● 文|中國(guó)國(guó)防科技信息中心 李龍龍 張永紅 席歡

GNSS用戶技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)
——《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告》簡(jiǎn)介之二

● 文|中國(guó)國(guó)防科技信息中心 李龍龍 張永紅 席歡

自1981年第一臺(tái)GPS接收機(jī)TI－4100問世以來，到現(xiàn)在GNSS芯片已廣泛集成到眾多智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備中，GNSS接收機(jī)的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不斷演化。近年來，多GNSS星座的建設(shè)以及新服務(wù)的涌現(xiàn)，促進(jìn)了GNSS用戶技術(shù)蓬勃發(fā)展。本文根據(jù)歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（GSA）2016年10月發(fā)布的第一版《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告》，分析總結(jié)了GNSS用戶技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

接收機(jī)；趨勢(shì)；矢量跟蹤；云GNSS處理

一方面，處理器的發(fā)展使接收機(jī)具備處理更多GNSS信道的能力；低成本MEMS傳感器的發(fā)展使多種不同傳感器的緊耦合成為可能，從而使接收機(jī)在GNSS不可用環(huán)境中仍能提供服務(wù)；另一方面，用戶對(duì)GNSS接收機(jī)定位精度、首次定位時(shí)間以及對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力等性能需求不斷增長(zhǎng)。這些因素促使GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)的各個(gè)部分都在發(fā)展演變，GNSS接收機(jī)各部分的發(fā)展重點(diǎn)或發(fā)展最快的領(lǐng)域如表1所示。GNSS用戶技術(shù)主要表現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)。

表1 接收機(jī)各模塊發(fā)展重點(diǎn)

一、將根據(jù)不同用戶需求來平衡接收機(jī)的帶寬和功耗

一個(gè)給定接收機(jī)的信號(hào)處理能力通常取決于其應(yīng)用的市場(chǎng)。高處理帶寬能提供更高精度的觀測(cè)量和更好的多徑效應(yīng)抑制能力，同時(shí)也需要更大的功耗。接收機(jī)的最終設(shè)計(jì)是權(quán)衡其設(shè)備復(fù)雜度、功耗及性能的結(jié)果。例如，Galileo E1這樣的復(fù)合信號(hào)同時(shí)使用了BOC（1,1）和BOC（6,1）調(diào)制，接收機(jī)設(shè)計(jì)者可以考慮處理整個(gè)信號(hào)還是僅僅處理BOC（1,1）部分。高精度接收機(jī)，尤其是那些沒有功耗限制的高精度接收機(jī)傾向于處理完整的信號(hào)帶寬；而大眾市場(chǎng)的接收機(jī)，例如智能手機(jī)GNSS接收機(jī)，則傾向于處理能滿足需要的最小帶寬。

二、矢量跟蹤技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯、有望在五年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化

目前幾乎所有的GNSS接收機(jī)都采用標(biāo)量跟蹤的方式，而相應(yīng)的矢量跟蹤是更先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念。標(biāo)量跟蹤是對(duì)每個(gè)信號(hào)相互獨(dú)立地進(jìn)行載波和碼跟蹤，而矢量跟蹤是在一個(gè)導(dǎo)航濾波器中跟蹤所有衛(wèi)星信號(hào)，它是抑制多徑干擾影響和非視距信號(hào)輔助檢測(cè)的有效方式，二者是在城市環(huán)境中使用GNSS的主要干擾源。

矢量跟蹤將信號(hào)捕獲和跟蹤功能與位置解算功能組合到一個(gè)算法上，在顯著提升所需要處理能力和提升位置計(jì)算速度10倍以上的同時(shí)，還有望進(jìn)一步提升敏感性，提供短期信號(hào)中斷的橋接能力和更好的抗干擾能力。

盡管矢量跟蹤有這些潛在優(yōu)勢(shì)，但是還沒能用于商業(yè)產(chǎn)品。隨著微處理器能力的提升，GNSS接收機(jī)有望在5年內(nèi)采用這項(xiàng)戰(zhàn)略技術(shù)。

