陳國成，陳嘉慶，葉文芳，謝寶飛，范瀟云，王一飛

（1.國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041；2.武漢大學(xué)，武漢 430072）

1 引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）泛指包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Gal i leo和我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Beidounavigation satellite system，BDS）在內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)、政治、軍事、農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域有著重要意義，也是衡量國家實(shí)力的重要指標(biāo)?？扇旌蛱峁?dǎo)航定位功能的GNSS廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測地、授時(shí)、交通、氣象、國防等多個(gè)領(lǐng)域，從軍用的導(dǎo)彈軍艦到民用的汽車、手機(jī)，GNSS 涵蓋各行各業(yè)且自面世以來產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和市場價(jià)值不斷增長，已成為全球發(fā)展最快的信息產(chǎn)業(yè)之一。

2 GNSS接收機(jī)構(gòu)成及性能檢測

一個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要由三大部分組成：空間部分、地面控制部分和用戶接收部分，GNSS接收機(jī)不僅是用戶部分的核心，還是市場上產(chǎn)業(yè)規(guī)模最成熟的部分，市面上的GNSS接收機(jī)產(chǎn)品多達(dá)上百種，按用途可分為測地型、導(dǎo)航型、授時(shí)型接收機(jī)；按接收機(jī)通道可分為多通道、序貫通道、多路復(fù)用通道接收機(jī)；按工作原理可分為碼相關(guān)型、平方型接收機(jī)，分類方式數(shù)不勝數(shù)。GNSS接收機(jī)通常有四個(gè)組成部分，分別是天線、射頻前端、數(shù)字基帶信號處理和導(dǎo)航定位解算。

接收機(jī)的性能主要是評估接收機(jī)的位置、速度和時(shí)間（PVT）解算能力。PVT解算的質(zhì)量主要取決于兩個(gè)因素，一個(gè)是可視衛(wèi)星數(shù)量及幾何精度因子（GDOP），另一個(gè)是偽距和多普勒測量的質(zhì)量，偽距測量的誤差源主要有電離層和對流層延遲、導(dǎo)航電文誤差和接收機(jī)噪聲，采用雙頻接收機(jī)和功能更好的天線能有效降低誤差。鑒于測量誤差與時(shí)間、地點(diǎn)有關(guān)，因此GNSS接收機(jī)的性能和指標(biāo)是動態(tài)的，具體的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 GPS接收機(jī)性能指標(biāo)

GNSS接收機(jī)的測試包括靈敏度、測距碼捕獲時(shí)間、測距精度、首次定位時(shí)間、多通道時(shí)延一致性、定位測速精度、自主完好性測試等。其中偽距精度測試常用方法有：鐘差測定法、通道間單差法、定位精度反算法和零基線雙差法；多通道時(shí)延一致性測試常用方法有：單星測試法、多星測試法；

3 GNSS接收機(jī)發(fā)展趨勢

GNSS接收機(jī)在面世的幾十年間的體積、重量、成本、功能、耗能都在不斷地進(jìn)化，其受到的影響因素是多方面的，包括有GNSS供應(yīng)商基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、用戶需求的變化、新服務(wù)和新技術(shù)的出現(xiàn)等。尤其是新世紀(jì)以來，GNSS用戶技術(shù)的發(fā)展得到了長足進(jìn)步，GPS時(shí)代正向GNSS時(shí)代過渡，GPS和GLONASS 的現(xiàn)代化計(jì)劃的推進(jìn)、Galileo預(yù)計(jì)在2020年全面運(yùn)行、我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從局域到全球的過渡，以及印度和日本的局域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建計(jì)劃的提出，都推動了航空導(dǎo)航事業(yè)的發(fā)展。另一方面處理器、傳感器、集成芯片等硬件的發(fā)展這些進(jìn)步因素也投射到GNSS接收機(jī)上，多方面聯(lián)動下GNSS接收機(jī)的各個(gè)部分的發(fā)展趨勢都有變化。

根據(jù)歐洲全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局（GSA）發(fā)布的2016年度《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告》，GNSS接收機(jī)各模塊發(fā)展的重點(diǎn)如表2所示。

表2 接收機(jī)各模塊發(fā)展重點(diǎn)

