星載GNSS信號接收機(jī)的研制思考

劉基余

(武漢大學(xué)測繪學(xué)院 武漢 430079)

星載GNSS信號接收機(jī)的研制思考

劉基余

(武漢大學(xué)測繪學(xué)院 武漢 430079)

星載GNSS信號接收機(jī)能夠?yàn)樵谲壓教炱魈峁┓€(wěn)定、高精度的七維狀態(tài)參數(shù)測量，具有廣泛的工程實(shí)用價(jià)值，但需要解決下述研制問題：①細(xì)致分析系統(tǒng)間的差異，處理好不同的導(dǎo)航信號之間、時(shí)間系統(tǒng)之間和坐標(biāo)系統(tǒng)之間的差別；②提取衛(wèi)星導(dǎo)航信號之間的結(jié)合點(diǎn)，尋求接收機(jī)的公共頻率源；③研發(fā)內(nèi)置機(jī)內(nèi)定位星座優(yōu)選軟件，獲取較小GDOP值，提高七維狀態(tài)參數(shù)測量精度；④研發(fā)星載GNSS信號軟件接收機(jī)，節(jié)省星載硬件設(shè)備。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號； 時(shí)間系統(tǒng)； 坐標(biāo)系統(tǒng)； GDOP值； 星載GNSS信號軟件接收機(jī)

前 言

早在GPS技術(shù)問世之初的1982年7月，美國發(fā)射的Landsat-D地球資源衛(wèi)星便開創(chuàng)了星載GPS測量的先例，在Landsat-D衛(wèi)星上安設(shè)了一臺GPSPAC GPS信號接收機(jī)，其功耗為45瓦，重達(dá)18公斤。星載GPS測量的結(jié)果不僅驗(yàn)證了GPS用于衛(wèi)星定軌的可行性，而且證實(shí)了星載GPS測量具有下列三點(diǎn)優(yōu)越性。

①能夠精確而自主地測定衛(wèi)星在軌飛行時(shí)的實(shí)時(shí)位置與速度，甚至姿態(tài)參數(shù)；

②能夠?qū)崿F(xiàn)在軌衛(wèi)星的自主導(dǎo)航，顯著減少對地面測控系統(tǒng)的依賴；

③能夠?yàn)樾巧掀渌O(shè)備提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，可取代地面測控系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)子系統(tǒng)。

近年來的實(shí)際應(yīng)用證明，從幾百公里高的低軌航天器，直到幾萬公里高的高軌航天器(如地球同步衛(wèi)星)，都能夠采用GPS技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航定位測量；即使是航天器的交會與對接、航天飛機(jī)的入軌飛行和變軌返航，都成功地應(yīng)用了GPS技術(shù)；美國正在設(shè)計(jì)研制中的用于取代航天飛機(jī)的乘員探索飛行器CEV (Crew Exploration Vehicle)，也采用GPS自主導(dǎo)航定位技術(shù)。在現(xiàn)今GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)迅速發(fā)展之際，該如何研制精度高且適應(yīng)性強(qiáng)的星載GNSS信號接收機(jī)?筆者作簡要論述，供同行研討。

1 星載GNSS信號接收機(jī)的優(yōu)越性

星載GNSS信號接收機(jī)是一部多種衛(wèi)星導(dǎo)航信號集成應(yīng)用的星上接收設(shè)備，廣義而言，它是用一臺接收機(jī)同時(shí)接收、跟蹤和測量GPS、GLONASS、北斗、Galileo、QZSS(準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng))和IRNSS(印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))等衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，能夠精確地測得在軌航天器的三維位置、三維速度和時(shí)間，甚至三維姿態(tài)參數(shù)，并確保它們達(dá)到穩(wěn)定可靠的高精度。星載GNSS信號接收機(jī)相對于用單一衛(wèi)星星座的GPS或GLONASS信號接收機(jī)而言，具有下述優(yōu)越性。

星載GNSS信號接收機(jī)能夠消除間隙時(shí)段。當(dāng)用單一的GPS星座作導(dǎo)航定位測量時(shí)，對于某地某時(shí)也許只能見到4顆GPS衛(wèi)星，這4顆衛(wèi)星所構(gòu)成的幾何圖形又較差，致使它的三維位置幾何精度因子(PDOP)超過6，顯著地放大位置和時(shí)間誤差，這個(gè)時(shí)段稱為“間隙時(shí)段”[1]。如果同一臺接收機(jī)能夠同時(shí)接收、跟蹤、變換和測量GPS、GLONASS、北斗和Galileo等多種衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，則可從幾十顆衛(wèi)星構(gòu)成的混合星座中選擇適宜的衛(wèi)星，構(gòu)成定位星座，從而消除上述導(dǎo)航定位測量的間隙時(shí)段，以此保證高精度導(dǎo)航定位的連續(xù)性和可靠性。圖1為2013年8月8日24小時(shí)內(nèi)在武漢地區(qū)800km高空處單一GPS星座(共32顆衛(wèi)星)和GPS、GLONASS、北斗和Galileo混合星座(共76顆衛(wèi)星)的PDOP值。從該圖可見，單一GPS星座的PDOP最小值為1.4左右，最大值為6.80左右，而GPS、GLONASS、北斗和Galileo混合星座的PDOP最小值為0.90左右，最大值為2.20左右，混合星座將使三維位置測量精度提高40%以上。

圖1 單一GPS星座和GPS、GLONASS、北斗和Galileo混合星座在800km高空的PDOP值

星載GNSS信號接收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的全球連續(xù)的精確導(dǎo)航。當(dāng)用單一的GPS星座作導(dǎo)航測量時(shí)，理論上只需觀測4顆衛(wèi)星，但試驗(yàn)結(jié)果表明，僅僅觀測4顆衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的精確導(dǎo)航，特別是在高動態(tài)的應(yīng)用場合，運(yùn)動載體和GPS衛(wèi)星之間存在著較大的加速度徑向分量，易導(dǎo)致接收機(jī)跟蹤環(huán)路的失鎖。若采用GPS、GLONASS、北斗和Galileo集成接收機(jī)，既可在一天的任何時(shí)候接收4顆以上的衛(wèi)星信號，又可選擇徑向加速度較小的衛(wèi)星構(gòu)成定位星座，從而確保星載GNSS高精度導(dǎo)航測量的連續(xù)性。

星載GNSS信號接收機(jī)能夠以較短的數(shù)據(jù)采集時(shí)間，獲得較高的導(dǎo)航定位精度。例如，僅用GPS/GLONASS集成接收機(jī)的試驗(yàn)成果表明，用GPS/GLONASS混合星座作導(dǎo)航定位的二維位置精度比用單一星座的二維位置精度高70% (如圖2所示)；用GPS/GLONASS混合星座作單頻差分測量的精度與用單一GPS星座作雙頻差分測量的精度相似(如圖3所示)。

