高靈敏度GNSS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)及性能

王華龍

摘 要：目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）在定位、導(dǎo)航等很多民用和軍事領(lǐng)域中正廣泛地應(yīng)用，但大多數(shù)應(yīng)用都是在信號(hào)條件較理想的環(huán)境中。在室內(nèi)、森林和城市等復(fù)雜環(huán)境條件下時(shí)，由于遮擋、多徑干擾等影響非常嚴(yán)重，可使衛(wèi)星信號(hào)信噪比下降20 dB左右，導(dǎo)致定位精度將大大降低，GNSS無法得到很好的應(yīng)用。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的不斷發(fā)展，高靈敏度接收機(jī)技術(shù)受到很大關(guān)注，弱信號(hào)處理技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)。因此對(duì)GNSS弱信號(hào)處理的研究有著非常重要的意義。該文首先闡述了GNSS軟件接收機(jī)尤其是高靈敏度接收機(jī)基本架構(gòu)和設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。

關(guān)鍵詞：GNSS 弱信號(hào)處理技術(shù) 基帶信號(hào)處理

中圖分類號(hào)：TN96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（b）-0026-02

1 全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述

GNSS（Global Navigation Satellite System）全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是是一種綜合的星座系統(tǒng)，它是20世紀(jì)90年代中期由歐盟首先提出的，使所有在軌工作的衛(wèi)星總稱。GNSS接收機(jī)的主要工作是最精確地捕獲到一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星信號(hào)。并追蹤這些衛(wèi)星的基本運(yùn)行軌跡，對(duì)所接收到的信號(hào)進(jìn)行變換、放大等信號(hào)處理，用于測(cè)量計(jì)算出衛(wèi)星信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線之間的傳播時(shí)間，編譯出GNSS衛(wèi)星發(fā)送的電文導(dǎo)航，計(jì)算用戶的實(shí)際三維位置和速率及使用時(shí)間。

2 GNSS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，GNSS軟件接收機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)。

硬件結(jié)構(gòu)為設(shè)備前端設(shè)備的信號(hào)處理部分信號(hào)處理部分軟件結(jié)構(gòu)為：射頻前端設(shè)備。

2.1 天線

天線是專門為接收衛(wèi)星信號(hào)而設(shè)計(jì)的，其結(jié)構(gòu)必須適應(yīng)所使用的環(huán)境且符合衛(wèi)星信號(hào)的特點(diǎn)。GNSS接收機(jī)對(duì)天線的性能要求是：高增益、低噪聲系數(shù)、大的動(dòng)態(tài)范圍。

2.2 RF前端

衛(wèi)星信號(hào)通過天線單元被接收后，經(jīng)過射頻前端，輸入信號(hào)被放大，并下變頻至中頻信號(hào)，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器形成數(shù)字信號(hào)后輸入給基帶處理模塊。下變頻數(shù)字化方式的優(yōu)點(diǎn)是輸入頻率首先轉(zhuǎn)化到相對(duì)輸入頻率低的頻率值，容易建立窄帶濾波器，使放大器在低頻工作，但必須使用混頻器和本地振蕩器，雖然增加了成本，但減少了頻率誤差產(chǎn)生的可能性。

前置RF放大器主要用于當(dāng)噪聲過于強(qiáng)大時(shí)防止噪聲對(duì)接收機(jī)的損害，并濾除掉頻帶外的高頻信號(hào)；下變頻主要是將本地的相關(guān)信號(hào)和接收到的高頻信號(hào)進(jìn)行濾波和多次的混頻處理。把信號(hào)從很高的1 575.42 MHz頻段進(jìn)一步的變?yōu)檩^低的中頻信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)化完成對(duì)中頻信號(hào)的數(shù)字化，供基帶處理使用。

2.3 基帶信號(hào)處理

GNSS軟件接收機(jī)信號(hào)處理功能主要是接收信號(hào)（來自射頻模塊的信號(hào)），將該信號(hào)進(jìn)行頻率放大，濾波等相關(guān)處理。這樣處理的目的是得到信號(hào)的碼相位和載波頻率。實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的捕獲與跟蹤，提供定位解算的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，接收機(jī)還必須在載波相位域內(nèi)檢測(cè)衛(wèi)星，得到載波頻率，這樣形成了二維的信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。然后對(duì)捕獲后的信號(hào)進(jìn)行碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路跟蹤測(cè)量，最后對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航電文解碼，結(jié)果是完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)的提取任務(wù)。

