機實現(xiàn)對用戶位置的解算

概述　Receiver overview

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)簡稱GNSS（Global Navigation Satellite System）系統(tǒng)，由空間段SS（space segment）、地面控制段CS（control segment）以及用戶段US（user segment）三個部分組成，其中用戶段US就是咱們手里拿的接收機?？臻g段SS的每顆導航衛(wèi)星連續(xù)播發(fā)無線電導航信號，簡稱為SIS信號（Signals In Space），通常是L頻段無線電信號，載波信號調(diào)制有周期數(shù)字碼（periodic digital code）和導航電文（Navigation message），周期數(shù)字碼又稱為偽隨機噪聲測距碼，簡稱PRN（pseudo-random noise code）碼。

衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位的基本原理是單向到達時間測距，簡稱TOA（Time Of Arrival）原理,接收機通過解調(diào)導航信號的電文得到衛(wèi)星的位置坐標，通過測量導航信號從衛(wèi)星到接收機的傳播時間來測距，以導航衛(wèi)星為球心，信號傳播的距離為半徑畫球面，用戶接收機一定在球面上，當接收機分別測量出與四顆導航衛(wèi)星之間的距離時，四個球面相交于一個點，即用戶接收機的位置坐標，如圖1所示。如果是導航儀，接收機根據(jù)位置坐標和數(shù)字地圖的映射關(guān)系，可以把定位結(jié)果映射到數(shù)字地圖上，在顯示屏上給出地址信息。

根據(jù)不同的應用場景，衛(wèi)星導航接收機可以設計成多種不同狀態(tài)，從單頻（single-frequency）到多頻（multi-frequency）、從單系統(tǒng)（single -constellation）到多系統(tǒng)（multi-constellation）、從專業(yè)測量型（survey）到一般車載導航型（automotive applications），設計接收機時還需要考慮信號帶寬（signal bandwidth）、信號調(diào)制（modulation）、偽碼速率（code rate）等技術(shù)指標，權(quán)衡工作性能（performance）、成本（cost）、功耗（power consumption）以及自主性（autonomy）等要求。

雖然導航接收機可以設計成多種狀態(tài)，但接收機的基本結(jié)構(gòu)是一致的，主要包括接收天線（Antenna）、射頻前端（Front End）、基帶數(shù)字信號處理（Baseband signal processing）、應用處理（Applications Processing）四個模塊，典型衛(wèi)星導航接收機組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，除了上述四個主要模塊，接收機還得有供電模塊（power unit）和機箱（enclosure）等輔助模塊。

圖2　一般衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機結(jié)構(gòu)組成

衛(wèi)星導航接收機信號處理的核心內(nèi)容是捕獲（acquisition）、跟蹤（tracking）、解調(diào)（demodulation）信號，譯碼衛(wèi)星的星歷、時鐘偏差校正、電離層誤差改正等導航導航電文數(shù)據(jù)，用戶接收機才能夠利用PRN碼測量出衛(wèi)星與用戶機之間的距離，代入定位方程后才能給出位置P（Positioning）、速度V（Velocity）和時間T（Timing）等導航解（navigation solution），簡稱PVT結(jié)果，其中位置解算結(jié)果分別以導航衛(wèi)星信號發(fā)射天線的接相位中心（antenna phase center）和用戶機的收天線相位中心為參考點。

1　接收機功能

衛(wèi)星導航接收機的任務是捕獲按一定衛(wèi)星仰角要求所選擇的導航衛(wèi)星的信號，跟蹤這些導航衛(wèi)星信號，對所接收到的導航信號進行放大、變換和處理，測量出導航信號從衛(wèi)星到用戶接收機的傳播時間，解調(diào)、譯碼出導航衛(wèi)星播發(fā)的導航電文數(shù)據(jù)，并根據(jù)導航電文給出的星歷參數(shù)和時間信息，解算出用戶的位置坐標，接收機是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的用戶接口（user interface）。