三、云GNSS處理和“快照”定位將使接收機(jī)能耗降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)

云GNSS處理是軟件GNSS接收機(jī)概念的最終發(fā)展結(jié)果。云GNSS接收機(jī)不再使用“主設(shè)備”的處理能力，而是利用基于云的處理設(shè)備。這樣就能將處理能力和功耗需求大的任務(wù)移植到云端，而在云端這些資源幾乎是不受限制的。

“快照”或單點(diǎn)定位僅使用毫秒級(jí)的原始GNSS信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)定位，主要用于不能實(shí)現(xiàn)或不需要連續(xù)空間信號(hào)跟蹤的場(chǎng)景（例如室內(nèi)）。它短暫記錄經(jīng)前端信號(hào)波形加工的原始數(shù)據(jù)（前置放大、下變頻、濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)換），然后傳送到主平臺(tái)處理器（例如軟件GNSS接收機(jī)），存儲(chǔ)下來用于后處理或者發(fā)送到云端進(jìn)行位置解算。

由于“快照”定位僅進(jìn)行信號(hào)捕獲而不進(jìn)行信號(hào)跟蹤，因此不允許提取導(dǎo)航電文。出于這個(gè)原因，它不能像傳統(tǒng)定位方法一樣，將測(cè)量值和導(dǎo)航信息時(shí)間戳同步。然而，通過“粗時(shí)間定位”技術(shù)和特殊算法可以從“快照”和輔助數(shù)據(jù)中解算位置信息。

“快照”定位具有以下特征： ①GNSS接收機(jī)的任務(wù)被大幅減少，只需要測(cè)量導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的擴(kuò)頻碼相位。由于不再需要跟蹤衛(wèi)星或解碼導(dǎo)航電文（這些都是計(jì)算量大、能耗大的任務(wù)），功耗也大幅降低； ②解碼導(dǎo)航電文僅需要毫秒級(jí)的信息，而不像傳統(tǒng)接收機(jī)那樣需要持續(xù)跟蹤衛(wèi)星數(shù)十秒，進(jìn)一步減少了能源需求；③ Galileo E1導(dǎo)頻信號(hào)的使用成為可能。導(dǎo)頻碼改進(jìn)了近－遠(yuǎn)環(huán)境下的互相關(guān)保護(hù)，允許非常長(zhǎng)的相干積分時(shí)間和非常高的靈敏度（僅受本地振蕩器限制），以及非模糊測(cè)距。

通過將云GNSS處理和“快照”定位相結(jié)合，一些研究人員和供應(yīng)商宣稱將能耗降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

四、天線設(shè)計(jì)向多頻段、多功能、微型化、集成化方向發(fā)展

天線負(fù)責(zé)捕獲在空間中傳播的L頻段信號(hào)，是GNSS空間段與用戶段之間的橋梁。天線設(shè)計(jì)師必須在天線的效率、帶寬和小型化水平之間尋求平衡。GNSS接收機(jī)天線設(shè)計(jì)是專業(yè)應(yīng)用和大眾市場(chǎng)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，具有以下發(fā)展趨勢(shì)：

1）多頻段。新型GNSS信號(hào)的出現(xiàn)，多頻技術(shù)向大眾市場(chǎng)應(yīng)用的遷移，以及用戶對(duì)多徑效應(yīng)和干擾抑制能力需求的增長(zhǎng)，共同促進(jìn)了多頻天線的發(fā)展。但大眾市場(chǎng)應(yīng)用在大多數(shù)情況下需要的仍是單頻接收機(jī)，因此單頻天線仍占到60%的份額。盡管專業(yè)應(yīng)用越來越對(duì)多頻天線感興趣，具備多頻能力的天線比例近年來并沒有大幅提升。

