+ 劉天雄

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)原理與設(shè)計(jì)
——之十一（上）

+ 劉天雄

6 接收機(jī)類型

根據(jù)不同的用途和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)可以分成多種類型，按用途可以分為定位/導(dǎo)航型（POSITIONING/NAVIGATION RECEIVER）、授時(shí)型（TIME TRANSFER RECEIVER）、大地測(cè)量型（SURVEYING RECEIVER）、差分型（DIFFERENTIAL GNSS RECEIVER）等四類。

按動(dòng)態(tài)性能可以分為高動(dòng)態(tài)型(X型)、中動(dòng)態(tài)型(Y型)、低動(dòng)態(tài)或靜止型(Z型)接收機(jī)。按所接收的導(dǎo)航信號(hào)，以GPS系統(tǒng)為例，有頻點(diǎn)(L1、L2)或者觀測(cè)量(C/A碼、P碼、Y碼、L1載波相位、L2載波相位)，可以分為L(zhǎng)1 C/A碼接收機(jī)；L1載波相位、C/A接收機(jī)；L1/ L2載波相位，C/A、P碼接收機(jī)（SPS）；L1/ L2載波相位，C/A、P碼、Y碼接收機(jī)（SPS）。

按設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式可以分為模擬接收機(jī)（ANALOG RECEIVER）、數(shù)字接收機(jī)（DIGITAL RECEIVER）和軟件接收機(jī)（SOFTWARE RECEIVER）。

導(dǎo)航接收機(jī)可以是自主工作，也可以由增強(qiáng)系統(tǒng)或者差分系統(tǒng)提供修正或測(cè)量參數(shù)，還可以是提供用戶位置坐標(biāo)的通用接收機(jī)，也可以是提供導(dǎo)航、精確定位、授時(shí)或者測(cè)量等特定用途的接收機(jī)。除了解算用戶的位置和速度，接收機(jī)還能提供時(shí)間。因?yàn)橐恍╆P(guān)系國(guó)計(jì)民生的行業(yè)，特別是無(wú)線通信、電力網(wǎng)、金融網(wǎng)絡(luò)完全依賴精確時(shí)間以及系統(tǒng)間的時(shí)間同步才能有效地運(yùn)行，因此時(shí)間對(duì)這些行業(yè)來說至關(guān)重要。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的授時(shí)功能使用戶幾乎零成本地地享受到原子鐘高精度、高穩(wěn)定度服務(wù)。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)運(yùn)行平臺(tái)可以采取專用集成電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列、數(shù)字信號(hào)處理芯片或者微處理器，選擇導(dǎo)航接收機(jī)運(yùn)行平臺(tái)時(shí)要權(quán)衡工作性能、制造和維護(hù)成本、擴(kuò)展性、功耗以及自主性等因素。

6.1 多系統(tǒng)接收機(jī)

目前世界上已有美國(guó)的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo以及中國(guó)的BDS（北斗）四大GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，此外還有日本的QZSS（準(zhǔn)天頂）及印度的IRNSS區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，研發(fā)多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)已成為用戶的迫切需求。在設(shè)計(jì)多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)時(shí)要考慮系統(tǒng)間的兼容和互操作問題，這樣用戶可以從利用單個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)到多個(gè)系統(tǒng)的定位過程中，實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)頻譜和信號(hào)處理鏈路之間的無(wú)縫組合。

對(duì)于多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)用戶而言，由于增加了可視導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)量，特別是在高樓林立的城市峽谷中，增加可視導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在如下兩方面，一是提高了系統(tǒng)的解算可用性，二是提高了系統(tǒng)的精度因子DOP可用性，由此進(jìn)一步提高了定位精度。因此，多系統(tǒng)接收機(jī)是當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

6.2 多頻點(diǎn)接收機(jī)

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)被分成多個(gè)不同頻點(diǎn)，例如，GPS全球定位系統(tǒng)有L1、L2兩個(gè)導(dǎo)航信號(hào)，中心頻率分別為1575.42 MHz、1227.6 MHz，無(wú)論是在單系統(tǒng)還是多系統(tǒng)環(huán)境中，如果接收機(jī)能夠接收多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，則接收機(jī)能夠去除與信號(hào)頻率相關(guān)的誤差，由此提高定位精度。典型例子是利用雙頻信號(hào)修正電離層延遲誤差。

設(shè)計(jì)多頻點(diǎn)接收機(jī)主要難點(diǎn)是增加射頻前端硬件配置，一般來說，接收機(jī)的天線、射頻前端、前端濾波器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路均是圍繞一個(gè)期望的中心頻點(diǎn)開展設(shè)計(jì)的，因此，增加新的頻點(diǎn)就需要配置一套射頻前端模塊。基于此，設(shè)計(jì)多頻點(diǎn)接收機(jī)時(shí)，需要權(quán)衡成本、體積、功耗、性能、濾波器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換質(zhì)量等眾多因素。

