+ 劉天雄

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)原理與設(shè)計(jì)——之一(上）

+ 劉天雄

圖1　基于到達(dá)時(shí)間測(cè)距原理接收機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)位置的解算

概述　Receiver overview

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)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(hù)段US（user segment）三個(gè)部分組成，其中用戶(hù)段US就是咱們手里拿的接收機(jī)?？臻g段SS的每顆導(dǎo)航衛(wèi)星連續(xù)播發(fā)無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)為SIS信號(hào)（Signals In Space），通常是L頻段無(wú)線電信號(hào)，載波信號(hào)調(diào)制有周期數(shù)字碼（periodic digital code）和導(dǎo)航電文（Navigation message），周期數(shù)字碼又稱(chēng)為偽隨機(jī)噪聲測(cè)距碼，簡(jiǎn)稱(chēng)PRN（pseudo-random noise code）碼。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的基本原理是單向到達(dá)時(shí)間測(cè)距，簡(jiǎn)稱(chēng)TOA（Time Of Arrival）原理,接收機(jī)通過(guò)解調(diào)導(dǎo)航信號(hào)的電文得到衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，通過(guò)測(cè)量導(dǎo)航信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)的傳播時(shí)間來(lái)測(cè)距，以導(dǎo)航衛(wèi)星為球心，信號(hào)傳播的距離為半徑畫(huà)球面，用戶(hù)接收機(jī)一定在球面上，當(dāng)接收機(jī)分別測(cè)量出與四顆導(dǎo)航衛(wèi)星之間的距離時(shí)，四個(gè)球面相交于一個(gè)點(diǎn)，即用戶(hù)接收機(jī)的位置坐標(biāo)，如圖1所示。如果是導(dǎo)航儀，接收機(jī)根據(jù)位置坐標(biāo)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(yīng)用場(chǎng)景，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)可以設(shè)計(jì)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(zhuān)業(yè)測(cè)量型（survey）到一般車(chē)載導(dǎo)航型（automotive applications），設(shè)計(jì)接收機(jī)時(shí)還需要考慮信號(hào)帶寬（signal bandwidth）、信號(hào)調(diào)制（modulation）、偽碼速率（code rate）等技術(shù)指標(biāo)，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(dǎo)航接收機(jī)可以設(shè)計(jì)成多種狀態(tài)，但接收機(jī)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(hào)處理（Baseband signal processing）、應(yīng)用處理（Applications Processing）四個(gè)模塊，典型衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，除了上述四個(gè)主要模塊，接收機(jī)還得有供電模塊（power unit）和機(jī)箱（enclosure）等輔助模塊。

圖2　一般衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)結(jié)構(gòu)組成

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)信號(hào)處理的核心內(nèi)容是捕獲（acquisition）、跟蹤（tracking）、解調(diào)（demodulation）信號(hào)，譯碼衛(wèi)星的星歷、時(shí)鐘偏差校正、電離層誤差改正等導(dǎo)航導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，用戶(hù)接收機(jī)才能夠利用PRN碼測(cè)量出衛(wèi)星與用戶(hù)機(jī)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(shí)間T（Timing）等導(dǎo)航解（navigation solution），簡(jiǎn)稱(chēng)PVT結(jié)果，其中位置解算結(jié)果分別以導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線的接相位中心（antenna phase center）和用戶(hù)機(jī)的收天線相位中心為參考點(diǎn)。

