胡 寧， 高知明， 周 勇，4

（1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院，江蘇 南京 210037；3.江蘇北斗衛(wèi)星導(dǎo)航檢測(cè)中心有限公司，江蘇 南京 210032；4.江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心,江蘇 南京 210044）

GNSS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)方法研究

胡 寧1，2，3， 高知明1， 周 勇1，4

（1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院，江蘇 南京 210037；3.江蘇北斗衛(wèi)星導(dǎo)航檢測(cè)中心有限公司，江蘇 南京 210032；4.江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心,江蘇 南京 210044）

GNSS接收機(jī)的定位精度在進(jìn)行性能評(píng)估時(shí)必須進(jìn)行內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)必不可少。該文利用多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器仿真導(dǎo)航信號(hào)，作為高精度的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，在對(duì)多臺(tái)GNSS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)時(shí)播發(fā)同一信號(hào)源，運(yùn)用零基線法對(duì)GNSS接收機(jī)鑒定。通過(guò)檢測(cè)實(shí)例表明，利用多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器進(jìn)行接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)合理、可信，檢測(cè)速度快速有效且符合接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)要求。

GNSS接收機(jī)；內(nèi)部噪聲水平；零基線法；多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器

0 引 言

GNSS泛指全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，常見(jiàn)系統(tǒng)有GPS、BDS、GLONSS和GALILEO衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，衛(wèi)星產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化不斷加快，市場(chǎng)對(duì)GNSS接收機(jī)的需求也日益增大，同時(shí)對(duì)GNSS接收機(jī)的性能要求也越來(lái)越高。GNSS接收機(jī)的性能好壞直接影響著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，因此對(duì)GNSS接收機(jī)進(jìn)行檢測(cè)并做出合理的評(píng)估對(duì)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展有著十分重要的意義[1]。內(nèi)部噪聲水平的好壞是評(píng)價(jià)GNSS接收機(jī)性能的重要指標(biāo)，GNSS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平（receiver interior noise level）是 GNSS 接收機(jī)信號(hào)通道間的偏差，延遲鎖相環(huán)、碼跟蹤環(huán)的偏差，以及鐘差等引起的測(cè)距和測(cè)相誤差的綜合反映[2]。GNSS接收機(jī)的內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)方法有超短基線法和零基線法，這兩種檢測(cè)方法主要依據(jù)BD 420009——2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）測(cè)量型接收機(jī)通用規(guī)范》與CH 8016——1995《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量型接收機(jī)檢定規(guī)程》。通常GNSS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)需要特定的檢測(cè)場(chǎng)地，對(duì)于同批號(hào)待檢數(shù)量較多的接收機(jī)，由于條件的限制使得接收機(jī)檢測(cè)環(huán)境有所差異且效率較低。本文提出一種利用多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器進(jìn)行GNSS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)，通過(guò)模擬器仿真多星座任意頻點(diǎn)組合的導(dǎo)航信號(hào)，對(duì)同批號(hào)多臺(tái)接收機(jī)檢測(cè)時(shí)播發(fā)同一信號(hào)源。

1 接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)方法

1.1 相對(duì)定位基本原理

GNSS系統(tǒng)的定位方法是通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星位置到接收機(jī)之間的距離，然后依據(jù)多顆衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)解算出接收機(jī)具體位置。由于測(cè)碼偽距在測(cè)量時(shí)定位精度比載波相位誤差較大，而在工程測(cè)量時(shí)往往希望獲得高精度的定位數(shù)據(jù)，因此采用載波相位進(jìn)行測(cè)量[3]。

