国内外GNSS 接收机技术的现状和发展趋势

国内外GNSS接收机技术的现状和发展趋势曹冲中国电波传播研究所卫星导航接收机技术高级研修班2007.01.13-15.北京主要内容•一、概述•二、类型•三、产品•四、厂商•五、市场•六、技术•七、工具•八、趋势一、概述•1.GNSS发展的三大趋势•2.卫星导航软件接收机的兴起•3.导航接收机的大众化和普适化•4.接收机研发工具与共用平台1.GNSS发展的三大趋势●从GPS时代转向GNSS发展时代●卫星导航与无线通信的融合●由应用产品为主转向服务为主的发展阶段GNSS的兼容和互操作性•卫星导航定位在我们的日常生活中已经起到明显作用，并将在未来其影响会有空前的增长。昀近美欧间签署的合作协议在政策上指导GPS和Galileo系统，为实现GNSS的兼容和互操作奠定了基础。GPS与GLONASS现代化和Galileo和BD的完成将在十年内形成卫星数量达100余个的GNSS系统，广播多个民用信号，从而使未来的接收机均兼具兼容和互操作性。多系统的组合已成为卫星导航系统发展的总趋势•(1)GPS得到广泛应用，但仍存在不足;•(2)GLONASS备受关注，却令人失望;•(3)Galileo先声夺人，与GPS组合应用为总体思路;•(4)BD的35颗卫星星座为四大系统之一•(5)增强系统层出不穷，昀终出路是多系统的组合;•(6)多系统组合并非多多益善，应用设备做到适可而止由应用产品为主转向服务为主的发展阶段•(1)卫星导航接收机•(2)航载和车载导航仪•(3)车载监控终端和个人应用终端•(4)车载信息终端和个人信息终端•(5)网络导航•(6)网络RTK•(7)移动位置服务通信等其它系统的融合和渗透，是其生命力强大的体现•(1)GPS应用的一大缺憾是缺乏位置信息的传递工具;•(2)与通信系统的融合成为一个昀具发展前景的产业领域;•(3)日本的QZSS(准天顶卫星系统)为移动用户提供新的通信定位集成服务;•(4)卫星导航系统应用已渗透到许许多多产业领域.导航和通信融合推动技术进步•随着卫星导航与蜂窝通信的逐步融合，随着移动位置服务(LBS)不断进步，实现室内外平滑过渡的无缝导航定位的问题被提上了议事日程，随之接收机的高灵敏度、高动态、抗干扰、低功耗、小型化等一系列关键技术的研究需求凸显出来二、类型•1.频率:单频、双频、三频•2.信道:单信道、多信道•3.应用：定位、导航、授时、姿态•4.原理：码测量、载波相位测量•5.系统：单系统、双系统、多系统•6.载体：固定、移动、车载、机载、星载、弹载、手持三、产品•1.接收机芯片(组)：双片式、单片式•2.OEM板：接收机引擎(含软件)•3.整机：独立工作，如手持机，测量接收机，包括天线、电源、键盘、显示器……•4.系统机：包括扩展的许多软硬件，如导航仪、组合导航仪、信息终端……四、厂商•1.高端定位类：•Trimble，Thales，Leica，J(avad)NS，Topcon，NoVatel，Navcom，Septentrio……•2.低端导航类：•Garmin，SiRF，U-blox，Thales，Tomtom，Rockwell，Navman，NemeriX，Nordnav中国的卫星导航接收机厂商•1.西安华迅，GPS接收机芯片组与OEM板•2.东方联星、联星科通，GPS/GLONASS•3.成都国星、航天恒星、国防科大、星地恒通，……主要是北斗用户机•4.清华大学、航天恒星、安华北斗、航天科工、中电科技……软件接收机、高精度接收机、兼容接收机芯片•5.宁波中裕、浙江正源，各种接收机天线•6.南方、中翰达、合众思壮、北斗星通，高精度GPS接收机五、市场•1.规模•2.接收机厂商和品种•3.高端和低端市场的概况•4.中国的低端导航接收机市场•5.中国高端定位接收机市场的奇迹•6.中国的国内市场和国际市场规模•未来的数年间移动电话和PDA定位会成为个人导航应用领域的市场先导。