GNSS信號接收機的構件初識── GNSS導航信號的收發問題之十

劉基余

（武漢大學測繪學院，武漢　430079）

GNSS信號接收機的構件初識── GNSS導航信號的收發問題之十

劉基余

（武漢大學測繪學院，武漢430079）

GNSS信號接收機是GNSS導航衛星的用戶設備，是實現GNSS衛星導航定位的終端儀器。它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測量GNSS衛星導航定位信號的無線電接收設備，既具有常用無線電接收設備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理弱達3.5E-16W～2.5E-17W衛星微弱信號的特性。為此，GNSS信號接收機的構件必須滿足這種捕獲、跟蹤和測量GNSS信號的需求。

GNSS信號接收機；GNSS信號；信號波道

1　引言

GNSS衛星發送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的空間信息資源。陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要持有一種能夠接收、跟蹤、變換和測量GNSS信號的接收機，就可以測定用戶的七維狀態參數（三維坐標、三維速度和時間）和三維姿態參數。但是，隨著使用目的之異，GNSS信號接收機需具有不同的特性和能力；縱觀現況，它主要分為靜態定位型和動態測量型；兩者的主要區別如下：

（1）靜態定位。用戶天線在跟蹤GNSS衛星的過程中固定不變，接收機高精度地測量GNSS信號的傳播時間，聯同GNSS衛星在軌的已知位置，而算得固定不動的用戶天線之三維坐標。后者可以是一個固定點，也可以是若干點位構成的GNSS網。靜態定位的特點是多余觀測量大，可靠性強，定位精度高。廣大測繪工作者都很了解常規靜態定位，而對于準靜態定位也較熟悉。例如，地球動態參數的測定和人為位移的監測，后者包括蓄水負荷所導致的大壩形變，速率達幾十厘米的海上平臺的沉降，地下采礦和抽水引起的地表沉陷。由于上列兩種動態效應是非常緩慢的運動結果，觀測一次衛星通過，很難捕捉到它們的動態信息，而要依靠較長時間（如幾十天，甚至更長時間）的觀測。因此，將GNSS信號在上述情況下的應用，稱為準動態定位，這是一個既有科學價值、又有經濟和社會效益的新興應用領域。

（2）動態測量。它是用GNSS信號接收機測定一個運動物體的運行軌跡和姿態。GNSS信號接收機所位于的運動物體叫做載體，包括陸地車輛、河海船艦、空中飛機、宇空飛行器，等等。按照這些載體的運行速度之快慢，又將動態測量分成秒速為幾米至幾十米的低動態，秒速為100米至幾百米的中等動態和秒速為幾千米的高動態等三種形式。所謂“動態測量”，就是載體上的用戶天線在跟蹤GNSS衛星的過程中相對地球而運動，接收機用GNSS信號實時地測得運動載體的狀態參數和姿態參數。動態測量的特點是逐點測定運動載體的狀態/姿態參數，多余觀測量少，精度較靜態定位低一些，DGNSS的偽距測量解，可以達到米級的測量精度，DGNSS載波相應測量解，可以達到亞米級甚至厘米級的精度。

GNSS衛星導航，是用GNSS衛星發送的導航定位信號“引導”運動載體安全而經濟地到達目的地的一門新興學科，它要求GNSS動態測量的精度，隨著引導目的之異而不同，后續章節將作較詳細論述。

某些領域，既要求靜態定位，又要求動態測量。例如，在建立海底大地測量控制網時，用GNSS信號測定測量船的實時位置，在疏通河道時，用GNSS信號測定挖泥船的前進航線（可節省33.3%的費用）；在航空攝影測量和航空航天遙感時，用GNSS信號測量每一個攝影瞬間的相機（攝站）位置。值得特別指出的是，GNSS在航空攝影測量中的應用，將發展成為無需地面大地測量控制點的航測快速成圖新技術；然而，它不僅是在航速為每秒幾十米到幾百米的動態環境下進行GNSS定位測量，而且要求較高的實時動態測量精度；例如，對中等比例尺（1∶50，000）的航攝成圖，用GNSS信號測量攝站坐標的精度要求達到±4m；對于大比例尺（1∶4，000）的航測成圖，用GNSS信號測量攝站坐標的精度要求達到±15cm。航空遙感則隨著它的不同應用，而要求不同的攝站坐標精度（如10米級到亞米級），但是，航天遙感則是在載體每秒幾公里的運行速度下，用GNSS信號測定攝站位置的；在這種高動態下應用，需要解決捕獲、跟蹤和測量GNSS信號的一些特殊問題。這是發展GNSS信號接收機的一個重大研究課題。從上可見，用于測繪行業的GNSS信號接收機，不僅要求高精度，而且要求能夠適用高中等動態的應用場合。因此，測地型GNSS信號接收機，是一種研制難度較大的GNSS用戶設備。

