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[科技] 软件定义无线电技术（SDR）在GPS/GNSS中的应用场景

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林聚樱桃种植园 发表于 2021-11-29 21:50:35 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
题记：软件定义无线电可用于多种不同目的，本文探讨了 GPS/GNSS 以及如何使用 SDR 带来巨大收益。
介绍

在本文中，我们讨论软件定义无线电 (SDR) 如何提供全球定位系统 (GPS) 和全球导航卫星系统 (GNSS) 的无线电通信能力，以及如何使用源自卫星星座的不同信号。随着地球轨道上卫星星座数量的增加，保持无线电通信正常工作变得特别具有挑战性。
什么是 GPS/GNSS？

GNSS 是指为地球上的用户提供定位、导航和授时 (PNT) 信息的所有卫星星座。一个例子是 GPS，一种市场领先的基于无线电的 PNT 服务，专为军用和民用而设计。
还有其他 GNSS 星座，如北斗、伽利略、GLONASS、NavIC 和 QZSS。拥有多个卫星星座和频段可提高准确性、冗余性和可用性。 GNSS 提供商论坛国际委员会发起了一些努力，目的是使用 L1C 信号使 GNSS 服务可互操作，并降低最终用户的接收器的成本和复杂性。
星座中的每颗GPS卫星都携带一组原子钟，以保持高精度时间。这有助于维持发送/接收多个测距代码和导航消息所需的参考时钟和同步。
什么是 GNSS 接收器？他们在做什么？

人们需要一个 GNSS 接收器来解释 GPS 卫星传输的无线电信号。应用高级算法从信号中确定当前位置（例如：纬度、经度）。通用接收器提供的信息可用于广泛的应用。它们中的大多数依赖于接收器的导航解决方案，即接收器计算的位置、速度和时间。如今，接收器已广泛扩展到小型化平台、芯片组、微处理器、集成芯片、FPGA 和手持设备，包括集成在大多数手机中。
每颗 GPS 卫星都会传输一个唯一的伪随机噪声 (PRN) 代码，用于估计卫星天线和接收器天线之间的距离。在最常见的 GNSS 接收器架构中，有单频接收器和多频接收器（即能够接收来自各种 GNSS 星座的 PNT 信号），如图 1 所示。

软件定义无线电技术（SDR）在GPS/GNSS中的应用场景 第1张图片

图1

图 1：显示了代表单星座和多星座接收机的图表。
许多芯片组和模块目前支持多个卫星星座，在城市环境中提供更好的信号恢复能力和可用性，在这种环境中信号阻塞很常见。
GNSS 接收器不断地估计和校正，主要针对三个可观察参数： 码字（Code）延迟量化接收器中的本地 PRN 代码副本与来自卫星的无线电信号中传入的 PRN 代码之间的错位。载波相位（Carrier Phase ）根据电磁信号的圆极化测量卫星和接收器之间的视在距离。多普勒频移（Doppler Shift）反映了卫星天线和接收机天线之间的相对运动，加上与接收机时钟频率误差成正比的公共偏移。
GNSS 接收器有什么用途？

GPS无线电导航用于不同的行业领域，包括：

  • 运输：跟踪机车车辆、机车、轨道车、维修车辆、路边设备等。
  • 航空：机载飞机与地面空中交通管制交换准确的位置信息。机场利用 GPS 来帮助飞机起飞、接近和着陆。
  • 电信：定位远程资产、现场车队和车载测试以提高覆盖范围。 GPS也被设备用于时间同步。
  • 防御：导航用于军事监视/侦察和战斗的无人机/飞行器，以及导弹的弹道制导等。
什么是 GNSS 增强系统？

GPS 信号容易出现不同类型的错误。虽然使用已知的地面参考站进行实时纠错很常见，但可以进一步提高定位信息的绝对或相对精度。提供以下类别的增强服务来实现此目的：
通过基于地面的跟踪网络计算信号纠错和完整性信息的信息增强。然后它通过互联网或卫星通信信道将数据广播给用户。
信号增强是指提供额外测距信号以补充 GPS 已经提供的信号的系统。
国际民用航空组织 (ICAO) 将增强系统归类为星基 (SBAS)、地基 (GBAS) 或机载 (ABAS)。图 2 中的图表代表了不同形式的增强系统。