3.1 多系統(tǒng)兼容

隨著Galileo最終部署的完成和北斗的全面建成，GPS一家獨(dú)大的時(shí)代將一去不復(fù)返，多系統(tǒng)并存使得具有兼容性和互操作性的GNSS接收機(jī)成為未來的趨勢。多系統(tǒng)接收機(jī)在觀測條件不佳的區(qū)域可用性更強(qiáng)，幾何精度因子（GDOP）更高，被欺騙的可能更低，在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)管理局多次的測試中，多系統(tǒng)接收機(jī)在精度的提升和首次定位時(shí)間的縮短上都表現(xiàn)得可圈可點(diǎn)?，F(xiàn)今市面上的多系統(tǒng)接收機(jī)主要是GPS+GLONASS、GPS+Galileo模式或是GPS+其他系統(tǒng)的模式，這是因?yàn)镚PS面世數(shù)十年來已經(jīng)搶占了GNSS市場的先機(jī)并以其相對成熟的技術(shù)和廣泛的用戶占據(jù)了主導(dǎo)地位，已經(jīng)滲透進(jìn)交通運(yùn)輸、移動通信、互聯(lián)網(wǎng)和各種可穿戴型設(shè)備的GPS用戶使得GPS接收機(jī)占據(jù)了市場極大份額，這使得其他GNSS供應(yīng)商要在市場中取得一席之地必須與GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兼容和互操作。實(shí)現(xiàn)互操作的首要要求是衛(wèi)星信號的主要頻譜特征如載波頻率、信號帶寬、調(diào)制方式、多址方式等應(yīng)盡可能一致，才利于多系統(tǒng)接收機(jī)的硬件和軟件共享，但是GPS 和BDS的信號并不相似，這對系統(tǒng)間的兼容和互操作性影響很大，GPS的了L1C/A和BDS的B1 I信號的載波頻率、擴(kuò)頻碼速率、擴(kuò)頻碼等方面都存在差異，給BDS和GPS雙系統(tǒng)接收機(jī)的設(shè)計(jì)帶來很大困難，目前市面上的L1C/A+B1 I雙系統(tǒng)接收機(jī)其實(shí)并未實(shí)現(xiàn)體制上的兼容整合，不同的信號特征不利于天線尺寸的減小、需要雙通道接收、對芯片的性能要求高和不同的程序算法要占用更多的資源，從長遠(yuǎn)看不利于多系統(tǒng)接收機(jī)性能提高和功耗、體積、成本的降低，如果不能解決這個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)BDS在民用市場很難爭取到更多的用戶資源。

3.2 高精度定位市場化

GNSS接收機(jī)的研究內(nèi)容集中于三高和三抗，即高精度、高動態(tài)、高靈敏度和抗干擾、抗欺騙、抗多路徑，能同時(shí)支持多星座的多系統(tǒng)GNSS接收機(jī)使得上述內(nèi)容取得較大突破。雙頻GNSS接收機(jī)可以消除電離層延遲誤差、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動態(tài)差分（RTK）和精密單點(diǎn)定位（PPP），現(xiàn)今我國的BDS 是第一個(gè)使用三頻信號服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，三頻信號可以更好消除電離層延遲影響、提高定位可靠性和縮短模糊度的固定時(shí)間，如果第三個(gè)信號出現(xiàn)問題還可以轉(zhuǎn)換為雙頻定位方式，頻率多樣性增強(qiáng)了可靠性和抗干擾能力。另一方面新信號新的調(diào)制方式能提供更精確的測量精度和更高的碼速率和抑制多路徑干擾的影響，雙頻和三頻接收機(jī)未來能有更大的發(fā)展空間，未來多頻接收機(jī)將從高精度定位領(lǐng)域走向民用市場。

