关于GNSS接收机的技术分析

　　摘要：从天线、RF、DSP和微处理器等方面介绍了GNSS接收机技术的先进性，根据用途、工作原理、接收频率等对GNSS接收机进行不同的分类，而且详细介绍了各种不同类型接收机的优缺点，论述了技术发展才是GNSS产业生存和可持续发展的灵魂。目前GNSS接收机在各行各业的引入和推广，已使传统的导航定位领域发生了革命性的变革，特别是车载导航仪和手持用户机给人们实实在在带来了便利，GNSS必将成为一种、活跃、渗透力的社会生产力。

　　1.引言

　　卫星导航定位技术已在广泛应用，其广泛应用的物质基础是卫星导航接收机，目前应用主要的是GPS接收机，应用数量多的则是单频C/A码民用导航接收机。除了这种普遍适用于民用的接收机外，还有双频接收机，GPS/GLONASS双系统兼容机，以及军用接收机等。据《GPS WORLD》杂志报道，现在有上千余家接收机生产制造商，共有上万种型号的接收机进入商用市场。

　　GNSS接收机有多种多样的类别，分为C/A码与P码、单频与双频、导航与定位、授时与测量、手持、机载、弹载、星载，以及其他各不相同的类型。十多年来，GNSS接收机技术有了长足的进步。在高端的科学和工程应用中，其功能越来越强大，能同时接收所有可见卫星信号，实现低噪声测量及无码与半无码工作，实时动态求解整周模糊数。

　　在低端应用中，手持导航接收机的价格降到100美元以下，具备了大批量进入大众化应用的条件，手表型导航仪也已进入市场，与无线移动通信结合的定位手机也已问世，个人应用市场展现了巨大的发展前景。许许多多的应用拓广都归功于GNSS接收机数字技术的进步。基本的GNSS接收机已经可以在单个芯片中，数据记录技术也有了明显发展，从原来的磁带软盘，变成价廉物美的闪存或半导体存储器，体积也越来越小。

　　2.发展现状

　　2.1 天线

　　GNSS接收天线的作用，是将卫星来的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流。天线的大小和形状十分重要，因为这些特征决定了天线能获取微弱的GNSS信号的能力。根据需要，GNSS接收天线可设计成能够工作在单一的L111频率上，也可以工作在L1和L2两个频率上。由于GNSS信号时圆极化波，所以所有的接收天线都是圆极化工作方式。由于有多种多样的条件限制，便有多种不同的天线类型存在，如单极化的、双极化的、螺旋的以及微带天线。微带天线由于其耐用性和相对容易操作，所以成为应用为普遍的一类天线。其形状可以是圆形也可以是正方形或长方形，如同一块敷铜的印刷电路板。它由一个或多个金属片构成，所以GNSS天线常用的形状是块状结构。由于天线可以做得很小，因此可适合于个人手持应用。

　　天线的另一个主要特性，是其增益图形，即方向性。利用天线的方向性可以提高其抗干扰和抗多路径效应能力。在定位中，天线的相位中心的稳定性是个很重要的指标。但是，在普通的导航应用中，人们希望用全向天线，至少能接收天线地平以上5°视野内天空中所有的可见卫星信号。微带天线通常有个接地平板作为地网。由于到达接收机的GNSS信号一般都比较微弱，所以往往采用有源天线，所谓有源天线，是指天线中装有RF前置放大器或低噪声放大器。

　　2.2 模拟（RF部分）

　　GNSS接收机的RF部分，是将GPS的L1频率信号，转换成较低的频率，即中频，从而易于进行放大处理。这种变频通常称之为混频，通常是将天线送来的输入信号，经低噪声放大器的滤波和放大，与本机振荡器产生的正弦波信号进行混频，形成中频信号。大部分GNSS接收机的本振，采用的是精密的石英晶体振荡器为基准的频率综合器。中频信号除了在载波频率上变低以外，RF信号的所有调制信号信息都转移到中频信号上。

　　在GNSS接收机模拟部分与数字部分之间必须有个数模（A/D）变换器，有些直接采用接收机不是面对中频信号，而是直接对RF信号进行A/D采样。直接采样不仅需要高速A/D转换器，更重要的是增加了数字部分的处理工作量。

　　2.3 数字信号处理（DSP）部分

　　该子系统的主要功能是：实施机载激光测量、机载GPS定位和测姿等多种数据的集成快速解算，而地算得所探水下目标的实时位置。指挥、控制和维护机载激光测深系统的在航作业。协调机上各子系统的同步工作，监视测深状态和系统工作正常与否，管理机载测试数据，并将它们发到机载数据通信控制子系统。