載波相位的原始觀測(cè)方程可表示為

tA——接收機(jī)鐘差；

tP——衛(wèi)星鐘差；

c——真空中光速；

λ——載波相位波長(zhǎng)，λ=f/c；每個(gè)變量的上標(biāo)為衛(wèi)星編號(hào)，下標(biāo)為接收機(jī)編號(hào)。

式（2）是在理想環(huán)境中衛(wèi)星P空間位置到接收機(jī)A之間距離的觀測(cè)方程，其中[XP，YP，ZP]為衛(wèi)星在空間中的位置矢量，[XA，YA，ZA]為接收機(jī)在測(cè)站的待定量，為衛(wèi)星到接收機(jī)間的距離。

在相對(duì)定位時(shí)，為了獲得高精度的定位結(jié)果，將載波相位觀測(cè)值直接相減即形成衛(wèi)星間求差、接收機(jī)間求差、歷元間求差3種方式[4]。在實(shí)際應(yīng)用中往往考慮到衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差的影響，而采用接收機(jī)間求差方式，可得接收機(jī)A、B間的單差載波相位觀測(cè)方程為

式（3）是接收機(jī)間單差方式，這種單差方式消除了衛(wèi)星鐘差的影響，同時(shí)也對(duì)衛(wèi)星軌道誤差、以對(duì)流層為主的中性大氣延遲誤差和電離層延遲誤差的影響也可大大降低[5]。

為了進(jìn)一步消除在定位過(guò)程中帶來(lái)的各種誤差，采用雙差方式，在接收機(jī)間和衛(wèi)星間進(jìn)行二次求差，可得接收機(jī)A、B與衛(wèi)星P、Q的雙差載波相位觀測(cè)方程為

雙差載波相位觀測(cè)值消除了衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差的影響，在A、B兩個(gè)接收機(jī)之間距離較近且周?chē)h(huán)境相似時(shí)，這種雙差方式可以極大消除大氣延遲誤差及衛(wèi)星軌道誤差帶來(lái)的影響，可以得到更好的定位結(jié)果。

1.2 零基線檢測(cè)方法

GNSS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)主要運(yùn)用零基線法，它主要是檢測(cè)接收機(jī)鐘差、信號(hào)通道時(shí)延、延遲鎖相環(huán)及機(jī)內(nèi)噪聲等電性能對(duì)接收機(jī)定位精度影響大小一種有效方法[6]。零基線法利用接收機(jī)接收同一衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行載波相位觀測(cè)值間求差，其雙差差值理論上為0，因此零基線法是指多臺(tái)接收機(jī)分別接收同一功率分配器輸出的衛(wèi)星信號(hào)且信號(hào)的功率、相位等同，隨意選擇兩臺(tái)接收機(jī)設(shè)備進(jìn)行雙差載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)求差，解算出相應(yīng)的基線向量，以檢測(cè)儀器固有誤差[7]。

零基線檢測(cè)步驟：

1）選擇周?chē)叨冉?0°以上無(wú)障礙物的開(kāi)闊地方安放天線，按圖1連接功率分配器。

2）打開(kāi)電源，接收機(jī)在靜態(tài)測(cè)量模式下同步接收4顆以上衛(wèi)星不少于30min。

3）用靜態(tài)軟件計(jì)算坐標(biāo)增量和基線長(zhǎng)度，其誤差應(yīng)小于1mm[8]。

1.3 超短基線檢測(cè)方法

GNSS接收機(jī)在進(jìn)行內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)時(shí)，在無(wú)功率分配器的條件下可采用超短基線法檢測(cè)內(nèi)部噪聲水平，超短基線法對(duì)內(nèi)部噪聲水平的檢測(cè)也是一種相對(duì)定位法對(duì)接收機(jī)定位精度的檢測(cè)。超短基線法選擇在周?chē)叨冉?0°以上無(wú)障礙物的場(chǎng)地并無(wú)電磁波干擾及地面反射系數(shù)小。將接收機(jī)天線整平對(duì)中放置在觀測(cè)墩上且同步測(cè)試。

