GNSS双模多模接收机综述.doc

A Summary of GNSS Dual/Multi Mode ReceiverLi shengming1, Wang meng1,2, Shi huli1,Pang Feng11. National Astronomical observatory，Chinese Academy of Sciences，Beijing，China2. Graduate School，Chinese Academy of Sciences，Beijing，ChinaAbstract：With the construction of several global navigation systems such as the GPS, GLONASS, Galileo and Beidou2, the research of GNSS dual/multi mode receiver become hotpot in the field of navigation receivers. Dual/multi mode receiver is the receiver which compatible with two or more than two navigation systems. The technology approaches and research history of GNSS dual/multi mode receiver is introduced, the paper also analyzed the key technology of the dual/multi mode receiver. The evolution trend of GNSS receiver technologies are discussed based on the market application requirement on modern navigation systems, which is useful to new types of navigation receivers.Key Words：GNSS；Navigation Receiver；Multi Mode；RF Front-End；System CompatibilityGNSS双/多模导航接收机综述李圣明1, 王萌1,2, 施浒立1，庞峰11. 中国科学院国家天文台, 北京，中国， 100012；2. 中国科学院研究生院, 北京，中国， 100049【摘要】随着世界上GPS、GLONASS、Galileo和中国北斗二代等全球导航系统的建设，GNSS双/多模接收机成为导航接收机领域研究的热点。双/多模接收机即兼容两个或两个以上导航系统的导航接收机。本文对全球导航卫星系统(GNSS- Global Navigation Satellite System)双/多模接收机的技术途径和研究历史进行了介绍，对双/多模接收机的关键技术进行了分析。并根据市场应用对现代导航系统的需求论述了未来GNSS接收机技术的发展趋势,对新型接收机的研制具有指导意义。【关键词】GNSS；导航接收机；多模；射频前端；系统兼容性1 引言GNSS是全球导航卫星系统的英文缩写，与GPS、GLONASS等单一的卫星导航系统不同，GNSS是采用多个卫星导航系统的信号实现联合定位与导航，这决定了GNSS接收机必须实现对所采用的各个卫星导航系统的双/多模兼容性。具有双/多模接收功能的GNSS接收机的可用卫星数增多，可以选择卫星几何布局更佳的卫星实现定位解算，相比采用单一系统定位的接收机将带来更高的定位精度，同时，评价导航系统定位性能的可用性、连续性、可靠性、稳定性都得到改善。目前已建成的全球卫星导航系统有美国的GPS，俄罗斯的GLONASS两个系统，在建的全球系统有中国的北斗二代导航系统，欧洲的“伽利略”导航系统，另外，日本，印度都在筹建自己的区域定位系统，众多卫星导航系统的建设，为GNSS导航接收机的实现提供了系统基础。资助信息：国家重点基础研究发展计划“973”(2007CB815500)项目；国家高技术发展计划“863”（2007AA12Z343）；中国科学院国家天文台青年人才基金.由于各导航系统在设计思路，技术方案上的差异，造成已有导航系统及其在建系统之间在体系结构、载波频率、编码方式、坐标系统、时间系统等方面都有较大的差异1。