劉基余

(武漢大學測繪學院 武漢 430079)

星載GNSS信號接收機的研制思考

劉基余

(武漢大學測繪學院 武漢 430079)

星載GNSS信號接收機能夠為在軌航天器提供穩(wěn)定、高精度的七維狀態(tài)參數(shù)測量，具有廣泛的工程實用價值，但需要解決下述研制問題：①細致分析系統(tǒng)間的差異，處理好不同的導航信號之間、時間系統(tǒng)之間和坐標系統(tǒng)之間的差別；②提取衛(wèi)星導航信號之間的結(jié)合點，尋求接收機的公共頻率源；③研發(fā)內(nèi)置機內(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，節(jié)省星載硬件設備。

衛(wèi)星導航信號； 時間系統(tǒng)； 坐標系統(tǒng)； GDOP值； 星載GNSS信號軟件接收機

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)星上安設了一臺GPSPAC GPS信號接收機，其功耗為45瓦，重達18公斤。星載GPS測量的結(jié)果不僅驗證了GPS用于衛(wèi)星定軌的可行性，而且證實了星載GPS測量具有下列三點優(yōu)越性。

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

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

③能夠為星上其它設備提供高精度的時間基準，可取代地面測控系統(tǒng)的時統(tǒng)子系統(tǒng)。

近年來的實際應用證明，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)進行導航定位測量；即使是航天器的交會與對接、航天飛機的入軌飛行和變軌返航，都成功地應用了GPS技術(shù)；美國正在設計研制中的用于取代航天飛機的乘員探索飛行器CEV (Crew Exploration Vehicle)，也采用GPS自主導航定位技術(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性強的星載GNSS信號接收機?筆者作簡要論述，供同行研討。

1 星載GNSS信號接收機的優(yōu)越性

星載GNSS信號接收機是一部多種衛(wèi)星導航信號集成應用的星上接收設備，廣義而言，它是用一臺接收機同時接收、跟蹤和測量GPS、GLONASS、北斗、Galileo、QZSS(準天頂衛(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、三維速度和時間，甚至三維姿態(tài)參數(shù)，并確保它們達到穩(wěn)定可靠的高精度。星載GNSS信號接收機相對于用單一衛(wèi)星星座的GPS或GLONASS信號接收機而言，具有下述優(yōu)越性。

星載GNSS信號接收機能夠消除間隙時段。當用單一的GPS星座作導航定位測量時，對于某地某時也許只能見到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間誤差，這個時段稱為“間隙時段”[1]。如果同一臺接收機能夠同時接收、跟蹤、變換和測量GPS、GLONASS、北斗和Galileo等多種衛(wèi)星的導航信號，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，從而消除上述導航定位測量的間隙時段，以此保證高精度導航定位的連續(xù)性和可靠性。圖1為2013年8月8日24小時內(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信號接收機能夠?qū)崿F(xiàn)真正的全球連續(xù)的精確導航。當用單一的GPS星座作導航測量時，理論上只需觀測4顆衛(wèi)星，但試驗結(jié)果表明，僅僅觀測4顆衛(wèi)星難以實現(xiàn)連續(xù)的精確導航，特別是在高動態(tài)的應用場合，運動載體和GPS衛(wèi)星之間存在著較大的加速度徑向分量，易導致接收機跟蹤環(huán)路的失鎖。若采用GPS、GLONASS、北斗和Galileo集成接收機，既可在一天的任何時候接收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高精度導航測量的連續(xù)性。

星載GNSS信號接收機能夠以較短的數(shù)據(jù)采集時間，獲得較高的導航定位精度。例如，僅用GPS/GLONASS集成接收機的試驗成果表明，用GPS/GLONASS混合星座作導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。依筆者之見，星載GNSS信號接收機除了必須具備弱信號捕獲測量能力和觀測量多等多項基本性能(詳見《GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法》§4.7)以外，還需具備下述四個特點。

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?shù)暮教炱髟谲夵c位；

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

④在星載GNSS信號接收機內(nèi)，附設有時元內(nèi)插器(英文名為Eventmark board)，以便將航天器上的附屬設備作業(yè)時元插入GNSS測量數(shù)據(jù)流。例如，將航天對地攝影時元插入GNSS測量數(shù)據(jù)流，用于解算出對地攝影時的三維坐標值(稱為攝站坐標)，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)星是非常實用的。