圖1 零基線檢測(cè)示意圖

超短基線檢測(cè)步驟：

1）在標(biāo)定的場(chǎng)地內(nèi)接收機(jī)天線必須安置在觀測(cè)墩北方向。

2）接收機(jī)開(kāi)機(jī)接收同步衛(wèi)星信號(hào)，同步衛(wèi)星必須4顆以上連續(xù)接收1.5h。

3）用GNSS數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算，解算出的基線向量值與大地測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)值之間差值應(yīng)小于接收機(jī)固定規(guī)格。

1.4 內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)方法分析

GNSS接收機(jī)在進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)產(chǎn)生的誤差主要來(lái)源于載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響著接收機(jī)性能的優(yōu)越，是接收機(jī)的重要指標(biāo)。零基線法和超短基線法依據(jù)相對(duì)定位原理采用雙差載波相位方式對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算。

零基線法的解算依據(jù)上式（1）～式（4），它消除了電離層和對(duì)流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道誤差、多路徑效應(yīng)誤差、載波相位觀測(cè)噪聲、天線相位中心偏差誤差等，零基線檢測(cè)法可以較為真實(shí)地反映接收機(jī)的質(zhì)量水平，從檢測(cè)方法上分析多臺(tái)接收機(jī)接收的信號(hào)由同一臺(tái)天線傳輸，因此零基線法消除了天線對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響[9-10]。

在檢測(cè)主機(jī)與天線固定在一起的GNSS接收機(jī)采用超短基線法，但此方法無(wú)法消除天線相位中心偏差誤差和GNSS接收機(jī)對(duì)中誤差的影響，同時(shí)在雙差定位時(shí)載波觀測(cè)模型的解算也殘留著相關(guān)誤差的殘差。

2 儀器檢測(cè)實(shí)例與數(shù)據(jù)分析

本次檢測(cè)采用多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器，它能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)載體的動(dòng)態(tài)特性等各種因素對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的影響，精確模擬高動(dòng)態(tài)包括GLONASS、GPS和BDS等混合星座任意頻點(diǎn)組合的導(dǎo)航信號(hào)。依據(jù)我國(guó)最新發(fā)布的JJF 1471——2014《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號(hào)模擬器校準(zhǔn)規(guī)范》和BD 420012——2015《北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）信號(hào)模擬器性能要求及測(cè)試方法》對(duì)此次使用的GNS8450多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器校準(zhǔn)，表1為多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器性能與BD 420012——2015專(zhuān)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對(duì)比?？梢钥闯鯣NS8450多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器仿真的導(dǎo)航信號(hào)符合我國(guó)規(guī)定要求，因此GNS8450模擬器可以作為高精度的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，提供高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)1PPS脈沖信號(hào)和10MHz時(shí)鐘信號(hào)，并且能夠滿足各類(lèi)多終端協(xié)同導(dǎo)航測(cè)試的應(yīng)用需求，目前是GNSS接收設(shè)備測(cè)量首選計(jì)量?jī)x器[11]。

表1 多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器性能與BD 420012——2015專(zhuān)項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對(duì)比

本次采用GNS8450多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器支持 BDS（B1、B2、B3）和 GPS（L1、L2）5 個(gè)頻點(diǎn)任意頻點(diǎn)間隨機(jī)組合信號(hào)輸出，同時(shí)檢測(cè)接收機(jī)采用上海司南研發(fā)的M300 Pro接收機(jī)，此型號(hào)接收機(jī)完全支持多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器仿真的5個(gè)頻點(diǎn)，可同時(shí)跟蹤14顆衛(wèi)星，利用M300 Pro接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

本次檢測(cè)采用零基線法對(duì)GNSS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)，將2臺(tái)接收機(jī)分別接至功率分配器2個(gè)輸出端口，在檢測(cè)中多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器直接將衛(wèi)星信號(hào)輸出至功率分配器，然后通過(guò)功率分配器等功率、相位傳輸給接收機(jī)，如圖2所示。

