GNSS用户技术的主要发展趋势——《GNSS用户技术报告》简介之二

● 文|中国国防科技信息中心 李龙龙 张永红 席欢

GNSS用户技术的主要发展趋势
——《GNSS用户技术报告》简介之二

● 文|中国国防科技信息中心 李龙龙 张永红 席欢

自1981年第一台GPS接收机TI－4100问世以来，到现在GNSS芯片已广泛集成到众多智能手机、可穿戴设备中，GNSS接收机的尺寸、重量、功耗、成本、性能等不断演化。近年来，多GNSS星座的建设以及新服务的涌现，促进了GNSS用户技术蓬勃发展。本文根据欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）2016年10月发布的第一版《GNSS用户技术报告》，分析总结了GNSS用户技术的主要发展趋势。

接收机；趋势；矢量跟踪；云GNSS处理

一方面，处理器的发展使接收机具备处理更多GNSS信道的能力；低成本MEMS传感器的发展使多种不同传感器的紧耦合成为可能，从而使接收机在GNSS不可用环境中仍能提供服务；另一方面，用户对GNSS接收机定位精度、首次定位时间以及对恶劣环境的适应能力等性能需求不断增长。这些因素促使GNSS接收机设计的各个部分都在发展演变，GNSS接收机各部分的发展重点或发展最快的领域如表1所示。GNSS用户技术主要表现出以下发展趋势。

表1 接收机各模块发展重点

一、将根据不同用户需求来平衡接收机的带宽和功耗

一个给定接收机的信号处理能力通常取决于其应用的市场。高处理带宽能提供更高精度的观测量和更好的多径效应抑制能力，同时也需要更大的功耗。接收机的最终设计是权衡其设备复杂度、功耗及性能的结果。例如，Galileo E1这样的复合信号同时使用了BOC（1,1）和BOC（6,1）调制，接收机设计者可以考虑处理整个信号还是仅仅处理BOC（1,1）部分。高精度接收机，尤其是那些没有功耗限制的高精度接收机倾向于处理完整的信号带宽；而大众市场的接收机，例如智能手机GNSS接收机，则倾向于处理能满足需要的最小带宽。

二、矢量跟踪技术优势明显、有望在五年内实现商业化

目前几乎所有的GNSS接收机都采用标量跟踪的方式，而相应的矢量跟踪是更先进的设计理念。标量跟踪是对每个信号相互独立地进行载波和码跟踪，而矢量跟踪是在一个导航滤波器中跟踪所有卫星信号，它是抑制多径干扰影响和非视距信号辅助检测的有效方式，二者是在城市环境中使用GNSS的主要干扰源。

矢量跟踪将信号捕获和跟踪功能与位置解算功能组合到一个算法上，在显著提升所需要处理能力和提升位置计算速度10倍以上的同时，还有望进一步提升敏感性，提供短期信号中断的桥接能力和更好的抗干扰能力。

尽管矢量跟踪有这些潜在优势，但是还没能用于商业产品。随着微处理器能力的提升，GNSS接收机有望在5年内采用这项战略技术。

三、云GNSS处理和“快照”定位将使接收机能耗降低几个数量级

云GNSS处理是软件GNSS接收机概念的最终发展结果。云GNSS接收机不再使用“主设备”的处理能力，而是利用基于云的处理设备。这样就能将处理能力和功耗需求大的任务移植到云端，而在云端这些资源几乎是不受限制的。

“快照”或单点定位仅使用毫秒级的原始GNSS信号就能实现定位，主要用于不能实现或不需要连续空间信号跟踪的场景（例如室内）。它短暂记录经前端信号波形加工的原始数据（前置放大、下变频、滤波和数模转换），然后传送到主平台处理器（例如软件GNSS接收机），存储下来用于后处理或者发送到云端进行位置解算。

由于“快照”定位仅进行信号捕获而不进行信号跟踪，因此不允许提取导航电文。出于这个原因，它不能像传统定位方法一样，将测量值和导航信息时间戳同步。然而，通过“粗时间定位”技术和特殊算法可以从“快照”和辅助数据中解算位置信息。