2 星載GNSS信號接收機的研制難點

根據(jù)美國“GPSWorld”期刊于2014年第一期的統(tǒng)計報告可知，受訪的47家生產(chǎn)廠商生產(chǎn)了380種星載GNSS信號接收機，其中，Trimble公司生產(chǎn)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(廣域增強系統(tǒng))和EGNOS(歐洲靜地衛(wèi)星導航重疊系統(tǒng))導航信號以及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到±(3mm+0.1PPM)，高程測量精度為±(3.5mm+0.4PPM)。筆者認為，這代表星載GNSS信號接收機現(xiàn)代的高水平性能。如何使我們研制的星載GNSS信號接收機達到這種高性能水平?筆者建議采用“細致分析系統(tǒng)間的差異、巧妙處理系統(tǒng)間信號的差別點、選擇和使用最佳定位星座”的破解研制難點之法。

2.1 細致分析系統(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，它們的導航信號也有許多共同點[2]，這為星載GNSS信號接收機的研制提供了工作基礎。細致分析這幾個系統(tǒng)，它們也存在著一些重大差異，值得統(tǒng)籌解決。現(xiàn)予以簡要論述。

2.1.1 導航信號之異

現(xiàn)代的GNSS導航信號基本上采用三種載波頻率，各個載頻又調(diào)制著多個測距碼等信號，此處無法對這幾十種導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的軟硬件。BOC信號的自相關(guān)函數(shù)是一種多個峰值函數(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信號接收機分辨主次峰值的難度。若將次峰值當作主峰值進行跟蹤測量，就會導致較大的測距誤差，損失導航定位精度。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，實現(xiàn)偽距的精確測量。

圖4 導航信號的頻譜

GPS、GLONASS、Galileo和北斗系統(tǒng)的三個導航信號的頻譜示于圖4。2011年2月26日發(fā)射的GLONASS-K1衛(wèi)星增設了第三個導航定位信號(L3)，它的載波頻率為1201.74MHz～1208.51MHz；并增設了碼分多址(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)和導頻通道(Q)；該信號由1202.025MHz的載波、10.23Mchip/s的擴頻碼和50b/s的導航電文三個部分組成。L3 OC信號是由下述三個步驟生成的：①導航電文編碼。數(shù)據(jù)通道(I)導航電文速率為50b/s，采用標準的(2，1，7)非系統(tǒng)卷積碼編碼，編碼后符號速率為100S/s。導頻通道(Q)不包含數(shù)據(jù)。②擴頻碼編碼。L3 OC的擴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。導頻通道和數(shù)據(jù)通道采用不同的二次編碼，導頻通道采用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)；這兩個二次編碼的字符速率是每個代碼字符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，人們都感受到了時間準確的重要性。GNSS定時，能夠為我們提供簡便而高精度的定時測量，用戶能夠以萬億分之一秒的精確度測定時間，而不需要自己擁有高度精確的原子鐘。因此，GNSS定時在下列領域獲得了廣泛應用：通訊系統(tǒng)、電力網(wǎng)、金融網(wǎng)和其他重要基礎設施的精確同步；無線網(wǎng)絡更有效地利用有限的無線電頻譜；改善網(wǎng)絡的管理及其最優(yōu)化，使可追蹤的金融交易和票據(jù)的時間標記成為可能；通過“共視定時”技術(shù)使國家實驗室之間能夠傳遞高精度的時間；甚至采用GNSS定時作為電視播出系統(tǒng)精確的時間基準，實時地調(diào)整系統(tǒng)時鐘。

不過，值得我們特別注意的是：各個衛(wèi)星導航系統(tǒng)所采用的協(xié)調(diào)世界時，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UTC實驗室的UTC平均值，記作UTC (K)。我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時間系統(tǒng)是北斗時BDT(Beidou Time)，其秒長取為國際單位制SI秒，起算時元為2006年1月1日00時00分00秒?yún)f(xié)調(diào)世界時(UTC)，BDT是一種連續(xù)時間的時間尺度，通過設在中國科學院國家時間服務中心(NTSC)的標校站作BDT與UTC(NTSC)的時間比對，從而將BDT溯源到UTC(NTSC)。BDT與UTC(NTSC)的偏差保持在100ns以內(nèi)。BDT的時間系統(tǒng)與GPS時一樣無閏秒。BDT與國際原子時(TAI)存在33s的偏差，亦即BDT+33s＝TAI。北斗時與中國軍用時頻中心(CMTC)的時間進行比對，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導航電文給的時間，不是UTC，而是北京時間，它的起算時元為2000年1月1日00時00分00秒(北京時間)。

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

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

式中，tOC為導航電文第一數(shù)據(jù)塊的參考時刻，a0為相對于GPS時系的時間偏差(鐘差)，a1是相對于實際頻率的偏差系數(shù)(鐘速)，a2為時鐘頻率的漂移系數(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。三個時鐘多項式系數(shù)a0、a1、a2總稱為時鐘參數(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)星的時鐘改正Δts和一階相對論效應改正ΔtR，可將每顆衛(wèi)星的時間(ts)換算為統(tǒng)一的GPS時間[1]