縱觀應用，按照GNSS信號的不同用途，GNSS信號接收機可分成三大類：導航型、測地型和守時型。按照GNSS信號的應用場合之異，可以分為袖珍式、背負式、車載式、船用式、機載式、彈載式和星載式等七種類型的GNSS信號接收機。根據GNSS信號接收機使用一個載波，還是多個載波，又分成單頻和多頻兩種類型；統計數據表明，單頻接收機的售價比多頻接收機的售價低60%左右；一般情況下，若生產作業的最遠站間距離僅為30km左右，只需購買單頻接收機；如果超過40km，則應購買多頻接收機，以確保GNSS的測量高精度。近年來，DGNSS實時測量系統的研制取得了豐碩成果；一套DGNSS系統包括一臺基準接收機、一臺動態接收機、一套數據處理軟件和一套作用距離為幾十千米甚至更遠的DGNSS數據鏈（DGNSS數據收發機）。

2　GNSS信號接收機的構件

GNSS信號接收機的種類雖然如此之多，但是，從儀器結構的角度來分析，則可概括為天線單元和接收單元兩大部分（如圖1所示）。對于大多數的非便攜式的GNSS信號接收機而言，圖1中的兩個單元被分別裝成兩個獨立的部件，以便天線單元能夠安設在運動載體或地面的適當點位上，接收單元置于運動載體內部或測站附近的適當地方，進而用長達10m～100m的天線電纜將兩者聯接成一個整機，僅由一個電源對該機供電?，F對圖1所示部件功能分別予以簡要介紹。

圖1　GNSS信號接收機

2.1天線單元

它由接收天線和前置放大器兩個部件組成，也有文獻將天線單元叫做天線前端（frontend）。它的作用是，將到達GNSS信號接收天線的功率約為-160dBW的GNSS電磁波變換成微波電信號，并將如此微弱的GNSS電信號（前端熱噪聲電平約為-11.4dBmW·MHz）予以放大。GNSS信號工作于1.6GHz微波段，易受鄰近頻段信號的干擾，例如，超高頻電視發射信號，移動電話信號，各種袖珍發射機發射信號，工作于數百兆赫的空間控制雷達所發送的強脈沖信號，甚至會引起GNSS信號接收機測量故障。因此，GNSS天線前端，除了具有較理想的接收和放大功能以外，還必須具有較強的抗干擾能力。圖2和圖3分別表示GNSS天線前端的基本結構及其類型。

圖2　GNSS天線前端的結構框圖

圖3　GNSS信號接收天線的類型

表1　幾種GNSS信號接收天線的特點

GNSS信號接收天線必須具有下列特性：

⊙ 波束半帶寬大于70°的半球狀天線方向圖。

⊙ 電波右旋圓極化。

⊙ 精確定義和穩定的相位中心。

⊙ 較強的多徑效應抑制能力。

⊙ 能夠接收GNSS信號的多個載波頻率。

⊙ 輕便的尺寸和重量。

⊙ 高度穩定的機械性能。

圖4　GNSS信號接收天線的基本類型

自第一臺GPS信號接收機于1980年問世以來，所用的GPS信號接收天線有下列幾種：全向振子天線、小型螺旋型天線和微帶天線。它們的特點如表1所示，圖4表示它們的概貌。從目前的應用和生產看來，微帶天線（Microstrip Antenna）已成為GNSS信號接收天線的主要發展方向，擬用專題予以論述。

2.2 信號波道

信號波道（Channel）是接收單元的核心部件，它不是一種簡單的信號通道，而是一種軟硬件相結合的有機體，故以“波道”之名稱予以區別。按照捕獲偽噪聲碼的不同方式，信號波道分成相關型、平方律和碼相位等三種類型。三者的基本特點如下：

