GNSS接收機內(nèi)部噪聲水平檢測方法研究

胡 寧， 高知明， 周 勇，4

（1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2.南京市計量監(jiān)督檢測院，江蘇 南京 210037；3.江蘇北斗衛(wèi)星導航檢測中心有限公司，江蘇 南京 210032；4.江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心,江蘇 南京 210044）

GNSS接收機內(nèi)部噪聲水平檢測方法研究

胡 寧1，2，3， 高知明1， 周 勇1，4

（1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044；2.南京市計量監(jiān)督檢測院，江蘇 南京 210037；3.江蘇北斗衛(wèi)星導航檢測中心有限公司，江蘇 南京 210032；4.江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心,江蘇 南京 210044）

GNSS接收機的定位精度在進行性能評估時必須進行內(nèi)部噪聲水平檢測必不可少。該文利用多載體導航信號模擬器仿真導航信號，作為高精度的標準信號源，在對多臺GNSS接收機內(nèi)部噪聲水平檢測時播發(fā)同一信號源，運用零基線法對GNSS接收機鑒定。通過檢測實例表明，利用多載體導航信號模擬器進行接收機內(nèi)部噪聲水平檢測合理、可信，檢測速度快速有效且符合接收機內(nèi)部噪聲水平檢測要求。

GNSS接收機；內(nèi)部噪聲水平；零基線法；多載體導航信號模擬器

0 引 言

GNSS泛指全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，常見系統(tǒng)有GPS、BDS、GLONSS和GALILEO衛(wèi)星導航系統(tǒng)，隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的快速發(fā)展，衛(wèi)星產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化不斷加快，市場對GNSS接收機的需求也日益增大，同時對GNSS接收機的性能要求也越來越高。GNSS接收機的性能好壞直接影響著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，因此對GNSS接收機進行檢測并做出合理的評估對全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)和發(fā)展有著十分重要的意義[1]。內(nèi)部噪聲水平的好壞是評價GNSS接收機性能的重要指標，GNSS接收機內(nèi)部噪聲水平（receiver interior noise level）是 GNSS 接收機信號通道間的偏差，延遲鎖相環(huán)、碼跟蹤環(huán)的偏差，以及鐘差等引起的測距和測相誤差的綜合反映[2]。GNSS接收機的內(nèi)部噪聲水平檢測方法有超短基線法和零基線法，這兩種檢測方法主要依據(jù)BD 420009——2015《北斗/全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）測量型接收機通用規(guī)范》與CH 8016——1995《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量型接收機檢定規(guī)程》。通常GNSS接收機內(nèi)部噪聲水平檢測需要特定的檢測場地，對于同批號待檢數(shù)量較多的接收機，由于條件的限制使得接收機檢測環(huán)境有所差異且效率較低。本文提出一種利用多載體導航信號模擬器進行GNSS接收機內(nèi)部噪聲水平檢測，通過模擬器仿真多星座任意頻點組合的導航信號，對同批號多臺接收機檢測時播發(fā)同一信號源。

1 接收機內(nèi)部噪聲水平檢測方法

1.1 相對定位基本原理

GNSS系統(tǒng)的定位方法是通過測量衛(wèi)星位置到接收機之間的距離，然后依據(jù)多顆衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)解算出接收機具體位置。由于測碼偽距在測量時定位精度比載波相位誤差較大，而在工程測量時往往希望獲得高精度的定位數(shù)據(jù)，因此采用載波相位進行測量[3]。

載波相位的原始觀測方程可表示為

tA——接收機鐘差；

tP——衛(wèi)星鐘差；

c——真空中光速；

λ——載波相位波長，λ=f/c；每個變量的上標為衛(wèi)星編號，下標為接收機編號。

式（2）是在理想環(huán)境中衛(wèi)星P空間位置到接收機A之間距離的觀測方程，其中[XP，YP，ZP]為衛(wèi)星在空間中的位置矢量，[XA，YA，ZA]為接收機在測站的待定量，為衛(wèi)星到接收機間的距離。

