GNSS用戶技術的主要發展趨勢
——《GNSS用戶技術報告》簡介之二

● 文|中國國防科技信息中心 李龍龍 張永紅 席歡

GNSS用戶技術的主要發展趨勢
——《GNSS用戶技術報告》簡介之二

● 文|中國國防科技信息中心 李龍龍 張永紅 席歡

自1981年第一臺GPS接收機TI－4100問世以來，到現在GNSS芯片已廣泛集成到眾多智能手機、可穿戴設備中，GNSS接收機的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不斷演化。近年來，多GNSS星座的建設以及新服務的涌現，促進了GNSS用戶技術蓬勃發展。本文根據歐洲全球導航衛星系統管理局（GSA）2016年10月發布的第一版《GNSS用戶技術報告》，分析總結了GNSS用戶技術的主要發展趨勢。

接收機；趨勢；矢量跟蹤；云GNSS處理

一方面，處理器的發展使接收機具備處理更多GNSS信道的能力；低成本MEMS傳感器的發展使多種不同傳感器的緊耦合成為可能，從而使接收機在GNSS不可用環境中仍能提供服務；另一方面，用戶對GNSS接收機定位精度、首次定位時間以及對惡劣環境的適應能力等性能需求不斷增長。這些因素促使GNSS接收機設計的各個部分都在發展演變，GNSS接收機各部分的發展重點或發展最快的領域如表1所示。GNSS用戶技術主要表現出以下發展趨勢。

表1 接收機各模塊發展重點

一、將根據不同用戶需求來平衡接收機的帶寬和功耗

一個給定接收機的信號處理能力通常取決于其應用的市場。高處理帶寬能提供更高精度的觀測量和更好的多徑效應抑制能力，同時也需要更大的功耗。接收機的最終設計是權衡其設備復雜度、功耗及性能的結果。例如，Galileo E1這樣的復合信號同時使用了BOC（1,1）和BOC（6,1）調制，接收機設計者可以考慮處理整個信號還是僅僅處理BOC（1,1）部分。高精度接收機，尤其是那些沒有功耗限制的高精度接收機傾向于處理完整的信號帶寬；而大眾市場的接收機，例如智能手機GNSS接收機，則傾向于處理能滿足需要的最小帶寬。

二、矢量跟蹤技術優勢明顯、有望在五年內實現商業化

目前幾乎所有的GNSS接收機都采用標量跟蹤的方式，而相應的矢量跟蹤是更先進的設計理念。標量跟蹤是對每個信號相互獨立地進行載波和碼跟蹤，而矢量跟蹤是在一個導航濾波器中跟蹤所有衛星信號，它是抑制多徑干擾影響和非視距信號輔助檢測的有效方式，二者是在城市環境中使用GNSS的主要干擾源。

矢量跟蹤將信號捕獲和跟蹤功能與位置解算功能組合到一個算法上，在顯著提升所需要處理能力和提升位置計算速度10倍以上的同時，還有望進一步提升敏感性，提供短期信號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勢，但是還沒能用于商業產品。隨著微處理器能力的提升，GNSS接收機有望在5年內采用這項戰略技術。

三、云GNSS處理和“快照”定位將使接收機能耗降低幾個數量級

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

“快照”或單點定位僅使用毫秒級的原始GNSS信號就能實現定位，主要用于不能實現或不需要連續空間信號跟蹤的場景（例如室內）。它短暫記錄經前端信號波形加工的原始數據（前置放大、下變頻、濾波和數模轉換），然后傳送到主平臺處理器（例如軟件GNSS接收機），存儲下來用于后處理或者發送到云端進行位置解算。

由于“快照”定位僅進行信號捕獲而不進行信號跟蹤，因此不允許提取導航電文。出于這個原因，它不能像傳統定位方法一樣，將測量值和導航信息時間戳同步。然而，通過“粗時間定位”技術和特殊算法可以從“快照”和輔助數據中解算位置信息。

“快照”定位具有以下特征： ①GNSS接收機的任務被大幅減少，只需要測量導航衛星信號的擴頻碼相位。由于不再需要跟蹤衛星或解碼導航電文（這些都是計算量大、能耗大的任務），功耗也大幅降低； ②解碼導航電文僅需要毫秒級的信息，而不像傳統接收機那樣需要持續跟蹤衛星數十秒，進一步減少了能源需求；③ Galileo E1導頻信號的使用成為可能。導頻碼改進了近－遠環境下的互相關保護，允許非常長的相干積分時間和非常高的靈敏度（僅受本地振蕩器限制），以及非模糊測距。

通過將云GNSS處理和“快照”定位相結合，一些研究人員和供應商宣稱將能耗降低了幾個數量級。

四、天線設計向多頻段、多功能、微型化、集成化方向發展

天線負責捕獲在空間中傳播的L頻段信號，是GNSS空間段與用戶段之間的橋梁。天線設計師必須在天線的效率、帶寬和小型化水平之間尋求平衡。GNSS接收機天線設計是專業應用和大眾市場的重點研究領域，具有以下發展趨勢：