在多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器檢測(cè)平臺(tái)上，首先將多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器通過(guò)本地控制軟件界面設(shè)置后，下發(fā)星歷數(shù)據(jù)，確定下發(fā)完畢指示信號(hào)后，等待仿真計(jì)算機(jī)仿真命令，仿真計(jì)算機(jī)開(kāi)始仿真后實(shí)時(shí)將載體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸給模擬器，信號(hào)處理模塊將產(chǎn)生的GNSS中頻信號(hào)輸入到射頻板，再將模擬器射頻輸出的衰減信號(hào)與功率分配器對(duì)接[12]。由于本次檢測(cè)是對(duì)GNSS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)，衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量越好使得接收機(jī)定位精度越高，更加體現(xiàn)接收機(jī)性能的優(yōu)越，但是接收機(jī)在日常工作中往往會(huì)受到各方面的干擾，因此在對(duì)仿真環(huán)境星座參數(shù)編輯時(shí)，使用多種仿真效應(yīng)模型，如：對(duì)流層模型和電離層模型。

圖2 接收機(jī)閉環(huán)仿真系統(tǒng)框圖

利用多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器在對(duì)衛(wèi)星信號(hào)靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集時(shí)，衛(wèi)星天空分布圖如圖3所示。

運(yùn)用GNSS數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)各接收機(jī)采集的衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)基線處理，根據(jù)BD420009——2015規(guī)定：在接收機(jī)內(nèi)部進(jìn)行噪聲水平檢測(cè)時(shí)，接收機(jī)連續(xù)采集數(shù)據(jù)時(shí)間不少于30min且觀測(cè)數(shù)據(jù)靜態(tài)解基線向量長(zhǎng)度在1mm以內(nèi)，則認(rèn)為接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平滿足檢測(cè)要求[13]。表2為9組接收機(jī)靜態(tài)基線處理結(jié)果，在表中直觀的看出利用多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器對(duì)接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)所采集的靜態(tài)解基線向量長(zhǎng)度均小于1mm。

圖3 觀測(cè)時(shí)段衛(wèi)星天空分布圖

表2 9組接收機(jī)靜態(tài)基線處理結(jié)果

圖4 第1組接收機(jī)零基線觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量

圖4 是第1組接收機(jī)零基線雙差定位殘差，圖中大寫(xiě)字母C、G分別代表BDS和GPS（下文字母含義一致）。由圖可知雙差定位殘差值很小，GPS衛(wèi)星雙差定位殘差最大值為5mm，而B(niǎo)DS衛(wèi)星雙差定位殘差最大值為18 mm，根據(jù)雙差殘差可以明顯分析出GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)于BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。如圖5所示，靜態(tài)基線GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好沒(méi)有出現(xiàn)周跳現(xiàn)象，BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差明顯出現(xiàn)周跳現(xiàn)象。

載波相位觀測(cè)值精度根據(jù)雙差觀測(cè)量殘差分析：第1組接收機(jī)觀測(cè)值精度很高，其中GPS觀測(cè)值精度高于BDS觀測(cè)值精度，如表3所示，GPS/BDS水平精度和垂直精度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)上述結(jié)果表明，雙差觀測(cè)量殘差的高低直接影響著觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，對(duì)觀測(cè)值精度的計(jì)算起到?jīng)Q定作用。接收機(jī)內(nèi)部噪聲影響了GPS/BDS載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)致雙差觀測(cè)量殘差參差不齊，但內(nèi)部噪聲的影響較小，GPS/BDS頻點(diǎn)殘差變化幅度不大。

圖5 第1組接收機(jī)零基線雙差定位殘差

表3 第1組接收機(jī)靜態(tài)基線觀測(cè)值精度

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，GNSS接收機(jī)性能的檢測(cè)越來(lái)越重要，它必須符合國(guó)家規(guī)定要求。內(nèi)部噪聲水平的檢測(cè)是GNSS接收機(jī)主要的檢測(cè)項(xiàng)目之一，本文采用多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器對(duì)接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平檢測(cè)，該方法可重現(xiàn)復(fù)雜的效應(yīng)場(chǎng)景對(duì)同批號(hào)接收機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，這在已有的檢測(cè)方法中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)檢測(cè)實(shí)例，驗(yàn)證了的多載體導(dǎo)航信號(hào)模擬器檢測(cè)方法的有效性，該方法不但科學(xué)、客觀的反映了接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平，而且還提高了檢測(cè)效率。