　　通常用下变频方法得到中频信号，经过A/D后送给DSP进行处理。它要完成对GNSS信号的跟踪和解码，实现数子采用信号相关处理，以及基本的跟踪测量。

　　◆GPS C/A码信号捕获

　　GPS接收机的数字部分是为了完成跟踪和解码工作，必须从采样信号将不同的收星信号区分开来，信号的搜索、捕获和跟踪才能一步步地实现。找到信号后，需要测量两个重要参量：一个是C/A码周期的开始，另一个是输入信号的载波频率。因为不同的卫星信号，具有不同的C/A码和不同的起始时间，以及不同的多普勒频率。得到了C/A码的起始时间，便可以利用这一信息，实现扩频，输出连续波信号，并获得其载波频率。

　　随后便可以由搜索捕获过程，进入跟踪程序。

　　◆GPS信号跟踪

　　为了跟踪一个信号，必须针对输入信号的变化，建立一个随之而动的宽带滤波器，当输入信号的频率随着时间变化时，滤波器的中心频率也随着信号而变。实际的跟踪过程是，宽带滤波器的中心频率是固定的，而本机产生的信号随着输入信号频率而变化，输入信号的相位和本机产生的信号相位通过相位比较器进行比相，相位比较器的输出则通过宽带滤波器。由于跟踪电路的带宽很窄，所以对比相器输出结果的响应灵敏度要求很高。对输入信号跟踪过程的结果就是导航数据信息。在跟踪过程中，一般有两个跟踪环路在工作，一个是C/A码跟踪环，另一个是跟踪信号载波相位的，称为载波环。

　　2.4 微处理器

　　微处理器完成的主要任务有：

　　（1）基于卫星信号的距离和多普勒的跟踪测量，控制数字部分中的跟踪环路；

　　（2）采集GNSS信号的导航数据，包括每个卫星的轨道和时钟，以及其他多种信息；

　　（3）通过给跟踪环提供信息，辅助并加速对卫星的跟踪；

　　（4）基于距离和多普勒测量及卫星轨道信息，计算接收机所在位置和速度；

　　（5）利用载波相位测量，可实现接收机内置的其他计算；

　　（6）支持用户接口微处理器的外设，主要是存储程序和数据以及程序执行操作的存贮器。

　　2.5 集成一体化

　　将GNSS接收机的各个主要组成部分尽可能地集成到一个芯片上来，构成单片系统，这是理想的结果，从而可以缩小体积、降低成本，提高可靠性，减少功耗。

　　3.GNSS接收机

　　GNSS接收机根据用途、工作原理、接收频率等进行不同的分类。

　　（1）按接收机的用途分类

　　◆导航型接收机

　　此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位较低，一般为10m左右。接收机的价格便宜，应用广泛。

　　◆测地型接收机

　　测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位高。仪器结构复杂，价格较贵。

　　◆授时型接收机

　　这类用户机主要利用GNSS卫星提供的高时间标准进行授时，常用于天文台及无线通信、电力网络中的时间同步。

　　（2）按接收机的载波频率分类

　　◆单频接收机

　　单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟的影响，单频接收机只适用于短基线的精密定位。

　　◆双频接收机

　　双频接收机可以同时接收L1,L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不同，可以消除电离层对电磁波信号的延迟影响，因此双拼接收机可用于长达几千公里的精密定位。

　　（3）按接收机通道数分类

　　GNSS接收机能同时接收多颗GNSS卫星的信号，为了分离接收到的不同  卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和测量，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机具有的通道种类分为：多通道接收机、序贯通道接收机和多路多用通道接收机。

　　（4）按接收机工作原理分类

　　◆码相关型接收机

　　码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。

　　◆平方型接收机

　　平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号。

　　通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。

　　◆混合型接收机

　　这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。

　　◆干涉型接收机

　　这种接收机是将GNSS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间的距离。

　　4.技术发展是GNSS产业生存和可持续发展的灵魂

　　以GPS为代表的GNSS应用产业已逐步成为一个性的高新技术产业。技术发展是GNSS应用这一高新技术产业存在和可持续发展的灵魂。实践以无数事实证明，GNSS应用的强大生命力和主要的发展前景在于与其他系统的相互融合，这也是现代电子信息产业发展的一个总趋势。因此，近些年GNSS技术发展的总方向是低功耗、小型化和芯片组的商业化，以及系统功能的透明化（嵌入式）和集成化。技术的指向主要定位于提供给用户以价廉物美、界面友好的便携式的GNSS组合设备。

　　概括的说，GNSS技术已经在海、陆、空、天四维空间，任何需要以动态和静态方式导航、定位及授时的设备或系统中都可以找到用武之地，并成为其中必不可少的关键技术。由于GNSS能为地球表面乃至空中和近地轨道空间中的每个点赋予一个的三维定位数据，因而，这一定位方式已成为超越地域、超越种族、超越语言之上的一种全新的导航定位国际应用规范，并成为广域移动物体实现无缝隙连续导航、定位、授时的技术之一。GNSS接收机在各行各业的引入和推广，已使传统的导航定位领域发生了革命性的变革，以其特有的延伸力和穿透力渗透到经济社会的每一个角落，特别是车载导航仪和手持用户机给人们实实在在带来了便利，成为一种、活跃、渗透力的社会生产力。（作者：张婷，魏钢，李洪力）