高灵敏度GNSS接收机的结构及性能

王华龙

摘 要：目前，全球卫星导航系统（GNSS）在定位、导航等很多民用和军事领域中正广泛地应用，但大多数应用都是在信号条件较理想的环境中。在室内、森林和城市等复杂环境条件下时，由于遮挡、多径干扰等影响非常严重，可使卫星信号信噪比下降20 dB左右，导致定位精度将大大降低，GNSS无法得到很好的应用。随着卫星导航接收机的不断发展，高灵敏度接收机技术受到很大关注，弱信号处理技术成为研究的热点。因此对GNSS弱信号处理的研究有着非常重要的意义。该文首先阐述了GNSS软件接收机尤其是高灵敏度接收机基本架构和设计中的关键问题。

关键词：GNSS 弱信号处理技术 基带信号处理

中图分类号：TN96 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（b）-0026-02

1 全球卫星导航系统概述

GNSS（Global Navigation Satellite System）全球卫星导航系统是是一种综合的星座系统，它是20世纪90年代中期由欧盟首先提出的，使所有在轨工作的卫星总称。GNSS接收机的主要工作是最精确地捕获到一定卫星高度截止角所选择的待测卫星信号。并追踪这些卫星的基本运行轨迹，对所接收到的信号进行变换、放大等信号处理，用于测量计算出卫星信号从卫星到接收机天线之间的传播时间，编译出GNSS卫星发送的电文导航，计算用户的实际三维位置和速率及使用时间。

2 GNSS接收机的结构

如图1所示，GNSS软件接收机的结构主要包括硬件结构和软件结构。

硬件结构为设备前端设备的信号处理部分信号处理部分软件结构为：射频前端设备。

2.1 天线

天线是专门为接收卫星信号而设计的，其结构必须适应所使用的环境且符合卫星信号的特点。GNSS接收机对天线的性能要求是：高增益、低噪声系数、大的动态范围。

2.2 RF前端

卫星信号通过天线单元被接收后，经过射频前端，输入信号被放大，并下变频至中频信号，然后经过模数转换器形成数字信号后输入给基带处理模块。下变频数字化方式的优点是输入频率首先转化到相对输入频率低的频率值，容易建立窄带滤波器，使放大器在低频工作，但必须使用混频器和本地振荡器，虽然增加了成本，但减少了频率误差产生的可能性。

前置RF放大器主要用于当噪声过于强大时防止噪声对接收机的损害，并滤除掉频带外的高频信号；下变频主要是将本地的相关信号和接收到的高频信号进行滤波和多次的混频处理。把信号从很高的1 575.42 MHz频段进一步的变为较低的中频信号；A/D转化完成对中频信号的数字化，供基带处理使用。

2.3 基带信号处理

GNSS软件接收机信号处理功能主要是接收信号（来自射频模块的信号），将该信号进行频率放大，滤波等相关处理。这样处理的目的是得到信号的码相位和载波频率。实现对信号的捕获与跟踪，提供定位解算的数据信息。同时，接收机还必须在载波相位域内检测卫星，得到载波频率，这样形成了二维的信号检测系统。然后对捕获后的信号进行码跟踪环路和载波跟踪环路跟踪测量，最后对卫星导航电文解码，结果是完成导航数据的提取任务。

在传统接收机中，通常采用硬件相关器实现对中频采样数据的处理，而GNSS软件接收机的处理程序是基于PC机本身的中频信号相关处理程序。

2.4 导航定位的解算工作

GNSS接收机位置解算是通过某一时刻天空中各可视卫星瞬时位置及相应的消除各项误差后的伪距来求解该时刻接收机在地球坐标系下的三维位置。在理想情况下，用户接收机可以通过接收到3颗或者以上的卫星相关位置信息，并测得出信号从卫星传输到接收机天线所需要的具体时间，就可以计算出当前位置。

2.5 高灵敏度GNSS接收机结构

高灵敏GNSS接收机结构与一般接收机的不同之处在于要采用专门针对复杂环境下的弱信号的捕获、跟踪方法（见图2）。

2.6 接收機整体性能指标

由图1可知，GNSS软件接收机可分为硬件和软件两大部分，因此影响接收机的整体性能指标也应包括硬件指标和软件算法性能两部分。

2.6.1 总增益

2.6.2 接收机的灵敏度和噪声性能

随着科学技术水平的不断发展，人们应用过程中对GNSS接收机在灵敏度方面的要求越来越高，具有高灵敏度的接收机在性能方面可以使接收机在卫星信号较弱的地理环境情况下依然能够实现准确的定位和跟踪任务。实际GNSS接收机系统在灵敏度指标主要包括多个指标，分别为：捕获灵敏度、跟踪灵敏度、初始启动灵敏度。

GNSS软件接收机首要任务是对卫星信号的捕获，在此基础上将完成捕获所需要的最低强度的信号叫做捕获灵敏度；为了实现定位任务，GNSS软件接收机对所发送的电文导航进行解调，解调电文所需的最低信号强度为初始启动灵敏度。

从整个GNSS软件接收机系统的角度进行分析，GNSS接收机的灵敏度主要由以下两个方面决定：（1）接收机前端整个信号通路的增益及噪声性能，包括通道增益、通道噪声系数、天线增益等；（2）基带部分的算法性能。其中，接收信号到达基带部分的信噪比有接收机前端的性能决定，解调、捕获、跟踪过程所能容忍的最小信噪比由基带算法则决定。接收机芯片的灵敏度具体是指基带算法对输入载噪比（单位为dBHz）的要求，接收机的灵敏度性能与载噪比的关系如下：

（2）

由以上式可以得出，接收机的灵敏度和噪声系数及基带要求的载噪比呈线性关系变化。所以为了达到基带芯片所要求的载噪比，接收机的灵敏度性能就越好。另外对接收机整体的噪声性产生影响的也有信号的相位噪声，最终影响输出端的载噪比。

3 结语

文章主要从系统角度介绍了一般GNSS接收机的结构以及其各部分的功能和工作流程，并给出了高灵敏度GNSS接收机的整体结构图，分析了系统增益、灵敏度及噪声系数等性能指标，对GNSS接收机整体设计进行了分析和论述。

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