（1）相關型波道：用偽噪聲碼互相關電路，實現對擴頻信號的解擴，解譯出衛星導航電文。

圖5　相關型波道釋義

圖6　信號波道的跟蹤模式

（2）平方律波道：用GNSS信號自乘電路，僅能獲取二倍于原載頻的重建載波，抑制了數據碼，無法獲取衛星導航電文。

（3）碼相位波道：用GNSS信號時延電路和自乘電路相結合的方法，獲取P碼或C/A碼的碼率正弦波，僅能測量碼相位，而無法獲取衛星導航電文。

近年來，美國“GPS World”期刊的每年第一期，公布國際上GNSS信號接收機的生產統計資料。他們按跟蹤GNSS信號的不同方式，而將信號波道分成平等（Parallel）跟蹤式、序貫（Sequence）跟蹤式和多重（multiplex）跟蹤式，且采用“par.，seq.，multi.”的簡稱，它們的基本差別如圖6所示。

根據美國“GPS World”期刊于2014年第一期的統計報告可知，受訪的47家生產廠商生產了380種GNSS信號接收機，其中，Trimble公司的僅重1.75kg 的NetR9 TI-1基準接收機具有440個波道，能夠接收GPS，GLONASS，Galileo，北斗，QZSS，WAAS，EGNOS導航信號及OmniSTAR VBS，HP，XP差分改正信號，且其GNSS定位精度能夠達到毫米級。平行跟蹤式波道，是每一個波道連續而固定地跟蹤一顆特定的GNSS衛星。序貫跟蹤式波道，采用一個或多個波道定時而轉換捕獲、跟蹤和測量來自不同衛星的GNSS信號。當跟蹤和測量甲顆GNSS衛星時，其他能見衛星到達接收單元的GNSS信號均被拒之于“波道”之外。甲顆衛星“處于”波道內的持續時間，叫做“閉鎖時間”，只有甲顆衛星被測量完畢后，波道才自動地轉換到另一顆GNSS衛星閉鎖測量。換言之，序貫波道對GNSS衛星的跟蹤和測量，是開關式的，其閉鎖測量時間一般為0.16s～2s。多重跟蹤式波道是一種快速轉換型波道，它類似于序貫跟蹤式波道，依次轉換而逐一測量所有能見的GNSS衛星.但是，多重式波道的閉鎖測量時間比較短促，僅為20ms。近年來的統計資料表明，平行跟蹤式波道，已成為應用的主流，特別是用于中高動態環境下的GNSS信號接收機，幾乎均采用平行跟蹤式波道。

圖7　Trimble NetR9 TI-1基準接收機（備有抑徑圈天線和抑徑板天線）

2.3存儲器

為了差分導航和相對定位的測后數據，許多接收機能夠將導航定位現場所采集的偽距、偽距率、載波相位測量和人工量測的數據，以及所解譯的GNSS衛星星歷，都儲存在機內存儲器里面，或者通過外接微型計算機直接儲存在磁盤上。

圖8　GNSS數據的存儲形式

在1988年以前，許多接收機采用盒式磁帶記錄器。例如WM101GPS單頻接收機，采用帶有時間標識符的每英寸800比特的記錄磁帶，當每次觀測4顆GPS衛星時，可以記錄19小時的單頻觀測數據。對于經常使用接收機的用戶而言，磁帶記錄存在著購帶、換帶、存帶和讀帶等許多麻煩。為了更加節省勞力和免除從磁帶上讀取GPS導航定位數據之煩，美國Trimble導航儀器公司于1988年推出的Trimble4000SL GPS信號接收機，取消了盒式磁帶記錄器，代之以1兆比特的內裝式半導體存儲器（簡稱為內存器）。此后，GPS信號接收機多采用內存器存儲數據，例如，Norstar1000，Asshtech XⅡ，Trimble/4000ST和4000SST，等等。這些接收機內存器的存儲容量，是隨著數據率和被測衛星數的不同而異的；例如，Trimbble 4000SST的內存器，在15秒數據率的情況下，能夠存儲對5顆衛星作14個小時的雙頻（L1/L2）觀測數據（選購件可存儲112個小時的數據），但在1秒數據率的情況下，只能儲存56分鐘的雙頻觀測數據。為了防止數據溢出，當內存器的存儲數據達到飽和容量的95%時，便會發出“嘀嘀”的報警聲，以此提醒作業員進行及時處理。為了轉移內存器所存儲的GPS定位數據，有的接收機隨機配備了轉換器（OSM），PC機通過轉換器不僅能將內存器的數據轉存在磁盤上，而且能夠給接收機預置有關觀測指令，例如，實現無人值守的數據采集。