软件定义无线电技术（SDR）在GPS/GNSS中的应用场景 第2张图片

图2

图 2：不同类型的增强系统用于不同的目的。
增强服务在没有仪表着陆系统 (ILS： instrument landing system) 的机场附近提供差分 GPS (DGPS) 校正和完整性验证。例如，广域增强服务是由 FAA 开发的导航辅助设备，用于增强 GPS 以获得更高的准确性、完整性和可用性。它使飞机能够通过所有飞行阶段。局部区域增强服务是一种基于 DGPS 校正的全天候着陆系统，通过全向 VHF 数据广播在关键区域向飞行路径的终端、进近、地面部分提供信息。
其他地方也有自己的增强系统，如中国的BDSBAS、欧盟的EGNOS、俄罗斯的SDCM、印度的GAGAN、日本的MSAS、加拿大的CDGPS、澳大利亚的SouthPAN、韩国的KASS、非洲的ASECNA。
如何使用增强系统评估 GNSS 性能指标？

民航已根据所需导航性能 (RNP) 标准对 GNSS 提出了要求。这包括：

  • 精度：用 NVE 表示为飞机实际位置与机载 GPS 设备提供的位置之间的差值。 SBAS 通过向用户提供对卫星轨道和时钟误差以及电离层传播误差的修正来确保符合精度要求。
  • 完整性：以用户差分距离误差 (UDRE)、时钟星历协方差矩阵和网格电离层垂直误差 (GIVE) 表示。双频范围误差 (DFRE) 是 SBAS 中的一个关键参数。
  • 连续性：表示在一定时期内保持经营业绩的概率。它是整个系统在预期操作期间不中断地执行其功能的能力。
  • 可用性：表示为导航器在指定覆盖区域内可以使用 GPS 服务的时间百分比。它取决于环境的物理特性和发射机的技术能力。
SDR 如何融入 GNSS 系统？

由于 SDR 设备可以支持接收源自任何 GNSS 卫星星座的无线电信号，因此它足够灵活，可用于构建多星座接收器。
什么是软件定义无线电？

SDR 平台，如图 3 所示，是一种无线电通信系统，其中软件执行许多功能，例如混频、滤波、调制等，这些功能过去在模拟硬件中是传统的，现在使用数字组件和嵌入式系统来设计成一种芯片 (SoC) 技术。它提供了更长的设备寿命和对不断变化的 GPS/GNSS 传输加密标准、波形、协议等的适应性。

软件定义无线电技术（SDR）在GPS/GNSS中的应用场景 第3张图片

图3

图 3：Per Vices 的 Cyan 是软件定义无线电的一个示例。
SDR 可以被认为是建立在低成本通用处理器、各种射频微波芯片和 FPGA 上的可编程硬件。该系统包含一个用于广泛带宽覆盖的无线电前端 (RFE) 和一个用于处理功能的数字后端。图 4 显示了 SDR 平台的组件。

软件定义无线电技术（SDR）在GPS/GNSS中的应用场景 第4张图片

图4

图 4：SDR 平台的不同组件将帮助 GNSS 系统发挥作用。
RFE（ radio front end，射频前端） 包括多输入多输出 (MIMO) 信号发射 (Tx) 和接收 (Rx) 功能板，其中包括放大器、调制器和解调器、滤波器、ADC 和 DAC 信号转换器。
数字后端包括FPGA，用于各种数字信号处理，如：GPS信号的解码、解调、纠错等。
与笨重、硬件定义且功能有限的传统 GNSS 接收器相比，SDR 平台模块化、紧凑、易于升级或重新配置，并提供更高的精度。
接收 GPS / GNSS RF 信号时遇到的挑战