實(shí)現(xiàn)上述星載 GNSS測量的優(yōu)越性，關(guān)鍵在于星載GNSS信號接收機(jī)。依筆者之見，星載GNSS信號接收機(jī)除了必須具備弱信號捕獲測量能力和觀測量多等多項(xiàng)基本性能(詳見《GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法》§4.7)以外，還需具備下述四個(gè)特點(diǎn)。

圖2 用單一星座和GPS/GLONASS混合星座的二維位置測量精度比較

圖3 用單一GPS星座和GPS/GLONASS混合星座的二維位置差分測量精度的比較(基線長為3.5km，僅觀測10min)

①在秒速十幾公里的高動態(tài)環(huán)境條件下，能夠穩(wěn)定地捕獲、跟蹤和測量可視GNSS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航信號；

②具有不低于10Hz的數(shù)據(jù)更新率，以便獲得密度適當(dāng)?shù)暮教炱髟谲夵c(diǎn)位；

③具有1s脈沖輸出功能，以便為航天器上的所有電子設(shè)備建立統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；

④在星載GNSS信號接收機(jī)內(nèi)，附設(shè)有時(shí)元內(nèi)插器(英文名為Eventmark board)，以便將航天器上的附屬設(shè)備作業(yè)時(shí)元插入GNSS測量數(shù)據(jù)流。例如，將航天對地?cái)z影時(shí)元插入GNSS測量數(shù)據(jù)流，用于解算出對地?cái)z影時(shí)的三維坐標(biāo)值(稱為攝站坐標(biāo))，這對我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)工程的后續(xù)發(fā)射高分衛(wèi)星是非常實(shí)用的。

2 星載GNSS信號接收機(jī)的研制難點(diǎn)

根據(jù)美國“GPSWorld”期刊于2014年第一期的統(tǒng)計(jì)報(bào)告可知，受訪的47家生產(chǎn)廠商生產(chǎn)了380種星載GNSS信號接收機(jī)，其中，Trimble公司生產(chǎn)的僅重1.75kg的NetR9 TI-1基準(zhǔn)接收機(jī)具有440個(gè)波道，能夠接收GPS、GLONASS、Galileo、北斗、QZSS、WAAS(廣域增強(qiáng)系統(tǒng))和EGNOS(歐洲靜地衛(wèi)星導(dǎo)航重疊系統(tǒng))導(dǎo)航信號以及OmniSTAR VBS、HP和XP差分改正信號，以致GNSS測距碼差分定位的二維位置精度能夠達(dá)到±(25cm+1PPM)，高程測量精度為±(50cm+1PPM)；GNSS靜態(tài)定位的二維位置精度能夠達(dá)到±(3mm+0.1PPM)，高程測量精度為±(3.5mm+0.4PPM)。筆者認(rèn)為，這代表星載GNSS信號接收機(jī)現(xiàn)代的高水平性能。如何使我們研制的星載GNSS信號接收機(jī)達(dá)到這種高性能水平?筆者建議采用“細(xì)致分析系統(tǒng)間的差異、巧妙處理系統(tǒng)間信號的差別點(diǎn)、選擇和使用最佳定位星座”的破解研制難點(diǎn)之法。

2.1 細(xì)致分析系統(tǒng)間的差異

GPS、GLONASS、Galileo、北斗、QZSS和IRNSS等系統(tǒng)，它們的定位原理都是被動式定位，它們的導(dǎo)航信號也有許多共同點(diǎn)[2]，這為星載GNSS信號接收機(jī)的研制提供了工作基礎(chǔ)。細(xì)致分析這幾個(gè)系統(tǒng)，它們也存在著一些重大差異，值得統(tǒng)籌解決?，F(xiàn)予以簡要論述。

2.1.1 導(dǎo)航信號之異

現(xiàn)代的GNSS導(dǎo)航信號基本上采用三種載波頻率，各個(gè)載頻又調(diào)制著多個(gè)測距碼等信號，此處無法對這幾十種導(dǎo)航信號一一予以分析，只能夠舉例說明。

Galileo信號和GPS信號雖有許多相近之處，兩者卻亦有重大差別。例如，Galileo L1A/B信號和GPS L1信號雖然共用一個(gè)載波頻率(1575.42MHz)，但其信號分量相差較大。僅就調(diào)制方法而言，Galileo L1A/B信號分別采用BOC(15，2.5)和BOC(1，1)調(diào)制，而GPSC/A碼和P碼均采用BPSK調(diào)制。因此，對它們的捕獲和跟蹤就需要采用相適應(yīng)的軟硬件。BOC信號的自相關(guān)函數(shù)是一種多個(gè)峰值函數(shù)，主峰和次峰的幅度差異較小，次峰幅度僅小于主峰幅度30%，從而增加了星載GNSS信號接收機(jī)分辨主次峰值的難度。若將次峰值當(dāng)作主峰值進(jìn)行跟蹤測量，就會導(dǎo)致較大的測距誤差，損失導(dǎo)航定位精度。因此，需要采用不同于傳統(tǒng)BPSK信號捕獲跟蹤的新技術(shù)，以便檢測到正確的自相關(guān)峰值，實(shí)現(xiàn)偽距的精確測量。