市场调查表明，2005年汽车和移动电话应用的GPS接收机市场超过1万万套，其中73%属PND型和移动电话类型。接收机厂商和品种•据GPSWorld的统计，历年来卫星导航接收机的生产制造厂家一直保持在70多家，接收机的型号为500余种。•卫星导航的产品类型为26种左右，类别数量为100多种。六、技术•1.三频率的采用•2.软件接收机•3.高灵敏度技术•4.抗干扰技术•5.低功耗技术•6.与通信的融合技术建议的GPS/GALILEO民用频率七、工具•1.GNSS模拟器•2.软件模拟器•3.软件接收机研发测试共用平台•4.MatlabGPSToolbox•5.CGTR•6.GSSF八、趋势•1.GNSS兼容机•2.软件无线电接收机•3.大众化消费接收机•4.高灵敏度接收机和A-GNSS技术•5.空间应用接收机•6.专业应用接收机•7.导航接收机的一体化融合化芯片技术1.GNSS兼容机•1.GPS/GLONASS兼容机•2.GPS/GLONASS/BD•3.GPS/Galileo•4.BD/GPS(Galileo)•兼容接收机要有度2.软件无线电接收机•在开发现代的GNSS接收机中，应用软件定义的无线电技术(SDR)代表了演变过程中的一个阶段。与用专用的集成电路(ASIC)的传统接收机相反，软件无线电通过可编程微处理器或使数字信号处理器实现所有的数字信号处理。它将硬件中的模拟信号环境条件与软件中的数字信号处理分离独立开来，导致很明显的优点。这种信号处理方法在GNSS情况下显得特别重要。天线模拟前端数字基带微处理器GPS接收机ASICASIC导航软件信号由精致的硬件处理用户应用用户接口传统的接收机技术总体架构软件接收机•软件接收机是利用可编程的微处理器或DSP，或者是在传统接收机中的离散的硬件来完成所有的数字信号处理。DSP是一种专用微处理器，适用于高速算法和与现实世界间的实时数据传来传去。由于模拟信号环境条件(在硬件中)和所有数字信号处理(在软件中)是完全分开的，因而获得明显的好处，昀明显的是其灵活性。一种变得越来越重要的设计理念•软件接收机是一种变得越来越重要的设计理念，但是，理想的软件无线电，期望由一个天线、一个ADC和一个微处理器组成，便能工作在一个超宽带的大频率范围上，这是不现实的。目前的技术不可能利用单个硬件平台来处理现有的各种各样的RF信号。ADC限制了所能获得的频谱和动态范围，所采用的微处理器无法达到所要求的非常高的数据率。实际的软件接收机•实际的软件接收机，处理有限带宽的信号，选择连续频带的子带，即单一频带或RF辐射的核心谱内容，设计者可用现有技术以软件接收机加以实现。这一过程减少了计算要求，使所有的数字信号处理均用软件来进行。有限的带宽提供了利用软件总体结构的能力，从而保证了灵活性和专门应用的重新设置能力。软件接收机灵活性举例•例1，通常接收机无法捕获1.2-1.6GHz的全部频谱，但是能用双带前端设计构作一个GPS软件接收机，可以处理L1和L2辐射。•例2，在GPSL1同一个带内，Galileo也要广播一个信号分量，这样处理起来用改变软件要比在物理上更换硬件容易得多。重要的是要认识到现代的微处理器的能力。软件无线电接收机(SDR)与专用集成电路(ASIC)的比较•GNSSASIC在生产量和处理能力上有明显的优点。但是，信号的现代化，弱信号处理的需求，多模工作方式，以及多传感器集成都对现在的制式提出了挑战：•灵活性与处理能力；FPGA；Moore定律；可更新升级能力；与硬件独立分离；捕获跟踪；功耗和性价比。灵活性与处理能力•ASIC是由“专门应用”所限定的。功能在每个芯片特定的设计中受到限制。软件的信号处理提供了适应新的工作情景以巨大的灵活性。软件可重置能力随硬件和工具的变化趋势•以软件无线电方式实现接收机的相关的挑战之一是要求有很强的可编程处理能力，特别是像GPS这样的宽带码分多址(CDMA)扩展谱系统。典型的情况是，为单一任务专门设计的一个芯片是用硬件实现的。