2）多功能。近年來，GNSS下游產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從根據(jù)實(shí)際情況專門設(shè)計(jì)天線轉(zhuǎn)向提供易集成到OEM產(chǎn)品的天線模塊。這些天線能夠適用于各種類型的接收機(jī)，從而在市場(chǎng)上獲得各種各樣的應(yīng)用，以使經(jīng)濟(jì)規(guī)模的優(yōu)勢(shì)最大化。除了為特定應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的天線，制造商現(xiàn)在提供大量的嵌入式緊湊型天線設(shè)計(jì)，可提供不同的形狀、外殼、安裝、連接和供電電壓。

3）微型化。當(dāng)天線的尺寸和相關(guān)頻段的波長(zhǎng)相等時(shí)，其效率最高（例如E1頻段波長(zhǎng)19cm）。盡管如航空等一些應(yīng)用允許技術(shù)規(guī)范重點(diǎn)關(guān)注性能，但是大多數(shù)的GNSS天線設(shè)計(jì)要根據(jù)GNSS集成商的需要，因而天線設(shè)計(jì)更適于汽車定位及其他位置服務(wù)的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中，尺寸和成本是主要驅(qū)動(dòng)因素。因此，幾乎所有類型的天線都有微型化的發(fā)展趨勢(shì)。而且，對(duì)于以微型化為主要驅(qū)動(dòng)因素的應(yīng)用，單級(jí)天線比貼片天線和螺旋天線的應(yīng)用更廣泛。這些應(yīng)用需要非常小、近全向的天線，即使采用線性極化天線也可獲得較好性能。此外，折疊天線或使用介電常數(shù)高的天線介質(zhì)等微型化技術(shù)也可以有效減小天線尺寸。

4）穩(wěn)健性。包括天線，整個(gè)GNSS接收通道都要求有較好的抗多徑效應(yīng)和干擾能力。新型星座和頻段提供了更高的信號(hào)冗余度和多樣性，多頻和多星座的概念為提升穩(wěn)健性提供了可能。在這個(gè)場(chǎng)景下，自適應(yīng)天線成為抵抗干擾的有力工具。自適應(yīng)天線能利用空間分集并能夠區(qū)別對(duì)待來自不同方向的信號(hào)。自適應(yīng)技術(shù)不但要有天線的支持（天線限于輻射單元和低噪聲放大器），還需要應(yīng)用附加的處理射頻信號(hào)的電子元件。目前，商業(yè)自適應(yīng)天線的應(yīng)用前景仍局限于軍用調(diào)零天線。在不久的將來，市場(chǎng)上也會(huì)出現(xiàn)與民用市場(chǎng)需求兼容的創(chuàng)新型自適應(yīng)天線設(shè)計(jì)。

5）基礎(chǔ)性能。近年來天線的增益和噪聲系數(shù)一直保持不變，而且沒有任何需要提升的跡象。然而，接收機(jī)的敏感性已經(jīng)大幅提升，降低了許多“低性能”應(yīng)用對(duì)更好天線的要求，從而擴(kuò)大了微型單級(jí)天線的應(yīng)用范圍。

6）與其他天線集成。GNSS設(shè)備正在越來越多地集成到能同時(shí)支持其他無線電通信的設(shè)備上，包括藍(lán)牙、WiFi和射頻識(shí)別（RFID）等短距離數(shù)據(jù)傳輸以及蜂窩和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

五、支持多星座成為所有GNSS應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)

GNSS接收機(jī)對(duì)多星座的支持具有以下優(yōu)勢(shì)：①增強(qiáng)可用性，尤其在有遮蔽的區(qū)域效果更加顯著；②提高精度和完好性，多星座提供了更多的可見衛(wèi)星，可以通過改善幾何精度因子（GDOP）提高精度；通過更有效的接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)（RAIM）程序提高完好性；③增強(qiáng)穩(wěn)健性，使用多個(gè)獨(dú)立的GNSS系統(tǒng)更難被欺騙。