圖4 導(dǎo)航信號的頻譜

GPS、GLONASS、Galileo和北斗系統(tǒng)的三個(gè)導(dǎo)航信號的頻譜示于圖4。2011年2月26日發(fā)射的GLONASS-K1衛(wèi)星增設(shè)了第三個(gè)導(dǎo)航定位信號(L3)，它的載波頻率為1201.74MHz～1208.51MHz；并增設(shè)了碼分多址(CDMA)信號，其載波頻率為1202.025MHz，該CDMA信號簡稱為L3 OC(O為開放使用信號，C為CDMA)。GLONASS-K衛(wèi)星發(fā)送的L3 OC信號，是采用QPSK調(diào)制方式，而且分為數(shù)據(jù)通道(I)和導(dǎo)頻通道(Q)；該信號由1202.025MHz的載波、10.23Mchip/s的擴(kuò)頻碼和50b/s的導(dǎo)航電文三個(gè)部分組成。L3 OC信號是由下述三個(gè)步驟生成的：①導(dǎo)航電文編碼。數(shù)據(jù)通道(I)導(dǎo)航電文速率為50b/s，采用標(biāo)準(zhǔn)的(2，1，7)非系統(tǒng)卷積碼編碼，編碼后符號速率為100S/s。導(dǎo)頻通道(Q)不包含數(shù)據(jù)。②擴(kuò)頻碼編碼。L3 OC的擴(kuò)頻碼包括主碼和二次編碼。主碼是長度為10230比特的截短Kasami序列，碼元速率是10.23Mchip/s，導(dǎo)頻通道(Q)和數(shù)據(jù)通道(I)的初始狀態(tài)(IS)分別為nIS＝62和nIS＝30。導(dǎo)頻通道和數(shù)據(jù)通道采用不同的二次編碼，導(dǎo)頻通道采用10比特的Neuman-Hoffman(紐曼霍夫曼)碼(簡稱為NH碼，NH＝1111001010)，數(shù)據(jù)通道采用5比特的Baker(巴克)碼(BC＝11101)；這兩個(gè)二次編碼的字符速率是每個(gè)代碼字符1ms；③載波頻率為1175×1.023MHz＝1202.025 MHz，它用BPSK調(diào)制生成L3 OC信號。GLONASS L3 OC信號是一種高精度和高可靠性的民用公開服務(wù)信號，該信號與GPSL5信號具有相似性，兩者的調(diào)制方式、電文編碼、擴(kuò)頻碼和二次編碼都有很多相似之處。不過，GPS L5信號需要在2015年才開始由GPSⅢ衛(wèi)星發(fā)送給用戶。

2.1.2 時(shí)間系統(tǒng)之異

從日常生活到航天發(fā)射，從外出旅行到航空航海，人們都感受到了時(shí)間準(zhǔn)確的重要性。GNSS定時(shí)，能夠?yàn)槲覀兲峁┖啽愣呔鹊亩〞r(shí)測量，用戶能夠以萬億分之一秒的精確度測定時(shí)間，而不需要自己擁有高度精確的原子鐘。因此，GNSS定時(shí)在下列領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用：通訊系統(tǒng)、電力網(wǎng)、金融網(wǎng)和其他重要基礎(chǔ)設(shè)施的精確同步；無線網(wǎng)絡(luò)更有效地利用有限的無線電頻譜；改善網(wǎng)絡(luò)的管理及其最優(yōu)化，使可追蹤的金融交易和票據(jù)的時(shí)間標(biāo)記成為可能；通過“共視定時(shí)”技術(shù)使國家實(shí)驗(yàn)室之間能夠傳遞高精度的時(shí)間；甚至采用GNSS定時(shí)作為電視播出系統(tǒng)精確的時(shí)間基準(zhǔn)，實(shí)時(shí)地調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘。

不過，值得我們特別注意的是：各個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所采用的協(xié)調(diào)世界時(shí)，是由該研發(fā)國家所屬的天文臺測定的，相互之間存在微小差異。例如，GPS的UTC(USNO)與GLONASS的UTC(SU)之間相差±1μs左右；其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所用的UTC如下：日本QZSS系統(tǒng)用UTC(NICI)；Galileo系統(tǒng)用的UTC，是德國UTC(PTB)、英國UTC(NPL)和意大利UTC(IEN)等歐洲國家多個(gè)UTC實(shí)驗(yàn)室的UTC平均值，記作UTC (K)。我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間系統(tǒng)是北斗時(shí)BDT(Beidou Time)，其秒長取為國際單位制SI秒，起算時(shí)元為2006年1月1日00時(shí)00分00秒?yún)f(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)，BDT是一種連續(xù)時(shí)間的時(shí)間尺度，通過設(shè)在中國科學(xué)院國家時(shí)間服務(wù)中心(NTSC)的標(biāo)校站作BDT與UTC(NTSC)的時(shí)間比對，從而將BDT溯源到UTC(NTSC)。BDT與UTC(NTSC)的偏差保持在100ns以內(nèi)。BDT的時(shí)間系統(tǒng)與GPS時(shí)一樣無閏秒。BDT與國際原子時(shí)(TAI)存在33s的偏差，亦即BDT+33s＝TAI。北斗時(shí)與中國軍用時(shí)頻中心(CMTC)的時(shí)間進(jìn)行比對，得知BDT相對于UTC(CMTC)的偏差小于20ns[3]。需要特別注意的是：目前北斗衛(wèi)星RDSS導(dǎo)航電文給的時(shí)間，不是UTC，而是北京時(shí)間，它的起算時(shí)元為2000年1月1日00時(shí)00分00秒(北京時(shí)間)。

GNSS衛(wèi)星時(shí)鐘改正，是每一顆GNSS衛(wèi)星的時(shí)鐘相對于GNSS時(shí)系的差值。由于相對論效應(yīng)，衛(wèi)星時(shí)鐘比地面時(shí)鐘走得快，每秒約差448皮秒(每天相差3.87×10-5s)。因此，GNSS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率都需要做相應(yīng)改正。例如，為了消除相對論效應(yīng)的影響，GPS衛(wèi)星就必須將其時(shí)鐘的10.23MHz標(biāo)稱頻率減小到10.22999999545MHz的實(shí)際頻率。雖經(jīng)過了這種改正，但是，還需考慮相對論效應(yīng)所產(chǎn)生的時(shí)間偏移并非常數(shù)的問題，對于某一顆給定偏心率e的GPS衛(wèi)星，一階相對論效應(yīng)改正如式(1)所示。

此外，GPS各顆衛(wèi)星時(shí)鐘相對于GPS時(shí)間系統(tǒng)的偏差誤差，亦需加以改正，其值為

式中，tOC為導(dǎo)航電文第一數(shù)據(jù)塊的參考時(shí)刻，a0為相對于GPS時(shí)系的時(shí)間偏差(鐘差)，a1是相對于實(shí)際頻率的偏差系數(shù)(鐘速)，a2為時(shí)鐘頻率的漂移系數(shù)(鐘速變化率，即鐘漂)，這些系數(shù)分別由第9字碼和第10字碼給出。三個(gè)時(shí)鐘多項(xiàng)式系數(shù)a0、a1、a2總稱為時(shí)鐘參數(shù)，且知GPS工作衛(wèi)星的鐘差和鐘速最小，銫鐘優(yōu)于銣鐘。根據(jù)每顆衛(wèi)星的時(shí)鐘改正Δts和一階相對論效應(yīng)改正ΔtR，可將每顆衛(wèi)星的時(shí)間(ts)換算為統(tǒng)一的GPS時(shí)間[1]

各顆GPS衛(wèi)星的GPS時(shí)間還可依據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文提供的相關(guān)參數(shù)，換算成UTC時(shí)間。