用软件无线电代替传统接收机设计的主要着眼点是：软件无线电在信号处理中具有巨大的灵活性，因为它较少依赖于专用器件或专门总体结构。软件接收机示例Nordnav研发平台的概览R30GPS软件接收机Galileo模块A-GNSS模块双前端模块四前端模块宽带模块客户解决方案扩展模块波束形成开发干扰检测传感器集成人为干扰测/解分析与重测先进信号研究研究/解决方案多径研究性能控制高灵敏度方案室内信号特征信号质量监测高度/姿态开发双站雷达GPS/研发应用信号处理用户应用导航软件用户接口天线模拟前端ASIC微处理器/DSP软件接收机软件化的接收机典型框图软件接收机的优点•用软件实现对所有的数字信号处理明显优势是带来巨大的灵活性，适应并提供多模化、多系统和多传感器集成功能。软件接收机方法也带来一系列开发上的优点。优点之一：多模化•软件的灵活性使设备适合于变化。微处理器的应用不仅限于GNSS信号处理，允许设备能多模化工作。加上RF前端，现有的微处理器和DSP可以用来实现软件GNSS接收机。多模设备在软件级别上变成现实，让新一代特征只需加上简单的软件更新即可。优点之二：多系统•现有的信号和哪些尚未定义好的信号，他们的信号处理可能通过软件更新形成适合于多系统的设备。这样的设计对于GNSS领域非常重要，因为新的Galileo和北斗系统在研发中，GPS在现代化过程中也会用新的信号。优点之三：多传感器•创新性的弱信号捕获和跟踪技术之所以有希望，是因为导航系统能满足许多基于位置服务的需求，譬如要求用附加的RF系统，像UMTS这样的笫三代移动电话、超宽带(UWB)、伪信标，和RFID这样的新技术，以及以陀螺仪、加速度计、气压计和数字指南针等其它的传感器。优点之四：测试和质量控制•软件无线电用于中频数据，可以存储在硬盘上，或实时地进行采集和处理。这样对于测试目的的RF信号具有实质性的优点，因为只需要采集和存储一次，然后便可以进行反复多次处理，直到达到所希望的结果。将软件接收机与基于硬件的接收机进行比较，必须利用实际信号进行野外测试，或利用硬件信号模拟器对每个软硬件的改动进行测试。优点之五：软件开发持续进行•软件接收机方法能跟踪关键的接收机运算一步步地用后处理模式来实现。例如，在跟踪环每个周期处有个断点设置(对于GPSL1为1kHz运算)用软件接收机跟踪bugs是很容易完成的，但对于ASIC而言则是十分复杂的任务。软件接收机的总体结构提供了极其迅速的原型化样机，因为新的信号/算法只需要软件来加以实施。此外，算法的模拟和验证用软件来实现很容易与开发周期紧密地连在一起，因为原型机所用的实际软件在系统生产中只是重新起用。SDR终极目标为高低端两用•现在昀新的软件接收机是被高端用户所采用，具有明显的创新特点，以及作为研究开发工具在使用。可以相信，SDR技术继续在随着GPS和Galileo在演变，利用功能日益强大的微处理器和必须由大批量市场实施的DSP来实现，届时软件接收机的前途则不可限量。3.大众化消费接收机•1.SiRFstarIII3e(f)/LP•2.GlobalLocatehammerhead•3.UBloxAntarisSiRFstarIIIGSC3e(f)/LP性能指标•1.支持20个信道(L1,SBAS),20万个相关器•2.水平定位精度：自主2.5m；SBAS2m•3.速度精度：0.01m/s，Heading：0.01o•4.TTFF：热(冷)启动1(35)秒；A-GPS：1.5(6.6)秒5.灵敏度：捕获-142dBm，跟踪-159dbm6.功耗：连续工作62mW，省电模式40mWSiRFstarIIIGSC3e(f)/LPSiRFstarIIIGSC3e(f)/LP4.高灵敏度接收机和A-GNSS技术•高灵敏度接收机技术昀近受到广泛注意，原因是要实现室内外导航的平滑过渡，无缝连接。为此采用A-GNSS技术，也用于高灵敏度技术的研究开发。何谓高灵敏度接收机？•衰减严重的工作条件要求高灵敏度接收机，以捕获和跟踪微弱的GNSS信号。在视线(LOS)传播条件下，在地球表面所能收到G