BDS GNSS接收機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

陳國(guó)成，陳嘉慶，葉文芳，謝寶飛，范瀟云，王一飛

（1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心檢測(cè)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(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Gal i leo和我國(guó)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(guó)家實(shí)力的重要指標(biāo)。可全天候提供導(dǎo)航定位功能的GNSS廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測(cè)地、授時(shí)、交通、氣象、國(guó)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(lái)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和市場(chǎng)價(jià)值不斷增長(zhǎng)，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(cè)

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(chǎng)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(cè)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(hào)處理和導(dǎo)航定位解算。

接收機(jī)的性能主要是評(píng)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(cè)量的質(zhì)量，偽距測(cè)量的誤差源主要有電離層和對(duì)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(cè)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(dòng)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(cè)試包括靈敏度、測(cè)距碼捕獲時(shí)間、測(cè)距精度、首次定位時(shí)間、多通道時(shí)延一致性、定位測(cè)速精度、自主完好性測(cè)試等。其中偽距精度測(cè)試常用方法有：鐘差測(cè)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(cè)試常用方法有：?jiǎn)涡菧y(cè)試法、多星測(cè)試法；

3 GNSS接收機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

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(lái)，GNSS用戶技術(shù)的發(fā)展得到了長(zhǎng)足進(jìn)步，GPS時(shí)代正向GNSS時(shí)代過(guò)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(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從局域到全球的過(guò)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(dòng)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(dòng)下GNSS接收機(jī)的各個(gè)部分的發(fā)展趨勢(shì)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(lái)的趨勢(shì)。多系統(tǒng)接收機(jī)在觀測(cè)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(cè)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(lái)已經(jīng)搶占了GNSS市場(chǎng)的先機(jī)并以其相對(duì)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(dòng)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(chǎng)極大份額，這使得其他GNSS供應(yīng)商要在市場(chǎng)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(hào)的主要頻譜特征如載波頻率、信號(hào)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(hào)并不相似，這對(duì)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(hào)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(lái)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(hào)特征不利于天線尺寸的減小、需要雙通道接收、對(duì)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(zhǎng)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(chǎng)很難爭(zhēng)取到更多的用戶資源。

3.2 高精度定位市場(chǎng)化

GNSS接收機(jī)的研究?jī)?nèi)容集中于三高和三抗，即高精度、高動(dòng)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(dòng)態(tài)差分（RTK）和精密單點(diǎn)定位（PPP），現(xiàn)今我國(guó)的BDS 是第一個(gè)使用三頻信號(hào)服務(wù)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，三頻信號(hào)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(hào)出現(xiàn)問(wèn)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(hào)新的調(diào)制方式能提供更精確的測(cè)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(lái)能有更大的發(fā)展空間，未來(lái)多頻接收機(jī)將從高精度定位領(lǐng)域走向民用市場(chǎng)。

3.3 軟件化趨勢(shì)

在GNSS接收機(jī)領(lǐng)域有著軟件化的趨勢(shì)。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(hào)處理方式不可修改，如果要修改數(shù)字信號(hào)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(guò)處理器上的軟件處理數(shù)字化后的衛(wèi)星信號(hào)，如果需要修改數(shù)字基帶信號(hào)處理模塊的功能和方式，可通過(guò)處理器重配置、修改數(shù)字信號(hào)處理程序及算法的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，接收機(jī)的信號(hào)處理方式和功能也可通過(guò)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(cè)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(píng)估使用的平臺(tái)。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(lái)很大局限，當(dāng)前民用市場(chǎng)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(lái)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(hào)處理技術(shù)的發(fā)展。

3.4 自動(dòng)選擇策略

各國(guó)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(chǎng)的先機(jī)，GPS和GLONASS的現(xiàn)代化計(jì)劃、中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出世、為民用而開(kāi)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(guó)激烈競(jìng)爭(zhēng)之下是GNSS百花齊放的時(shí)代。隨著各國(guó)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(guò)有效的接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)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(wèn)題，這要求GNSS 接收機(jī)能自動(dòng)評(píng)判觀測(cè)衛(wèi)星的質(zhì)量并能通過(guò)選擇衛(wèi)星將觀測(cè)量控制在合適范圍，未來(lái)GNSS接收機(jī)應(yīng)有更合適的自動(dòng)選擇或拒絕衛(wèi)星的策略。

4 結(jié)束語(yǔ)

GNSS接收機(jī)自第一臺(tái)GPS接收機(jī)面世的數(shù)十年以來(lái)，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(shì)表現(xiàn)為多系統(tǒng)兼容、軟件化、高精度領(lǐng)域市場(chǎng)化和新的自動(dòng)選擇策略等。

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