由上述GPS時(shí)間系統(tǒng)改正之例可見，星載GNSS信號接收機(jī)在歸一化時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間時(shí)，應(yīng)該首先將各顆GNSS衛(wèi)星的時(shí)間經(jīng)過各自的衛(wèi)星時(shí)鐘改正，進(jìn)而換算到各自衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的UTC時(shí)間系統(tǒng)，然后，還需要對不同的UTC時(shí)間做歸一化處理，致使GNSS測量結(jié)果處于相同的時(shí)間系統(tǒng)。圖5所示的星載GNSS信號接收機(jī)的時(shí)間測量圖解表明，僅對兩個(gè)不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(如第1、2個(gè)系統(tǒng))而言，所測得的GNSS信號傳播時(shí)間就不相同(以tm1和tm2示之)，需要對它們做歸一化處理，才能夠獲得精確值。

圖5 星載GNSS信號接收機(jī)的時(shí)間測量圖解

從圖5可見，星載GNSS信號接收機(jī)所測量的GNSS信號從衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間是

式中，Δt為GNSS信號從衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)的真實(shí)傳播時(shí)間，Δt0為衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)與接收機(jī)時(shí)間系統(tǒng)之間的時(shí)間差異。

由式(4)可知，若要精確測得衛(wèi)星和接收機(jī)之間的真實(shí)距離(亦稱為站星距離)，除了必須化解時(shí)間偏差Δt0以外，還需要?dú)w一化處理系統(tǒng)間的時(shí)間差。值得特別注意的是，±1ns的時(shí)間測量誤差，將引起±30cm的站星距離測量誤差。因此，時(shí)間換算是研制星載GNSS信號接收機(jī)的大問題，必須認(rèn)真予以解決。

2.1.3 坐標(biāo)系統(tǒng)之異[4]

1978年2月22日第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星的入軌運(yùn)行，開創(chuàng)了以導(dǎo)航衛(wèi)星為動態(tài)已知點(diǎn)的無線電導(dǎo)航定位的新時(shí)代。GNSS衛(wèi)星是環(huán)繞地球運(yùn)行的，它的運(yùn)行軌道不斷地通過地球的質(zhì)心。為了確切地表述作為動態(tài)已知點(diǎn)的導(dǎo)航衛(wèi)星，必須建立一個(gè)以地球質(zhì)心為原點(diǎn)的大地坐標(biāo)系。例如，GPS全球定位系統(tǒng)采用WGS-84世界大地坐標(biāo)系(World Geodetic System 1984)，GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)采用PZ-90.02地心地固基準(zhǔn)坐標(biāo)系(PZ-90.02 Earth-Centered Earth-Fixed reference frame)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用2000中國大地坐標(biāo)系(CGCS2000，亦稱2000國家大地坐標(biāo)系)，Galileo全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)采用GTRF大地基準(zhǔn)坐標(biāo)系(Galileo Terrestrial Reference Frame)。由此可見，坐標(biāo)系是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，沒有高精度的坐標(biāo)基準(zhǔn)，就不可能提供高精度的導(dǎo)航定位服務(wù)。這需要遵循一定的“建系”原則，使得所建立的坐標(biāo)系誤差對導(dǎo)航衛(wèi)星星歷精度的影響能夠忽略不計(jì)。對于星載GNSS信號接收機(jī)的研制者而言，應(yīng)該充分分析它們的差異，予以歸一化處理。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用2000中國大地坐標(biāo)系，它是通過全國GPS一、二級網(wǎng)，國家GPSA、B級網(wǎng)和中國地殼形變監(jiān)測網(wǎng)的共2518點(diǎn)經(jīng)聯(lián)合平差得到的(平差數(shù)據(jù)截至2001年底)。依據(jù)GJB6304—2008《2000中國大地測量系統(tǒng)》所述，聯(lián)合平差分兩步進(jìn)行：第一步，將中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)與全球100多個(gè)IGS站的數(shù)據(jù)(H文件形式)進(jìn)行聯(lián)合平差，平差中將47個(gè)IGS核心站在歷元2000.0的ITRF97坐標(biāo)和速度施以1σ約束，使中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)納入ITRF框架，該網(wǎng)絡(luò)的平差坐標(biāo)的平均中誤差為σx＝0.070cm，σy＝0.110cm，σz＝0.090cm，水平速度誤差為1～4mm/a；第二步，將4個(gè)網(wǎng)的單時(shí)段基線解進(jìn)行整體平差，此時(shí)固定IGS站、基準(zhǔn)網(wǎng)和基本網(wǎng)的站坐標(biāo)，對區(qū)域網(wǎng)站的緯度、經(jīng)度和高度坐標(biāo)分別給予5mm、5mm和10mm的約束，以保證平差坐標(biāo)體現(xiàn)的框架對準(zhǔn)ITRF97。通過整體平差得到2000國家GPS大地網(wǎng)的坐標(biāo)精度：坐標(biāo)平均中誤差 σx＝ ±0.84cm、σy＝ ±1.82cm、σz＝±1.30cm，σB＝ ± 0.40cm，σL＝±0.52cm，σh＝±2.31cm；位置平均中誤差σp＝±2.42cm；基線長度(不計(jì)短于20km的基線，平均長度為106km)平均誤差±0.03×10-6km。CGCS 2000是一種右手地固正交坐標(biāo)系，其原點(diǎn)和軸向的定義是：原點(diǎn)在地球的質(zhì)量中心，Z軸指向國際地球自轉(zhuǎn)及參照系服務(wù)(IERS)參考極(IRP)方向，X軸為IERS參考子午面(IRM)與通過原點(diǎn)且同Z軸正交的赤道面的交線，Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系，CGCS 2000坐標(biāo)系和GPS系統(tǒng)所用的WGS-84(G1150)坐標(biāo)系是相容的。計(jì)算結(jié)果表明，與CGCS 2000橢球體等體積的球半徑是 6371000.7900m，與 CGCS 2000橢球體等面積的球半徑為6371007.1809m。

CGCS 2000橢球和WGS-84橢球之異，僅橢球扁率f有微小差異。橢球扁率之差df(＝fCGCS2000-fWGS-84＝1.643484×10-11)將導(dǎo)致同一點(diǎn)位在兩個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的大地坐標(biāo)產(chǎn)生差異，也導(dǎo)致正常重力產(chǎn)生差異。經(jīng)過實(shí)算數(shù)據(jù)可知：①df不引起大地經(jīng)度變化；②df引起大地緯度的變化范圍為0(赤道和兩極)至0.105mm(B＝45°)；③df引起大地高的變化范圍為0(赤道)到0.105mm(兩極)；④df引起橢球面上正常重力的變化范圍為0(兩極)到0.016×10-8m·s-2(赤道)。在當(dāng)前測量精度水平(坐標(biāo)測量精度為±1mm，重力測量精度為±1×10-8m·s-2)條件下，由于兩個(gè)坐標(biāo)系的橢球扁率之差導(dǎo)致同一點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系和CGCS 2000坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)變化和重力變化是可以忽略不計(jì)的。因此，我們認(rèn)為，在坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)精度范圍內(nèi)，CGCS 2000坐標(biāo)和WGS-84(G1150)坐標(biāo)是一致的，而且一般不需要做CGCS 2000坐標(biāo)和WGS-84(G1150)坐標(biāo)的變換。