所有这些差异，增加了研制GNSS双/多模接收机的难度。本文从GNSS接收机的研究现状出发，结合已有双/多模接收机的实现方式，对GNSS接收机的技术途径和发展趋势进行分析，指出了实现双/多模接收机的关键，对接收机的研究具有一定的参考价值。2 GNSS双/多模接收机研究现状GNSS双/多模接收机的研究始于20世纪90年代，当时世界上只有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS两大导航系统，因此研究的重点是兼容GPS和GLONASS信号的双模接收机。进入21世纪以来，随着卫星导航技术的发展、成熟和导航在军事、民用领域的应用的拓展，卫星导航市场迅速扩大。据市场预测，到2018年，GNSS的产品规模和服务总额将达到2900亿美元，2020年，GNSS市场预期估计将达到3100亿美元，将有至少30亿套导航芯片被各种导航接收系统应用3。GNSS巨大的市场潜力吸引了包括中国、欧盟、日本等在内世界各大经济体都开始了自主卫星导航系统的建设。与GPS和GLONASS的军事背景不同，新建设的卫星导航系统均瞄准了潜力巨大的民用市场，在系统设计上优先考虑了与已有系统的兼容性与互操作性能。在接收机的设计上，各国的主流设计公司都着力开展了兼容GPS、GALILEO、GLONASS等系统的双/多模接收机的设计。2.1 国外GNSS双/多模接收机研究情况及特点国外对GNSS接收机的研究是伴随着美国GPS和俄罗斯GLONASS导航系统的建设过程同步开展的，起步比较早，得益于先进的微电子技术、信号处理等优势，GNSS产业化水平比较高。美国3S公司1994年在全球推出了首款GPS/GLONASS双模接收机R100，经过十多年的发展，国外GNSS接收机的发展大致经历了三代7：第一代以3S公司的R100和Ashtech公司的GG24为代表，由于此时全球只有GPS和GLONASS两个导航系统，因此此时的GNSS接收机针对两个系统的L1频点进行设计，能够实现两系统的联合定位，限于当时的技术水平，实现的功能比较简单，接收机的成本也较高，应用限于局限于对可靠性、安全性要求比较高的领域。第二代从2000年美国的TOPCON公司研制的Euro 160，Euro 80开始研制双系统双频接收机，解决了系统的兼容性问题，到2006年，加拿大NovAtel公司推出双系统双频接收机OEM-V3，这一阶段主要研究热点集中于采用双频技术提高定位精度，通过双系统提高定位的可靠性。第三阶段以2005年9月, TOPCON公司推出了GR-3兼容接收机为标志, 该接收机采用了独特的通用信号跟踪技术, 具有72个超级通用通道, 每个通道都可以跟踪、处理GPS, GLONASS及GALILEO 卫星的任一频率信号5。G3 芯片除了支持GPS/GLONASS L1/L2 载波信号外, 还全面支持GPS 现代化的L2C，L5 信号，以及未来GALILEO系统的所有信号。G3芯片的推出，标志着多模接收机时代的来临。现在，国外GNSS双/多模接收机技术已经逐渐成熟，形成了系列产品，JAVAD公司的JNS100-GG，在集成度和处理能力上均达到了很高的水平。另外，美国Maxim公司和Trimble公司还推出了单芯片的多模GNSS接收机，把射频前端和处理基带集成到一个芯片上，这种芯片化的接收机只需要接少量外围器件就可以实现对多系统的导航信号进行处理，成本、体积、功耗都得到大大降低，而定位能力却得到提升，已成为未来接收机的发展方向。总之，国外接收机技术的发展具有良好的技术基础，产业化规模较大，在GNSS时代能够迅速在比较高的起点向兼容接收机转型，在接收机的芯片化和定位软件的研发方面处于领先地位。上述三代中有的GNSS双/多模接收机仍然是目前市场的主流产品，价格一般要比同型的单系统接收机高出一倍以上不等，相信，随着中国北斗系统、欧洲伽利略系统的建设，兼容更多系统的GNSS双/多模接收机将会出现，同时，技术的成熟、产品的竞争也会不断提高性能、降低价格，给用户提供更好的导航服务。2.2 国内GNSS双/多模接收机研究情况与特点国内对GNSS双/多模接收机的研究是从上世纪90年代初开始的，最初是在一些测绘相关的科研院所和一些大学的相关专业，研究的内容也限于对GPS导航系统及导航接收机的工作原理进行跟踪研究。当时的接收机市场基本被国外品牌的GPS接收机占据，国外接收机售价很高，并且在定位精度、高程、加速度测量等方面设置限制，防止中国用于军事目的。