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AV1465L用于导航技术和接收机测试(一)

全球卫星导航系统概述
全球卫星导航系统(GNSS)是一个一般术语,用于描述使用卫星信号来确定用户接收机位置的系统。目前的全球卫星导航系统中,美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统处于完全运行状态,可以提供全球定位服务。此外,中国的北斗系统(也称为Compass)和欧盟的Galileo系统正在部署的进程中。在上述四种全球导航系统中,GPS是历史最悠久的系统,于1994年起提供全球定位服务。GPS系统也在不断的升级和更新中,来提供更多的信号和更精准的定位服务。2012年,该系统的BlockIIF卫星正式投入使用,BlockIII卫星也在规划中。GLONASS系统最早始于1982年前苏联时期,由于苏联解体曾一度停滞。近年来,俄罗斯重启并完成了该系统。GLONASS系统已于2011年10月正式运行,提供全球定位服务。俄罗斯通过使用新型GLONASS-K卫星,发射与GPS和Galileo类似的信号,持续的对系统进行更新升级。
北斗系统于2011年12月开始提供有限的初始服务,2012年9月正式公布。公布之初,北斗的空间段包括15颗卫星,向亚太地区提供区域定位服务。整个系统计划于2020年完成。由于中国政府直到2012年12月才发布接口控制文档(ICD),北斗系统的相关产品开发也受到了一些限制。现如今,ICD已经发布,北斗产品的开发有望实现快速增长。除了上述四种卫全球卫星导航系统之外,还存在一些其它的相关卫星系统。一种是星基增强系统(SBAS),通过使用地球同步卫星,为已有的全球卫星导航系统传递校正和完整性数据,进而提高GNSS接收机的定位精度。星基增强系统包括北美的广域增强系统(WAAS)、欧洲的地球同步轨道覆盖服务(EGNOS)、日本的基于多功能卫星的增强系统(MSAS)、印度的GPS和GEO增强导航系统(GAGAN)。另一种是区域卫星导航系统(RNSS),通过发射只在特定区域上空运行的卫星,提高特定区域的卫星覆盖率,从而增加可见星的数目。区域卫星导航系统包括日本的准天顶卫星系统(QZSS)和印度的区域导航卫星系统(IRNSS)。目前首颗QZSS卫星已经投入使用,已有支持该卫星的设备上市。IRNSS系统还处于开发阶段,预计将包括三颗地球静止卫星和四颗地球同步卫星。
 
GNSS技术应用和增长动力
GNSS市场在很多因素的驱动下正在快速发展,其中最主要的驱动因素是手机和平板电脑中基于位置应用的迅速增长。还有些其它因素包括:车载导航的广泛应用,内置GPS的消费类电子设备(例如数码相机和运动手表)的出现,以及基于位置的跟踪应用的普及等等。举例来说,通过跟踪车队的汽车来获取实时的物流信息,使用个人跟踪应用来监控工人和保障年长者的安全,警方利用定位技术来监控软禁或获得假释的罪犯。另外,还出现了宠物追踪设备和服务。正是由于GNSS市场的快速增长,传统的WLAN和手机芯片厂商也在积极的进行GNSS芯片及模块的研发。GNSS芯片向多模化的方向发展,即单一芯片支持多种GNSS系统,比如GPS+GLONASS,GPS+Galileo,GPS+北斗等等。此外,GNSS在高精度领域也有应用,主要是一些行业应用,包括测绘、飞行器、航空航天及国防应用(无人机或导弹中的制导系统等)。本应用指南主要介绍消费类GNSS设备及应用的测试。
 
GNSS系统描述
GNSS系统分为三个主要部分。—空间段由卫星或航天器(SV)组成,用于传输包含卫星轨道、位置、传输时间的导航电文。—控制段指地面监测站和主控中心,用于跟踪卫星信号、收集伪距测量数据和大气层模型数据、提供导航信息更新、大气信息和校正信息以及进行卫星控制。—用户段是指GNSS接收机。
图1GNSS接收机工作原理
GNSS接收机通过三边测量法来计算自身位置。它使用导航电文中的传输时间和位置数据,测量卫星信号的时延,并由此计算接收机与卫星的距离(伪距)。首先,距离某颗卫星特定距离(伪距)的GNSS接收机所有的可能位置构成了一个球面。两个球面的交集是一个圆环。三个球面的交集则是两个点。最后需要第四个数据来确定接收机的正确位置。第四个数据可以是地球表面,也就是说,如果接收机位于地球表面,则位于地球表面上的点就是接收机的正确位置。对于更普遍的解决方案,则需要第四颗卫星的伪距,来进行定位。同时通过对四颗卫星进行测量,不仅可以确定接收机的位置信息,即经度、纬度和高度,还可以校正接收机的时钟误差,确定正确时间。
 
GNSS接收机测试的要求
通过使用天线接收空中的GNSS信号来进行GNSS接收机测试,是简单可实现的,但是这种测试存在很多问题。首先它只能提供有限的信息,由于空中的GNSS信号受多种因素影响,在持续的变化,因此很难保证测试信号的可控性和可持续性。再有,在特定的位置和时间上,有可能没有足够的可用卫星信号可以接收。此外,一些特殊情况下的测试,例如远程测试和高速运动的场景测试,测试费用高昂,而且很难实现。存储和回放系统可以提供仿真的GNSS信号,进行接收机测试。虽然这类系统能够提供可重复的测试信号,但是它不能对所存储的信号进行修改,不能调整单个卫星的信号,或是在信号回放时实时添加减损。为了解决这些问题,可以使用GNSS信号仿真器来进行GNSS接收机测试。GNSS信号仿真器可以仿真GNSS接收机所接收的信号:来自于多颗卫星的GNSS信号,每颗卫星的信号具有不同的时延、多普勒频偏和功率电平。实时GNSS仿真器允许在信号生成的过程中对信号进行修改。GNSS仿真器的另一个优势是能够仿真实际中不存在的卫星,从而可以在系统中(例如Galileo和北斗)全部卫星完成部署之前,对系统进行早期测试。中电科仪器仪表公司研制的1465L微波矢量信号发生器完全可以满足上述要求,具体应用将在下一篇介绍。
 
图2 AV1465L微波矢量信号发生器实物图