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

由上述GPS時間系統(tǒng)改正之例可見，星載GNSS信號接收機在歸一化時間系統(tǒng)時間時，應該首先將各顆GNSS衛(wèi)星的時間經(jīng)過各自的衛(wèi)星時鐘改正，進而換算到各自衛(wèi)星導航系統(tǒng)的UTC時間系統(tǒng)，然后，還需要對不同的UTC時間做歸一化處理，致使GNSS測量結(jié)果處于相同的時間系統(tǒng)。圖5所示的星載GNSS信號接收機的時間測量圖解表明，僅對兩個不同的衛(wèi)星導航系統(tǒng)(如第1、2個系統(tǒng))而言，所測得的GNSS信號傳播時間就不相同(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信號接收機的時間測量圖解

從圖5可見，星載GNSS信號接收機所測量的GNSS信號從衛(wèi)星到達接收機的時間是

式中，Δt為GNSS信號從衛(wèi)星到達接收機的真實傳播時間，Δt0為衛(wèi)星時間系統(tǒng)與接收機時間系統(tǒng)之間的時間差異。

由式(4)可知，若要精確測得衛(wèi)星和接收機之間的真實距離(亦稱為站星距離)，除了必須化解時間偏差Δt0以外，還需要歸一化處理系統(tǒng)間的時間差。值得特別注意的是，±1ns的時間測量誤差，將引起±30cm的站星距離測量誤差。因此，時間換算是研制星載GNSS信號接收機的大問題，必須認真予以解決。

2.1.3 坐標系統(tǒng)之異[4]

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

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用2000中國大地坐標系，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)合平差分兩步進行：第一步，將中國地殼運動觀測網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)與全球100多個IGS站的數(shù)據(jù)(H文件形式)進行聯(lián)合平差，平差中將47個IGS核心站在歷元2000.0的ITRF97坐標和速度施以1σ約束，使中國地殼運動觀測網(wǎng)絡納入ITRF框架，該網(wǎng)絡的平差坐標的平均中誤差為σx＝0.070cm，σy＝0.110cm，σz＝0.090cm，水平速度誤差為1～4mm/a；第二步，將4個網(wǎng)的單時段基線解進行整體平差，此時固定IGS站、基準網(wǎng)和基本網(wǎng)的站坐標，對區(qū)域網(wǎng)站的緯度、經(jīng)度和高度坐標分別給予5mm、5mm和10mm的約束，以保證平差坐標體現(xiàn)的框架對準ITRF97。通過整體平差得到2000國家GPS大地網(wǎng)的坐標精度：坐標平均中誤差 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系，其原點和軸向的定義是：原點在地球的質(zhì)量中心，Z軸指向國際地球自轉(zhuǎn)及參照系服務(IERS)參考極(IRP)方向，X軸為IERS參考子午面(IRM)與通過原點且同Z軸正交的赤道面的交線，Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手正交坐標系，CGCS 2000坐標系和GPS系統(tǒng)所用的WGS-84(G1150)坐標系是相容的。計算結(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)將導致同一點位在兩個坐標系內(nèi)的大地坐標產(chǎn)生差異，也導致正常重力產(chǎn)生差異。經(jīng)過實算數(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)。在當前測量精度水平(坐標測量精度為±1mm，重力測量精度為±1×10-8m·s-2)條件下，由于兩個坐標系的橢球扁率之差導致同一點在WGS-84坐標系和CGCS 2000坐標系內(nèi)的坐標變化和重力變化是可以忽略不計的。因此，我們認為，在坐標系的實現(xiàn)精度范圍內(nèi)，CGCS 2000坐標和WGS-84(G1150)坐標是一致的，而且一般不需要做CGCS 2000坐標和WGS-84(G1150)坐標的變換。

但是，PZ-90.02坐標系與WGS-84坐標系之間，就存在坐標變換問題。因為在1982年10月前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星時，僅有6顆GPS試驗衛(wèi)星在軌運行，蘇聯(lián)人無法利用GPS試驗衛(wèi)星測定大地控制網(wǎng)，所以需要獨立自主地為GLONASS系統(tǒng)建立地心坐標系，于是他們采用了如表1所示的4個不同于 WGS-84橢球的橢球基本常數(shù)。依據(jù)“GLONASS ICD 2008 Edition 5.1”所述，改進的PZ-90.02坐標系仍舊使用表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)星導航電文均使用PZ-90.02坐標系，故對PZ-90坐標系與WGS-84坐標系之間的差異及其坐標變換問題不予介紹。

