GNSS 模塊：集成天線與外部天線

2022-09-01 來源：作者：深圳市中電網絡技術有限公司

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No.1

前言

全球衛星導航系統，覆蓋全球的自主地利空間定位的衛星系統。具有全球導航定位能力的衛星導航定位系統稱為全球衛星導航系統，英文全稱為Global Navigation Satellite System，簡稱為GNSS。泛指所有的衛星導航系統，包括全球的、區域的和增強的，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛星導航系統，以及相關的增強系統，如美國的WAAS（廣域增強系統）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導航重疊系統）和日本的MSAS（多功能運輸衛星增強系統）等，還涵蓋在建和以后要建設的其他衛星導航系統。國際GNSS系統是個多系統、多層面、多模式的復雜組合系統。使用多星座 GNSS 接收器的優勢在于：更好地提供定位、導航、定時 (PNT) 信號，提高準確性、完整性并改善應用的穩健性。

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但是，多星座接收器開發是一項復雜、耗時的工作，其中包括：優化L波段天線；設計射頻 (RF) 前端；整合基帶信號處理算法以獲取、跟蹤和應用各種 PNT 信號的修正；對應用的處理軟件進行編碼，以便從基帶的每個通道提取 PNT 數據并使用這些信息實現系統功能。設計者還必須選擇合適的天線并將其正確放置。

設計者可以轉向預制型 GNSS 模塊和開發環境，快速有效地將定位功能集成到系統中。這種 GNSS 模塊包括射頻前端、基帶處理和嵌入式固件，有些 GNSS 模塊還包括天線。以便加快應用處理軟件的開發。

No.2

什么是 GNSS 和 PNT？

GNSS 和 PNT 是密切相關的概念。GNSS 衛星是 PNT 信號的最常見來源。GNSS 衛星本質上是高度精確的同步時鐘，不斷廣播其PNT 信息。GNSS 模塊接收來自特定衛星的 PNT 信號并計算其與該衛星的距離。當接收器知道與至少四顆衛星的距離時，就可以估計其本身的位置。然而，位置估計的準確性受到各種誤差源的影響，具體包括：

?GNSS衛星中計時電路的時鐘漂移

?預測 GNSS 衛星準確軌道位置的誤差

?整個衛星設備相對于其他衛星的一般性能漂移，也就是所謂的衛星偏移

?信號在通過電離層和對流層時發生失真和延遲。

?多路徑反射和接收器中的可變性能和漂移

目前，設計者可以采用各種不同技術校正基于衛星和大氣的 GNSS 誤差。

No.3

提高 GNSS 性能

把源自 GNSS 接收器的誤差影響降至最低的最佳方法是：使用適合特定應用的成本和尺寸限制的最高性能接收器。但是，即使是高性能的接收器也不是完美的；在很大程度上其性能還可提升。了解這些校正方法非常重要，因為這些方法會帶來不同的性能，而且有些 GNSS 模塊不能使用所有的校正方法。

有幾種 GNSS 校正方法采用了地面參考基站（圖 1）。實時運動學 (RTK) 和精密單點定位 (PPP) 是采用地面參考基站對 GNSS 進行校正的最成熟方法。近來又出現了 RTK-PPP 混合方法。

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圖 1：GNSS 用戶接收器可以從參考網絡中獲取大氣、時鐘和軌道誤差信息，以提高定位精度。（圖片來源：Septentrio）

RTK 依靠單一基站或本地參考網絡獲得校正數據，可以消除大部分的 GNSS 誤差。RTK 假定基站和接收器的位置很近——最多相距 40 公里或 25 英里，因此基站和接收器遇到的誤差相同。后處理運動學 (PPK) 是 RTK 的一個變種技術，被廣泛用于測繪，以獲得高精度定位數據或厘米級精度。

只有軌道和衛星時鐘誤差被用來進行 PPP 校正。這些誤差是衛星特有的誤差，與用戶位置無關，這就限制了所需參考基站的數量。然而，PPP 沒有考慮與大氣有關的誤差，因此相對于 RTK 來說精度較低。此外，PPP 校正的初始化時間可能達到 20 分鐘左右。較長的初始化時間和較低的精度使 PPP 技術在許多應用中無法使用。

對于那些要求接近 RTK 精度和快速初始化時間的應用來說，通常采用最新的 GNSS 校正服務，即 RTK-PPP（有時稱為狀態空間表示法 (SSR) ）。這種技術采用一個參考網絡，其基站間隔約為 100 km（65 英里），收集 GNSS 數據并計算衛星和大氣的綜合校正值。參考網絡使用互聯網、衛星或移動電話網絡向用戶發送校正數據。使用 RTK-PPP 的 GNSS 接收器能夠達到亞厘米級精度。在選擇使用 RTK、PPP 和 RTK-PPP 校正方法時會涉及到一系列的設計權衡，開發者需要進行審核，以選出適合具體應用情況的最佳解決方案。（圖 2）。

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圖 2：三種常見 GNSS 校正方法的優缺點。

衛星增強系統 (SBAS) 正開始在區域范圍內得以運用，以取代 RTK、PPP 和 RTK-PPP 的地面基站校正方法。SBAS 仍然使用地面站來測量 GNSS 誤差，但這些地面站分布在各個洲。測量的誤差在某個中心位置進行處理，在那里計算出校正值并傳送到所覆蓋地區的地球同步衛星。校正數據從衛星上播出，作為原始 GNSS 數據的疊加或增加。

GNSS 的精度取決于衛星測量和相關校正值的可用性和精度。高性能 GNSS 接收器在多個頻率下跟蹤 GNSS 信號，并使用多個 GNSS 星座和各種校正方法來提供所需的精度和恢復能力。由此產生的冗余可使性能穩定，即使有些衛星測量和數據遇到干擾時也是如此。設計者可以從各種 GNSS 精度和冗余能力中進行選擇（圖 3）。

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圖 3：GNSS 精度等級與相應的校正方法和選定的應用。

No.4

GNSS 模塊：集成天線與外部天線

由于多星座定位的復雜性，采用供應商提供的各種模塊有助于加快產品上市，降低成本并確保性能。也就是說，設計者需要考慮使用內部天線還是選擇位于 GNSS 模塊外部的天線。對于那些需要優先考慮上市時間和成本的應用來說，集成天線可能是更好的選擇，因為這種天線所涉及的工程量要小得多。對于需要 FCC 或 CE 認證的應用，使用帶集成天線的模塊也能加快認證過程。然而，這樣會增加解決方案的尺寸，而且集成天線解決方案的靈活性有限。

外部天線為設計者提供了更多的性能和布局選擇。設計者可選擇大型高性能天線或者較小的低性能天線。此外，相對于 GNSS 模塊的位置，天線的放置更加靈活，這將進一步提高設計靈活性。由于放置靈活，因此外部天線可確保 GNSS 可靠工作。然而，天線放置和連接布線既復雜又耗時，需要特殊的專業知識，這可能會增加成本并延緩上市時間。

No.5

總結

實現準確、可靠定位功能的最好方法是使用多個星座及相關的校正技術支持。這些都是復雜的系統，但設計者可以求助于預制型 GNSS 模塊、相關的開發套件和環境，快速有效地比較各種選項并實施基于位置的功能和服務。

No.6

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