随着在军事、民用领域应用的扩展，尤其是GPS在两次海湾战争中的成功应用，卫星导航越来越显露出其重要性。为了不受制于人，提高卫星导航的自主定位精度和能力，中国研制开发了北斗一代导航系统，并且在2002年1月建成运行，形成的双星区域定位系统，可向中国境内和台海周边地区用户提供有源定位服务2，在汶川抗震救灾中发挥了重要作用。北斗一代系统解决了中国卫星导航系统的有无问题，但是由于卫星分布不佳、系统的区域性和采用有源方式定位，造成定位的精度不佳，用户容量受限10。为了解决这一问题，中国一方面积极实施第二代卫星导航系统的研制与建设，同时与欧洲合作伽利略卫星导航系统的研发；另一方面大力开展了GNSS双/多模接收机的研制工作，以解决对单一导航系统的依赖性，已经研制成功了兼容北斗/GPS、北斗/GLONASS等系统的双/多模接收机。国内一些公司如北斗星通、东方联星、合众思壮和一些科研院所已经实现了GNSS双/多模接收机从射频前端到解调基带的芯片化，研制出的GNSS双/多模接收机产品，具有多种定位模式，定位精度和完好性较之传统单频导航接收机有了较大提高。由于目前北斗二代还未完成组网，无法实现系统内的独立定位，因此国内研制的双/多模接收机实现定位还对国外系统存有较大的依赖性，这一问题将随着北斗二代系统的逐步完善得到解决。根据中国二代导航系统建设的总体规划，2012年左右，北斗二代系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，我国的北斗系统将完成对全球范围的覆盖。届时，全球导航系统将形成中国北斗、美国GPS、俄罗斯GLONASS三强鼎立的局面。三系统在民用领域必将形成竞争与合作的关系。中国北斗系统具有后发优势，在设计、建设中充分考虑了与已有系统如GPS、欧洲GALILEO系统的兼容性和互操作能力，在GNSS双多模接收机设计上将更加容易，可以更好地提供定位服务。总结起来，国内GNSS双/多模接收机的研制过程有如下的特点：1、接收机的研究超前于本国导航系统的建设，通过对GPS、GLONASS、GALILEO等国外导航系统原理及其接收机的跟踪研究，国内在接收机研制方面已接近国际水平，在导航技术和应用方面的积累对于国内导航系统的建设和规划具有宝贵的借鉴意义；2、由于国内导航系统不完善，为了保证定位的安全性，在接收机的研制更注重GNSS双/多模能力的实现，对多系统的兼容技术比较重视，双/多模接收机的研究成为一个热门课题，从接收机的天线、射频前端、解调基带等硬件组成及滤波算法、定位解算、误差修正、多径抑制等多方面进行了研究，取得了一批成果；3、国内GNSS双/多模接收机研究一般限于对GPS和GLONASS的民用频段开展研究，定位精度只有10米，适用于对定位精度要求不高的民用领域，双/多模接收机研制的主要精力放在提高接收机精度的误差修正、组合导航、局域差分等领域。随着二代导航系统的建设，国家投入增加，逐渐开发出一批关键性能接近国际水平的GNSS接收机。3 GNSS双/多模接收机关键技术GNSS双/多模接收机的基本工作原理与单模导航接收机类似，也需要经过信号的接收、放大、变频、数字化，最后送入导航基带进行信号的捕获、跟踪、定位解算，最后给出定位结果。与单模接收机相比，双/多模接收机需要捕获跟踪多个系统的信号，解调出测距码，测出各自的伪距。由于不同的导航系统的信号体制、工作频率、时间体系、坐标系等系统参数不一致。需要对天线、变频单元、数字基带进行专门地设计，在信号处理时对各系统的信号进行统一处理，消除由于时间体系、坐标系的不一致引入的系统误差，从而利用多个卫星导航系统实现定位解算。在射频模块处理中，需要根据各系统的工作频率和中频输出，把各系统的导航信号变频到中频进行统一的AD采样，然后送入数字基带进行捕获、跟踪、定位解算。为此，天线工作带宽需要覆盖各系统的信号带宽，并且需要保证天线在两系统工作频段的相位中心一致，以减少引入定位的误差。在GNSS双/多模接收机的设计中，主要以下关键技术。3.1 GNSS双/多模组成方式及射频前端实现GNSS双/多模接收机选用不同的GNSS系统，对应的接收机射频前端的设计也不相同，主要有两种组成方式：（1）对于信号中心频点相同或相近的GNSS系统，GNSS接收机可以采用相同的天线、变频通道及数模转换。在基带处理环节中，针对不同系统采用不同的信号、测距码捕获跟踪通道，提取各系统的定位参数，最后统一进行定位解算。