不同GNSS信號的接收機內(nèi)部噪聲特性分析

竇邵華，匡翠林，周要宗

(中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長沙 410083)

0 引言

近些年，隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)的不斷發(fā)展，GNSS可用信號日益豐富，各星座也日趨完善，呈現(xiàn)出多系統(tǒng)競爭與兼容的局面[1]。多系統(tǒng)的發(fā)展使得多GNSS兼容的接收機需求量不斷增加，而接收機性能的好壞又直接影響著GNSS系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。接收機內(nèi)部噪聲是衡量接收機性能好壞的一個重要指標，反映了接收機信號通道間、信號鎖相環(huán)、碼跟蹤環(huán)的偏差以及鐘差等引起的測距和測相誤差的綜合影響，是高精度定位的重要影響因素。因此GNSS接收機內(nèi)部噪聲評估對用戶選擇接收機和廠商研發(fā)接收機都有著重要的現(xiàn)實意義。

零基線檢驗法是檢定接收機性能的常用方法[2]，其原理是：通過功率分配器使2臺GNSS接收機連接到同1個天線上，從而使得2臺接收機組成的基線的理論長度為0；由于零基線可以消除衛(wèi)星鐘差、星歷誤差、大氣延遲誤差、多路徑誤差和天線相位中心偏差等誤差，因此當使用2臺相同接收機進行零基線測試時，將實際通過衛(wèi)星信號計算得到的基線長度與理論長度進行比較，得到的基線偏差便可以用來評估接收機的性能[2-4]。傳統(tǒng)零基線檢驗法雖可較為真實地反映GNSS接收機的性能，但并不能反映接收機內(nèi)部噪聲的特性。

本文通過實驗系統(tǒng)地對全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)和格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GLONASS)接收機的內(nèi)部噪聲的特性和噪聲水平進行了評估，采用零基線觀測值作差的方法，即通過求差的方法，在消除各種誤差之后得到反映觀測噪聲的殘差序列[5-9]。

1 零基線雙差恢復(fù)單差的接收機內(nèi)部噪聲評估方法

為了得到反映接收機內(nèi)部噪聲的殘差序列，可以在觀測值之間進行雙差，該方法可以消除接收機內(nèi)部噪聲以外的其余誤差，但是得到的雙差殘差包含參考衛(wèi)星和待評估衛(wèi)星2顆衛(wèi)星誤差的綜合影響，不利于對各顆衛(wèi)星進行獨立的分析[5，10]。為了得到可以反映不同類型衛(wèi)星的接收機內(nèi)部噪聲殘差序列，首先對2臺接收機共視的同1顆衛(wèi)星在相同觀測歷元進行單差，得到

(1)

(2)

從式(1)和式(2)可以看到，單差殘差序列包含除了接收機內(nèi)部噪聲以外的其他誤差，為了得到僅含有內(nèi)部噪聲的單差殘差序列，假設(shè)某一個歷元有n顆共視衛(wèi)星，則相應(yīng)的n-1個雙差殘差為

(3)

(4)

通過求解(4)式，便可以得到由雙差殘差恢復(fù)得到的單顆衛(wèi)星的接收機內(nèi)部噪聲序列[10-11]。從而可以實現(xiàn)對不同類型衛(wèi)星接收機內(nèi)部噪聲序列的對比分析。

2 實驗與結(jié)果分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)采集

實驗數(shù)據(jù)為2017-08-20 — 2017-08-26在中南大學(xué)某辦公樓頂采集的為期7 d的零基線數(shù)據(jù)。實驗通過使用功率分配器將1個天線和2臺Trimble NetR9接收機進行連接，實驗現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 零基線實驗現(xiàn)場

為了更好地分析各GNSS系統(tǒng)、各衛(wèi)星類型、各信號頻率的接收機內(nèi)部噪聲特性和噪聲水平，本文對GPS、GLONASS、Galileo、BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)進行了對比分析，主要分析了接收機噪聲與衛(wèi)星高度角的關(guān)系以及噪聲水平，其中接收機噪聲與衛(wèi)星高度角的關(guān)系采用的是1 d的數(shù)據(jù)，而噪聲水平統(tǒng)計采用的是1星期的數(shù)據(jù)。

2.2 結(jié)果分析

對于各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機內(nèi)部噪聲與衛(wèi)星高度角的關(guān)系，本文分別從偽距和載波2個方面對2017-08-20各類型衛(wèi)星不同頻段的信號進行了對比分析，結(jié)果如下：圖2～9中縱軸表示噪聲，橫軸表示衛(wèi)星高度角，每幅子圖代表了同一類型衛(wèi)星同一頻段觀測值1 d的接收機內(nèi)部噪聲與衛(wèi)星高度角的關(guān)系。從圖2～9可以看出，偽距觀測值接收機內(nèi)部噪聲水平比載波觀測值接收機內(nèi)部噪聲水平高2個數(shù)量級，并且偽距觀測值接收機內(nèi)部噪聲水平基本小于1 m，載波觀測值接收機內(nèi)部噪聲水平基本小于1 cm。

對于BDS地球靜止軌道衛(wèi)星(geosynchronous Earth orbit，GEO)、中圓地球軌道衛(wèi)星(medium Earth orbit，MEO)、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星(inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO)各頻段接收機內(nèi)部噪聲與高度角的關(guān)系如圖2和圖3所示。

