不同GNSS信號的接收機內部噪聲特性分析

竇邵華，匡翠林，周要宗

(中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083)

0 引言

近些年，隨著全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)的不斷發展，GNSS可用信號日益豐富，各星座也日趨完善，呈現出多系統競爭與兼容的局面[1]。多系統的發展使得多GNSS兼容的接收機需求量不斷增加，而接收機性能的好壞又直接影響著GNSS系統的發展和應用。接收機內部噪聲是衡量接收機性能好壞的一個重要指標，反映了接收機信號通道間、信號鎖相環、碼跟蹤環的偏差以及鐘差等引起的測距和測相誤差的綜合影響，是高精度定位的重要影響因素。因此GNSS接收機內部噪聲評估對用戶選擇接收機和廠商研發接收機都有著重要的現實意義。

零基線檢驗法是檢定接收機性能的常用方法[2]，其原理是：通過功率分配器使2臺GNSS接收機連接到同1個天線上，從而使得2臺接收機組成的基線的理論長度為0；由于零基線可以消除衛星鐘差、星歷誤差、大氣延遲誤差、多路徑誤差和天線相位中心偏差等誤差，因此當使用2臺相同接收機進行零基線測試時，將實際通過衛星信號計算得到的基線長度與理論長度進行比較，得到的基線偏差便可以用來評估接收機的性能[2-4]。傳統零基線檢驗法雖可較為真實地反映GNSS接收機的性能，但并不能反映接收機內部噪聲的特性。

本文通過實驗系統地對全球定位系統(global positioning system，GPS)、伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)、北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system，BDS)和格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system，GLONASS)接收機的內部噪聲的特性和噪聲水平進行了評估，采用零基線觀測值作差的方法，即通過求差的方法，在消除各種誤差之后得到反映觀測噪聲的殘差序列[5-9]。

1 零基線雙差恢復單差的接收機內部噪聲評估方法

為了得到反映接收機內部噪聲的殘差序列，可以在觀測值之間進行雙差，該方法可以消除接收機內部噪聲以外的其余誤差，但是得到的雙差殘差包含參考衛星和待評估衛星2顆衛星誤差的綜合影響，不利于對各顆衛星進行獨立的分析[5，10]。為了得到可以反映不同類型衛星的接收機內部噪聲殘差序列，首先對2臺接收機共視的同1顆衛星在相同觀測歷元進行單差，得到

(1)

(2)

從式(1)和式(2)可以看到，單差殘差序列包含除了接收機內部噪聲以外的其他誤差，為了得到僅含有內部噪聲的單差殘差序列，假設某一個歷元有n顆共視衛星，則相應的n-1個雙差殘差為

(3)

(4)

通過求解(4)式，便可以得到由雙差殘差恢復得到的單顆衛星的接收機內部噪聲序列[10-11]。從而可以實現對不同類型衛星接收機內部噪聲序列的對比分析。

2 實驗與結果分析

2.1 實驗數據采集

實驗數據為2017-08-20 — 2017-08-26在中南大學某辦公樓頂采集的為期7 d的零基線數據。實驗通過使用功率分配器將1個天線和2臺Trimble NetR9接收機進行連接，實驗現場如圖1所示。

圖1 零基線實驗現場

為了更好地分析各GNSS系統、各衛星類型、各信號頻率的接收機內部噪聲特性和噪聲水平，本文對GPS、GLONASS、Galileo、BDS衛星導航系統的觀測數據進行了對比分析，主要分析了接收機噪聲與衛星高度角的關系以及噪聲水平，其中接收機噪聲與衛星高度角的關系采用的是1 d的數據，而噪聲水平統計采用的是1星期的數據。

2.2 結果分析

對于各衛星導航系統接收機內部噪聲與衛星高度角的關系，本文分別從偽距和載波2個方面對2017-08-20各類型衛星不同頻段的信號進行了對比分析，結果如下：圖2～9中縱軸表示噪聲，橫軸表示衛星高度角，每幅子圖代表了同一類型衛星同一頻段觀測值1 d的接收機內部噪聲與衛星高度角的關系。從圖2～9可以看出，偽距觀測值接收機內部噪聲水平比載波觀測值接收機內部噪聲水平高2個數量級，并且偽距觀測值接收機內部噪聲水平基本小于1 m，載波觀測值接收機內部噪聲水平基本小于1 cm。

對于BDS地球靜止軌道衛星(geosynchronous Earth orbit，GEO)、中圓地球軌道衛星(medium Earth orbit，MEO)、傾斜地球同步軌道衛星(inclined geosynchronous satellite orbit，IGSO)各頻段接收機內部噪聲與高度角的關系如圖2和圖3所示。