1　接收機(jī)功能

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的任務(wù)是捕獲按一定衛(wèi)星仰角要求所選擇的導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)，跟蹤這些導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，對(duì)所接收到的導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行放大、變換和處理，測(cè)量出導(dǎo)航信號(hào)從衛(wèi)星到用戶(hù)接收機(jī)的傳播時(shí)間，解調(diào)、譯碼出導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，并根據(jù)導(dǎo)航電文給出的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，解算出用戶(hù)的位置坐標(biāo)，接收機(jī)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶(hù)接口（user interface）。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)完成導(dǎo)航信號(hào)的相關(guān)接收，所謂相關(guān)接收是指接收機(jī)在接收衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，通過(guò)改變本地偽隨機(jī)碼生成器的相位，使其與相應(yīng)衛(wèi)星信號(hào)的偽隨機(jī)碼的相位對(duì)齊，從而完成對(duì)該衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤和鎖定的過(guò)程。接收機(jī)利用捕獲環(huán)路和跟蹤環(huán)路實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)同步（幀同步和碼同步），確定導(dǎo)航信號(hào)在空間的傳播時(shí)間，用信號(hào)傳播時(shí)間乘以無(wú)線電信號(hào)的傳播速度，即可得到衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，代入導(dǎo)航定位方程，解算出用戶(hù)所在位置的PVT導(dǎo)航解。

1.1接收 信號(hào)

接收機(jī)首先要捕獲（acquisition）可見(jiàn)范圍內(nèi)的導(dǎo)航信號(hào)，識(shí)別出接收到的信號(hào)是那顆導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的，然后才能開(kāi)展進(jìn)一步的跟蹤、解調(diào)和偽距測(cè)量。GPS、Galileo和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均采用CDMA碼分多址（Code Division Multiple Access）信號(hào)技術(shù)，星座中所有導(dǎo)航衛(wèi)星的同類(lèi)信號(hào)多路復(fù)用在同一個(gè)載波頻率上，而每顆衛(wèi)星對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的該類(lèi)信號(hào)偽隨機(jī)噪聲碼，偽隨機(jī)噪聲碼信號(hào)具有高度自相關(guān)性（auto correlation），0延遲時(shí)，自相關(guān)函數(shù)取得最大值（峰值），而信號(hào)之間的互相關(guān)性（cross-correlation）極低，不同偽隨機(jī)噪聲序列（碼）之間幾乎是正交（orthogonal）的。

偽隨機(jī)噪聲碼先對(duì)導(dǎo)航電文進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制處理，再將擴(kuò)頻信號(hào)調(diào)制在載波信號(hào)中。各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為了推廣民用導(dǎo)航信號(hào)的應(yīng)用，以空間信號(hào)接口控制文件形式公開(kāi)發(fā)布其導(dǎo)航信號(hào)的結(jié)構(gòu)、偽隨機(jī)噪聲碼設(shè)計(jì)以及導(dǎo)航電文等信息，空間信號(hào)接口控制文件簡(jiǎn)稱(chēng)SIS ICDs（Signal In Space Interface Control Document）。用戶(hù)接收機(jī)在搜索導(dǎo)航信號(hào)前可以預(yù)先獲取每顆衛(wèi)星的偽隨機(jī)噪聲碼，因此，通過(guò)本地復(fù)制PRN碼（偽碼）信號(hào)與接收到的導(dǎo)航PRN碼信號(hào)進(jìn)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(hào)）是否在可見(jiàn)范圍內(nèi)。

1.2計(jì)算偽距及其變化

根據(jù)導(dǎo)航信號(hào)的播發(fā)時(shí)刻（衛(wèi)星星載原子時(shí)鐘標(biāo)記）和接收時(shí)刻（接收機(jī)機(jī)時(shí)鐘標(biāo)記），衛(wèi)星與接收機(jī)完成時(shí)間“同步”處理后，導(dǎo)航接收機(jī)可以計(jì)算出導(dǎo)航信號(hào)在空間的傳播時(shí)間dt，乘以無(wú)線電信號(hào)的傳播速度c，就可以得到衛(wèi)星與用戶(hù)機(jī)之間的距離R，即，通過(guò)測(cè)量本地時(shí)鐘與恢復(fù)的衛(wèi)星時(shí)鐘之間的時(shí)延來(lái)測(cè)量從接收天線到衛(wèi)星的距離，這是導(dǎo)航接收機(jī)定位的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。接收機(jī)的位置一定在以衛(wèi)星為圓心，以衛(wèi)星與用戶(hù)機(jī)之間的距離為半徑的球面上，以平面定位為例，接收機(jī)的位置一定在以衛(wèi)星為圓心，以衛(wèi)星與用戶(hù)機(jī)之間的距離為半徑的兩個(gè)圓的交點(diǎn)上，如圖3所示。