6.3 增強(qiáng)系統(tǒng)接收機(jī)

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)可以利用增強(qiáng)系統(tǒng)提供的參數(shù)和修正信息改善性能和定位精度，增強(qiáng)系統(tǒng)可以給衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)提供增強(qiáng)信息，包括輔助觀測(cè)量和差分修正信息，目前應(yīng)用較為廣泛的增強(qiáng)系統(tǒng)是歐洲的地球靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航中繼服務(wù)系統(tǒng)EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service）以及美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS（Wide Area Augmentation System）。

6.3.1 EGNOS增強(qiáng)系統(tǒng)接收機(jī)

EGNOS增強(qiáng)系統(tǒng)增強(qiáng)的對(duì)象是GPS全球定位系統(tǒng)，EGNOS接收機(jī)能夠接收GPS信號(hào)并計(jì)算用戶位置，但內(nèi)置特殊軟件可以同時(shí)接收EGNOS系統(tǒng)地球靜止軌道衛(wèi)星播發(fā)的信號(hào)，計(jì)算GPS信號(hào)的差分修正值。EGNOS接收機(jī)大小與一般GPS接收機(jī)一致，與一般GPS接收機(jī)共用一副接收天線。

（1）接收機(jī)類型

根據(jù)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)的方式，EGNOS接收機(jī)可以分為芯片組、混合組件以及輔助板卡三類。

·芯片組：增強(qiáng)芯片焊裝在GPS接收機(jī)的電路板中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是與GPS接收機(jī)共用射頻前端的接口設(shè)計(jì)，這類增強(qiáng)接收機(jī)成本較低；

·混合組件：增強(qiáng)系統(tǒng)有獨(dú)立的射頻前端模塊及增強(qiáng)信息處理電路，成本比芯片組類增強(qiáng)接收機(jī)略高，但很容易與一般GPS接收機(jī)集成；

·輔助板卡：增強(qiáng)系統(tǒng)的射頻前端模塊及增強(qiáng)信息處理電路被集成到一張板卡中，板卡可以安裝到GPS接收機(jī)的主板上，成本較高，但應(yīng)用效果最佳。

（2）通信協(xié)議能。而“WAAS Enabled”標(biāo)志通常意味著在接收機(jī)默認(rèn)的配置中，WAAS增強(qiáng)功能是被開啟的。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展日新月異，接收機(jī)研制方必須緊密跟蹤國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

（4） 生命安全和開放服務(wù)接收機(jī)

對(duì)于生命安全服務(wù)SoL（Safety-of-Life），EGNOS接收機(jī)需要執(zhí)行一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，例如，EGNOS民用航空接收機(jī)必須滿足以下標(biāo)準(zhǔn)，

·全面滿足RTCA SBAS MOPS DO-229規(guī)定的航空儀器一般標(biāo)準(zhǔn)要求。

·全面滿足RTCA SBAS MOPS 228 及 301規(guī)定的天線標(biāo)準(zhǔn)要求。

·滿足RTCA TSO (C190, C145b, C146b)規(guī)定的天基增強(qiáng)儀器標(biāo)準(zhǔn)要求

·兼容其他航空儀器，特別是飛行管理系統(tǒng)FMS（Flight Management Systems）規(guī)定的要求。

生命安全服務(wù)SoL對(duì)儀器設(shè)備的最高級(jí)別認(rèn)證是民用航空認(rèn)證，世界范圍內(nèi)有許多經(jīng)過民用航空認(rèn)證的接收機(jī)研制廠商，包括GARMIN, Honeywell, Rockwell Collins, General Avionics等知名公司。

開放服務(wù)OS（Open Service）的目標(biāo)是使用低成本、通用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，同時(shí)利用接收天基增強(qiáng)信號(hào)為用戶提供改善定位精度、提高服務(wù)完好性等增強(qiáng)服務(wù)。對(duì)于EGNOS開放服務(wù)OS接收機(jī)，沒有必要滿足RTCA SBAS MOPS DO-229規(guī)定的航空儀器一般標(biāo)準(zhǔn)要求。

EGNOS接收機(jī)研制方一般采用標(biāo)準(zhǔn)的、開放的數(shù)據(jù)格式，常用的通信協(xié)議有NMEA, RTCM, NTRIP, SiSNET and RINEX：

（3）研制方說明

為了與其他天基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS（space based augmentation system）互操作，EGNOS接收機(jī)需要執(zhí)行基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上，許多EGNOS接收機(jī)標(biāo)有“WAAS Capable”或“WAAS Enabled”，即具有WAAS功能，WAAS是美國(guó)研制的GPS系統(tǒng)的天基增強(qiáng)系統(tǒng)。“WAAS Capable”標(biāo)志通常意味著在接收機(jī)默認(rèn)的配置中，WAAS增強(qiáng)功能是被關(guān)閉的，用戶必須手動(dòng)激活該功