衛(wèi)星導航接收機完成導航信號的相關(guān)接收，所謂相關(guān)接收是指接收機在接收衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星信號時，通過改變本地偽隨機碼生成器的相位，使其與相應衛(wèi)星信號的偽隨機碼的相位對齊，從而完成對該衛(wèi)星信號的跟蹤和鎖定的過程。接收機利用捕獲環(huán)路和跟蹤環(huán)路實現(xiàn)導航信號同步（幀同步和碼同步），確定導航信號在空間的傳播時間，用信號傳播時間乘以無線電信號的傳播速度，即可得到衛(wèi)星與接收機之間的距離，代入導航定位方程，解算出用戶所在位置的PVT導航解。

1.1接收 信號

接收機首先要捕獲（acquisition）可見范圍內(nèi)的導航信號，識別出接收到的信號是那顆導航衛(wèi)星播發(fā)的，然后才能開展進一步的跟蹤、解調(diào)和偽距測量。GPS、Galileo和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)均采用CDMA碼分多址（Code Division Multiple Access）信號技術(shù)，星座中所有導航衛(wèi)星的同類信號多路復用在同一個載波頻率上，而每顆衛(wèi)星對應一個唯一的該類信號偽隨機噪聲碼，偽隨機噪聲碼信號具有高度自相關(guān)性（auto correlation），0延遲時，自相關(guān)函數(shù)取得最大值（峰值），而信號之間的互相關(guān)性（cross-correlation）極低，不同偽隨機噪聲序列（碼）之間幾乎是正交（orthogonal）的。

偽隨機噪聲碼先對導航電文進行擴頻調(diào)制處理，再將擴頻信號調(diào)制在載波信號中。各大衛(wèi)星導航系統(tǒng)為了推廣民用導航信號的應用，以空間信號接口控制文件形式公開發(fā)布其導航信號的結(jié)構(gòu)、偽隨機噪聲碼設計以及導航電文等信息，空間信號接口控制文件簡稱SIS ICDs（Signal In Space Interface Control Document）。用戶接收機在搜索導航信號前可以預先獲取每顆衛(wèi)星的偽隨機噪聲碼，因此，通過本地復制PRN碼（偽碼）信號與接收到的導航PRN碼信號進行相關(guān)處理（signal correlation）結(jié)果，就可以快捷地判斷出這顆衛(wèi)星（信號）是否在可見范圍內(nèi)。

1.2計算偽距及其變化

根據(jù)導航信號的播發(fā)時刻（衛(wèi)星星載原子時鐘標記）和接收時刻（接收機機時鐘標記），衛(wèi)星與接收機完成時間“同步”處理后，導航接收機可以計算出導航信號在空間的傳播時間dt，乘以無線電信號的傳播速度c，就可以得到衛(wèi)星與用戶機之間的距離R，即，通過測量本地時鐘與恢復的衛(wèi)星時鐘之間的時延來測量從接收天線到衛(wèi)星的距離，這是導航接收機定位的數(shù)學基礎。接收機的位置一定在以衛(wèi)星為圓心，以衛(wèi)星與用戶機之間的距離為半徑的球面上，以平面定位為例，接收機的位置一定在以衛(wèi)星為圓心，以衛(wèi)星與用戶機之間的距離為半徑的兩個圓的交點上，如圖3所示。

定位原理假設接收機測量出與導航衛(wèi)星之間的幾何距離，但現(xiàn)實情況是用戶接收機時鐘、衛(wèi)星時鐘和系統(tǒng)時鐘三者不可能嚴格時間同步，其實也沒有必要同步，必然會存在接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差，同時導航信號在空間傳播過程中還會產(chǎn)生對流層延遲和對流層延遲，以及有電文衛(wèi)星星歷參數(shù)得到的衛(wèi)星軌道位置、信號多路徑及接收機熱噪聲等誤差源，由導航信號傳播時間乘以傳播速度得到的衛(wèi)星與用戶機之間的距離也存在較大的誤差，一般稱為“偽距”，英文翻譯為"pseudorange"，在代入導航方程求解用戶位置前，需要進一步修正處理。