圖2 BDS各類型衛(wèi)星各頻段偽距信號殘差與高度角的關(guān)系

圖3 BDS各類型衛(wèi)星各頻段載波信號殘差與高度角的關(guān)系

從圖2和圖3可以看出：對于BDS的偽距信號，B1頻段接收機噪聲受高度角影響較大，隨著高度角升高噪聲降低，而B2和B3頻段的接收機噪聲與高度角無明顯關(guān)系；MEO衛(wèi)星B1頻段的接收機噪聲隨高度角的增大持續(xù)減小，而IGSO衛(wèi)星B1頻段的接收機噪聲當高度角超過一定值時變化較??；并且噪聲水平呈現(xiàn)從B1、B2、B3依次減小的趨勢；對于BDS的載波，不同頻段的接收機噪聲與高度角的關(guān)系相似，各類型衛(wèi)星各頻段信號的接收機噪聲在衛(wèi)星高度角超過一定高度時隨高度角變化較小。

從圖4和圖5可以看出：對于GPS的偽距和載波信號，各類型衛(wèi)星接收機噪聲隨高度角變化情況相似；對于Block IIF類型衛(wèi)星L5頻段，偽距信號接收機噪聲隨衛(wèi)星高度角的增大變化較??；各類型衛(wèi)星L1頻段載波信號接收機噪聲在低高度角時隨高度角增大而減小，當高度角超過一定值時變化較小。

圖4 GPS各類型衛(wèi)星各頻段偽距信號殘差與高度角的關(guān)系

圖5 GPS各類型衛(wèi)星各頻段載波信號殘差與高度角的關(guān)系

從圖6和圖7可以看出：對于GLONASS-M類型衛(wèi)星偽距信號接收機噪聲較大；不同類型衛(wèi)星不同頻段信號的接收機噪聲與高度角的關(guān)系類似，均為偽距信號接收機噪聲隨高度角的增大變化較小，載波信號接收機噪聲隨高度角增大有減少趨勢。

圖6 GLONASS各類型衛(wèi)星各頻段偽距信號殘差與高度角的關(guān)系

圖7 GLONASS各類型衛(wèi)星各頻段載波信號殘差與高度角的關(guān)系

對于Galileo系統(tǒng)在軌驗證(in-orbit validation，IOV)衛(wèi)星和具備完全操作能力(full operational capability，F(xiàn)OC)衛(wèi)星各頻段接收機內(nèi)部噪聲與高度角的關(guān)系如圖8和圖9所示。

圖8 Galileo各類型衛(wèi)星各頻段偽距信號殘差與高度角的關(guān)系

圖9 Galileo各類型衛(wèi)星各頻段載波信號殘差與高度角的關(guān)系

從圖8和圖9可以看出：Galileo系統(tǒng)IOV衛(wèi)星和FOC衛(wèi)星相同頻段信號接收機內(nèi)部噪聲隨衛(wèi)星高度角的變化關(guān)系相似；E1和E5a頻段載波信號的接收機噪聲與高度角的關(guān)系相似，均隨著高度角的增大無明顯變化；E5a頻段偽距信號接收機噪聲相對于高度角的變化較小，而E1頻段偽距信號接收機噪聲相對于高度角變化較大，隨著高度角的增大明顯減小。

為了更好地了解各個系統(tǒng)之間、各種類型衛(wèi)星之間、各個頻段之間的接收機噪聲水平，本文統(tǒng)計了2017-08-20—2017-08-26共7 d不同系統(tǒng)不同衛(wèi)星不同頻率的偽距和載波接收機噪聲水平均方根(root mean square，RMS)，分別如表1和表2所示。

表1 偽距觀測值接收機噪聲水平RMS值 m

表2 載波相位觀測值接收機噪聲水平RMS值 mm

從表1和表2可以看出：偽距觀測值接收機噪聲中，Galileo接收機噪聲最小，BDS稍優(yōu)于GPS，GLONASS接收機噪聲最大；對于BDS系統(tǒng)，不同類型衛(wèi)星之間差異較小，不同頻段之間呈現(xiàn)從B1、B2、B3接收機噪聲水平依次減小的趨勢；載波相位觀測值接收機噪聲中，不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間差異較小；BDS系統(tǒng)中，GEO衛(wèi)星接收機噪聲最大，IGSO和MEO衛(wèi)星噪聲水平接近；BDS系統(tǒng)同一類型衛(wèi)星不同頻段信號的接收機噪聲水平差異較小。

3 結(jié)束語

本文通過零基線雙差恢復(fù)單差的接收機內(nèi)部噪聲評估方法，對Trimble NetR9接收機采集的多GNSS數(shù)據(jù)進行了分析，得出如下結(jié)論：

1)對于不同系統(tǒng)不同類型衛(wèi)星不同頻段信號，同一接收機的噪聲有所差異。

2)對于偽距觀測值接收機噪聲，Galileo最小，BDS次之，GLONASS最大；BDS系統(tǒng)中，B1頻段觀測值接收機噪聲隨衛(wèi)星高度角增大而減小，B2和B3頻段受高度角影響較小；不同類型衛(wèi)星之間噪聲水平差異較小，不同頻段之間呈現(xiàn)從B1、B2、B3接收機噪聲水平依次減小的趨勢。

3)對于載波相位觀測值接收機噪聲，不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間差異較??；對于BDS系統(tǒng)，各頻段觀測值接收機噪聲隨衛(wèi)星高度角增大有減小趨勢，當高度角超過一定值時，隨高度角的增大變化均較?。籅DS系統(tǒng)同一類型衛(wèi)星不同頻段信號接收機噪聲水平之間的差異較小。

綜合上述結(jié)論可以得出，在涉及接收機內(nèi)部噪聲的時候，應(yīng)區(qū)別對待不同系統(tǒng)不同類型衛(wèi)星不同頻段信號的接收機內(nèi)部噪聲；在按衛(wèi)星高度角定權(quán)的時候，應(yīng)充分考慮接收機內(nèi)部噪聲與衛(wèi)星高度角的關(guān)系特性。