Trimble公司于20世紀末推出的Trimble 5700 GPS信號接收機，采用內置小型的48MB Flash存儲器，可以存儲對6顆衛星以15秒更新率作雙頻（L1/ L2）觀測的1，080小時（45天）的GPS數據；若連續運行的基準站（CORS），采用Trimble 5700 GPS信號接收機，則可選用能夠存儲2，750小時觀測數據的Flash存儲器，其所存儲的數據仍為對6顆衛星以15秒更新率作雙頻（L1/L2）觀測的GPS數據。LEICA公司于20世紀末研制成功的SR530 GPS信號接收機，采用LEICA閃存PC卡存儲GPS數據（如圖9所示），一張4MB卡（可提供256MB卡）能存儲15秒更新率/平均5顆衛星的150小時雙頻觀測數據。

圖9　用LEICA閃存PC卡存儲GPS數據

2.4計算與顯控

圖1中的顯控器通常包括一個視屏顯示窗和一個控制鍵盤，它們均安設在接收單元的面板上。在作業過程中，使用者通過鍵盤按鍵的控制，可以從視屏顯示窗上讀取所要求的數據和信息。這些數據和信息是由微處理機及其相應軟件提供的；接收機內的處理軟件是實現GPS導航定位數據采集和波道自校檢測自動化的重要部分，它主要用作信號捕獲、環路跟蹤和點位計算。在機內軟件的協同下，微處理機主要完成下述計算和處理：

⊙ 當接收機接通電源后，立即指令各個波道自檢，適時地在視屏顯示窗內展示各自的自檢結果，并測得、校正和儲存各個波道的時延值。

⊙ 根據跟蹤環路所輸出的數據碼，解譯出GNSS衛星星歷；聯同所測得的GNSS信號到達接收天線的傳播時間及其變率，計算出測站的三維位置和速度；并按照預置的位置數據更新率，不斷更新（計算）點位坐標和速度。

⊙ 用已測得的點位坐標和GNSS衛星歷書，計算所有在軌衛星的升落時間和方位；并能為作業員提供在視衛星數量及其正常工作與否，以便作業員選用“健康”的分布適宜的定位星座，達到提高點位精度的目的。

2.5頻率合成器

頻率合成器（如圖10所示）是用一個獨立的基準頻率源（如晶體振蕩器），在壓控振蕩器的支撐下，運用信號的分頻和倍頻功能，獲得一系列與基準頻率穩定度相同的信號輸出，即，用一個頻率合成器，可以獲得多個高穩定的輸出信號。

圖10　頻率合成器的基本結構

2.6 電源

20世紀的GPS信號接收機一般采用蓄電池作電源，甚至采用機內和機外兩種直源電源，例如，WM102雙頻接收機采用12伏機內鎘鎳電池，或者12伏外接蓄電池。設置機內電池的目的是，便于在更換外接電池時而不中斷連續觀測。當機外電池下降到11.5伏時，便自動接通機內電池，后者的容量為6.7安培小時，可供3～4小時的觀測之用；當機內電池低于10伏時，若沒有連接上新的機外電池，接收機便自動關機，停止工作，以免縮短使用壽命。WM102的接收單元還安設了一個3.6伏和1安培小時可用兩年左右的鋰電池，它專為機內時鐘供電。并在關機后，為RAM存儲器供電，以防止丟失數據。美國Trimble公司于21世紀第一春投放市場的Trimble 5700 GPS信號接收機，在機內安設了兩塊鋰電池，可供5700 GPS信號接收機進行10個小時的野外作業。在用機外電池的觀測過程中，機內電池能夠自動地被充電。圖11表示兩種不同電池供電的GNSS信號接收機。

