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導航的必要性

導航作為一種自然存在的行為，在古代通過人們的記憶和標識來進行，但這種方式極度依賴個人經(jīng)驗。為了減少這種依賴并提高效率，人類開始繪制地圖，但這仍然存在諸如準確性低、規(guī)劃困難、更新緩慢、存儲性差等問題。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)結(jié)合其他導航技術(shù)（如慣性導航和無線電導航），有效地解決了這些難題。

什么是GNSS

GNSS全稱為Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。其核心的服務為PNT（Positioning, Navigation and Timing），即提供定位、導航和授時服務。除了這些基本服務之外，部署增強系統(tǒng)還可以提供更加復雜的服務。

主流的全球性導航衛(wèi)星系統(tǒng)有：

● 美國的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）

●?俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GLONASS）

●?歐洲的伽利略系統(tǒng)（Galileo Satellite Navigation System，Galileo）

●?中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System，BDS）

表1 全球性GNSS系統(tǒng)PNT服務信號情況

GNSS的工作原理

GNSS基于三角測量的原理，通過時間計算距離，即到達時間（TOA，Time of Arrival）來實現(xiàn)位置的確定。

圖1.a所示，如果只有一個信號源，定位點P是無法被唯一確定的。

圖1.b中有兩個信號源發(fā)射信號，定位P點和P’都是可能的定位點，此時需要其他的補充手段（如仰角）來確定準確的定位點。

圖1.c使用三個信號源發(fā)射信號，當三個信源都達到P點的探測半徑，P點將被唯一確定，但實際上，公共時鐘同步是有誤差的，路徑衰落也影響探測半徑的計算。此時就會出現(xiàn)圖1.d的情況，只能模糊地知道P在陰影范圍內(nèi)。誤差校正是一門嚴謹?shù)膶W問，發(fā)展至今已經(jīng)可以把定位誤差縮小至人們可以接受的范圍內(nèi)。

圖1 三圓相交示意圖

公共時鐘存在誤差這一問題使得求解位置不僅要知道三個衛(wèi)星的探測半徑，還要知道鐘差，所以要求接收機至少能同時看到四顆衛(wèi)星。實際系統(tǒng)的部署通常能同時看到六顆以上的衛(wèi)星，通過最小二乘法找到最優(yōu)的四個參數(shù)解來縮小誤差。

● 但是由于各種原因，定位服務遠遠達不到人們所需要的精度，并且定位時間也不理想?，F(xiàn)有兩種主流的技術(shù)用來優(yōu)化精度和時間：

D-GNSS即差分GNSS優(yōu)化精度，在地面建立基準站接收衛(wèi)星信號，通過計算為用戶終端提供修正數(shù)據(jù)，差分方式中有位置差分、偽距差分和載波相位差分，其中載波相位差分（RTK，Real Time Kinematic）已經(jīng)可以將精度做到cm級。

●?A-GNSS即輔助GNSS優(yōu)化時間，借助移動通信基站向用戶終端提供輔助信息，可將首次定位時間縮小到獨立定位的十倍以上。

GNSS的應用

自GPS用于戰(zhàn)略部署以來，GNSS的應用面越來越寬。全球范圍內(nèi)，GNSS相關(guān)產(chǎn)業(yè)的總量逐年高速增長，其中兩大市場就是定位和導航。由于新能源汽車引領(lǐng)的智能輔助駕駛迅速發(fā)展，更顯得GNSS的重要性。個人終端設備也是百花齊放，比如手機、手表等。

國家產(chǎn)業(yè)也遍布GNSS服務。電力傳輸?shù)墓收隙ㄎ弧?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/521980.html">CDMA通信的時鐘校準、地質(zhì)研究、水利布局等等，這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極大地造福了人類。

GNSS接收機原理

GNSS接收機結(jié)構(gòu)會隨著設備和應用的不同而改變?？梢院唵蔚貧w納成信號接收、信號處理和數(shù)據(jù)計算。

信號接收：模擬信號的篩選。衛(wèi)星信號來自遙遠上空，通常受到多徑效應等影響而衰減。所以，接收機需要做預處理以獲得頻譜干凈、功率適當?shù)挠杏眯盘枴?/p>

信號處理：衛(wèi)星信號的數(shù)字化。通過對模擬域的解調(diào)、解算等處理得到衛(wèi)星信號中攜帶的導航數(shù)據(jù)，初步獲得位置和時間等信息。

數(shù)據(jù)計算：位置和時間的精確處理。接收機算法部分會依據(jù)多顆衛(wèi)星多個頻段播發(fā)的導航數(shù)據(jù)給出較為精確位置和時間等信息，同時還會將D-GNSS或A-GNSS提供的修正信息一同計算來優(yōu)化解算結(jié)果和時間。

目前手機終端已經(jīng)大量使用雙頻接收機結(jié)構(gòu)，雙頻主要指L1和L5。雙頻接收機的最大優(yōu)點為——消除電離層誤差。不同頻率的電磁波經(jīng)過相同的介質(zhì)時將會呈現(xiàn)不同的折射率，產(chǎn)生固定的時間差有助于修正電離層誤差?，F(xiàn)在的手機終端已經(jīng)可以實現(xiàn)空曠位置1m~3m這樣的定位精度。具備RTK技術(shù)的測量型接收機，雙頻定位精度最高可達毫米級。

圖3 雙頻接收機簡化模型

上圖為手機的雙頻接收電路框圖。手機上的接收機結(jié)構(gòu)一般都是超外差式，包括接收天線、ESD 二極管、前/后濾波器，低噪聲放大器和GNSS接收芯片。不過，由于手機的集成度很高，信號處理和數(shù)據(jù)計算均集成到芯片中直接處理。外置的器件中，GNSS LNA對接收機性能影響較大。

艾為電子GNSS LNA產(chǎn)品布局完備

在眾多GNSS LNA廠商中，艾為電子一直處于領(lǐng)先地位。關(guān)于GNSS LNA的技術(shù)指標和接收機指標的介紹，請回顧：《【技術(shù)帖】你所不知道的手機黑科技——細數(shù)GNSS LNA的關(guān)鍵技術(shù)指標》

艾為電子在L1、L2和L5頻段均有相應產(chǎn)品，完善匹配市場主流封裝1510、1109和1107。下表列出了艾為電子不同封裝下的GNSS LNA代表性產(chǎn)品和主要參數(shù)。