在相對定位時，為了獲得高精度的定位結(jié)果，將載波相位觀測值直接相減即形成衛(wèi)星間求差、接收機間求差、歷元間求差3種方式[4]。在實際應(yīng)用中往往考慮到衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的影響，而采用接收機間求差方式，可得接收機A、B間的單差載波相位觀測方程為

式（3）是接收機間單差方式，這種單差方式消除了衛(wèi)星鐘差的影響，同時也對衛(wèi)星軌道誤差、以對流層為主的中性大氣延遲誤差和電離層延遲誤差的影響也可大大降低[5]。

為了進一步消除在定位過程中帶來的各種誤差，采用雙差方式，在接收機間和衛(wèi)星間進行二次求差，可得接收機A、B與衛(wèi)星P、Q的雙差載波相位觀測方程為

雙差載波相位觀測值消除了衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的影響，在A、B兩個接收機之間距離較近且周圍環(huán)境相似時，這種雙差方式可以極大消除大氣延遲誤差及衛(wèi)星軌道誤差帶來的影響，可以得到更好的定位結(jié)果。

1.2 零基線檢測方法

GNSS接收機內(nèi)部噪聲水平檢測主要運用零基線法，它主要是檢測接收機鐘差、信號通道時延、延遲鎖相環(huán)及機內(nèi)噪聲等電性能對接收機定位精度影響大小一種有效方法[6]。零基線法利用接收機接收同一衛(wèi)星信號進行載波相位觀測值間求差，其雙差差值理論上為0，因此零基線法是指多臺接收機分別接收同一功率分配器輸出的衛(wèi)星信號且信號的功率、相位等同，隨意選擇兩臺接收機設(shè)備進行雙差載波相位觀測數(shù)據(jù)求差，解算出相應(yīng)的基線向量，以檢測儀器固有誤差[7]。

零基線檢測步驟：

1）選擇周圍高度角10°以上無障礙物的開闊地方安放天線，按圖1連接功率分配器。

2）打開電源，接收機在靜態(tài)測量模式下同步接收4顆以上衛(wèi)星不少于30min。

3）用靜態(tài)軟件計算坐標增量和基線長度，其誤差應(yīng)小于1mm[8]。

1.3 超短基線檢測方法

GNSS接收機在進行內(nèi)部噪聲水平檢測時，在無功率分配器的條件下可采用超短基線法檢測內(nèi)部噪聲水平，超短基線法對內(nèi)部噪聲水平的檢測也是一種相對定位法對接收機定位精度的檢測。超短基線法選擇在周圍高度角10°以上無障礙物的場地并無電磁波干擾及地面反射系數(shù)小。將接收機天線整平對中放置在觀測墩上且同步測試。

圖1 零基線檢測示意圖

超短基線檢測步驟：

1）在標定的場地內(nèi)接收機天線必須安置在觀測墩北方向。

2）接收機開機接收同步衛(wèi)星信號，同步衛(wèi)星必須4顆以上連續(xù)接收1.5h。

3）用GNSS數(shù)據(jù)處理軟件計算，解算出的基線向量值與大地測量的標準值之間差值應(yīng)小于接收機固定規(guī)格。

1.4 內(nèi)部噪聲水平檢測方法分析

GNSS接收機在進行相對定位時產(chǎn)生的誤差主要來源于載波相位觀測數(shù)據(jù)，因此載波相位觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響著接收機性能的優(yōu)越，是接收機的重要指標。零基線法和超短基線法依據(jù)相對定位原理采用雙差載波相位方式對觀測數(shù)據(jù)進行解算。

零基線法的解算依據(jù)上式（1）～式（4），它消除了電離層和對流層延遲誤差、衛(wèi)星軌道誤差、多路徑效應(yīng)誤差、載波相位觀測噪聲、天線相位中心偏差誤差等，零基線檢測法可以較為真實地反映接收機的質(zhì)量水平，從檢測方法上分析多臺接收機接收的信號由同一臺天線傳輸，因此零基線法消除了天線對觀測數(shù)據(jù)的影響[9-10]。

