不同GNSS信号的接收机内部噪声特性分析

窦邵华，匡翠林，周要宗

(中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083)

0 引言

近些年，随着全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)的不断发展，GNSS可用信号日益丰富，各星座也日趋完善，呈现出多系统竞争与兼容的局面[1]。多系统的发展使得多GNSS兼容的接收机需求量不断增加，而接收机性能的好坏又直接影响着GNSS系统的发展和应用。接收机内部噪声是衡量接收机性能好坏的一个重要指标，反映了接收机信号通道间、信号锁相环、码跟踪环的偏差以及钟差等引起的测距和测相误差的综合影响，是高精度定位的重要影响因素。因此GNSS接收机内部噪声评估对用户选择接收机和厂商研发接收机都有着重要的现实意义。

零基线检验法是检定接收机性能的常用方法[2]，其原理是：通过功率分配器使2台GNSS接收机连接到同1个天线上，从而使得2台接收机组成的基线的理论长度为0；由于零基线可以消除卫星钟差、星历误差、大气延迟误差、多路径误差和天线相位中心偏差等误差，因此当使用2台相同接收机进行零基线测试时，将实际通过卫星信号计算得到的基线长度与理论长度进行比较，得到的基线偏差便可以用来评估接收机的性能[2-4]。传统零基线检验法虽可较为真实地反映GNSS接收机的性能，但并不能反映接收机内部噪声的特性。

本文通过实验系统地对全球定位系统(global positioning system，GPS)、伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)、北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)和格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system，GLONASS)接收机的内部噪声的特性和噪声水平进行了评估，采用零基线观测值作差的方法，即通过求差的方法，在消除各种误差之后得到反映观测噪声的残差序列[5-9]。

1 零基线双差恢复单差的接收机内部噪声评估方法

为了得到反映接收机内部噪声的残差序列，可以在观测值之间进行双差，该方法可以消除接收机内部噪声以外的其余误差，但是得到的双差残差包含参考卫星和待评估卫星2颗卫星误差的综合影响，不利于对各颗卫星进行独立的分析[5，10]。为了得到可以反映不同类型卫星的接收机内部噪声残差序列，首先对2台接收机共视的同1颗卫星在相同观测历元进行单差，得到

(1)

(2)

从式(1)和式(2)可以看到，单差残差序列包含除了接收机内部噪声以外的其他误差，为了得到仅含有内部噪声的单差残差序列，假设某一个历元有n颗共视卫星，则相应的n-1个双差残差为

(3)

(4)

通过求解(4)式，便可以得到由双差残差恢复得到的单颗卫星的接收机内部噪声序列[10-11]。从而可以实现对不同类型卫星接收机内部噪声序列的对比分析。

2 实验与结果分析

2.1 实验数据采集

实验数据为2017-08-20 — 2017-08-26在中南大学某办公楼顶采集的为期7 d的零基线数据。实验通过使用功率分配器将1个天线和2台Trimble NetR9接收机进行连接，实验现场如图1所示。

图1 零基线实验现场

为了更好地分析各GNSS系统、各卫星类型、各信号频率的接收机内部噪声特性和噪声水平，本文对GPS、GLONASS、Galileo、BDS卫星导航系统的观测数据进行了对比分析，主要分析了接收机噪声与卫星高度角的关系以及噪声水平，其中接收机噪声与卫星高度角的关系采用的是1 d的数据，而噪声水平统计采用的是1星期的数据。

2.2 结果分析

对于各卫星导航系统接收机内部噪声与卫星高度角的关系，本文分别从伪距和载波2个方面对2017-08-20各类型卫星不同频段的信号进行了对比分析，结果如下：图2～9中纵轴表示噪声，横轴表示卫星高度角，每幅子图代表了同一类型卫星同一频段观测值1 d的接收机内部噪声与卫星高度角的关系。从图2～9可以看出，伪距观测值接收机内部噪声水平比载波观测值接收机内部噪声水平高2个数量级，并且伪距观测值接收机内部噪声水平基本小于1 m，载波观测值接收机内部噪声水平基本小于1 cm。

对于BDS地球静止轨道卫星(geosynchronous Earth orbit，GEO)、中圆地球轨道卫星(medium Earth orbit，MEO)、倾斜地球同步轨道卫星(inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO)各频段接收机内部噪声与高度角的关系如图2和图3所示。