[1]羅海美，劉廣軍，劉旭東.GNSS接收機(jī)內(nèi)噪聲水平檢測(cè)評(píng)價(jià)方法研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015，38（1）：34-37.

[2]北斗/全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）測(cè)量型接收機(jī)通用規(guī)范：BD 420009-2015[S].北京：中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2015.

[3]張銳，蔡艷輝，翟清斌.現(xiàn)代GNSS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平評(píng)定[J].中國(guó)計(jì)量，2010（12）：97-99.

[4]高成發(fā)，趙毅，萬(wàn)德鈞.GPS載波定位中雙差觀測(cè)值權(quán)的合理確定[J].測(cè)繪科學(xué)，2005，30（3）：28-32.

[5]祝會(huì)忠.長(zhǎng)距離單元非差GNSS網(wǎng)絡(luò)RTK理論呢與方法 [M].北京：中國(guó)測(cè)繪出版社，2014：14-38.

[6]蘇玉瑞，姬洪亮，王曉南.GPS接收機(jī)內(nèi)部噪聲水平測(cè)試方法研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2014，37（12）：118-119.

[7]杜娟，張會(huì)，劉星，等.基于零基線的GPS/BD2兼容接收機(jī)精度檢測(cè)方法研究[J].艦船電子工程，2013，33（7）：121-123.

[8]全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量型接收機(jī)檢定規(guī)程：CH 8016-1995[S].北京：國(guó)家測(cè)繪局，1995.

[9]AMIRI-SIMKOOEI A R，TIBERIUS C C J M.Assessing receiver noise using GPS short baseline time series[J].GPS Solutions，2007，11（1）：21-35.

[10]LANGLEY R B.GPS receiver system noise[J].GPS World，1997，8（7）：40-45.

[11]劉志國(guó).衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器研究與實(shí)現(xiàn)[D].太原：中北大學(xué)，2014.

[12]寇艷紅，常青，張其善.高動(dòng)態(tài)GPS模擬器閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，30（6）：534-538.

[13]高曉，戴吾蛟，李施佳.高精度GPS/BDS兼容接收機(jī)內(nèi)部噪聲檢測(cè)方法研究 [J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào) （信息科學(xué)版），2015，40（6）：759-799.

（編輯：劉楊）

Study on the internal noise level detection method of GNSS receiver

HU Ning1，2，3，GAO Zhiming1，ZHOU Yong1，4
（1.School of Electronics and Information Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；2.Nanjing Institute of Measurement and Testing Technology，Nanjing 210037，China；3.Jiangsu Beidou Satellite Navigation Testing Center Co.，Ltd.，Nanjing 210032，China；4.Jiangsu Technology and Engineering Center of Meteorological Sensor Network，Nanjing 210044，China）

In performance evaluation，GNSS receiver positioning accuracy is essential for testing of the internal noise level.The research uses multi-carrier navigation signal as a high-precision standard signal，and broadcasts the same signal source when detecting the internal noise level of multiple GNSS receivers，then uses the zero-baseline method to identify the GNSS receivers.By testing samples，it is more reasonable and feasible to detect the receiver’s internal noise level with multi-carrier navigation simulator.Compared with the traditional method，the proposed method is faster，more effective and can satisfy the requirements of the receiver’s internal noise level.

GNSS receiver； internal noise level； zero baseline method； multi-carrier navigation signal simulator

A

1674-5124（2017）04-0028-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.007

2016-09-12；

2016-11-03

胡 寧（1967-），男，江蘇南京市人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)研究。