全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)是一個(gè)一般術(shù)語(yǔ)，用于描述使用衛(wèi)星信號(hào)來(lái)確定用戶接收機(jī)位置的系統(tǒng)。目前的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，美國(guó)的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)處于完全運(yùn)行狀態(tài)，可以提供全球定位服務(wù)。此外，中國(guó)的北斗系統(tǒng)(也稱為Compass)和歐盟的Galileo系統(tǒng)正在部署的進(jìn)程中。在上述四種全球?qū)Ш较到y(tǒng)中，GPS是歷史最悠久的系統(tǒng)，于1994年起提供全球定位服務(wù)。GPS系統(tǒng)也在不斷的升級(jí)和更新中，來(lái)提供更多的信號(hào)和更精準(zhǔn)的定位服務(wù)。2012年，該系統(tǒng)的BlockIIF衛(wèi)星正式投入使用，BlockIII衛(wèi)星也在規(guī)劃中。GLONASS系統(tǒng)最早始于1982年前蘇聯(lián)時(shí)期，由于蘇聯(lián)解體曾一度停滯。近年來(lái)，俄羅斯重啟并完成了該系統(tǒng)。GLONASS系統(tǒng)已于2011年10月正式運(yùn)行，提供全球定位服務(wù)。俄羅斯通過(guò)使用新型GLONASS-K衛(wèi)星，發(fā)射與GPS和Galileo類(lèi)似的信號(hào)，持續(xù)的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新升級(jí)。

北斗系統(tǒng)于2011年12月開(kāi)始提供有限的初始服務(wù)，2012年9月正式公布。公布之初，北斗的空間段包括15顆衛(wèi)星，向亞太地區(qū)提供區(qū)域定位服務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)計(jì)劃于2020年完成。由于中國(guó)政府直到2012年12月才發(fā)布接口控制文檔(ICD)，北斗系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)也受到了一些限制?，F(xiàn)如今，ICD已經(jīng)發(fā)布，北斗產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)有望實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。除了上述四種衛(wèi)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之外，還存在一些其它的相關(guān)衛(wèi)星系統(tǒng)。一種是星基增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)，通過(guò)使用地球同步衛(wèi)星，為已有的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)傳遞校正和完整性數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高GNSS接收機(jī)的定位精度。星基增強(qiáng)系統(tǒng)包括北美的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)(WAAS)、歐洲的地球同步軌道覆蓋服務(wù)(EGNOS)、日本的基于多功能衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng)(MSAS)、印度的GPS和GEO增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)(GAGAN)。另一種是區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(RNSS)，通過(guò)發(fā)射只在特定區(qū)域上空運(yùn)行的衛(wèi)星，提高特定區(qū)域的衛(wèi)星覆蓋率，從而增加可見(jiàn)星的數(shù)目。區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(QZSS)和印度的區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(IRNSS)。目前首顆QZSS衛(wèi)星已經(jīng)投入使用，已有支持該衛(wèi)星的設(shè)備上市。IRNSS系統(tǒng)還處于開(kāi)發(fā)階段，預(yù)計(jì)將包括三顆地球靜止衛(wèi)星和四顆地球同步衛(wèi)星。

GNSS技術(shù)應(yīng)用和增長(zhǎng)動(dòng)力

GNSS市場(chǎng)在很多因素的驅(qū)動(dòng)下正在快速發(fā)展，其中最主要的驅(qū)動(dòng)因素是手機(jī)和平板電腦中基于位置應(yīng)用的迅速增長(zhǎng)。還有些其它因素包括:車(chē)載導(dǎo)航的廣泛應(yīng)用，內(nèi)置GPS的消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備(例如數(shù)碼相機(jī)和運(yùn)動(dòng)手表)的出現(xiàn)，以及基于位置的跟蹤應(yīng)用的普及等等。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)跟蹤車(chē)隊(duì)的汽車(chē)來(lái)獲取實(shí)時(shí)的物流信息，使用個(gè)人跟蹤應(yīng)用來(lái)監(jiān)控工人和保障年長(zhǎng)者的安全，警方利用定位技術(shù)來(lái)監(jiān)控軟禁或獲得假釋的罪犯。另外，還出現(xiàn)了寵物追蹤設(shè)備和服務(wù)。正是由于GNSS市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的WLAN和手機(jī)芯片廠商也在積極的進(jìn)行GNSS芯片及模塊的研發(fā)。GNSS芯片向多?；姆较虬l(fā)展，即單一芯片支持多種GNSS系統(tǒng)，比如GPS+GLONASS，GPS+Galileo，GPS+北斗等等。此外，GNSS在高精度領(lǐng)域也有應(yīng)用，主要是一些行業(yè)應(yīng)用，包括測(cè)繪、飛行器、航空航天及國(guó)防應(yīng)用(無(wú)人機(jī)或?qū)椫械闹茖?dǎo)系統(tǒng)等)。本應(yīng)用指南主要介紹消費(fèi)類(lèi)GNSS設(shè)備及應(yīng)用的測(cè)試。