根據(jù)處理天基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS信息的能力，EGNOS接收機(jī)可以分成四個(gè)級(jí)別：

·種類1（Category 1）：全面使用天基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS修正信息；

·種類2（Category 2）：具有接收天基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS衛(wèi)星信號(hào)的能力；

·種類3（Category 3）：接收機(jī)與天基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS兼容，但是并沒有能力處理增強(qiáng)數(shù)據(jù)，因此接收機(jī)沒有增強(qiáng)功能。為了利用天基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS信息，這類產(chǎn)品需要配置相關(guān)附件以接收處理增強(qiáng)信號(hào)；

·種類4（Category 4）：這類接收機(jī)處理天基增強(qiáng)系統(tǒng)SBAS信號(hào)裝置的能力不翔實(shí)。

注意：上述產(chǎn)品分類并沒有嚴(yán)格與MOPS RTCA DO 229 D標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)。

6.3.2 WAAS增強(qiáng)系統(tǒng)接收機(jī)

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS（Wide Area Augmentation System）是美國(guó)GPS系統(tǒng)的天基增強(qiáng)系統(tǒng)（Satellite Based Augmentation System）。為了將GPS系統(tǒng)推廣應(yīng)用到民用航空領(lǐng)域，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局FAA（Federal Aviation Agency ）于1992年啟動(dòng)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS研制計(jì)劃，2003年，廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS投入使用，目前在美國(guó)和加拿大有1000多個(gè)機(jī)場(chǎng)可以支持民航客機(jī)利用廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS完成完成飛機(jī)起降工作。廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS服務(wù)區(qū)包括美國(guó)大陸本土CONUS（Continental United States）、阿拉斯加、加拿大以及墨西哥。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局FAA分布建設(shè)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS，目前計(jì)劃發(fā)展雙頻增強(qiáng)服務(wù)以提高系統(tǒng)能力。

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS信號(hào)設(shè)計(jì)的原則是盡量不改變GPS接收機(jī)硬件，因此一部WAAS-GPS接收機(jī)功能與外形與一般的GPS接收機(jī)類似，與GPS接收機(jī)共用一副接收天線，可以接收GPS信號(hào)并給出用戶位置，但是內(nèi)置的軟件還可以接收廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS的同步軌道衛(wèi)星播發(fā)的增強(qiáng)信號(hào)，由此修正GPS系統(tǒng)誤差。雖然廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS主要用于民用航空領(lǐng)域，但是配置廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS信號(hào)接收處理功能的GPS接收機(jī)可以大幅度提高定位精度以及服務(wù)完好性。

（1） 接收機(jī)類型板卡可以安裝到GPS接收機(jī)的主板上，成本較高，但應(yīng)用效果最佳。

（2） 通信協(xié)議

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS接收機(jī)研制方一般采用標(biāo)準(zhǔn)的、開放的數(shù)據(jù)格式，常用的通信協(xié)議有NMEA, RTCM, NTRIP, SiSNET 及 RINEX。GPS接收機(jī)帶有“WAAS Enabled”標(biāo)志時(shí)，通常意味著接收機(jī)的配置中WAAS增強(qiáng)功能是被開啟的。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展日新月異，接收機(jī)研制方必須緊密跟蹤國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

（3） 認(rèn)證接收機(jī)

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的最高等級(jí)產(chǎn)品是民用航空認(rèn)證產(chǎn)品，世界范圍內(nèi)有許多經(jīng)過民用航空認(rèn)證認(rèn)證的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS接收機(jī)研制廠商，包括GARMIN, Honeywell, Rockwell Collins, Universal Avionics, CMC Electronics, Avidyne等知名公司。

更正

因校對(duì)疏忽，本刊2016年第十期刊登的《衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)原理與設(shè)計(jì) ——之十（上）》應(yīng)為《衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)原理與設(shè)計(jì) ——之十（下）》，特此更正。

根據(jù)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)的方式，廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS接收機(jī)可以分為芯片組、混合組件以及輔助板卡三類。

·芯片組：與EGNOS芯片組接收機(jī)類似，WAAS增強(qiáng)芯片焊裝在GPS接收機(jī)的電路板中，與GPS接收機(jī)共用射頻前端，這類增強(qiáng)接收機(jī)成本較低；

·混合組件：與EGNOS混合組件接收機(jī)類似，射頻前端和增強(qiáng)信息處理電路是一個(gè)獨(dú)立的模塊，成本比芯片組類增強(qiáng)接收機(jī)略高，但很容易與一般GPS接收機(jī)集成；

·輔助板卡：與EGNOS輔助板卡接收機(jī)類似，增強(qiáng)系統(tǒng)的射頻前端模塊及增強(qiáng)信息處理電路被集成到一張板卡中，