2014年中到2016年初，GSA和歐空局（ESA）舉行了一次GNSS芯片測(cè)試活動(dòng)，以評(píng)估用戶設(shè)備是否做好支持Galileo信號(hào)的準(zhǔn)備。9家頂級(jí)大眾市場(chǎng)制造商參與了這次測(cè)試。該測(cè)試不但證明了大眾市場(chǎng)制造商的產(chǎn)品具備Galileo能力，也證明了采用多星座能夠提升性能。

測(cè)試場(chǎng)景的設(shè)計(jì)是評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境（開闊的天空下）以及退化的環(huán)境（城市及城市郊區(qū)）下的芯片性能。測(cè)試中使用GPS、GLONASS以及Galileo信號(hào)的多種組合，既考察靜態(tài)環(huán)境也考察動(dòng)態(tài)環(huán)境。評(píng)估的主要性能參數(shù)是精度和首次定位時(shí)間，其結(jié)果如下：

精度：在開闊的天空下，在GPS的基礎(chǔ)上增加1～2個(gè)星座僅能略微提高定位精度。但是，隨著環(huán)境的惡化（包括物理環(huán)境或無線電環(huán)境），增加Galileo的優(yōu)勢(shì)就明顯表現(xiàn)出來。例如，在城市環(huán)境中，Galileo信號(hào)的加入總能提升精度。測(cè)試中定位的圓概率誤差可以改善15%～20%。GPS和 Galileo雙星座接收機(jī)的最優(yōu)性能達(dá)到圓概率誤差3.9m。GPS+GLONASS（7～8顆GLONASS衛(wèi)星）組合和GPS+Galileo（2～3顆Galielo在軌驗(yàn)證衛(wèi)星）組合的平均水平定位誤差相近。

首次定位時(shí)間：與精度相似，首次定位時(shí)間的改善也主要發(fā)生在惡劣環(huán)境中。多星座接收機(jī)的熱啟動(dòng)時(shí)間平均改善1s，冷啟動(dòng)時(shí)間平均改善20s?？梢灶A(yù)見的是，當(dāng)可見Galileo衛(wèi)星等于或多于4顆時(shí)，冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間將大幅縮短。值得說明的是，和精度測(cè)試一樣，不同接收機(jī)的表現(xiàn)存在很大差異，很可能是因?yàn)樗鼈儾捎昧瞬煌牟东@策略或不同的資源分配策略。

過去十年間，支持多星座的GNSS接收機(jī)不斷涌現(xiàn)，甚至在以成本為主要因素的市場(chǎng)上也表現(xiàn)出這種趨勢(shì)。然而，由于潛在技術(shù)的發(fā)展，一代接收機(jī)的生命周期通常只有幾年。因此，制造商只有在新的星座或信號(hào)接近完全運(yùn)行能力時(shí)才會(huì)選擇它們。

根據(jù)GSA的調(diào)查，市場(chǎng)上65%的GNSS接收機(jī)支持多星座，超過20%的接收機(jī)支持4個(gè)星座。其中最常見的組合方式為GPS+GLONASS，其次是GPS+Galileo。為了達(dá)到更高的精度或完好性，超過60%的接收機(jī)還支持星基增強(qiáng)系統(tǒng)。此外，QZSS和IRNSS等區(qū)域系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越普遍，見圖1。

圖1 GNSS接收機(jī)多星座特性調(diào)查結(jié)果

六、多頻接收機(jī)有望從高精度定位領(lǐng)域擴(kuò)展到大眾市場(chǎng)

