摘要:自年第一台GPS接收机TI-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)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。
关键词: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。
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,GalileoE1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;③GalileoE1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北京白癜风治疗技术治疗白癜风的最好方法