GPS L1频段、北斗B1频段、伽利略的L1频段的中心频点都是1575.42MHz，频带相对较窄，可以采用相同的天线及其变频环节。此种组合方法信号经过相同的天线、变频环节，通道时延对信号的影响比较一致，射频前端的设计比较简单，甚至可以沿用原来的单模接收机射频前端，仅在基带软件处理上采用双模软件，定位解算采用两个系统的卫星信息，要对两系统的时间、坐标系等不一致性进行校正8。需要注意的是，如果多系统的信号采用相同的变频、放大通道，到中频后，需要考虑信号之间的相互干扰的影响，另外不同系统的信号的带宽不一致时，需要按照大带宽的信号设计滤波器，对于窄带信号而言，多余带宽引入了噪声，降低了信噪比。因此需要在接收机性能与成本之间做出折中。（2）对于不同频点的导航系统，信号需要经过不同的变频通道变换到中频，此时导航接收机需要采用多变频通道组合方式。现代导航接收机一般采用低中频的通道化接收机，不同频点的卫星信号需要不同的本振把射频信号下变频到中频，经过数字化后送入数字基带处理解算，需要的变频通道应当分离。为了保证接收机内部信号的同源性和同步处理性能，一般采用同一个参考频率，经过频率综合器为每个通道提供本振，基带处理器需要增加中频输入通道，以便处理不同导航系统的中频信号。对于此种组合方式，每个通道的参数可以不同，可以根据GNSS系统各自的频率、带宽设计相匹配的下变频通道，从而使信号的质量达到最优。事实上，即使是同一个导航系统，为了防止信号之间的干扰及不同应用的需要，也都是采用了多频点、不同频带的，而俄罗斯GLONASS系统采用频分方式。在多模接收机具体设计时，有时需同时采用两种组合方式，其关键体现在射频前端的设计上，需要频率综合器产生指定的多路本振把不同通道的信号下变频到中频，既不能由于信号的同时接收引入相互干扰，又要降低体积和实现成本，往往需要经过多次设计、仿真与实现才能定型。3.2 GNSS双/多模接收机基带软硬件实现对于双/多模接收机的基带设计来说，工作量主要集中在双/多模接收机软件的实现上。现有的导航系统都是基于时间差的测距原理实现，测距精度依靠高精度的原子钟时间基准，不同的导航系统之间时间、空间基准不尽相同，在组成GNSS系统时，必须实现组成GNSS的各系统的信号的时间、坐标系的统一。在定位解算时，对各系统的信号进行分别捕获，联合解算。双/多模接收机利用多个导航系统实现定位，可以有效增加可见卫星的数量，实现更高的定位精度。同时，有应当具有单模式定位的能力，在一个系统由于某种原因不可用时，可以自动切换到另一个系统进行定位，体现了更高的安全性、可靠性，适用于民航客机等一些连续定位要求比较高的应用领域。接收机的定位性能必须结合应用综合考虑，理论上，在满足三维定位要求最少4颗卫星的前提下，更多的卫星信号可以为接收机提供更多的观测量，可以提高定位的精度，但并非接收的卫星数量越多越好，接收卫星的增多，需要接收机具有更多的接收通道，实现复杂，给接收机的软硬件设计带来更大困难，同时意味着更高的成本5，接收机的软件需要处理更多数据，运算量增加，降低了实时性。文献9研究了卫星数目增加对GDOP的影响，在满足定位的卫星数基础上增加卫星数量，GDOP会有减小，但当卫星数目超过6颗以后，GDOP的改善量减小，而计算量大大增加，并提出了两种考虑卫星对GDOP贡献的选星算法，进行了仿真。基带软硬件的功能的协同设计是实现GNSS双/多模接收机的一项重要关键技术。4 GNSS双/多模接收机展望GNSS双/多模接收机与卫星导航系统的建设同步发展，同时吸取了现代电子技术、信号处理和新型接收机设计的最新成果，芯片化、集成度不断提高，其应用领域不断推广，同时新的应用领域的又对GNSS接收机提出了更高的需求，反过来推动了GNSS接收机技术的发展。双多模导航接收机的发展方向还与导航系统的发展相适应，根据目前导航应用的需要，GPS、GLONASS都在进行新的一轮现代化改进，延长卫星工作寿命、增强发射功率、增加工作频点等一系列措施，使得卫星导航系统的抗干扰能力和定位精度有很大提升。目前世界各国都已经认识到了卫星导航的重要性，但建设全球卫星导航系统具有较高的门槛：一方面要攻克星载原子钟、高精度卫星测定轨、分布全球的地面测控站等一系列关键技术，才能保证系统的定位性能；一方面卫星研制与发射投资巨大，运行维护费用高昂，需要具有较高的经济基础。即使像美国这样的超级大国也不堪重负，2009年一度警告说由于经费