在檢測主機與天線固定在一起的GNSS接收機采用超短基線法，但此方法無法消除天線相位中心偏差誤差和GNSS接收機對中誤差的影響，同時在雙差定位時載波觀測模型的解算也殘留著相關(guān)誤差的殘差。

2 儀器檢測實例與數(shù)據(jù)分析

本次檢測采用多載體導航信號模擬器，它能夠根據(jù)運動載體的動態(tài)特性等各種因素對衛(wèi)星信號的影響，精確模擬高動態(tài)包括GLONASS、GPS和BDS等混合星座任意頻點組合的導航信號。依據(jù)我國最新發(fā)布的JJF 1471——2014《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）信號模擬器校準規(guī)范》和BD 420012——2015《北斗/全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）信號模擬器性能要求及測試方法》對此次使用的GNS8450多載體導航信號模擬器校準，表1為多載體導航信號模擬器性能與BD 420012——2015專項標準指標對比。可以看出GNS8450多載體導航信號模擬器仿真的導航信號符合我國規(guī)定要求，因此GNS8450模擬器可以作為高精度的標準信號源，提供高穩(wěn)定度的標準1PPS脈沖信號和10MHz時鐘信號，并且能夠滿足各類多終端協(xié)同導航測試的應(yīng)用需求，目前是GNSS接收設(shè)備測量首選計量儀器[11]。

表1 多載體導航信號模擬器性能與BD 420012——2015專項標準指標對比

本次采用GNS8450多載體導航信號模擬器支持 BDS（B1、B2、B3）和 GPS（L1、L2）5 個頻點任意頻點間隨機組合信號輸出，同時檢測接收機采用上海司南研發(fā)的M300 Pro接收機，此型號接收機完全支持多載體導航信號模擬器仿真的5個頻點，可同時跟蹤14顆衛(wèi)星，利用M300 Pro接收機對衛(wèi)星信號進行數(shù)據(jù)采集。

本次檢測采用零基線法對GNSS接收機內(nèi)部噪聲水平檢測，將2臺接收機分別接至功率分配器2個輸出端口，在檢測中多載體導航信號模擬器直接將衛(wèi)星信號輸出至功率分配器，然后通過功率分配器等功率、相位傳輸給接收機，如圖2所示。

在多載體導航信號模擬器檢測平臺上，首先將多載體導航信號模擬器通過本地控制軟件界面設(shè)置后，下發(fā)星歷數(shù)據(jù)，確定下發(fā)完畢指示信號后，等待仿真計算機仿真命令，仿真計算機開始仿真后實時將載體運動數(shù)據(jù)通過光纖傳輸給模擬器，信號處理模塊將產(chǎn)生的GNSS中頻信號輸入到射頻板，再將模擬器射頻輸出的衰減信號與功率分配器對接[12]。由于本次檢測是對GNSS接收機內(nèi)部噪聲水平檢測，衛(wèi)星信號質(zhì)量越好使得接收機定位精度越高，更加體現(xiàn)接收機性能的優(yōu)越，但是接收機在日常工作中往往會受到各方面的干擾，因此在對仿真環(huán)境星座參數(shù)編輯時，使用多種仿真效應(yīng)模型，如：對流層模型和電離層模型。

圖2 接收機閉環(huán)仿真系統(tǒng)框圖

利用多載體導航信號模擬器在對衛(wèi)星信號靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)的采集時，衛(wèi)星天空分布圖如圖3所示。

運用GNSS數(shù)據(jù)處理軟件對各接收機采集的衛(wèi)星原始觀測數(shù)據(jù)進行靜態(tài)基線處理，根據(jù)BD420009——2015規(guī)定：在接收機內(nèi)部進行噪聲水平檢測時，接收機連續(xù)采集數(shù)據(jù)時間不少于30min且觀測數(shù)據(jù)靜態(tài)解基線向量長度在1mm以內(nèi)，則認為接收機內(nèi)部噪聲水平滿足檢測要求[13]。表2為9組接收機靜態(tài)基線處理結(jié)果，在表中直觀的看出利用多載體導航信號模擬器對接收機內(nèi)部噪聲水平檢測所采集的靜態(tài)解基線向量長度均小于1mm。