圖2 BDS各類型衛星各頻段偽距信號殘差與高度角的關系

圖3 BDS各類型衛星各頻段載波信號殘差與高度角的關系

從圖2和圖3可以看出：對于BDS的偽距信號，B1頻段接收機噪聲受高度角影響較大，隨著高度角升高噪聲降低，而B2和B3頻段的接收機噪聲與高度角無明顯關系；MEO衛星B1頻段的接收機噪聲隨高度角的增大持續減小，而IGSO衛星B1頻段的接收機噪聲當高度角超過一定值時變化較小；并且噪聲水平呈現從B1、B2、B3依次減小的趨勢；對于BDS的載波，不同頻段的接收機噪聲與高度角的關系相似，各類型衛星各頻段信號的接收機噪聲在衛星高度角超過一定高度時隨高度角變化較小。

從圖4和圖5可以看出：對于GPS的偽距和載波信號，各類型衛星接收機噪聲隨高度角變化情況相似；對于Block IIF類型衛星L5頻段，偽距信號接收機噪聲隨衛星高度角的增大變化較小；各類型衛星L1頻段載波信號接收機噪聲在低高度角時隨高度角增大而減小，當高度角超過一定值時變化較小。

圖4 GPS各類型衛星各頻段偽距信號殘差與高度角的關系

圖5 GPS各類型衛星各頻段載波信號殘差與高度角的關系

從圖6和圖7可以看出：對于GLONASS-M類型衛星偽距信號接收機噪聲較大；不同類型衛星不同頻段信號的接收機噪聲與高度角的關系類似，均為偽距信號接收機噪聲隨高度角的增大變化較小，載波信號接收機噪聲隨高度角增大有減少趨勢。

圖6 GLONASS各類型衛星各頻段偽距信號殘差與高度角的關系

圖7 GLONASS各類型衛星各頻段載波信號殘差與高度角的關系

對于Galileo系統在軌驗證(in-orbit validation，IOV)衛星和具備完全操作能力(full operational capability，FOC)衛星各頻段接收機內部噪聲與高度角的關系如圖8和圖9所示。

圖8 Galileo各類型衛星各頻段偽距信號殘差與高度角的關系

圖9 Galileo各類型衛星各頻段載波信號殘差與高度角的關系

從圖8和圖9可以看出：Galileo系統IOV衛星和FOC衛星相同頻段信號接收機內部噪聲隨衛星高度角的變化關系相似；E1和E5a頻段載波信號的接收機噪聲與高度角的關系相似，均隨著高度角的增大無明顯變化；E5a頻段偽距信號接收機噪聲相對于高度角的變化較小，而E1頻段偽距信號接收機噪聲相對于高度角變化較大，隨著高度角的增大明顯減小。

為了更好地了解各個系統之間、各種類型衛星之間、各個頻段之間的接收機噪聲水平，本文統計了2017-08-20—2017-08-26共7 d不同系統不同衛星不同頻率的偽距和載波接收機噪聲水平均方根(root mean square，RMS)，分別如表1和表2所示。

表1 偽距觀測值接收機噪聲水平RMS值 m

表2 載波相位觀測值接收機噪聲水平RMS值 mm

從表1和表2可以看出：偽距觀測值接收機噪聲中，Galileo接收機噪聲最小，BDS稍優于GPS，GLONASS接收機噪聲最大；對于BDS系統，不同類型衛星之間差異較小，不同頻段之間呈現從B1、B2、B3接收機噪聲水平依次減小的趨勢；載波相位觀測值接收機噪聲中，不同衛星導航系統之間差異較小；BDS系統中，GEO衛星接收機噪聲最大，IGSO和MEO衛星噪聲水平接近；BDS系統同一類型衛星不同頻段信號的接收機噪聲水平差異較小。

3 結束語

本文通過零基線雙差恢復單差的接收機內部噪聲評估方法，對Trimble NetR9接收機采集的多GNSS數據進行了分析，得出如下結論：

1)對于不同系統不同類型衛星不同頻段信號，同一接收機的噪聲有所差異。

2)對于偽距觀測值接收機噪聲，Galileo最小，BDS次之，GLONASS最大；BDS系統中，B1頻段觀測值接收機噪聲隨衛星高度角增大而減小，B2和B3頻段受高度角影響較小；不同類型衛星之間噪聲水平差異較小，不同頻段之間呈現從B1、B2、B3接收機噪聲水平依次減小的趨勢。

3)對于載波相位觀測值接收機噪聲，不同衛星導航系統之間差異較小；對于BDS系統，各頻段觀測值接收機噪聲隨衛星高度角增大有減小趨勢，當高度角超過一定值時，隨高度角的增大變化均較小；BDS系統同一類型衛星不同頻段信號接收機噪聲水平之間的差異較小。

綜合上述結論可以得出，在涉及接收機內部噪聲的時候，應區別對待不同系統不同類型衛星不同頻段信號的接收機內部噪聲；在按衛星高度角定權的時候，應充分考慮接收機內部噪聲與衛星高度角的關系特性。