1）多頻段。新型GNSS信號的出現，多頻技術向大眾市場應用的遷移，以及用戶對多徑效應和干擾抑制能力需求的增長，共同促進了多頻天線的發展。但大眾市場應用在大多數情況下需要的仍是單頻接收機，因此單頻天線仍占到60%的份額。盡管專業應用越來越對多頻天線感興趣，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下游產業已經從根據實際情況專門設計天線轉向提供易集成到OEM產品的天線模塊。這些天線能夠適用于各種類型的接收機，從而在市場上獲得各種各樣的應用，以使經濟規模的優勢最大化。除了為特定應用專門設計的天線，制造商現在提供大量的嵌入式緊湊型天線設計，可提供不同的形狀、外殼、安裝、連接和供電電壓。

3）微型化。當天線的尺寸和相關頻段的波長相等時，其效率最高（例如E1頻段波長19cm）。盡管如航空等一些應用允許技術規范重點關注性能，但是大多數的GNSS天線設計要根據GNSS集成商的需要，因而天線設計更適于汽車定位及其他位置服務的應用。在這些應用中，尺寸和成本是主要驅動因素。因此，幾乎所有類型的天線都有微型化的發展趨勢。而且，對于以微型化為主要驅動因素的應用，單級天線比貼片天線和螺旋天線的應用更廣泛。這些應用需要非常小、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高的天線介質等微型化技術也可以有效減小天線尺寸。

4）穩健性。包括天線，整個GNSS接收通道都要求有較好的抗多徑效應和干擾能力。新型星座和頻段提供了更高的信號冗余度和多樣性，多頻和多星座的概念為提升穩健性提供了可能。在這個場景下，自適應天線成為抵抗干擾的有力工具。自適應天線能利用空間分集并能夠區別對待來自不同方向的信號。自適應技術不但要有天線的支持（天線限于輻射單元和低噪聲放大器），還需要應用附加的處理射頻信號的電子元件。目前，商業自適應天線的應用前景仍局限于軍用調零天線。在不久的將來，市場上也會出現與民用市場需求兼容的創新型自適應天線設計。

5）基礎性能。近年來天線的增益和噪聲系數一直保持不變，而且沒有任何需要提升的跡象。然而，接收機的敏感性已經大幅提升，降低了許多“低性能”應用對更好天線的要求，從而擴大了微型單級天線的應用范圍。

6）與其他天線集成。GNSS設備正在越來越多地集成到能同時支持其他無線電通信的設備上，包括藍牙、WiFi和射頻識別（RFID）等短距離數據傳輸以及蜂窩和衛星通信網絡。

五、支持多星座成為所有GNSS應用的標準

GNSS接收機對多星座的支持具有以下優勢：①增強可用性，尤其在有遮蔽的區域效果更加顯著；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自主完好性監測（RAIM）程序提高完好性；③增強穩健性，使用多個獨立的GNSS系統更難被欺騙。

2014年中到2016年初，GSA和歐空局（ESA）舉行了一次GNSS芯片測試活動，以評估用戶設備是否做好支持Galileo信號的準備。9家頂級大眾市場制造商參與了這次測試。該測試不但證明了大眾市場制造商的產品具備Galileo能力，也證明了采用多星座能夠提升性能。

測試場景的設計是評估標準環境（開闊的天空下）以及退化的環境（城市及城市郊區）下的芯片性能。測試中使用GPS、GLONASS以及Galileo信號的多種組合，既考察靜態環境也考察動態環境。評估的主要性能參數是精度和首次定位時間，其結果如下：

精度：在開闊的天空下，在GPS的基礎上增加1～2個星座僅能略微提高定位精度。但是，隨著環境的惡化（包括物理環境或無線電環境），增加Galileo的優勢就明顯表現出來。例如，在城市環境中，Galileo信號的加入總能提升精度。測試中定位的圓概率誤差可以改善15%～20%。GPS和 Galileo雙星座接收機的最優性能達到圓概率誤差3.9m。GPS+GLONASS（7～8顆GLONASS衛星）組合和GPS+Galileo（2～3顆Galielo在軌驗證衛星）組合的平均水平定位誤差相近。

首次定位時間：與精度相似，首次定位時間的改善也主要發生在惡劣環境中。多星座接收機的熱啟動時間平均改善1s，冷啟動時間平均改善20s。可以預見的是，當可見Galileo衛星等于或多于4顆時，冷啟動首次定位時間將大幅縮短。值得說明的是，和精度測試一樣，不同接收機的表現存在很大差異，很可能是因為它們采用了不同的捕獲策略或不同的資源分配策略。

過去十年間，支持多星座的GNSS接收機不斷涌現，甚至在以成本為主要因素的市場上也表現出這種趨勢。然而，由于潛在技術的發展，一代接收機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接近完全運行能力時才會選擇它們。

