高靈敏度GNSS接收機的結構及性能

王華龍

摘 要：目前，全球衛星導航系統（GNSS）在定位、導航等很多民用和軍事領域中正廣泛地應用，但大多數應用都是在信號條件較理想的環境中。在室內、森林和城市等復雜環境條件下時，由于遮擋、多徑干擾等影響非常嚴重，可使衛星信號信噪比下降20 dB左右，導致定位精度將大大降低，GNSS無法得到很好的應用。隨著衛星導航接收機的不斷發展，高靈敏度接收機技術受到很大關注，弱信號處理技術成為研究的熱點。因此對GNSS弱信號處理的研究有著非常重要的意義。該文首先闡述了GNSS軟件接收機尤其是高靈敏度接收機基本架構和設計中的關鍵問題。

關鍵詞：GNSS 弱信號處理技術 基帶信號處理

中圖分類號：TN96 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（b）-0026-02

1 全球衛星導航系統概述

GNSS（Global Navigation Satellite System）全球衛星導航系統是是一種綜合的星座系統，它是20世紀90年代中期由歐盟首先提出的，使所有在軌工作的衛星總稱。GNSS接收機的主要工作是最精確地捕獲到一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星信號。并追蹤這些衛星的基本運行軌跡，對所接收到的信號進行變換、放大等信號處理，用于測量計算出衛星信號從衛星到接收機天線之間的傳播時間，編譯出GNSS衛星發送的電文導航，計算用戶的實際三維位置和速率及使用時間。

2 GNSS接收機的結構

如圖1所示，GNSS軟件接收機的結構主要包括硬件結構和軟件結構。

硬件結構為設備前端設備的信號處理部分信號處理部分軟件結構為：射頻前端設備。

2.1 天線

天線是專門為接收衛星信號而設計的，其結構必須適應所使用的環境且符合衛星信號的特點。GNSS接收機對天線的性能要求是：高增益、低噪聲系數、大的動態范圍。

2.2 RF前端

衛星信號通過天線單元被接收后，經過射頻前端，輸入信號被放大，并下變頻至中頻信號，然后經過模數轉換器形成數字信號后輸入給基帶處理模塊。下變頻數字化方式的優點是輸入頻率首先轉化到相對輸入頻率低的頻率值，容易建立窄帶濾波器，使放大器在低頻工作，但必須使用混頻器和本地振蕩器，雖然增加了成本，但減少了頻率誤差產生的可能性。

前置RF放大器主要用于當噪聲過于強大時防止噪聲對接收機的損害，并濾除掉頻帶外的高頻信號；下變頻主要是將本地的相關信號和接收到的高頻信號進行濾波和多次的混頻處理。把信號從很高的1 575.42 MHz頻段進一步的變為較低的中頻信號；A/D轉化完成對中頻信號的數字化，供基帶處理使用。

2.3 基帶信號處理

GNSS軟件接收機信號處理功能主要是接收信號（來自射頻模塊的信號），將該信號進行頻率放大，濾波等相關處理。這樣處理的目的是得到信號的碼相位和載波頻率。實現對信號的捕獲與跟蹤，提供定位解算的數據信息。同時，接收機還必須在載波相位域內檢測衛星，得到載波頻率，這樣形成了二維的信號檢測系統。然后對捕獲后的信號進行碼跟蹤環路和載波跟蹤環路跟蹤測量，最后對衛星導航電文解碼，結果是完成導航數據的提取任務。

在傳統接收機中，通常采用硬件相關器實現對中頻采樣數據的處理，而GNSS軟件接收機的處理程序是基于PC機本身的中頻信號相關處理程序。

2.4 導航定位的解算工作

GNSS接收機位置解算是通過某一時刻天空中各可視衛星瞬時位置及相應的消除各項誤差后的偽距來求解該時刻接收機在地球坐標系下的三維位置。在理想情況下，用戶接收機可以通過接收到3顆或者以上的衛星相關位置信息，并測得出信號從衛星傳輸到接收機天線所需要的具體時間，就可以計算出當前位置。

2.5 高靈敏度GNSS接收機結構

高靈敏GNSS接收機結構與一般接收機的不同之處在于要采用專門針對復雜環境下的弱信號的捕獲、跟蹤方法（見圖2）。

2.6 接收機整體性能指標

由圖1可知，GNSS軟件接收機可分為硬件和軟件兩大部分，因此影響接收機的整體性能指標也應包括硬件指標和軟件算法性能兩部分。

2.6.1 總增益

2.6.2 接收機的靈敏度和噪聲性能

隨著科學技術水平的不斷發展，人們應用過程中對GNSS接收機在靈敏度方面的要求越來越高，具有高靈敏度的接收機在性能方面可以使接收機在衛星信號較弱的地理環境情況下依然能夠實現準確的定位和跟蹤任務。實際GNSS接收機系統在靈敏度指標主要包括多個指標，分別為：捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、初始啟動靈敏度。

GNSS軟件接收機首要任務是對衛星信號的捕獲，在此基礎上將完成捕獲所需要的最低強度的信號叫做捕獲靈敏度；為了實現定位任務，GNSS軟件接收機對所發送的電文導航進行解調，解調電文所需的最低信號強度為初始啟動靈敏度。

從整個GNSS軟件接收機系統的角度進行分析，GNSS接收機的靈敏度主要由以下兩個方面決定：（1）接收機前端整個信號通路的增益及噪聲性能，包括通道增益、通道噪聲系數、天線增益等；（2）基帶部分的算法性能。其中，接收信號到達基帶部分的信噪比有接收機前端的性能決定，解調、捕獲、跟蹤過程所能容忍的最小信噪比由基帶算法則決定。接收機芯片的靈敏度具體是指基帶算法對輸入載噪比（單位為dBHz）的要求，接收機的靈敏度性能與載噪比的關系如下：

（2）

由以上式可以得出，接收機的靈敏度和噪聲系數及基帶要求的載噪比呈線性關系變化。所以為了達到基帶芯片所要求的載噪比，接收機的靈敏度性能就越好。另外對接收機整體的噪聲性產生影響的也有信號的相位噪聲，最終影響輸出端的載噪比。

3 結語

文章主要從系統角度介紹了一般GNSS接收機的結構以及其各部分的功能和工作流程，并給出了高靈敏度GNSS接收機的整體結構圖，分析了系統增益、靈敏度及噪聲系數等性能指標，對GNSS接收機整體設計進行了分析和論述。

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