衛星導航系統接收機原理與設計
——之十一（上）

+ 劉天雄

衛星導航系統接收機原理與設計
——之十一（上）

+ 劉天雄

6 接收機類型

根據不同的用途和評價標準，衛星導航接收機可以分成多種類型，按用途可以分為定位/導航型（POSITIONING/NAVIGATION RECEIVER）、授時型（TIME TRANSFER RECEIVER）、大地測量型（SURVEYING RECEIVER）、差分型（DIFFERENTIAL GNSS RECEIVER）等四類。

按動態性能可以分為高動態型(X型)、中動態型(Y型)、低動態或靜止型(Z型)接收機。按所接收的導航信號，以GPS系統為例，有頻點(L1、L2)或者觀測量(C/A碼、P碼、Y碼、L1載波相位、L2載波相位)，可以分為L1 C/A碼接收機；L1載波相位、C/A接收機；L1/ L2載波相位，C/A、P碼接收機（SPS）；L1/ L2載波相位，C/A、P碼、Y碼接收機（SPS）。

按設計與實現方式可以分為模擬接收機（ANALOG RECEIVER）、數字接收機（DIGITAL RECEIVER）和軟件接收機（SOFTWARE RECEIVER）。

導航接收機可以是自主工作，也可以由增強系統或者差分系統提供修正或測量參數，還可以是提供用戶位置坐標的通用接收機，也可以是提供導航、精確定位、授時或者測量等特定用途的接收機。除了解算用戶的位置和速度，接收機還能提供時間。因為一些關系國計民生的行業，特別是無線通信、電力網、金融網絡完全依賴精確時間以及系統間的時間同步才能有效地運行，因此時間對這些行業來說至關重要。衛星導航系統的授時功能使用戶幾乎零成本地地享受到原子鐘高精度、高穩定度服務。

衛星導航接收機運行平臺可以采取專用集成電路、現場可編程門陣列、數字信號處理芯片或者微處理器，選擇導航接收機運行平臺時要權衡工作性能、制造和維護成本、擴展性、功耗以及自主性等因素。

6.1 多系統接收機

目前世界上已有美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo以及中國的BDS（北斗）四大GNSS全球衛星導航系統，此外還有日本的QZSS（準天頂）及印度的IRNSS區域衛星導航系統，研發多系統衛星導航接收機已成為用戶的迫切需求。在設計多系統衛星導航接收機時要考慮系統間的兼容和互操作問題，這樣用戶可以從利用單個衛星導航系統到多個系統的定位過程中，實現不同的信號頻譜和信號處理鏈路之間的無縫組合。

對于多系統衛星導航接收機用戶而言，由于增加了可視導航衛星的數量，特別是在高樓林立的城市峽谷中，增加可視導航衛星數量的優點體現在如下兩方面，一是提高了系統的解算可用性，二是提高了系統的精度因子DOP可用性，由此進一步提高了定位精度。因此，多系統接收機是當前衛星導航接收機的發展趨勢。

6.2 多頻點接收機

衛星導航信號被分成多個不同頻點，例如，GPS全球定位系統有L1、L2兩個導航信號，中心頻率分別為1575.42 MHz、1227.6 MHz，無論是在單系統還是多系統環境中，如果接收機能夠接收多個頻點的導航信號，則接收機能夠去除與信號頻率相關的誤差，由此提高定位精度。典型例子是利用雙頻信號修正電離層延遲誤差。

設計多頻點接收機主要難點是增加射頻前端硬件配置，一般來說，接收機的天線、射頻前端、前端濾波器以及模數轉換電路均是圍繞一個期望的中心頻點開展設計的，因此，增加新的頻點就需要配置一套射頻前端模塊。基于此，設計多頻點接收機時，需要權衡成本、體積、功耗、性能、濾波器以及模數轉換質量等眾多因素。

6.3 增強系統接收機

衛星導航接收機可以利用增強系統提供的參數和修正信息改善性能和定位精度，增強系統可以給衛星導航接收機提供增強信息，包括輔助觀測量和差分修正信息，目前應用較為廣泛的增強系統是歐洲的地球靜止軌道衛星導航中繼服務系統EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service）以及美國的廣域增強系統WAAS（Wide Area Augmentation System）。

6.3.1 EGNOS增強系統接收機

EGNOS增強系統增強的對象是GPS全球定位系統，EGNOS接收機能夠接收GPS信號并計算用戶位置，但內置特殊軟件可以同時接收EGNOS系統地球靜止軌道衛星播發的信號，計算GPS信號的差分修正值。EGNOS接收機大小與一般GPS接收機一致，與一般GPS接收機共用一副接收天線。

（1）接收機類型

根據增強實現的方式，EGNOS接收機可以分為芯片組、混合組件以及輔助板卡三類。

·芯片組：增強芯片焊裝在GPS接收機的電路板中，關鍵環節是與GPS接收機共用射頻前端的接口設計，這類增強接收機成本較低；

·混合組件：增強系統有獨立的射頻前端模塊及增強信息處理電路，成本比芯片組類增強接收機略高，但很容易與一般GPS接收機集成；

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

（2）通信協議能。而“WAAS Enabled”標志通常意味著在接收機默認的配置中，WAAS增強功能是被開啟的。衛星導航技術發展日新月異，接收機研制方必須緊密跟蹤國際標準。