但是，PZ-90.02坐標(biāo)系與WGS-84坐標(biāo)系之間，就存在坐標(biāo)變換問題。因?yàn)樵?982年10月前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星時(shí)，僅有6顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星在軌運(yùn)行，蘇聯(lián)人無法利用GPS試驗(yàn)衛(wèi)星測定大地控制網(wǎng)，所以需要獨(dú)立自主地為GLONASS系統(tǒng)建立地心坐標(biāo)系，于是他們采用了如表1所示的4個(gè)不同于 WGS-84橢球的橢球基本常數(shù)。依據(jù)“GLONASS ICD 2008 Edition 5.1”所述，改進(jìn)的PZ-90.02坐標(biāo)系仍舊使用表1所示的橢球基本常數(shù)，筆者將它稱為“PZ-90.02橢球”。現(xiàn)行的在軌GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航電文均使用PZ-90.02坐標(biāo)系，故對PZ-90坐標(biāo)系與WGS-84坐標(biāo)系之間的差異及其坐標(biāo)變換問題不予介紹。

經(jīng)實(shí)用研究，PZ-90.02坐標(biāo)系與WGS-84坐標(biāo)系及ITRF2000坐標(biāo)系之間，只存在坐標(biāo)變換的平移參數(shù)，而不存在坐標(biāo)變換的旋轉(zhuǎn)參數(shù)和尺長變化因子，因此從PZ-90.02坐標(biāo)(以m單位)變換成WGS-84坐標(biāo)(以m單位)或者變換成ITRF2000坐標(biāo)(以m單位)均用下式

從WGS-84坐標(biāo)(以m單位)變換成PZ-90.02坐標(biāo)(以m單位)則用

表1 PZ-90.02和WGS-84的橢球基本常數(shù)比較

2.2 巧妙處理系統(tǒng)間信號的差別點(diǎn)

若要求同一臺接收機(jī)既能接收和測量GPS信號，又能接收和測量GLONASS、北斗、Galileo等導(dǎo)航信號，必須巧妙地處理它們導(dǎo)航定位信號的相異處。從研制接收機(jī)的角度來看，首要之舉是尋求接收機(jī)的公共頻率源?，F(xiàn)以接收和測量GPS/GLONASS信號為例[1]，予以說明。

所有GPS衛(wèi)星均有兩個(gè)相同的載波頻率(1575.42MHz和1227.60MHz)，而各顆GLONASS衛(wèi)星載波頻率是隨著衛(wèi)星編號不同而相異的，且知第j顆GLONASS衛(wèi)星的兩個(gè)載波頻率分別為

式中，j＝1，2，3，…，24；f1＝1602.5625MHz；Δf1＝0.5625MHz；f2＝1246.4375MHz；Δf2＝0.4375MHz。

從上可見，GPS/GLONASS集成接收機(jī)的最基本要求是，必須具有一個(gè)聯(lián)系四種不同載波和四種不同偽噪聲碼的公共頻率源，以便采用GPS/GLONASS混合定位星座(如由3顆GPS衛(wèi)星和2顆GLONASS衛(wèi)星構(gòu)成)，共同測定動態(tài)用戶的七維狀態(tài)參數(shù)(三維位置、三維速度和時(shí)間)，亦能適宜于采用一種星座作導(dǎo)航定位測量。為此，現(xiàn)在分析兩種衛(wèi)星信號的頻率關(guān)系。

從式(7)可知，第j顆GLONASS衛(wèi)星的載波頻率為

這個(gè)老陳啊，都躺在醫(yī)院里了，還口齒牙硬。當(dāng)我告訴老陳他被撞后是樓上的那個(gè)女人打的120時(shí)，老陳的臉再一次紅了，吭哧了半天，才說那天他見到那個(gè)女人后，就把那條內(nèi)褲拿給她，誰知她不承認(rèn)是自己的。老陳說他問遍了其他的人家，大家都說不是自己的，所以他認(rèn)定是那個(gè)女人的。誰想老陳塞給那個(gè)女人，那個(gè)女人又塞給他，一來二往，老陳的手就觸到了那個(gè)女人不該觸的地方。那個(gè)女人反應(yīng)也快，抬手就給了老陳一耳光。打過之后，那個(gè)女人才意識到自己有些過分了。

例如，當(dāng)j＝1時(shí)，第1顆GLONASS衛(wèi)星的載波頻率分別為

式(8)表明，只要能夠獲得0.5625MHz和0.4375MHz的信號，便可通過倍頻器和分頻器獲得各顆GLONASS衛(wèi)星的載波。GLONASS衛(wèi)星的時(shí)鐘頻率為5.11MHz(其穩(wěn)定度為3～5×10-13)，筆者推論，GLONASS衛(wèi)星的載波頻率是用下列倍頻和分頻方法獲得的。以第1顆GLONASS衛(wèi)星的載波頻率為例

5.11MHz→(×225)→(÷2，73)→(÷2，7)→0.5625MHz→(×2849)→1602.5625MHz；

5.11MHz→(×225)→(÷2，73)→(÷2，9)→0.4375MHz→(×2849)→1246.4375MHz。

依式(8)，按上列倍頻和分頻步驟，則可從5.11MHz的鐘頻獲得48種載波頻率。對于 GPS/ GLONASS集成接收機(jī)而言，若采用5MHz鐘頻，則可按分頻和倍頻方法，獲得GPS/GLONASS信號的載波頻率和偽噪聲碼的頻率。

按上述倍頻和分頻步驟，并考慮到式(7)，即可從5MHz鐘頻獲得48種載波頻率。所有的GLONASS衛(wèi)星都采用相同的PRN碼，其頻率分別為

5MHz→(÷8，5)→(×7，9)→7.875MHz→(×73，2)→1149.75MHz→(÷9，25)→5.11MHz(它是P碼的碼頻)；5MHz→(÷8，5)→(×7，9)→7.875MHz→(×73，2)→1149.75MHz→(÷9，25)→5.11MHz→(÷2，5)→511kHz(它是C/A碼的碼頻)。