定位原理假設(shè)接收機(jī)測(cè)量出與導(dǎo)航衛(wèi)星之間的幾何距離，但現(xiàn)實(shí)情況是用戶(hù)接收機(jī)時(shí)鐘、衛(wèi)星時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘三者不可能?chē)?yán)格時(shí)間同步，其實(shí)也沒(méi)有必要同步，必然會(huì)存在接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差，同時(shí)導(dǎo)航信號(hào)在空間傳播過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生對(duì)流層延遲和對(duì)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(hào)多路徑及接收機(jī)熱噪聲等誤差源，由導(dǎo)航信號(hào)傳播時(shí)間乘以傳播速度得到的衛(wèi)星與用戶(hù)機(jī)之間的距離也存在較大的誤差，一般稱(chēng)為“偽距”，英文翻譯為"pseudorange"，在代入導(dǎo)航方程求解用戶(hù)位置前，需要進(jìn)一步修正處理。

1.3計(jì)算位置、速度和時(shí)間

根據(jù)偽距觀測(cè)量以及導(dǎo)航電文等信息，接收機(jī)應(yīng)用處理模塊（application processing）可以解算出接收機(jī)所在的位置（經(jīng)度、緯度、高度）、速度和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)間傳遞（time transfer），即授時(shí)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(jī)組成

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

圖3　通過(guò)計(jì)算信號(hào)傳播時(shí)間確定用戶(hù)位置

天線將接收到的導(dǎo)航信號(hào)傳輸給射頻前端，射頻前端通常也稱(chēng)為前置放大器，射頻前端濾除噪聲并放大導(dǎo)航信號(hào)，完成射頻信號(hào)下變頻、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，生成包括實(shí)部（real）和虛部（complex）兩部分組成的的數(shù)字基帶中頻信號(hào)，又稱(chēng)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?cái)?shù)控振蕩器產(chǎn)生兩路正交映射載波相乘，進(jìn)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(shí)和滯后三路本地復(fù)制測(cè)距碼相乘，進(jìn)行擴(kuò)頻碼剝離，當(dāng)通過(guò)調(diào)整載波頻率和偽碼相位使得兩個(gè)跟蹤環(huán)路穩(wěn)定跟蹤后，即可測(cè)得偽距觀測(cè)量，同時(shí)譯碼出導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)。解算出衛(wèi)星與用戶(hù)機(jī)之間的測(cè)距值，根據(jù)三角測(cè)量原理，解算出用戶(hù)的位置坐標(biāo)。

圖4　GNSS接收機(jī)結(jié)構(gòu)組成

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

2.1天線

導(dǎo)航接收機(jī)的天線負(fù)責(zé)接收來(lái)自空間導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的L頻段（1.2～1.6 GHz）射頻電磁波信號(hào)，并將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為微波電信號(hào)，并將該模擬導(dǎo)航信號(hào)輸入到射頻前端。有時(shí)接收天線還需要配置放大器和濾波器，從用戶(hù)角度來(lái)說(shuō)天線是地面接收機(jī)和空間導(dǎo)航衛(wèi)星星座之間的接口。

導(dǎo)航接收機(jī)天線設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是在給定仰角（elevation angle）、在導(dǎo)航信號(hào)播發(fā)方向獲得最大天線增益（antenna gain），同時(shí)抑制多徑干擾信號(hào)。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(dǎo)航信號(hào)強(qiáng)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(hào)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(dǎo)航信號(hào)。

因此，GPS接收機(jī)天線的性能決定了接收機(jī)獲取導(dǎo)航信號(hào)的能力。接收機(jī)天線的性能指標(biāo)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(fù)性（phase stability and repeatability）等參數(shù)，其中相位中心的穩(wěn)定性和重復(fù)性對(duì)于載波相位測(cè)距來(lái)說(shuō)十分關(guān)鍵。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)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(jī)噪聲系數(shù)；天線罩影響天線的相位中心。