卫星导航系统接收机原理与设计——之十一（上）

+ 刘天雄

卫星导航系统接收机原理与设计
——之十一（上）

+ 刘天雄

6 接收机类型

根据不同的用途和评价标准，卫星导航接收机可以分成多种类型，按用途可以分为定位/导航型（POSITIONING/NAVIGATION RECEIVER）、授时型（TIME TRANSFER RECEIVER）、大地测量型（SURVEYING RECEIVER）、差分型（DIFFERENTIAL GNSS RECEIVER）等四类。

按动态性能可以分为高动态型(X型)、中动态型(Y型)、低动态或静止型(Z型)接收机。按所接收的导航信号，以GPS系统为例，有频点(L1、L2)或者观测量(C/A码、P码、Y码、L1载波相位、L2载波相位)，可以分为L1 C/A码接收机；L1载波相位、C/A接收机；L1/ L2载波相位，C/A、P码接收机（SPS）；L1/ L2载波相位，C/A、P码、Y码接收机（SPS）。

按设计与实现方式可以分为模拟接收机（ANALOG RECEIVER）、数字接收机（DIGITAL RECEIVER）和软件接收机（SOFTWARE RECEIVER）。

导航接收机可以是自主工作，也可以由增强系统或者差分系统提供修正或测量参数，还可以是提供用户位置坐标的通用接收机，也可以是提供导航、精确定位、授时或者测量等特定用途的接收机。除了解算用户的位置和速度，接收机还能提供时间。因为一些关系国计民生的行业，特别是无线通信、电力网、金融网络完全依赖精确时间以及系统间的时间同步才能有效地运行，因此时间对这些行业来说至关重要。卫星导航系统的授时功能使用户几乎零成本地地享受到原子钟高精度、高稳定度服务。

卫星导航接收机运行平台可以采取专用集成电路、现场可编程门阵列、数字信号处理芯片或者微处理器，选择导航接收机运行平台时要权衡工作性能、制造和维护成本、扩展性、功耗以及自主性等因素。

6.1 多系统接收机

目前世界上已有美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo以及中国的BDS（北斗）四大GNSS全球卫星导航系统，此外还有日本的QZSS（准天顶）及印度的IRNSS区域卫星导航系统，研发多系统卫星导航接收机已成为用户的迫切需求。在设计多系统卫星导航接收机时要考虑系统间的兼容和互操作问题，这样用户可以从利用单个卫星导航系统到多个系统的定位过程中，实现不同的信号频谱和信号处理链路之间的无缝组合。

对于多系统卫星导航接收机用户而言，由于增加了可视导航卫星的数量，特别是在高楼林立的城市峡谷中，增加可视导航卫星数量的优点体现在如下两方面，一是提高了系统的解算可用性，二是提高了系统的精度因子DOP可用性，由此进一步提高了定位精度。因此，多系统接收机是当前卫星导航接收机的发展趋势。

6.2 多频点接收机

卫星导航信号被分成多个不同频点，例如，GPS全球定位系统有L1、L2两个导航信号，中心频率分别为1575.42 MHz、1227.6 MHz，无论是在单系统还是多系统环境中，如果接收机能够接收多个频点的导航信号，则接收机能够去除与信号频率相关的误差，由此提高定位精度。典型例子是利用双频信号修正电离层延迟误差。

设计多频点接收机主要难点是增加射频前端硬件配置，一般来说，接收机的天线、射频前端、前端滤波器以及模数转换电路均是围绕一个期望的中心频点开展设计的，因此，增加新的频点就需要配置一套射频前端模块。基于此，设计多频点接收机时，需要权衡成本、体积、功耗、性能、滤波器以及模数转换质量等众多因素。

6.3 增强系统接收机

卫星导航接收机可以利用增强系统提供的参数和修正信息改善性能和定位精度，增强系统可以给卫星导航接收机提供增强信息，包括辅助观测量和差分修正信息，目前应用较为广泛的增强系统是欧洲的地球静止轨道卫星导航中继服务系统EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service）以及美国的广域增强系统WAAS（Wide Area Augmentation System）。

6.3.1 EGNOS增强系统接收机

EGNOS增强系统增强的对象是GPS全球定位系统，EGNOS接收机能够接收GPS信号并计算用户位置，但内置特殊软件可以同时接收EGNOS系统地球静止轨道卫星播发的信号，计算GPS信号的差分修正值。EGNOS接收机大小与一般GPS接收机一致，与一般GPS接收机共用一副接收天线。

（1）接收机类型

根据增强实现的方式，EGNOS接收机可以分为芯片组、混合组件以及辅助板卡三类。

·芯片组：增强芯片焊装在GPS接收机的电路板中，关键环节是与GPS接收机共用射频前端的接口设计，这类增强接收机成本较低；

·混合组件：增强系统有独立的射频前端模块及增强信息处理电路，成本比芯片组类增强接收机略高，但很容易与一般GPS接收机集成；

·辅助板卡：增强系统的射频前端模块及增强信息处理电路被集成到一张板卡中，板卡可以安装到GPS接收机的主板上，成本较高，但应用效果最佳。

（2）通信协议能。而“WAAS Enabled”标志通常意味着在接收机默认的配置中，WAAS增强功能是被开启的。卫星导航技术发展日新月异，接收机研制方必须紧密跟踪国际标准。