捕获 RF 信号的 GNSS 接收器必须连续执行以下任务：

  • 捕获确定该范围内可见的卫星的定位信息。接收器必须估计与每颗卫星相关的无线电波传播延迟和多普勒频移。在这个过程中应用了 DFT 和 IDFT 技术。
  • 跟踪涉及改进无线电波传播延迟和多普勒频移估计并跟踪这些特征随时间的变化。使用了 DLL 和 PLL 技术。每颗卫星的跟踪都在 DSP 域中处理。每个 RF 信号源都被视为一个链路。天线处的射频信号被放大、下变频到基带频率或中频、过滤并连续数字化为采样样本，然后发送到主机系统，在那里可以通过软件进行跟踪。
  • 导航是对范围内所有可见卫星的测量，以估计接收器的位置、速度和时间。
  • 当低频信号穿过大气层时，其速度由于大气扰动而变化。 GPS指挥中心应用大气模型来评估频率误差并不时更新它们。接收器无法区分直接信号和多个多径信号。这个问题必须在跟踪回路中使用 SNR、相关方法和小波滤波器技术来解决。
由于以下因素，GPS 信号采集、跟踪和导航可能会出现不同的损伤：

  • 轨道偏心率
  • 时钟
  • 电离层
  • 对流层
  • 代码多路径
  • C/A 代码噪声
  • 载波多径
  • L1 载波噪声
  • 天线相位中心变化
GPS 信号极其微弱，容易受到干扰；例如可以使用廉价的干扰器或来自电离层的干扰来阻止它。可以使用模拟器创建虚假 GPS 信号，欺骗接收器计算错误的位置。
由于障碍或信号弱或精度降低，也会导致信号可用性不足，这会引入由于卫星在 3D 空间中的相对位置而产生的定位误差。此外，卫星在空间中的排列会影响定位的准确性。有一个理想的卫星排列来传输准确的信号。通常，它涉及直接在头顶上的卫星，其他卫星在地平线附近等距。例如，高架卫星在城市地区的高层建筑附近是有利的。
使用多频 GPS 信号采集有助于更有效地进行纠错。多星座 GNSS 信号采集提供了备份冗余，但代价是增加了更多的复杂性。
GPS/GNSS 系统在哪里使用 SDR？

SDR 平台特别适用于以下情况：

  • 增强系统，因为它是一种极其高性能的设备，提供大量的相位稳定性和组件，由于高 SNR 和 SFDR，可以检测最微弱的信号。
  • 测试 GNSS 接收器以查看：
  • SDR 如何应对干扰或欺骗攻击。这在设计新系统时至关重要。这可以通过 GPS 信号模拟来实现。
  • 模拟多星座接收器应用程序（例如：自动驾驶汽车、远程无人机）或防止欺骗/干扰攻击的方法等。
  • Track & Trace 解决方案，例如位置跟踪服务或安全关键导航系统。
运营商不断升级 GNSS 系统，以提高准确性和可靠性。增强系统会定期更新。在这种多方面、不断变化的环境中，典型的硬件接收器处于劣势，而 SDR 平台可以适应新的要求。
SDR 平台在 GPS/GNSS 应用中的优势

SDR 可以调谐到多个卫星星座，部署不同的协议并在新协议可用时快速升级。由于信号处理是在软件而不是硬件中处理的，因此可以在 FPGA 上进行数字下/上转换和滤波，从而提供稳健和准确的 GNSS 接收信号。 SDR 支持多种延迟和可靠性配置、易于使用的 Web 界面以及与 USRP 硬件驱动程序的兼容性。 SDR 提供通道可调容量。它可以使用多个 DSP 通道同时与多颗卫星通信。例如，Per Vices 的 Cyan SDR 可灵活扩展容量并支持最多 64 个通道。 SDR 支持过滤/邻道抑制。
实时运动学（RTK）定位应用于对精度要求较高的测量领域。 RTK 使用单个固定基站和流动站移动站来减少位置误差。基站向流动站发送校正数据。它依赖于基于载波的测距技术，而不是基于代码的定位。为了纠正当前卫星导航系统中的常见错误，它依赖于载波相位校正。 CORS 是 RTK 基站网络，通常通过 Internet 广播更正以改进单个基站的错误初始化。
结论

SDR 使用灵活、可编程且成本相对较低的硬件，为基于 GNSS 星座提供的 PNT 服务的应用程序构建者和用户带来好处。您可以完全控制创新和适应，因为软件的变化完全掌握在您的手中，并且单件设备中提供的 RF 硬件功能强大，足以管理任何级别的复杂性和数字信号处理能力。您可以使用 SDR 使无线电通信中的几乎一切成为可能。


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