“快照”定位具有以下特征： ①GNSS接收机的任务被大幅减少，只需要测量导航卫星信号的扩频码相位。由于不再需要跟踪卫星或解码导航电文（这些都是计算量大、能耗大的任务），功耗也大幅降低； ②解码导航电文仅需要毫秒级的信息，而不像传统接收机那样需要持续跟踪卫星数十秒，进一步减少了能源需求；③ Galileo E1导频信号的使用成为可能。导频码改进了近－远环境下的互相关保护，允许非常长的相干积分时间和非常高的灵敏度（仅受本地振荡器限制），以及非模糊测距。

通过将云GNSS处理和“快照”定位相结合，一些研究人员和供应商宣称将能耗降低了几个数量级。

四、天线设计向多频段、多功能、微型化、集成化方向发展

天线负责捕获在空间中传播的L频段信号，是GNSS空间段与用户段之间的桥梁。天线设计师必须在天线的效率、带宽和小型化水平之间寻求平衡。GNSS接收机天线设计是专业应用和大众市场的重点研究领域，具有以下发展趋势：

1）多频段。新型GNSS信号的出现，多频技术向大众市场应用的迁移，以及用户对多径效应和干扰抑制能力需求的增长，共同促进了多频天线的发展。但大众市场应用在大多数情况下需要的仍是单频接收机，因此单频天线仍占到60%的份额。尽管专业应用越来越对多频天线感兴趣，具备多频能力的天线比例近年来并没有大幅提升。

2）多功能。近年来，GNSS下游产业已经从根据实际情况专门设计天线转向提供易集成到OEM产品的天线模块。这些天线能够适用于各种类型的接收机，从而在市场上获得各种各样的应用，以使经济规模的优势最大化。除了为特定应用专门设计的天线，制造商现在提供大量的嵌入式紧凑型天线设计，可提供不同的形状、外壳、安装、连接和供电电压。

3）微型化。当天线的尺寸和相关频段的波长相等时，其效率最高（例如E1频段波长19cm）。尽管如航空等一些应用允许技术规范重点关注性能，但是大多数的GNSS天线设计要根据GNSS集成商的需要，因而天线设计更适于汽车定位及其他位置服务的应用。在这些应用中，尺寸和成本是主要驱动因素。因此，几乎所有类型的天线都有微型化的发展趋势。而且，对于以微型化为主要驱动因素的应用，单级天线比贴片天线和螺旋天线的应用更广泛。这些应用需要非常小、近全向的天线，即使采用线性极化天线也可获得较好性能。此外，折叠天线或使用介电常数高的天线介质等微型化技术也可以有效减小天线尺寸。

4）稳健性。包括天线，整个GNSS接收通道都要求有较好的抗多径效应和干扰能力。新型星座和频段提供了更高的信号冗余度和多样性，多频和多星座的概念为提升稳健性提供了可能。在这个场景下，自适应天线成为抵抗干扰的有力工具。自适应天线能利用空间分集并能够区别对待来自不同方向的信号。自适应技术不但要有天线的支持（天线限于辐射单元和低噪声放大器），还需要应用附加的处理射频信号的电子元件。目前，商业自适应天线的应用前景仍局限于军用调零天线。在不久的将来，市场上也会出现与民用市场需求兼容的创新型自适应天线设计。

5）基础性能。近年来天线的增益和噪声系数一直保持不变，而且没有任何需要提升的迹象。然而，接收机的敏感性已经大幅提升，降低了许多“低性能”应用对更好天线的要求，从而扩大了微型单级天线的应用范围。

6）与其他天线集成。GNSS设备正在越来越多地集成到能同时支持其他无线电通信的设备上，包括蓝牙、WiFi和射频识别（RFID）等短距离数据传输以及蜂窝和卫星通信网络。

五、支持多星座成为所有GNSS应用的标准

GNSS接收机对多星座的支持具有以下优势：①增强可用性，尤其在有遮蔽的区域效果更加显著；②提高精度和完好性，多星座提供了更多的可见卫星，可以通过改善几何精度因子（GDOP）提高精度；通过更有效的接收机自主完好性监测（RAIM）程序提高完好性；③增强稳健性，使用多个独立的GNSS系统更难被欺骗。