圖11　A采用蓄電池供電的GNSS信號接收機

圖11　B采用機內電池供電的GNSS信號接收機

綜上所述，GNSS信號接收機的主要任務是：當GNSS衛星在用戶視界升起時，能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星，并能夠跟蹤這些衛星的運行；對所接收到的GNSS信號，具有變換、放大和處理的功能，以便測量出GNSS信號從衛星到接收天線的傳播時間及其變率，解譯出GNSS衛星所發送的導航電文，實時地計算出測點的三維位置、三維速度和時間，甚至三維姿態參數。應該強調的是，GNSS信號接收機需要功能強和運行快的兩種功能數據處理軟件：一是接收機內置軟件，它既能解算用戶的位置、速度和時間，又能作數據編輯、數據壓縮、數據管理、載波相位測量的周跳探測及其注記、儀器自診斷及其控制；二是測后數據處理軟件，它能夠作觀測數據的初加工、預處理、基線向量解、網平差計算、坐標變換（包括從通用橫軸墨卡托平面坐標變換成高斯平面坐標），等等。因此，GNSS信號接收機是一種軟硬件集成的用戶設備。

3　結束語

自從1978年2月22日第一顆GPS試驗衛星的入軌運行以來，且不論GPS在航空、航天、航海和陸地測量中的廣泛應用，僅僅入戶伴人隨行的應用便有：戴在人們頭上的GPS眼鏡、穿在人們腳上的GPS鞋、掛在人們腰帶上的GPS跟蹤器和握在人們手中的GPS照相機，等等，這些應用都需要接收機。廣言之，GNSS信號接收機是GNSS導航衛星的用戶設備，是實現GNSS衛星導航定位的終端儀器，它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測量GNSS衛星導航定位信號的無線電接收設備，既具有常用無線電接收設備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理弱達3.5E-16W～2.5E-17W衛星微弱信號的特性。本文對GNSS信號接收機的GNSS信號接收天線、信號波道、存儲器、計算與顯控、電源等構件進行了概述，為讀者深究它們打開了方便之門。

值得注意的是，GNSS信號接收機，不僅需要優秀的硬件，而且還需要優秀的內置軟件，后者既能解算用戶的位置、速度和時間，又能作數據編輯、數據壓縮、數據管理、載波相位測量的周跳探測及其注記、儀器自診斷及其控制。此外，還需要有優秀的測后數據處理軟件，它能夠作觀測數據的初加工、預處理、基線向量解、網平差計算、坐標變換（包括從通用橫軸墨卡托平面坐標變換成高斯平面坐標）等功能。

［1］劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法（第二版）.北京：科學出版社，2008.6

［2］We11s，D.E.， et a1， Guide to GPS Positioning， University of New Brunswick，Canada，1987

［3］GNSS receivers，http://www.trimble.com

The Current Status and Development on Refning GNSS Ephemeris by Means of Satellite Laser Ranging --Transmitting/receiving Issue（10） of GNSS Navigation Signals

Liu Jiyu
（School of Geodesy and Geomatics， Wuhan University， Wuhan， 430079）

The GNSS signal receiver is GNSS user equipment for satellite navigation andthe terminal equipment for realizing GNSS satellite navigation/positioning. It is the radio receiving equipment that is able to receive， process， track and measure the GNSSnavigation signals. It has not only the common performance of the radio receiving equipments， but also the characteristic performance for acquiring， tracking and surveying the weak satellite signals of 3.5E-16W～2.5E-17W. For this reason the structural components of GNSS signal receivers must meet the needs to capture， track， and measure the GNSS signals.

GNSS signal receiver； GNSS signal； Signal channel

10.3969/j.issn.1672-7274.2015.02.001

TN96

A

1672-7274（2015）02-0001-06

劉基余，現任武漢大學測繪學院教授/博士生導師，兼任美國紐約科學院（New York Academy of Sciences）外籍院士、中國電子學會會士。主要研究方向是GNSS衛星導航定位/衛星激光測距技術，在國內外30余種中英文學術期刊上發表了280余篇相關研究論文，獨著了（北京）科學出版社于2013年1月出版發行的《GPS衛星導航定位原理與方法》一書。他的主要業績已分別載于美國于2001年出版發行的《世界名人錄》（Who's Who in the World）、美國于2005年出版發行的《科技名人錄》（Who's Who in Science and Engineering）和中國科學技術協會于2007年出版發行的《中國科學技術專家傳略》工程技術編《電子信息科學技術卷2》等五十多種國內外辭書上。