1.3計算位置、速度和時間

根據(jù)偽距觀測量以及導航電文等信息，接收機應用處理模塊（application processing）可以解算出接收機所在的位置（經(jīng)度、緯度、高度）、速度和時間，實現(xiàn)系統(tǒng)的時間傳遞（time transfer），即授時功能，也可以將數(shù)據(jù)收集整理在地面站后期處理（postprocessed in the ground stations）。

2　接收機組成

GNSS用戶接收機由天線（Antenna）、射頻前端（RF Front-End）、數(shù)字信號處理（Digital signal processing）通道和應用處理（application processing）模塊組成，GNSS接收機結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

圖3　通過計算信號傳播時間確定用戶位置

天線將接收到的導航信號傳輸給射頻前端，射頻前端通常也稱為前置放大器，射頻前端濾除噪聲并放大導航信號，完成射頻信號下變頻、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，生成包括實部（real）和虛部（complex）兩部分組成的的數(shù)字基帶中頻信號，又稱為I支路同相（In-Phase）分量和Q支路正交（Quadrature）分量。I支路和Q支路分量分別與由本地數(shù)控振蕩器產(chǎn)生兩路正交映射載波相乘，進行載波混頻剝離，載波混頻剝離后的兩支路分別再與超前、即時和滯后三路本地復制測距碼相乘，進行擴頻碼剝離，當通過調(diào)整載波頻率和偽碼相位使得兩個跟蹤環(huán)路穩(wěn)定跟蹤后，即可測得偽距觀測量，同時譯碼出導航電文數(shù)據(jù)。解算出衛(wèi)星與用戶機之間的測距值，根據(jù)三角測量原理，解算出用戶的位置坐標。

圖4　GNSS接收機結(jié)構(gòu)組成

需要進一步指出的是，導航衛(wèi)星在軌道空間上高速運動，為了獲得連續(xù)的定位解算結(jié)果，導航接收機必須連續(xù)地搜索（search）、捕獲（acquire）、跟蹤（track）可見范圍（in view）內(nèi)的導航衛(wèi)星播發(fā)的無線電導航信號，并與導航信號保持同步。

2.1天線

導航接收機的天線負責接收來自空間導航衛(wèi)星播發(fā)的L頻段（1.2～1.6 GHz）射頻電磁波信號，并將電磁波信號轉(zhuǎn)換為微波電信號，并將該模擬導航信號輸入到射頻前端。有時接收天線還需要配置放大器和濾波器，從用戶角度來說天線是地面接收機和空間導航衛(wèi)星星座之間的接口。

導航接收機天線設計的主要目標是在給定仰角（elevation angle）、在導航信號播發(fā)方向獲得最大天線增益（antenna gain），同時抑制多徑干擾信號。天線的技術(shù)要求包括增益與接收仰角、多徑和抗干擾、相位中心穩(wěn)定性以及體積、功耗、便攜性和環(huán)境條件約束條件。

鑒于衛(wèi)星導航信號強度極其微弱且易受到干擾，可以采用陣列天線（antenna arrays）修改天線的輻射方向圖（radiation pattern），以抑制干擾信號方向的接收。此外，天線波束調(diào)整技術(shù)（beam steering techniques）可以最大天線增益跟蹤并接收給定衛(wèi)星的導航信號。

因此，GPS接收機天線的性能決定了接收機獲取導航信號的能力。接收機天線的性能指標有方向圖增益（Gain）、軸比（Axial ratio）、駐波比（VSWR）、噪聲系數(shù)（Noise figure）、相位中心（Phase Centre）、極化（Polarization）方式、相位中心的穩(wěn)定性和重復性（phase stability and repeatability）等參數(shù)，其中相位中心的穩(wěn)定性和重復性對于載波相位測距來說十分關(guān)鍵。

衛(wèi)星導航接收機天線一般包括輻射單元（radiating element）、功率放大器（amplifier）和天線罩（radome）三部分，其中輻射單元安裝在金屬的“地平面”上。輻射單元決定了天線的帶寬和輻射特性，“地平面”影響天線的輻射方向圖形狀，特別是低仰角下的接收特性；放大器決定了接收機噪聲系數(shù)；天線罩影響天線的相位中心。