2014年中到2016年初，GSA和欧空局（ESA）举行了一次GNSS芯片测试活动，以评估用户设备是否做好支持Galileo信号的准备。9家顶级大众市场制造商参与了这次测试。该测试不但证明了大众市场制造商的产品具备Galileo能力，也证明了采用多星座能够提升性能。

测试场景的设计是评估标准环境（开阔的天空下）以及退化的环境（城市及城市郊区）下的芯片性能。测试中使用GPS、GLONASS以及Galileo信号的多种组合，既考察静态环境也考察动态环境。评估的主要性能参数是精度和首次定位时间，其结果如下：

精度：在开阔的天空下，在GPS的基础上增加1～2个星座仅能略微提高定位精度。但是，随着环境的恶化（包括物理环境或无线电环境），增加Galileo的优势就明显表现出来。例如，在城市环境中，Galileo信号的加入总能提升精度。测试中定位的圆概率误差可以改善15%～20%。GPS和 Galileo双星座接收机的最优性能达到圆概率误差3.9m。GPS+GLONASS（7～8颗GLONASS卫星）组合和GPS+Galileo（2～3颗Galielo在轨验证卫星）组合的平均水平定位误差相近。

首次定位时间：与精度相似，首次定位时间的改善也主要发生在恶劣环境中。多星座接收机的热启动时间平均改善1s，冷启动时间平均改善20s。可以预见的是，当可见Galileo卫星等于或多于4颗时，冷启动首次定位时间将大幅缩短。值得说明的是，和精度测试一样，不同接收机的表现存在很大差异，很可能是因为它们采用了不同的捕获策略或不同的资源分配策略。

过去十年间，支持多星座的GNSS接收机不断涌现，甚至在以成本为主要因素的市场上也表现出这种趋势。然而，由于潜在技术的发展，一代接收机的生命周期通常只有几年。因此，制造商只有在新的星座或信号接近完全运行能力时才会选择它们。

根据GSA的调查，市场上65%的GNSS接收机支持多星座，超过20%的接收机支持4个星座。其中最常见的组合方式为GPS+GLONASS，其次是GPS+Galileo。为了达到更高的精度或完好性，超过60%的接收机还支持星基增强系统。此外，QZSS和IRNSS等区域系统的应用也越来越普遍，见图1。

图1 GNSS接收机多星座特性调查结果

六、多频接收机有望从高精度定位领域扩展到大众市场

一方面，GNSS接收机对多星座的支持可以：①提升精度。双频接收机可以估计并消除电离层延迟误差；②实现实时动态差分（RTK）和精密单点定位（PPP）技术。尽管理论上单频接收机能够实现RTK和实时PPP，但实践中RTK和PPP需要双频接收机。而且，三频接收机很可能进一步改进模糊度解算算法；③提升稳健性。频率多样性是保护接收机不受干扰的基础且最有效的手段。另一方面，新信号的设计也能够：①提升精度。新的调制方式及更高的码速率提供了更精确的伪距测量；②提升多径效应抑制能力。新的调制方式和更高的码速率能够缓解多径问题的影响；③提高灵敏度。导频信号通过更长的积分时间提高接收机灵敏度。这促进了双频和三频商用接收机的发展。但是，目前只有高精度接收机采用了多频，虽然已经开展了一些应用于大众市场和自动汽车的双频接收机的研究活动，但到目前为止还没有大规模部署。

据GSA调查：① 70%的GNSS接收机仍只支持单频，20%支持双频，10%支持三频；②多频接收机中，最普遍的组合是L1/E1+L2，其次是L1/ E1+L2+L5/E5；③所有GNSS接收机都使用L1/E1频段，近30%的接收机具备L2能力，10%的接收机具备L5/E5能力，1%的接收机具备E6能力（详见图2）。