（4） 生命安全和開放服務接收機

對于生命安全服務SoL（Safety-of-Life），EGNOS接收機需要執行一些相關標準，例如，EGNOS民用航空接收機必須滿足以下標準，

·全面滿足RTCA SBAS MOPS DO-229規定的航空儀器一般標準要求。

·全面滿足RTCA SBAS MOPS 228 及 301規定的天線標準要求。

·滿足RTCA TSO (C190, C145b, C146b)規定的天基增強儀器標準要求

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

生命安全服務SoL對儀器設備的最高級別認證是民用航空認證，世界范圍內有許多經過民用航空認證的接收機研制廠商，包括GARMIN, Honeywell, Rockwell Collins, General Avionics等知名公司。

開放服務OS（Open Service）的目標是使用低成本、通用衛星導航接收機，同時利用接收天基增強信號為用戶提供改善定位精度、提高服務完好性等增強服務。對于EGNOS開放服務OS接收機，沒有必要滿足RTCA SBAS MOPS DO-229規定的航空儀器一般標準要求。

EGNOS接收機研制方一般采用標準的、開放的數據格式，常用的通信協議有NMEA, RTCM, NTRIP, SiSNET and RINEX：

（3）研制方說明

為了與其他天基增強系統SBAS（space based augmentation system）互操作，EGNOS接收機需要執行基增強系統SBAS相關標準。事實上，許多EGNOS接收機標有“WAAS Capable”或“WAAS Enabled”，即具有WAAS功能，WAAS是美國研制的GPS系統的天基增強系統。“WAAS Capable”標志通常意味著在接收機默認的配置中，WAAS增強功能是被關閉的，用戶必須手動激活該功

根據處理天基增強系統SBAS信息的能力，EGNOS接收機可以分成四個級別：

·種類1（Category 1）：全面使用天基增強系統SBAS修正信息；

·種類2（Category 2）：具有接收天基增強系統SBAS衛星信號的能力；

·種類3（Category 3）：接收機與天基增強系統SBAS兼容，但是并沒有能力處理增強數據，因此接收機沒有增強功能。為了利用天基增強系統SBAS信息，這類產品需要配置相關附件以接收處理增強信號；

·種類4（Category 4）：這類接收機處理天基增強系統SBAS信號裝置的能力不翔實。

注意：上述產品分類并沒有嚴格與MOPS RTCA DO 229 D標準對標。

6.3.2 WAAS增強系統接收機

廣域增強系統WAAS（Wide Area Augmentation System）是美國GPS系統的天基增強系統（Satellite Based Augmentation System）。為了將GPS系統推廣應用到民用航空領域，美國聯邦航空管理局FAA（Federal Aviation Agency ）于1992年啟動廣域增強系統WAAS研制計劃，2003年，廣域增強系統WAAS投入使用，目前在美國和加拿大有1000多個機場可以支持民航客機利用廣域增強系統WAAS完成完成飛機起降工作。廣域增強系統WAAS服務區包括美國大陸本土CONUS（Continental United States）、阿拉斯加、加拿大以及墨西哥。美國聯邦航空管理局FAA分布建設廣域增強系統WAAS，目前計劃發展雙頻增強服務以提高系統能力。

廣域增強系統WAAS信號設計的原則是盡量不改變GPS接收機硬件，因此一部WAAS-GPS接收機功能與外形與一般的GPS接收機類似，與GPS接收機共用一副接收天線，可以接收GPS信號并給出用戶位置，但是內置的軟件還可以接收廣域增強系統WAAS的同步軌道衛星播發的增強信號，由此修正GPS系統誤差。雖然廣域增強系統WAAS主要用于民用航空領域，但是配置廣域增強系統WAAS信號接收處理功能的GPS接收機可以大幅度提高定位精度以及服務完好性。

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

（2） 通信協議

廣域增強系統WAAS接收機研制方一般采用標準的、開放的數據格式，常用的通信協議有NMEA, RTCM, NTRIP, SiSNET 及 RINEX。GPS接收機帶有“WAAS Enabled”標志時，通常意味著接收機的配置中WAAS增強功能是被開啟的。衛星導航技術發展日新月異，接收機研制方必須緊密跟蹤國際標準。

（3） 認證接收機

衛星導航接收機的最高等級產品是民用航空認證產品，世界范圍內有許多經過民用航空認證認證的廣域增強系統WAAS接收機研制廠商，包括GARMIN, Honeywell, Rockwell Collins, Universal Avionics, CMC Electronics, Avidyne等知名公司。

更正

因校對疏忽，本刊2016年第十期刊登的《衛星導航系統接收機原理與設計 ——之十（上）》應為《衛星導航系統接收機原理與設計 ——之十（下）》，特此更正。

根據增強實現的方式，廣域增強系統WAAS接收機可以分為芯片組、混合組件以及輔助板卡三類。

·芯片組：與EGNOS芯片組接收機類似，WAAS增強芯片焊裝在GPS接收機的電路板中，與GPS接收機共用射頻前端，這類增強接收機成本較低；

·混合組件：與EGNOS混合組件接收機類似，射頻前端和增強信息處理電路是一個獨立的模塊，成本比芯片組類增強接收機略高，但很容易與一般GPS接收機集成；

·輔助板卡：與EGNOS輔助板卡接收機類似，增強系統的射頻前端模塊及增強信息處理電路被集成到一張板卡中，