一方面，GNSS接收機(jī)對(duì)多星座的支持可以：①提升精度。雙頻接收機(jī)可以估計(jì)并消除電離層延遲誤差；②實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）和精密單點(diǎn)定位（PPP）技術(shù)。盡管理論上單頻接收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)RTK和實(shí)時(shí)PPP，但實(shí)踐中RTK和PPP需要雙頻接收機(jī)。而且，三頻接收機(jī)很可能進(jìn)一步改進(jìn)模糊度解算算法；③提升穩(wěn)健性。頻率多樣性是保護(hù)接收機(jī)不受干擾的基礎(chǔ)且最有效的手段。另一方面，新信號(hào)的設(shè)計(jì)也能夠：①提升精度。新的調(diào)制方式及更高的碼速率提供了更精確的偽距測(cè)量；②提升多徑效應(yīng)抑制能力。新的調(diào)制方式和更高的碼速率能夠緩解多徑問題的影響；③提高靈敏度。導(dǎo)頻信號(hào)通過更長(zhǎng)的積分時(shí)間提高接收機(jī)靈敏度。這促進(jìn)了雙頻和三頻商用接收機(jī)的發(fā)展。但是，目前只有高精度接收機(jī)采用了多頻，雖然已經(jīng)開展了一些應(yīng)用于大眾市場(chǎng)和自動(dòng)汽車的雙頻接收機(jī)的研究活動(dòng)，但到目前為止還沒有大規(guī)模部署。

據(jù)GSA調(diào)查：① 70%的GNSS接收機(jī)仍只支持單頻，20%支持雙頻，10%支持三頻；②多頻接收機(jī)中，最普遍的組合是L1/E1+L2，其次是L1/ E1+L2+L5/E5；③所有GNSS接收機(jī)都使用L1/E1頻段，近30%的接收機(jī)具備L2能力，10%的接收機(jī)具備L5/E5能力，1%的接收機(jī)具備E6能力（詳見圖2）。

圖2 GNSS接收機(jī)多頻特性調(diào)查結(jié)果

七、克服GNSS脆弱性仍將是GNSS用戶技術(shù)熱點(diǎn)之一

GNSS由于本身信號(hào)弱的固有特點(diǎn)，對(duì)自然（電離層散爍）及人為（各種類型的無線電干擾）的威脅十分脆弱。這些干擾現(xiàn)象會(huì)影響GNSS運(yùn)行，甚至部分或完全中斷服務(wù)。其中GNSS面臨的由人為因素造成的干擾威脅大致有以下幾類（見圖3）：

故意射頻干擾：盡管GNSS干擾機(jī)的銷售、購(gòu)買和使用在很多國(guó)家都是違法的，但是公眾還是可以通過互聯(lián)網(wǎng)買到。GNSS干擾機(jī)的一個(gè)典型應(yīng)用是干擾用于資產(chǎn)跟蹤的設(shè)備。然而，這樣的干擾機(jī)常常會(huì)在更大的區(qū)域干擾GNSS，使所謂的“隱私保護(hù)設(shè)備”變成了公害。

無意射頻干擾：一類是多徑效應(yīng)，是指經(jīng)反射延遲之后的信號(hào)與直接傳播的GNSS信號(hào)混合進(jìn)入接收機(jī)造成的干擾，主要影響相位測(cè)量和碼測(cè)量。通過了解這種干擾機(jī)制，人們可以設(shè)計(jì)特定的消減策略。此外還有其他無意射頻干擾：這些是由于異常的雜散相鄰頻帶及諧波輻射造成的不可預(yù)測(cè)的干擾。已有的記錄表明，微波設(shè)備、航空雷達(dá)以及電視信號(hào)發(fā)射機(jī)都是主要的干擾源。

圖3 GNSS接收機(jī)面臨的主要人為干擾威脅

偽造導(dǎo)航信號(hào)：包括偽造導(dǎo)航電文與偽造擴(kuò)頻碼和載波兩種方式。偽造導(dǎo)航電文又包括復(fù)制導(dǎo)航電文，即對(duì)空間信號(hào)的導(dǎo)航電文進(jìn)行復(fù)制并轉(zhuǎn)發(fā)；偽造導(dǎo)航電文，即攻擊者理論上可以偽造導(dǎo)航電文使接收機(jī)解算出攻擊者設(shè)定的位置。偽造擴(kuò)頻碼和載波是指GNSS系統(tǒng)利用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)調(diào)制導(dǎo)航數(shù)據(jù)。對(duì)于開放服務(wù)，這些序列會(huì)在系統(tǒng)的接口控制文件中發(fā)布，并可用于生成仿真信號(hào)。因此偽造的信號(hào)可以在各種能級(jí)上和真實(shí)衛(wèi)星的擴(kuò)頻序列同步或不同步廣播。