图2 GNSS接收机多频特性调查结果

七、克服GNSS脆弱性仍将是GNSS用户技术热点之一

GNSS由于本身信号弱的固有特点，对自然（电离层散烁）及人为（各种类型的无线电干扰）的威胁十分脆弱。这些干扰现象会影响GNSS运行，甚至部分或完全中断服务。其中GNSS面临的由人为因素造成的干扰威胁大致有以下几类（见图3）：

故意射频干扰：尽管GNSS干扰机的销售、购买和使用在很多国家都是违法的，但是公众还是可以通过互联网买到。GNSS干扰机的一个典型应用是干扰用于资产跟踪的设备。然而，这样的干扰机常常会在更大的区域干扰GNSS，使所谓的“隐私保护设备”变成了公害。

无意射频干扰：一类是多径效应，是指经反射延迟之后的信号与直接传播的GNSS信号混合进入接收机造成的干扰，主要影响相位测量和码测量。通过了解这种干扰机制，人们可以设计特定的消减策略。此外还有其他无意射频干扰：这些是由于异常的杂散相邻频带及谐波辐射造成的不可预测的干扰。已有的记录表明，微波设备、航空雷达以及电视信号发射机都是主要的干扰源。

图3 GNSS接收机面临的主要人为干扰威胁

伪造导航信号：包括伪造导航电文与伪造扩频码和载波两种方式。伪造导航电文又包括复制导航电文，即对空间信号的导航电文进行复制并转发；伪造导航电文，即攻击者理论上可以伪造导航电文使接收机解算出攻击者设定的位置。伪造扩频码和载波是指GNSS系统利用直接序列扩频技术调制导航数据。对于开放服务，这些序列会在系统的接口控制文件中发布，并可用于生成仿真信号。因此伪造的信号可以在各种能级上和真实卫星的扩频序列同步或不同步广播。

重发攻击：包括实时信号复制和记录并重发两种方式。实时信号复制可以利用合适的硬件将空间信号延迟并重新广播，例如将延迟引入传播时间，使接收机解算的位置产生100～200m的误差。尽管这种方法不足以伪造出特定需要的PVT或轨迹，但可以用它对安全攸关的应用进行欺骗；记录并重发攻击主要是利用已有的商业产品实施。这些设备的典型结构包括一个下变频器、模数转换器、胶合逻辑、数字存储器、数模转换器和上变频器。

（1）抗欺骗干扰技术

GNSS可以采取多重防护来对抗欺骗干扰。最常见的方式是对测距码（“导航安全措施”）和导航电文（“通信安全措施”）进行加密，从而控制用户对信号的访问。这也是GPS精密定位服务（PPS）和Galileo公共授权服务（PRS）采用的方法，仅供授权用户使用。

另一种方法是GNSS信号认证。尽管所有的接收机都能处理这些认证的信号，但这些信号中包含“标记”，具备特定解码能力的接收机能够识别这种“标记”从而识别真实信号。这种认证能力理论上可以是导航电文认证、测距码认证或是双重认证。未来Galileo计划向所有用户提供免费的开放服务信号导航电文认证，并提供“通信安全措施”防护；除导航电文认证外，商业服务还将对授权用户提供加密的测距码，增强“导航安全措施”防护能力。

（2）抗射频干扰技术

对于多径效应，可以通过以下措施在不同程度上进行抑制：①好的天线设计，比如抛弃左旋圆极化信号（GNSS信号是右旋圆极化）的天线设计，以及扼流圈天线这样的专用天线设计；②目前在高性能接收机上普遍应用先进相关器技术，例如窄相关器、多径效应抑制延迟锁定环、双δ技术和门限功能；③估算多径或无需估算直接抑制多径的信号处理技术，其中伪码测量的载波相位平滑是最先投入使用的技术之一；④改进处理算法，使用后处理方法分析接收机－卫星测量值从而矫正解算的位置。

对于其他射频干扰，可以通过以下措施进行识别和抑制：①波束成型和零陷等阵列天线技术与阵列处理算法；②利用从空间信号分离中获得的可用信息判断有用信号的到达方向（DoA）；③判断干扰源、干扰方向；④前端技术，例如基于压缩传感的识别技术；⑤前相关和后相关接收机技术，例如脉冲抑制器、连续波调零和陷波滤波等。