對于GPS信號而言，兩個(gè)載波和兩個(gè)偽噪聲碼之間具有如表2所示的頻率關(guān)系。由表可見，只要從5MHz鐘頻獲得10.23MHz，便可按表2所示頻率關(guān)系獲得各個(gè)頻率。用5MHz鐘頻獲得10.23MHz的分頻和倍頻過程如下

表2 GPS信號的頻率關(guān)系

綜上所述，只要按照上述倍頻和分頻方法，便可用一個(gè)5MHz鐘頻信號獲得GPS和GLONASS信號的近百種頻率。一旦星載GNSS信號接收機(jī)選定了中放級數(shù)及其中頻，便可同機(jī)接收和測量許多種衛(wèi)星導(dǎo)航信號，從而實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航定位測量，這對星載GNSS信號接收機(jī)的研制是很有效益的。

此外，GNSS弱信號捕獲算法也值得重視。就GPS弱信號捕獲算法而言，現(xiàn)已研究和實(shí)踐了非相干累加捕獲算法、差分相干累加捕獲算法和廣義差分相干累加捕獲算法。因此，瑞士u-blox公司在一塊面積比指甲蓋還要小的5×6×1.1mm3的印刷電路板上，集成了一臺完整的GPS信號接收機(jī)，它能夠在GPS信號強(qiáng)度僅為-162dBmW的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶的三維位置定位，即使只能夠觀測一顆GPS衛(wèi)星也可以進(jìn)行精密時(shí)間測定。這是值得我們認(rèn)真研究的。

2.3 選擇和使用最佳定位星座

GNSS定位星座是用戶在時(shí)元t與所觀測到的GNSS衛(wèi)星構(gòu)成的幾何圖形，若只觀測4顆衛(wèi)星，該圖形就是一個(gè)星座四面體，它對導(dǎo)航定位精度的影響可以從用戶位置矩陣導(dǎo)出。GNSS用戶的位置誤差包括兩大類型：其一是GNSS衛(wèi)星信號的測距誤差Covδˉρ；另者為GNSS定位星座的幾何結(jié)構(gòu)[(Gu)-1]。后者叫作幾何精度因子，記作GDOP(Geometric Dilution of Precision)，它對測距誤差起著“放大”的作用。學(xué)者們給出下列五種定義[1]。

①幾何精度因子(GDOP)

②三維位置幾何精度因子(PDOP)

③平面位置幾何精度因子(HDOP)

④高程幾何精度因子(VDOP)

⑤時(shí)間幾何精度因子(TDOP)

上述各個(gè)幾何精度因子對用戶位置測量精度的損失如下：

式中，mρ為用戶至GNSS衛(wèi)星的距離測量誤差。

從上述論證可見，GNSS定位星座和用戶構(gòu)成的幾何圖形越好，GDOP就越小，它對用戶位置測定精度的損失就越小。因此，優(yōu)選GNSS定位星座，是獲取高精度導(dǎo)航定位的有效方法之一。研究表明，GDOP與星座四面體的體積成反比(如圖6所示)，故應(yīng)選擇體積較大的GNSS定位星座與用戶構(gòu)成的多面體，以便獲得較小的GDOP值，減少幾何精度因子對用戶位置測定精度的損失。

預(yù)計(jì)2015年初在軌運(yùn)行的導(dǎo)航衛(wèi)星將達(dá)到90顆，而到2020年則多達(dá)140余顆導(dǎo)航衛(wèi)星在空飛行；如此之多的導(dǎo)航衛(wèi)星，用戶在任一時(shí)元都能夠觀測到十余顆GNSS衛(wèi)星。例如，目前能夠?yàn)橛脩籼峁?dǎo)航定位服務(wù)的 GPS/ GLONASS衛(wèi)星共達(dá)55顆，任一天的24小時(shí)內(nèi)，能夠觀測到13～18顆衛(wèi)星。如果在所研制的星載GNSS信號接收機(jī)中設(shè)置定位星座優(yōu)選軟件，則能夠從幾十顆可視衛(wèi)星中選擇數(shù)量適當(dāng)又能構(gòu)成最佳定位星座的衛(wèi)星，從而獲得較小的GDOP值，進(jìn)行觀測和定位解算，如此可獲得顯著的精度增益。從某種意義說，它比硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)的效益要高一些。

2.4 星載GNSS信號接收機(jī)的軟件化[5]

自1980年第一臺商品GPS信號接收機(jī)問世以來，GPS信號接收機(jī)不斷更新?lián)Q代，特別是20世紀(jì)90年代第一春以來，由于微波集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，致使GPS信號接收機(jī)日新月異。雖然GPS信號接收機(jī)的種類如此之多，但是從儀器結(jié)構(gòu)的角度來分析，可概括為天線單元和接收單元兩大部分。對于大多數(shù)的非便攜式的GPS信號接收機(jī)而言，它的兩個(gè)單元被分別裝成兩個(gè)獨(dú)立的部件，以便天線單元能夠安設(shè)在運(yùn)動載體或地面的適當(dāng)點(diǎn)位上，接收單元置于運(yùn)動載體內(nèi)部或測站附近的適當(dāng)?shù)胤?，進(jìn)而用長達(dá)10m～100m的天線電纜將兩者聯(lián)接成一個(gè)整機(jī)，僅由一個(gè)電源對該機(jī)供電。

具有三十余年使用歷史的現(xiàn)行GPS信號接收機(jī)，面臨兩大方面的挑戰(zhàn)：①GPS現(xiàn)代化需要的信號擴(kuò)大；②在軌飛行的導(dǎo)航衛(wèi)星日漸增多，到2020年，將有140余顆導(dǎo)航衛(wèi)星在空飛行。這給現(xiàn)行GPS信號接收機(jī)提出一個(gè)重大的改型問題：能否僅用一個(gè)天線單元，接收、跟蹤、變換和測量多種衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號?軟件無線電技術(shù)的發(fā)展為解決這個(gè)難題奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，它的核心技術(shù)是用寬頻帶無線接收機(jī)來代替原來的窄帶接收機(jī)，將寬帶的A/D和D/A變換器盡可能地靠近天線，從而盡可能多地采用軟件來實(shí)現(xiàn)電臺的功能?；谲浖o線電技術(shù)的設(shè)計(jì)，軟件化的星載GNSS信號接收機(jī)(簡稱為星載GNSS信號軟件接收機(jī))基本構(gòu)成如圖7所示。