（4） 生命安全和开放服务接收机

对于生命安全服务SoL（Safety-of-Life），EGNOS接收机需要执行一些相关标准，例如，EGNOS民用航空接收机必须满足以下标准，

·全面满足RTCA SBAS MOPS DO-229规定的航空仪器一般标准要求。

·全面满足RTCA SBAS MOPS 228 及 301规定的天线标准要求。

·满足RTCA TSO (C190, C145b, C146b)规定的天基增强仪器标准要求

·兼容其他航空仪器，特别是飞行管理系统FMS（Flight Management Systems）规定的要求。

生命安全服务SoL对仪器设备的最高级别认证是民用航空认证，世界范围内有许多经过民用航空认证的接收机研制厂商，包括GARMIN, Honeywell, Rockwell Collins, General Avionics等知名公司。

开放服务OS（Open Service）的目标是使用低成本、通用卫星导航接收机，同时利用接收天基增强信号为用户提供改善定位精度、提高服务完好性等增强服务。对于EGNOS开放服务OS接收机，没有必要满足RTCA SBAS MOPS DO-229规定的航空仪器一般标准要求。

EGNOS接收机研制方一般采用标准的、开放的数据格式，常用的通信协议有NMEA, RTCM, NTRIP, SiSNET and RINEX：

（3）研制方说明

为了与其他天基增强系统SBAS（space based augmentation system）互操作，EGNOS接收机需要执行基增强系统SBAS相关标准。事实上，许多EGNOS接收机标有“WAAS Capable”或“WAAS Enabled”，即具有WAAS功能，WAAS是美国研制的GPS系统的天基增强系统。“WAAS Capable”标志通常意味着在接收机默认的配置中，WAAS增强功能是被关闭的，用户必须手动激活该功

根据处理天基增强系统SBAS信息的能力，EGNOS接收机可以分成四个级别：

·种类1（Category 1）：全面使用天基增强系统SBAS修正信息；

·种类2（Category 2）：具有接收天基增强系统SBAS卫星信号的能力；

·种类3（Category 3）：接收机与天基增强系统SBAS兼容，但是并没有能力处理增强数据，因此接收机没有增强功能。为了利用天基增强系统SBAS信息，这类产品需要配置相关附件以接收处理增强信号；

·种类4（Category 4）：这类接收机处理天基增强系统SBAS信号装置的能力不翔实。

注意：上述产品分类并没有严格与MOPS RTCA DO 229 D标准对标。

6.3.2 WAAS增强系统接收机

广域增强系统WAAS（Wide Area Augmentation System）是美国GPS系统的天基增强系统（Satellite Based Augmentation System）。为了将GPS系统推广应用到民用航空领域，美国联邦航空管理局FAA（Federal Aviation Agency ）于1992年启动广域增强系统WAAS研制计划，2003年，广域增强系统WAAS投入使用，目前在美国和加拿大有1000多个机场可以支持民航客机利用广域增强系统WAAS完成完成飞机起降工作。广域增强系统WAAS服务区包括美国大陆本土CONUS（Continental United States）、阿拉斯加、加拿大以及墨西哥。美国联邦航空管理局FAA分布建设广域增强系统WAAS，目前计划发展双频增强服务以提高系统能力。

广域增强系统WAAS信号设计的原则是尽量不改变GPS接收机硬件，因此一部WAAS-GPS接收机功能与外形与一般的GPS接收机类似，与GPS接收机共用一副接收天线，可以接收GPS信号并给出用户位置，但是内置的软件还可以接收广域增强系统WAAS的同步轨道卫星播发的增强信号，由此修正GPS系统误差。虽然广域增强系统WAAS主要用于民用航空领域，但是配置广域增强系统WAAS信号接收处理功能的GPS接收机可以大幅度提高定位精度以及服务完好性。

（1） 接收机类型板卡可以安装到GPS接收机的主板上，成本较高，但应用效果最佳。

（2） 通信协议

广域增强系统WAAS接收机研制方一般采用标准的、开放的数据格式，常用的通信协议有NMEA, RTCM, NTRIP, SiSNET 及 RINEX。GPS接收机带有“WAAS Enabled”标志时，通常意味着接收机的配置中WAAS增强功能是被开启的。卫星导航技术发展日新月异，接收机研制方必须紧密跟踪国际标准。

（3） 认证接收机

卫星导航接收机的最高等级产品是民用航空认证产品，世界范围内有许多经过民用航空认证认证的广域增强系统WAAS接收机研制厂商，包括GARMIN, Honeywell, Rockwell Collins, Universal Avionics, CMC Electronics, Avidyne等知名公司。

更正

因校对疏忽，本刊2016年第十期刊登的《卫星导航系统接收机原理与设计 ——之十（上）》应为《卫星导航系统接收机原理与设计 ——之十（下）》，特此更正。

根据增强实现的方式，广域增强系统WAAS接收机可以分为芯片组、混合组件以及辅助板卡三类。

·芯片组：与EGNOS芯片组接收机类似，WAAS增强芯片焊装在GPS接收机的电路板中，与GPS接收机共用射频前端，这类增强接收机成本较低；

·混合组件：与EGNOS混合组件接收机类似，射频前端和增强信息处理电路是一个独立的模块，成本比芯片组类增强接收机略高，但很容易与一般GPS接收机集成；

·辅助板卡：与EGNOS辅助板卡接收机类似，增强系统的射频前端模块及增强信息处理电路被集成到一张板卡中，