根據GSA的調查，市場上65%的GNSS接收機支持多星座，超過20%的接收機支持4個星座。其中最常見的組合方式為GPS+GLONASS，其次是GPS+Galileo。為了達到更高的精度或完好性，超過60%的接收機還支持星基增強系統。此外，QZSS和IRNSS等區域系統的應用也越來越普遍，見圖1。

圖1 GNSS接收機多星座特性調查結果

六、多頻接收機有望從高精度定位領域擴展到大眾市場

一方面，GNSS接收機對多星座的支持可以：①提升精度。雙頻接收機可以估計并消除電離層延遲誤差；②實現實時動態差分（RTK）和精密單點定位（PPP）技術。盡管理論上單頻接收機能夠實現RTK和實時PPP，但實踐中RTK和PPP需要雙頻接收機。而且，三頻接收機很可能進一步改進模糊度解算算法；③提升穩健性。頻率多樣性是保護接收機不受干擾的基礎且最有效的手段。另一方面，新信號的設計也能夠：①提升精度。新的調制方式及更高的碼速率提供了更精確的偽距測量；②提升多徑效應抑制能力。新的調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。導頻信號通過更長的積分時間提高接收機靈敏度。這促進了雙頻和三頻商用接收機的發展。但是，目前只有高精度接收機采用了多頻，雖然已經開展了一些應用于大眾市場和自動汽車的雙頻接收機的研究活動，但到目前為止還沒有大規模部署。

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

圖2 GNSS接收機多頻特性調查結果

七、克服GNSS脆弱性仍將是GNSS用戶技術熱點之一

GNSS由于本身信號弱的固有特點，對自然（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。這些干擾現象會影響GNSS運行，甚至部分或完全中斷服務。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干擾機的銷售、購買和使用在很多國家都是違法的，但是公眾還是可以通過互聯網買到。GNSS干擾機的一個典型應用是干擾用于資產跟蹤的設備。然而，這樣的干擾機常常會在更大的區域干擾GNSS，使所謂的“隱私保護設備”變成了公害。

無意射頻干擾：一類是多徑效應，是指經反射延遲之后的信號與直接傳播的GNSS信號混合進入接收機造成的干擾，主要影響相位測量和碼測量。通過了解這種干擾機制，人們可以設計特定的消減策略。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測的干擾。已有的記錄表明，微波設備、航空雷達以及電視信號發射機都是主要的干擾源。

圖3 GNSS接收機面臨的主要人為干擾威脅

偽造導航信號：包括偽造導航電文與偽造擴頻碼和載波兩種方式。偽造導航電文又包括復制導航電文，即對空間信號的導航電文進行復制并轉發；偽造導航電文，即攻擊者理論上可以偽造導航電文使接收機解算出攻擊者設定的位置。偽造擴頻碼和載波是指GNSS系統利用直接序列擴頻技術調制導航數據。對于開放服務，這些序列會在系統的接口控制文件中發布，并可用于生成仿真信號。因此偽造的信號可以在各種能級上和真實衛星的擴頻序列同步或不同步廣播。

重發攻擊：包括實時信號復制和記錄并重發兩種方式。實時信號復制可以利用合適的硬件將空間信號延遲并重新廣播，例如將延遲引入傳播時間，使接收機解算的位置產生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，但可以用它對安全攸關的應用進行欺騙；記錄并重發攻擊主要是利用已有的商業產品實施。這些設備的典型結構包括一個下變頻器、模數轉換器、膠合邏輯、數字存儲器、數模轉換器和上變頻器。

（1）抗欺騙干擾技術

GNSS可以采取多重防護來對抗欺騙干擾。最常見的方式是對測距碼（“導航安全措施”）和導航電文（“通信安全措施”）進行加密，從而控制用戶對信號的訪問。這也是GPS精密定位服務（PPS）和Galileo公共授權服務（PRS）采用的方法，僅供授權用戶使用。

另一種方法是GNSS信號認證。盡管所有的接收機都能處理這些認證的信號，但這些信號中包含“標記”，具備特定解碼能力的接收機能夠識別這種“標記”從而識別真實信號。這種認證能力理論上可以是導航電文認證、測距碼認證或是雙重認證。未來Galileo計劃向所有用戶提供免費的開放服務信號導航電文認證，并提供“通信安全措施”防護；除導航電文認證外，商業服務還將對授權用戶提供加密的測距碼，增強“導航安全措施”防護能力。

（2）抗射頻干擾技術

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

對于其他射頻干擾，可以通過以下措施進行識別和抑制：①波束成型和零陷等陣列天線技術與陣列處理算法；②利用從空間信號分離中獲得的可用信息判斷有用信號的到達方向（DoA）；③判斷干擾源、干擾方向；④前端技術，例如基于壓縮傳感的識別技術；⑤前相關和后相關接收機技術，例如脈沖抑制器、連續波調零和陷波濾波等。