圖6 GDOP值隨著四面體的大小而變化

圖7 星載GNSS信號軟件接收機(jī)的基本構(gòu)成

星載GNSS信號軟件接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：

①便于更新?lián)Q代。星載GNSS信號軟件接收機(jī)，是一種基于軟件無線電技術(shù)的衛(wèi)星信號接收設(shè)備，它采用通用的硬件天線單元，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)GLONASS、Galileo、北斗、IRNSS、QZSS、GPS L5、L2-C和L1-C等信號的導(dǎo)航定位。相對于現(xiàn)行GPS信號接收機(jī)而言，星載GNSS信號軟件接收機(jī)的更新?lián)Q代時(shí)間短、成本低。

②適應(yīng)軟件無線電設(shè)備的發(fā)展。自20世紀(jì)90年代初期以來，無線電設(shè)備正處在由硬件為主體到軟件化的大變革時(shí)代，星載GNSS信號軟件接收機(jī)能夠適應(yīng)這種大變革的發(fā)展，與軟件無線電設(shè)備集成一體，從而獲得更加廣泛的應(yīng)用。

③便于研發(fā)新型的衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收機(jī)。星載GNSS信號軟件接收機(jī)關(guān)鍵在于如何用軟件實(shí)現(xiàn)GNSS信號的捕獲與跟蹤，它能夠充分發(fā)揮軟件作用，驗(yàn)證新衛(wèi)星導(dǎo)航信號的可用性。

④便于航天器的集成應(yīng)用。當(dāng)航天器使用GNSS時(shí)，接收機(jī)能夠精確測定航天器在軌飛行的實(shí)時(shí)位置、速度和姿態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)在軌航天器的自主導(dǎo)航，為航天器上的其它設(shè)備提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)。用于航天器的低功耗星載GNSS信號軟件接收機(jī)，不僅能夠達(dá)到上述應(yīng)用目的，而且能夠在與其它設(shè)備共用一臺電子計(jì)算機(jī)的情況下，充分發(fā)揮GNSS測量數(shù)據(jù)的作用。

相對于現(xiàn)行GPS信號接收機(jī)而言，星載GNSS信號軟件接收機(jī)主要是研制軟件化的用于捕獲、跟蹤GNSS信號的相關(guān)器和導(dǎo)航算法。在現(xiàn)行GPS信號接收機(jī)中，導(dǎo)航算法和PVT(位置、速度、時(shí)間)信息應(yīng)用，已有成熟的軟件產(chǎn)品可供借鑒，因此星載GNSS信號接收機(jī)軟件化關(guān)鍵是用于捕獲、跟蹤GNSS信號的相關(guān)器軟件化。GNSS信號的捕獲，主要有下列方法：

①串行搜索算法，它是一種逐一預(yù)置多普勒頻移和對測距碼作相關(guān)運(yùn)算的逐步逐行搜索算法，也是現(xiàn)行GPS信號接收機(jī)廣泛采用的GPS信號捕獲法。其優(yōu)點(diǎn)是算法簡單、容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是捕獲時(shí)間長。例如，若多普勒頻移搜索步長為1kHz，C/A碼相位搜索步長是一個(gè)碼元寬度，則需要進(jìn)行21483次相關(guān)運(yùn)算才能夠捕獲到GPS信號。

②并行頻率空間搜索算法。它的基本方法是用離散傅立葉變換將原本在時(shí)域中進(jìn)行的多普勒頻移搜索過程轉(zhuǎn)換到頻域下進(jìn)行，并將多普勒頻移搜索過程作并行化處理。其優(yōu)點(diǎn)是捕獲速度快，只需要對1023個(gè)不同C/A碼相位進(jìn)行步進(jìn)搜索，而不需要像串行搜索那樣對不同的多普勒頻移值也進(jìn)行步進(jìn)搜索。但缺點(diǎn)是每次循環(huán)都要進(jìn)行一次離散傅立葉變換，算法復(fù)雜度增加。

③并行碼相位空間搜索算法。它的基本方法是用環(huán)形相關(guān)技術(shù)來進(jìn)行接收碼與本地碼的相關(guān)運(yùn)算，而不是通過改變本地碼的碼相位來進(jìn)行搜索捕獲，亦即通過離散傅立葉變換將時(shí)域下接收碼與本地碼的相關(guān)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為頻域下接收碼與本地碼共軛信號的乘法運(yùn)算，進(jìn)而用離散傅立葉逆變換將結(jié)果轉(zhuǎn)換到時(shí)域中來實(shí)現(xiàn)GPS信號捕獲。它的優(yōu)點(diǎn)是并行碼相位搜索算法使搜索循環(huán)數(shù)進(jìn)一步減少，只需要對21個(gè)不同的多普勒頻移進(jìn)行搜索，每次相關(guān)計(jì)算僅需要進(jìn)行一次離散傅立葉變換和一次離散傅立葉逆變換，捕獲速度明顯提高。其缺點(diǎn)是算法復(fù)雜度高。

從圖7可見，星載GNSS信號軟件接收機(jī)更適合于航天器的廣泛應(yīng)用，因其軟件單元能夠與其它星載設(shè)備共用一臺電子計(jì)算機(jī)，既能夠節(jié)省硬件資源，又能夠充分發(fā)揮GNSS測量數(shù)據(jù)的作用，很值得我們研發(fā)應(yīng)用。

3 結(jié)束語

20世紀(jì)80年代初期，第一臺實(shí)用的星載GPS信號接收機(jī)重達(dá)18公斤，三十余年后的今天，星載GPS信號接收機(jī)可能比它輕達(dá)100倍?，F(xiàn)代的GPS信號接收機(jī)，主要包括接收天線、射頻前端、數(shù)字基帶處理器、接收機(jī)處理器和導(dǎo)航處理器等部件，它們的作用分別是捕獲可視GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航信號、跟蹤它們的運(yùn)行、測量所需要的導(dǎo)航定位參數(shù)、提取衛(wèi)星導(dǎo)航電文、計(jì)算用戶七維狀態(tài)參數(shù)。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，常將前一、二兩個(gè)部件集成為天線模塊，而將后三者集成為接收單元模塊，再用這兩種模塊組裝成一臺接收機(jī)。例如，采用ublox CAM-M80 GNSS天線模塊(僅為9.6×14.0×1.95mm3)和UBX-M8030接收單元模塊(僅為17.0×22.4×2.4mm3)(如圖8所示)集成一臺接收機(jī)，能夠接收和跟蹤GPS、GLONASS、北斗、QZSS和SBAS(星基增強(qiáng)系統(tǒng))信號進(jìn)行導(dǎo)航定位測量。如果仿照上述天線/接收單元模塊，研制星載GNSS信號接收機(jī)，那將發(fā)展成為一種彈星多用設(shè)備，開創(chuàng)GNSS航天應(yīng)用的新天地!