GNSS系統(tǒng)描述

GNSS系統(tǒng)分為三個(gè)主要部分?！臻g段由衛(wèi)星或航天器(SV)組成，用于傳輸包含衛(wèi)星軌道、位置、傳輸時(shí)間的導(dǎo)航電文?！刂贫沃傅孛姹O(jiān)測(cè)站和主控中心，用于跟蹤衛(wèi)星信號(hào)、收集偽距測(cè)量數(shù)據(jù)和大氣層模型數(shù)據(jù)、提供導(dǎo)航信息更新、大氣信息和校正信息以及進(jìn)行衛(wèi)星控制。—用戶段是指GNSS接收機(jī)。

圖1GNSS接收機(jī)工作原理

GNSS接收機(jī)通過(guò)三邊測(cè)量法來(lái)計(jì)算自身位置。它使用導(dǎo)航電文中的傳輸時(shí)間和位置數(shù)據(jù)，測(cè)量衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)延，并由此計(jì)算接收機(jī)與衛(wèi)星的距離(偽距)。首先，距離某顆衛(wèi)星特定距離(偽距)的GNSS接收機(jī)所有的可能位置構(gòu)成了一個(gè)球面。兩個(gè)球面的交集是一個(gè)圓環(huán)。三個(gè)球面的交集則是兩個(gè)點(diǎn)。最后需要第四個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)的正確位置。第四個(gè)數(shù)據(jù)可以是地球表面，也就是說(shuō)，如果接收機(jī)位于地球表面，則位于地球表面上的點(diǎn)就是接收機(jī)的正確位置。對(duì)于更普遍的解決方案，則需要第四顆衛(wèi)星的偽距，來(lái)進(jìn)行定位。同時(shí)通過(guò)對(duì)四顆衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)量，不僅可以確定接收機(jī)的位置信息，即經(jīng)度、緯度和高度，還可以校正接收機(jī)的時(shí)鐘誤差，確定正確時(shí)間。

GNSS接收機(jī)測(cè)試的要求

通過(guò)使用天線接收空中的GNSS信號(hào)來(lái)進(jìn)行GNSS接收機(jī)測(cè)試，是簡(jiǎn)單可實(shí)現(xiàn)的，但是這種測(cè)試存在很多問(wèn)題。首先它只能提供有限的信息，由于空中的GNSS信號(hào)受多種因素影響，在持續(xù)的變化，因此很難保證測(cè)試信號(hào)的可控性和可持續(xù)性。再有，在特定的位置和時(shí)間上，有可能沒(méi)有足夠的可用衛(wèi)星信號(hào)可以接收。此外，一些特殊情況下的測(cè)試，例如遠(yuǎn)程測(cè)試和高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景測(cè)試，測(cè)試費(fèi)用高昂，而且很難實(shí)現(xiàn)。存儲(chǔ)和回放系統(tǒng)可以提供仿真的GNSS信號(hào)，進(jìn)行接收機(jī)測(cè)試。雖然這類(lèi)系統(tǒng)能夠提供可重復(fù)的測(cè)試信號(hào)，但是它不能對(duì)所存儲(chǔ)的信號(hào)進(jìn)行修改，不能調(diào)整單個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)，或是在信號(hào)回放時(shí)實(shí)時(shí)添加減損。為了解決這些問(wèn)題，可以使用GNSS信號(hào)仿真器來(lái)進(jìn)行GNSS接收機(jī)測(cè)試。GNSS信號(hào)仿真器可以仿真GNSS接收機(jī)所接收的信號(hào):來(lái)自于多顆衛(wèi)星的GNSS信號(hào)，每顆衛(wèi)星的信號(hào)具有不同的時(shí)延、多普勒頻偏和功率電平。實(shí)時(shí)GNSS仿真器允許在信號(hào)生成的過(guò)程中對(duì)信號(hào)進(jìn)行修改。GNSS仿真器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠仿真實(shí)際中不存在的衛(wèi)星，從而可以在系統(tǒng)中(例如Galileo和北斗)全部衛(wèi)星完成部署之前，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行早期測(cè)試。中電科儀器儀表公司研制的1465L微波矢量信號(hào)發(fā)生器完全可以滿足上述要求。

圖21465L微波矢量信號(hào)發(fā)生器實(shí)物圖