圖3 觀測時段衛(wèi)星天空分布圖

表2 9組接收機靜態(tài)基線處理結(jié)果

圖4 第1組接收機零基線觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量

圖4 是第1組接收機零基線雙差定位殘差，圖中大寫字母C、G分別代表BDS和GPS（下文字母含義一致）。由圖可知雙差定位殘差值很小，GPS衛(wèi)星雙差定位殘差最大值為5mm，而BDS衛(wèi)星雙差定位殘差最大值為18 mm，根據(jù)雙差殘差可以明顯分析出GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)于BDS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。如圖5所示，靜態(tài)基線GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好沒有出現(xiàn)周跳現(xiàn)象，BDS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差明顯出現(xiàn)周跳現(xiàn)象。

載波相位觀測值精度根據(jù)雙差觀測量殘差分析：第1組接收機觀測值精度很高，其中GPS觀測值精度高于BDS觀測值精度，如表3所示，GPS/BDS水平精度和垂直精度均符合標準要求。通過上述結(jié)果表明，雙差觀測量殘差的高低直接影響著觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，對觀測值精度的計算起到?jīng)Q定作用。接收機內(nèi)部噪聲影響了GPS/BDS載波相位觀測數(shù)據(jù)導致雙差觀測量殘差參差不齊，但內(nèi)部噪聲的影響較小，GPS/BDS頻點殘差變化幅度不大。

圖5 第1組接收機零基線雙差定位殘差

表3 第1組接收機靜態(tài)基線觀測值精度

3 結(jié)束語

隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的快速發(fā)展，GNSS接收機性能的檢測越來越重要，它必須符合國家規(guī)定要求。內(nèi)部噪聲水平的檢測是GNSS接收機主要的檢測項目之一，本文采用多載體導航信號模擬器對接收機內(nèi)部噪聲水平檢測，該方法可重現(xiàn)復雜的效應(yīng)場景對同批號接收機進行檢測，這在已有的檢測方法中是無法實現(xiàn)的。通過檢測實例，驗證了的多載體導航信號模擬器檢測方法的有效性，該方法不但科學、客觀的反映了接收機內(nèi)部噪聲水平，而且還提高了檢測效率。

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（編輯：劉楊）

Study on the internal noise level detection method of GNSS receiver

HU Ning1，2，3，GAO Zhiming1，ZHOU Yong1，4
（1.School of Electronics and Information Engineering，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China；2.Nanjing Institute of Measurement and Testing Technology，Nanjing 210037，China；3.Jiangsu Beidou Satellite Navigation Testing Center Co.，Ltd.，Nanjing 210032，China；4.Jiangsu Technology and Engineering Center of Meteorological Sensor Network，Nanjing 210044，China）

In performance evaluation，GNSS receiver positioning accuracy is essential for testing of the internal noise level.The research uses multi-carrier navigation signal as a high-precision standard signal，and broadcasts the same signal source when detecting the internal noise level of multiple GNSS receivers，then uses the zero-baseline method to identify the GNSS receivers.By testing samples，it is more reasonable and feasible to detect the receiver’s internal noise level with multi-carrier navigation simulator.Compared with the traditional method，the proposed method is faster，more effective and can satisfy the requirements of the receiver’s internal noise level.

GNSS receiver； internal noise level； zero baseline method； multi-carrier navigation signal simulator

A

1674-5124（2017）04-0028-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.007

2016-09-12；

2016-11-03

胡 寧（1967-），男，江蘇南京市人，高級工程師，碩士，主要從事衛(wèi)星導航產(chǎn)品檢測技術(shù)研究。