3.3 軟件化趨勢

在GNSS接收機(jī)領(lǐng)域有著軟件化的趨勢。采用專用集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)GNSS接收機(jī)雖然速度快，但是可擴(kuò)展性差、不可編譯、數(shù)字信號處理方式不可修改，如果要修改數(shù)字信號處理功能就必須重新設(shè)計(jì)和生產(chǎn)專用集成電路。與此相比軟件GNSS接收機(jī)主要通過處理器上的軟件處理數(shù)字化后的衛(wèi)星信號，如果需要修改數(shù)字基帶信號處理模塊的功能和方式，可通過處理器重配置、修改數(shù)字信號處理程序及算法的方式來實(shí)現(xiàn)，接收機(jī)的信號處理方式和功能也可通過軟件方式進(jìn)行選擇。另一方面，在接收機(jī)的設(shè)計(jì)、仿真和研究測試上、在各種算法的驗(yàn)證上，可靈活配置的軟件接收機(jī)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)接收機(jī)，軟件接收機(jī)已可以充當(dāng)接收機(jī)新應(yīng)用、新算法、新體制的研發(fā)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和評估使用的平臺。軟件接收機(jī)具有前端可重用、結(jié)構(gòu)可通用、功能可兼容、軟件算法易修改等優(yōu)點(diǎn)，但是功耗和主系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷增加使得效率降低給軟件接收機(jī)的發(fā)展帶來很大局限，當(dāng)前民用市場應(yīng)用的主流還是功耗低、運(yùn)算速率快的采用專用集成電路設(shè)計(jì)方式的GNSS接收機(jī)，未來軟件GNSS接收機(jī)能否成為多模式、多頻段、多用戶GNSS接收機(jī)的主流主要還是取決于數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展。

3.4 自動選擇策略

各國的GNSS供應(yīng)商都在如火如荼地發(fā)展以搶占廣大的GNSS市場的先機(jī)，GPS和GLONASS的現(xiàn)代化計(jì)劃、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出世、為民用而開發(fā)的Galileo即將全面建成運(yùn)行，以及日本的QZSS、印度的IRNSS的建設(shè)進(jìn)行中，各個(gè)大國激烈競爭之下是GNSS百花齊放的時(shí)代。隨著各國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，預(yù)計(jì)到達(dá)2020年將有120多顆衛(wèi)星同時(shí)運(yùn)行，GNSS接收機(jī)的可視衛(wèi)星數(shù)目能達(dá)到50 顆，一方面可視衛(wèi)星數(shù)的增加能明顯增強(qiáng)接收機(jī)在遮蔽地區(qū)的可用性、能改善幾何精度因子（GDOP）以提高精度，能通過有效的接收機(jī)自主完好性監(jiān)測程序提高完好性，另一方面同時(shí)使用幾個(gè)獨(dú)立的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)能把被欺騙險(xiǎn)降到很低。但是隨著衛(wèi)星數(shù)的增加和各種衛(wèi)星基礎(chǔ)設(shè)施的改進(jìn)，選擇哪個(gè)系統(tǒng)、選擇多少顆衛(wèi)星是一個(gè)問題，這要求GNSS 接收機(jī)能自動評判觀測衛(wèi)星的質(zhì)量并能通過選擇衛(wèi)星將觀測量控制在合適范圍，未來GNSS接收機(jī)應(yīng)有更合適的自動選擇或拒絕衛(wèi)星的策略。

4 結(jié)束語

GNSS接收機(jī)自第一臺GPS接收機(jī)面世的數(shù)十年以來，從模擬器件到集成電路再到今天的ASIC結(jié)構(gòu)，其尺寸、重量、功耗和成本都在不斷下降，性能在逐步提高。隨著GNSS基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和用戶需求的不斷變化，在BDS投入服務(wù)GNSS時(shí)代之后，GNSS接收機(jī)的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為多系統(tǒng)兼容、軟件化、高精度領(lǐng)域市場化和新的自動選擇策略等。

[1] 李征航，黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2012：9-10.

[2] 李龍龍，張永紅，席歡.影響GNSS用戶技術(shù)發(fā)展的主要因素—《GNSS用戶技術(shù)報(bào)告》簡介之一[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2017，（03）：66-68.[2017-08-06].

[3] 李龍龍，張永紅，席歡.GNSS用戶技術(shù)的主要發(fā)展趨勢—GNSS用戶技術(shù)報(bào)告簡介之二[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2017，（04）：32-35+38-39.[2017-08-06].

[4] 楊元喜，陸明泉，韓春好.GNSS互操作若干問題[J].測繪學(xué)報(bào)，2016，45（03）：253-259.[2017-08-06].

[5] 劉婧.GNSS接收機(jī)測試與評估方法研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2013.

[6] 唐斌，劉富，張益青.GNSS接收機(jī)發(fā)展趨勢與研究思路分析[J].數(shù)字通信世界，2011，（S1）：82-84.[2017-08-06].