重發(fā)攻擊：包括實(shí)時(shí)信號(hào)復(fù)制和記錄并重發(fā)兩種方式。實(shí)時(shí)信號(hào)復(fù)制可以利用合適的硬件將空間信號(hào)延遲并重新廣播，例如將延遲引入傳播時(shí)間，使接收機(jī)解算的位置產(chǎn)生100～200m的誤差。盡管這種方法不足以偽造出特定需要的PVT或軌跡，但可以用它對(duì)安全攸關(guān)的應(yīng)用進(jìn)行欺騙；記錄并重發(fā)攻擊主要是利用已有的商業(yè)產(chǎn)品實(shí)施。這些設(shè)備的典型結(jié)構(gòu)包括一個(gè)下變頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、膠合邏輯、數(shù)字存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和上變頻器。

（1）抗欺騙干擾技術(shù)

GNSS可以采取多重防護(hù)來對(duì)抗欺騙干擾。最常見的方式是對(duì)測(cè)距碼（“導(dǎo)航安全措施”）和導(dǎo)航電文（“通信安全措施”）進(jìn)行加密，從而控制用戶對(duì)信號(hào)的訪問。這也是GPS精密定位服務(wù)（PPS）和Galileo公共授權(quán)服務(wù)（PRS）采用的方法，僅供授權(quán)用戶使用。

另一種方法是GNSS信號(hào)認(rèn)證。盡管所有的接收機(jī)都能處理這些認(rèn)證的信號(hào)，但這些信號(hào)中包含“標(biāo)記”，具備特定解碼能力的接收機(jī)能夠識(shí)別這種“標(biāo)記”從而識(shí)別真實(shí)信號(hào)。這種認(rèn)證能力理論上可以是導(dǎo)航電文認(rèn)證、測(cè)距碼認(rèn)證或是雙重認(rèn)證。未來Galileo計(jì)劃向所有用戶提供免費(fèi)的開放服務(wù)信號(hào)導(dǎo)航電文認(rèn)證，并提供“通信安全措施”防護(hù)；除導(dǎo)航電文認(rèn)證外，商業(yè)服務(wù)還將對(duì)授權(quán)用戶提供加密的測(cè)距碼，增強(qiáng)“導(dǎo)航安全措施”防護(hù)能力。

（2）抗射頻干擾技術(shù)

對(duì)于多徑效應(yīng)，可以通過以下措施在不同程度上進(jìn)行抑制：①好的天線設(shè)計(jì)，比如拋棄左旋圓極化信號(hào)（GNSS信號(hào)是右旋圓極化）的天線設(shè)計(jì)，以及扼流圈天線這樣的專用天線設(shè)計(jì)；②目前在高性能接收機(jī)上普遍應(yīng)用先進(jìn)相關(guān)器技術(shù)，例如窄相關(guān)器、多徑效應(yīng)抑制延遲鎖定環(huán)、雙δ技術(shù)和門限功能；③估算多徑或無需估算直接抑制多徑的信號(hào)處理技術(shù)，其中偽碼測(cè)量的載波相位平滑是最先投入使用的技術(shù)之一；④改進(jìn)處理算法，使用后處理方法分析接收機(jī)－衛(wèi)星測(cè)量值從而矯正解算的位置。

對(duì)于其他射頻干擾，可以通過以下措施進(jìn)行識(shí)別和抑制：①波束成型和零陷等陣列天線技術(shù)與陣列處理算法；②利用從空間信號(hào)分離中獲得的可用信息判斷有用信號(hào)的到達(dá)方向（DoA）；③判斷干擾源、干擾方向；④前端技術(shù)，例如基于壓縮傳感的識(shí)別技術(shù)；⑤前相關(guān)和后相關(guān)接收機(jī)技術(shù)，例如脈沖抑制器、連續(xù)波調(diào)零和陷波濾波等。