圖8 現(xiàn)代GPS信號接收機(jī)的天線/接收單元模塊

相對于用單一衛(wèi)星星座的接收機(jī)而言，星載GNSS信號接收機(jī)具有實(shí)現(xiàn)真正的全球連續(xù)性的高精度導(dǎo)航等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也需要認(rèn)真破解星載GNSS信號接收機(jī)的研制難點(diǎn)。為此，筆者僅僅從GNSS系統(tǒng)的研究角度，建議研制者細(xì)致分析系統(tǒng)間的差異，巧妙處理系統(tǒng)間信號的差別點(diǎn)，選擇和使用最佳定位星座，采用星載GNSS信號軟件接收機(jī)。但是，如果不能很好地解決各星座之間的差異，特別是時(shí)間系統(tǒng)之異，所研制的星載GNSS信號接收機(jī)將不及用單一星座的星載GPS信號接收機(jī)，會適得其反!

例如，一種在互聯(lián)網(wǎng)上廣泛宣傳的由一個(gè)“國家北斗重大專項(xiàng)承擔(dān)單位”研制的XXXXXX-B1B3GG三模四頻衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)板，其性能介紹曰，“該芯片能夠達(dá)到的精度指標(biāo)是，水平位置精度為BeiDou/ GPS 5米(CEP)，GLONASS 10米(CEP)，BeiDou+GPS+GLONASS 10米(CEP)；垂直位置精度為BeiDou/ GPS 10米(CEP)，GLONASS 15米(CEP)，BeiDou+GPS+GLONASS 15米(CEP)”。由此可知，該芯片用單一星座(GLONASS)和用三星座(BeiDou+GPS+GLONASS)所得到的三維位置精度是完全相同的!那么，還有必要采用三星座(他們稱之為“三模四頻”)做導(dǎo)航定位測量嗎?僅僅以PDOP值而言，三星座(BeiDou+GPS+GLONASS)的PDOP值也比單一星座(GLONASS)的PDOP值小得多，以致用三星座(BeiDou+GPS+GLONASS)的定位精度要高于用單一星座(GLONASS)的定位精度，絕不可能兩者相同。由此可見，本文所論述的破解星載GNSS信號接收機(jī)研制難點(diǎn)之法是值得研制者認(rèn)真考慮的。

此外，研制高精度星載GNSS信號接收機(jī)并非僅有上述幾大注意點(diǎn)，還要針對需求，合理選擇觀測值，選擇功能強(qiáng)和運(yùn)行快的接收機(jī)內(nèi)置軟件等一些問題需要我們認(rèn)真思考[6]，并予以解決。

還要特別關(guān)注的是，BOC調(diào)制雖然能夠?qū)崿F(xiàn)GNSS共用相同的載波頻率，從而有效地分離各自的測距碼，互不產(chǎn)生干擾，但是BOC信號的自相關(guān)函數(shù)是一種多峰值函數(shù)，主峰和次峰的幅度差異較小，次峰幅度僅小于主峰幅度30%，這增加了GNSS導(dǎo)航信號接收機(jī)分辨主次峰值的難度。BOC信號的自相關(guān)函數(shù)(ACF)不僅具有多峰性，而且邊峰隨著調(diào)制階數(shù)的增加而增加，接收機(jī)在捕獲BOC信號的同步過程中很容易誤鎖到它的相關(guān)函數(shù)邊峰上，從而產(chǎn)生模糊性，增加了捕獲和跟蹤的難度。一旦發(fā)生誤鎖，跟蹤環(huán)路將產(chǎn)生幾十米甚至上百米的測距誤差，這對于星載GNSS信號接收機(jī)來說是不能容忍的。因此，需要采用不同于捕獲跟蹤傳統(tǒng)BPSK信號的新技術(shù)，以便檢測到正確的自相關(guān)峰值，實(shí)現(xiàn)偽距的精確測量，這是研制星載GNSS信號接收機(jī)時(shí)必須要認(rèn)真解決的重大問題之一。

[1]劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[2]劉基余.BOC調(diào)制打通共用載頻的坦途——GNSS導(dǎo)航信號的收發(fā)問題之一[J].數(shù)字通信世界，2013，(8)：38～43.

[3]劉基余.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)況與發(fā)展[J].遙測遙控，2013，34(3)：1～8.

[4]劉基余.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的坐標(biāo)系作用與應(yīng)用問題[J].數(shù)字通信世界，2012，(12)：53～58.

[5]劉基余，田云輝.GPS信號接收機(jī)的軟件化研究[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，21(3)：1～6.

[6]劉基余.攻占GNSS高動態(tài)高精度測量制高點(diǎn)的思考——關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號的一項(xiàng)應(yīng)用建議[J].遙測遙控，2014，35(2)：1～8.

Development Thinking on Satellite-borne GNSS Signal Receivers

Liu Jiyu

The satellite-borne GNSS signal receivers can measure 7-dimensional status parameters with stability and high accuracy for the in-orbit spacecrafts and have a wide practical range of engineering value，however，it is need to solve carefully for the following research questions：① to analyze in detail the differences between the constellations，and it is necessary to handle carefully the differences between different navigation signals，timing systems and coordinate systems；② to extract the junctions between satellite navigation signals for seeking the public frequency source of the receivers；③to develop the built-in software for the receivers that is used to select an optimum positioning constellation，so as to get a smaller GDOP value，improving the accuracy of 7-dimensional status parameters measured；④ to develop a satellite-borne GNSS signal software receiver，so as to reduce the satellite-borne hardware equipment.

Satellite navigation signal； Timing system； Coordinate system； Satellite-borne GNSS signal software receiver

P228.4

A

CN11-1780(2014)06-0001-12

劉基余 現(xiàn)任武漢大學(xué)測繪學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師，兼任美國紐約科學(xué)院(New York Academy of Sciences)外籍院士、中國電子學(xué)會會士。主要研究方向是 GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位/衛(wèi)星激光測距技術(shù)，已在國內(nèi)外30余種中英文學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了250余篇相關(guān)研究論文，獨(dú)著了(北京)科學(xué)出版社于2013年1月出版發(fā)行的《GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法》一書。主要業(yè)績分別載于美國2001年出版發(fā)行的《世界名人錄》(Who'sWho in the World)、美國2005年出版發(fā)行的《科技名人錄》(Who's Who in Science and Engineering)和2007年中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會出版發(fā)行的《中國科學(xué)技術(shù)專家傳略》工程技術(shù)編(電子信息科學(xué)技術(shù)卷2)等五十多種國內(nèi)外辭書上。

2014-08-15