图2 BDS各类型卫星各频段伪距信号残差与高度角的关系

图3 BDS各类型卫星各频段载波信号残差与高度角的关系

从图2和图3可以看出：对于BDS的伪距信号，B1频段接收机噪声受高度角影响较大，随着高度角升高噪声降低，而B2和B3频段的接收机噪声与高度角无明显关系；MEO卫星B1频段的接收机噪声随高度角的增大持续减小，而IGSO卫星B1频段的接收机噪声当高度角超过一定值时变化较小；并且噪声水平呈现从B1、B2、B3依次减小的趋势；对于BDS的载波，不同频段的接收机噪声与高度角的关系相似，各类型卫星各频段信号的接收机噪声在卫星高度角超过一定高度时随高度角变化较小。

从图4和图5可以看出：对于GPS的伪距和载波信号，各类型卫星接收机噪声随高度角变化情况相似；对于Block IIF类型卫星L5频段，伪距信号接收机噪声随卫星高度角的增大变化较小；各类型卫星L1频段载波信号接收机噪声在低高度角时随高度角增大而减小，当高度角超过一定值时变化较小。

图4 GPS各类型卫星各频段伪距信号残差与高度角的关系

图5 GPS各类型卫星各频段载波信号残差与高度角的关系

从图6和图7可以看出：对于GLONASS-M类型卫星伪距信号接收机噪声较大；不同类型卫星不同频段信号的接收机噪声与高度角的关系类似，均为伪距信号接收机噪声随高度角的增大变化较小，载波信号接收机噪声随高度角增大有减少趋势。

图6 GLONASS各类型卫星各频段伪距信号残差与高度角的关系

图7 GLONASS各类型卫星各频段载波信号残差与高度角的关系

对于Galileo系统在轨验证(in-orbit validation，IOV)卫星和具备完全操作能力(full operational capability，FOC)卫星各频段接收机内部噪声与高度角的关系如图8和图9所示。

图8 Galileo各类型卫星各频段伪距信号残差与高度角的关系

图9 Galileo各类型卫星各频段载波信号残差与高度角的关系

从图8和图9可以看出：Galileo系统IOV卫星和FOC卫星相同频段信号接收机内部噪声随卫星高度角的变化关系相似；E1和E5a频段载波信号的接收机噪声与高度角的关系相似，均随着高度角的增大无明显变化；E5a频段伪距信号接收机噪声相对于高度角的变化较小，而E1频段伪距信号接收机噪声相对于高度角变化较大，随着高度角的增大明显减小。

为了更好地了解各个系统之间、各种类型卫星之间、各个频段之间的接收机噪声水平，本文统计了2017-08-20—2017-08-26共7 d不同系统不同卫星不同频率的伪距和载波接收机噪声水平均方根(root mean square，RMS)，分别如表1和表2所示。

表1 伪距观测值接收机噪声水平RMS值 m

表2 载波相位观测值接收机噪声水平RMS值 mm

从表1和表2可以看出：伪距观测值接收机噪声中，Galileo接收机噪声最小，BDS稍优于GPS，GLONASS接收机噪声最大；对于BDS系统，不同类型卫星之间差异较小，不同频段之间呈现从B1、B2、B3接收机噪声水平依次减小的趋势；载波相位观测值接收机噪声中，不同卫星导航系统之间差异较小；BDS系统中，GEO卫星接收机噪声最大，IGSO和MEO卫星噪声水平接近；BDS系统同一类型卫星不同频段信号的接收机噪声水平差异较小。

3 结束语

本文通过零基线双差恢复单差的接收机内部噪声评估方法，对Trimble NetR9接收机采集的多GNSS数据进行了分析，得出如下结论：

1)对于不同系统不同类型卫星不同频段信号，同一接收机的噪声有所差异。

2)对于伪距观测值接收机噪声，Galileo最小，BDS次之，GLONASS最大；BDS系统中，B1频段观测值接收机噪声随卫星高度角增大而减小，B2和B3频段受高度角影响较小；不同类型卫星之间噪声水平差异较小，不同频段之间呈现从B1、B2、B3接收机噪声水平依次减小的趋势。

3)对于载波相位观测值接收机噪声，不同卫星导航系统之间差异较小；对于BDS系统，各频段观测值接收机噪声随卫星高度角增大有减小趋势，当高度角超过一定值时，随高度角的增大变化均较小；BDS系统同一类型卫星不同频段信号接收机噪声水平之间的差异较小。

综合上述结论可以得出，在涉及接收机内部噪声的时候，应区别对待不同系统不同类型卫星不同频段信号的接收机内部噪声；在按卫星高度角定权的时候，应充分考虑接收机内部噪声与卫星高度角的关系特性。