3.4　用户段

虽然本章的重点是GPS，但用户接收设备的发展趋势是接收机使用来自一个或多个星座、SBAS服务和/或区域卫星导航系统的信号[77]。因此，我们将接收机称为GNSS接收机。组件小型化和大规模制造技术的发展趋势使得低成本GNSS接收机组件越来越普及。GNSS接收机已嵌入许多日用品，包括手机、相机和汽车。这与系统概念验证阶段中部分20世纪70年代中期制造的最初接收装置相反。第一代接收机主要是军用模拟设备，其体积庞大并且笨重。根据不同的应用，GNSS接收机可以采用多种形式来实现，包括单芯片器件、芯片组、OEM（原始设备制造商）板和独立单元。如上所述，GNSS接收机处理来自多个全球星座、SBAS和区域卫星导航系统的信号。Hemisphere公司的Vector VS330 GNSS COMPASS就是一个例子，它使用GPS、GLONASS和SBAS信号提供精确的航向信息。另一个例子是高通公司研发的芯片SiRF AtlasVI，它使用来自GPS、SBAS、GLONASS、Galileo、BeiDou和QZSS的信号。在撰写本文时，大多数GNSS接收机是集成到全球数十亿部手机中的芯片组或单芯片设备（2014年为30.8亿部[77]）。GNSS单芯片接收机中的许多采用的都是BiCMOS SiGe工艺。BiCMOS SiGe工艺将射频、模拟和数字器件集成在单个芯片上，并且集成了板上电源管理技术，可以满足手持式设备的小尺寸和低功耗需求[78]。GNSS接收机的选择取决于用户的应用（例如，民用与军用、平台动力学、冲击与振动环境、所需精度、在辅助GPS应用中的用途）。本节概述典型的接收机组件及其选择标准。第8章中将详细介绍GNSS接收机的架构和信号处理，第13章中将介绍移动电话和汽车所用GNSS接收机的架构/集成。

3.4.1　GNSS接收机的特性

GNSS接收机的组成框图如图3.24所示。GNSS接收机由5个主要部件组成：天线、接收机前端、处理器、诸如控制显示单元（CDU）的输入/输出（I/O）设备和电源。

1. 天线

卫星信号通过天线接收，采用右旋圆极化（RHCP），提供近半球覆盖。如图3.25所示，典型的覆盖范围是160°，增益从天顶的约2.5dBic到15°仰角附近的约1dBic（对各向同性的圆极化天线，RHCP天线的单位增益也可表示为0dBic=0dB）。在15°以下仰角时，增益通常为负值。8.2节中将详细介绍各类GNSS天线及其应用。

2. 接收机

接收机信号捕获和跟踪操作将在第8章中详细介绍，为便于讨论，这里介绍一些高级内容。如上所述，大多数GNSS接收机处理来自一个或多个GNSS星座、SBAS服务和区域卫星导航系统的信号。假设可用的接收机类型有多种。最可能的情况是，这些接收机使用双频或三频来实现电离层补偿并增强抗干扰能力。对于安全应用，航空无线电导航业务（ARNS）频带用户需要双频带（L1/E1和L5/E5）接收机和天线。使用载波相位测量的高精度应用利用来自两个或三个频点的信号。利用载波相位作为观测量，可以实现厘米级（甚至毫米级）的测量精度（载波相位测量将在12.3.1.2节中概述）。

大多数接收机都有多个通道，每个通道在单一频率上跟踪单颗卫星的传输。图3.26中显示了一个多通道通用GNSS接收机的简化框图。收到的射频CDMA卫星信号通常通过无源带通滤波器进行滤波，以减少带外RF干扰（注意，可能需要多个预滤波器才能接收来自两个及以上频带的信号，即每个频带一个预滤波器）。

前置滤波器通常紧随前置放大器。然后，RF信号被下变频到中频（IF）。IF信号被模数（A/D）转换器采样和数字化。A/D采样率通常是PRN码片速率的2～20倍。为满足奈奎斯特准则，最小采样率是码的阻带带宽的2倍。过采样降低了接收机对A/D量化噪声的灵敏度，进而减少了A/D转换器所需的位数。样本被转发到数字信号处理器（DSP）。DSP包含N个并行通道，可同时跟踪多达N颗卫星和相应频率的载波与码（在当前的接收机中，N一般为12到100以上）。根据具体的用户应用，一些接收机具有可配置数量的通道[79]。每个通道包含码和载波跟踪环路，执行码和载波相位测量及导航电文数据解调。取决于实现方式，通道可以计算三个不同的卫星到用户的测量值：伪距、载波相位增量（有时也称增量伪距）和综合多普勒。所需测量和解调的导航电文数据被转发给处理器。

注意，专门为在手持式设备中使用而设计的GNSS接收机需要能够高效地节能。这些接收机兼顾了对高功率带内干扰器的敏感性，以使电源（如电池）消耗最小。在抗干扰的接收机中，需要高动态范围的接收机前端，并且必要的组件（如具有高互调电平的放大器和混频器）需要高偏置电压电平。此外，RF前端和数字通道的数量也是权衡性能与功率效率的一部分。