在傳統(tǒng)接收機(jī)中，通常采用硬件相關(guān)器實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻采樣數(shù)據(jù)的處理，而GNSS軟件接收機(jī)的處理程序是基于PC機(jī)本身的中頻信號(hào)相關(guān)處理程序。

2.4 導(dǎo)航定位的解算工作

GNSS接收機(jī)位置解算是通過某一時(shí)刻天空中各可視衛(wèi)星瞬時(shí)位置及相應(yīng)的消除各項(xiàng)誤差后的偽距來求解該時(shí)刻接收機(jī)在地球坐標(biāo)系下的三維位置。在理想情況下，用戶接收機(jī)可以通過接收到3顆或者以上的衛(wèi)星相關(guān)位置信息，并測(cè)得出信號(hào)從衛(wèi)星傳輸?shù)浇邮諜C(jī)天線所需要的具體時(shí)間，就可以計(jì)算出當(dāng)前位置。

2.5 高靈敏度GNSS接收機(jī)結(jié)構(gòu)

高靈敏GNSS接收機(jī)結(jié)構(gòu)與一般接收機(jī)的不同之處在于要采用專門針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的弱信號(hào)的捕獲、跟蹤方法（見圖2）。

2.6 接收機(jī)整體性能指標(biāo)

由圖1可知，GNSS軟件接收機(jī)可分為硬件和軟件兩大部分，因此影響接收機(jī)的整體性能指標(biāo)也應(yīng)包括硬件指標(biāo)和軟件算法性能兩部分。

2.6.1 總增益

2.6.2 接收機(jī)的靈敏度和噪聲性能

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，人們應(yīng)用過程中對(duì)GNSS接收機(jī)在靈敏度方面的要求越來越高，具有高靈敏度的接收機(jī)在性能方面可以使接收機(jī)在衛(wèi)星信號(hào)較弱的地理環(huán)境情況下依然能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的定位和跟蹤任務(wù)。實(shí)際GNSS接收機(jī)系統(tǒng)在靈敏度指標(biāo)主要包括多個(gè)指標(biāo)，分別為：捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、初始啟動(dòng)靈敏度。

GNSS軟件接收機(jī)首要任務(wù)是對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲，在此基礎(chǔ)上將完成捕獲所需要的最低強(qiáng)度的信號(hào)叫做捕獲靈敏度；為了實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)，GNSS軟件接收機(jī)對(duì)所發(fā)送的電文導(dǎo)航進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)電文所需的最低信號(hào)強(qiáng)度為初始啟動(dòng)靈敏度。

從整個(gè)GNSS軟件接收機(jī)系統(tǒng)的角度進(jìn)行分析，GNSS接收機(jī)的靈敏度主要由以下兩個(gè)方面決定：（1）接收機(jī)前端整個(gè)信號(hào)通路的增益及噪聲性能，包括通道增益、通道噪聲系數(shù)、天線增益等；（2）基帶部分的算法性能。其中，接收信號(hào)到達(dá)基帶部分的信噪比有接收機(jī)前端的性能決定，解調(diào)、捕獲、跟蹤過程所能容忍的最小信噪比由基帶算法則決定。接收機(jī)芯片的靈敏度具體是指基帶算法對(duì)輸入載噪比（單位為dBHz）的要求，接收機(jī)的靈敏度性能與載噪比的關(guān)系如下：

（2）

由以上式可以得出，接收機(jī)的靈敏度和噪聲系數(shù)及基帶要求的載噪比呈線性關(guān)系變化。所以為了達(dá)到基帶芯片所要求的載噪比，接收機(jī)的靈敏度性能就越好。另外對(duì)接收機(jī)整體的噪聲性產(chǎn)生影響的也有信號(hào)的相位噪聲，最終影響輸出端的載噪比。

3 結(jié)語

文章主要從系統(tǒng)角度介紹了一般GNSS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)以及其各部分的功能和工作流程，并給出了高靈敏度GNSS接收機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖，分析了系統(tǒng)增益、靈敏度及噪聲系數(shù)等性能指標(biāo)，對(duì)GNSS接收機(jī)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和論述。

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