3. 导航/接收机处理器

处理器通常需要通过其操作序列来控制和指挥接收机，它首先从通道中采集信号，然后进行信号跟踪和导航数据采集（为执行信号处理功能，有些GNSS接收机在通道电路内具有完整的处理能力）。另外，处理器还可由接收机的测量结果得到PVT解。在某些应用中，单独的处理器可能专用于PVT和相关导航功能的计算。大多数处理器以1Hz的频率提供单独的PVT解。然而，指定用于自动飞机精密进近和其他高动态应用的接收机通常需要以最小5Hz的频率计算单独的PVT解。形成的PVT解和其他导航相关数据被转发给I/O设备。

4. 输入/输出设备

输入/输出（I/O）设备是GNSS设备和用户之间的接口。I/O设备有两种基本类型：整体或外部。对许多应用来说，I/O设备是一个CDU。CDU允许操作员输入数据，显示状态和导航解的参数，它通常可以访问许多导航功能，如航点输入和停留时间。大多数手持式设备都有一个完整的CDU。其他设备，如飞机或船上的设备，可将I/O设备与现有仪器或控制面板集成。除了用户和操作员接口，与其他传感器（如INS）集成的应用需要数字数据接口来输入和输出数据。通用接口包括蓝牙、USB、UART、以太网、ARINC 429、MIL-STD-1553B、RS-232和RS-422。

5. 电源

电源可以是整体的和/或外部的。一般来说，碱性电池或锂电池用于整体方案或独立方案，如便携式设备；现有的电源通常适用于集成应用，如服务器中的板载接收机可以提供准确的时间。机载、车载和舰载GNSS设备通常使用平台电源，但通常具有内置的电源转换器（交流到直流或直流到直流）和稳压器。通常使用一块内部电池来保持易失性随机存取存储器（RAM）集成电路（IC）中存储的数据，且在平台电源断开的情况下操作内置时钟（日期/时间时钟）。

3.4.1.1　GNSS接收机的选择

在撰写本文时，全球共有超过45家GNSS接收机供应商[79]。高通公司提供一些与其他电子功能集成的不同芯片组接收机，但其他公司如GARMIN和Trimble Navigation提供从手持式设备到汽车和飞机导航仪再到复杂测量接收机的不同终端产品。GNSS接收机的选择取决于用户的应用。预期的应用会强烈影响接收机的设计、结构和功能。对每种应用，必须检查环境、操作和性能参数。下面给出这些参数的一些例子：

• 冲击和振动要求，温度和湿度极限，以及大气含盐量。

• 必须求出必要的独立PVT更新率。例如，对于飞机的精密进近，这一比率与海上油轮的制导不同。

• 接收机是否在网络辅助的GNSS应用（如手机）中使用？如果是，那么是辅助移动站还是配置移动站？如果是辅助移动站，那么在网络中计算位置的解。基于网络的处理器处理传统GNSS接收机的一些功能。对于基于移动站的配置，在手机内计算位置的解（有关网络辅助GNSS的详细信息，请参阅第13章）。

• 接收机是否必须在多径环境下工作（如在卫星信号被各种表面反射的建筑物附近或在飞机上）？如果是这样，那么可能需要多径抑制信号处理技术和扼流圈天线（有关多径和多径抑制技术的详细说明见第9章）。

• 接收机需要在什么类型的动态条件（如加速度、速度）下操作？战斗机中使用的GNSS接收机即使是在多倍重力加速度的情况下也能保持全部性能，而用于测量的设备通常不是针对严酷的动态环境设计的（第8章中将介绍适应预期动态的GNSS接收机设计指南）。

• 是否需要差分GNSS（DGNSS）功能（DGNSS是第12章介绍的精度增强技术）？与独立的GNSS操作相比，DGNSS提供更高的精度。大多数接收机都具有DGNSS功能。

• 应用是否需要接收称为SBAS的地球静止卫星覆盖服务广播的卫星完好性、测距和/或DGNSS信息（第12章讨论SBAS）？商业对地同步卫星服务，如NavCom Starfire系统，可在全球提供在同一接收机中接收和处理改正的服务。表面上看，似乎是独立接收机系统提供了厘米级精度，但其中涉及一个大型的、基于地面的监测网络和上传系统。

• 需要评估航点存储能力及路线和航段的数量。

• GNSS接收机是否必须在需要增强抗干扰能力的环境下运行？第9章将介绍实现这一点的几种技术。

• 如果接收机必须与外部系统连接，那么是否存在正确的I/O硬件和软件？一个例子是用户是否需要由GNSS和其他传感器（如IMU和/或视觉系统）组成的混合解。

• 就数据输入和显示功能而言，接收机是否需要外部或整体CDU功能。一些飞机和船舶使用中继单元，可以从各个物理位置输入或提取数据。必须考虑显示要求，如阳光下可读或夜视镜和护目镜兼容。

• 是否需要本地数据转换或WGS-84是否足够？如果需要，接收机是否包含适当的转换？

• 是否需要现场使用的便携性？

• 考虑经济性、物理尺寸和功耗。

上述例子只是GNSS集合选择参数的一个样本。在选择接收机之前，必须仔细检查用户应用的要求。多数情形下的选择是折中，要认识到任何GNSS集合缺陷对预期应用的影响。