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

從WGS-84坐標(以m單位)變換成PZ-90.02坐標(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

若要求同一臺接收機既能接收和測量GPS信號，又能接收和測量GLONASS、北斗、Galileo等導航信號，必須巧妙地處理它們導航定位信號的相異處。從研制接收機的角度來看，首要之舉是尋求接收機的公共頻率源?，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集成接收機的最基本要求是，必須具有一個聯(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、三維速度和時間)，亦能適宜于采用一種星座作導航定位測量。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

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

例如，當j＝1時，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，兩個載波和兩個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信號接收機選定了中放級數(shù)及其中頻，便可同機接收和測量許多種衛(wèi)星導航信號，從而實現(xiàn)高精度的導航定位測量，這對星載GNSS信號接收機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，它能夠在GPS信號強度僅為-162dBmW的環(huán)境中，實現(xiàn)用戶的三維位置定位，即使只能夠觀測一顆GPS衛(wèi)星也可以進行精密時間測定。這是值得我們認真研究的。

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，該圖形就是一個星座四面體，它對導航定位精度的影響可以從用戶位置矩陣導出。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時間幾何精度因子(TDOP)

上述各個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。

預計2015年初在軌運行的導航衛(wèi)星將達到90顆，而到2020年則多達140余顆導航衛(wèi)星在空飛行；如此之多的導航衛(wèi)星，用戶在任一時元都能夠觀測到十余顆GNSS衛(wèi)星。例如，目前能夠為用戶提供導航定位服務的 GPS/ GLONASS衛(wèi)星共達55顆，任一天的24小時內(nèi)，能夠觀測到13～18顆衛(wèi)星。如果在所研制的星載GNSS信號接收機中設置定位星座優(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)化設計的效益要高一些。

2.4 星載GNSS信號接收機的軟件化[5]

自1980年第一臺商品GPS信號接收機問世以來，GPS信號接收機不斷更新?lián)Q代，特別是20世紀90年代第一春以來，由于微波集成電路和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，致使GPS信號接收機日新月異。雖然GPS信號接收機的種類如此之多，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信號接收機而言，它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(nèi)部或測站附近的適當?shù)胤?，進而用長達10m～100m的天線電纜將兩者聯(lián)接成一個整機，僅由一個電源對該機供電。

具有三十余年使用歷史的現(xiàn)行GPS信號接收機，面臨兩大方面的挑戰(zhàn)：①GPS現(xiàn)代化需要的信號擴大；②在軌飛行的導航衛(wèi)星日漸增多，到2020年，將有140余顆導航衛(wèi)星在空飛行。這給現(xiàn)行GPS信號接收機提出一個重大的改型問題：能否僅用一個天線單元，接收、跟蹤、變換和測量多種衛(wèi)星導航定位信號?軟件無線電技術(shù)的發(fā)展為解決這個難題奠定了技術(shù)基礎，它的核心技術(shù)是用寬頻帶無線接收機來代替原來的窄帶接收機，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現(xiàn)電臺的功能。基于軟件無線電技術(shù)的設計，軟件化的星載GNSS信號接收機(簡稱為星載GNSS信號軟件接收機)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信號軟件接收機的基本構(gòu)成

星載GNSS信號軟件接收機的優(yōu)點是：

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

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

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

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

相對于現(xiàn)行GPS信號接收機而言，星載GNSS信號軟件接收機主要是研制軟件化的用于捕獲、跟蹤GNSS信號的相關(guān)器和導航算法。在現(xiàn)行GPS信號接收機中，導航算法和PVT(位置、速度、時間)信息應用，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，它是一種逐一預置多普勒頻移和對測距碼作相關(guān)運算的逐步逐行搜索算法，也是現(xiàn)行GPS信號接收機廣泛采用的GPS信號捕獲法。其優(yōu)點是算法簡單、容易實現(xiàn)，缺點是捕獲時間長。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碼元寬度，則需要進行21483次相關(guān)運算才能夠捕獲到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域中進行的多普勒頻移搜索過程轉(zhuǎn)換到頻域下進行，并將多普勒頻移搜索過程作并行化處理。其優(yōu)點是捕獲速度快，只需要對1023個不同C/A碼相位進行步進搜索，而不需要像串行搜索那樣對不同的多普勒頻移值也進行步進搜索。但缺點是每次循環(huán)都要進行一次離散傅立葉變換，算法復雜度增加。

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)來進行接收碼與本地碼的相關(guān)運算，而不是通過改變本地碼的碼相位來進行搜索捕獲，亦即通過離散傅立葉變換將時域下接收碼與本地碼的相關(guān)運算轉(zhuǎn)換為頻域下接收碼與本地碼共軛信號的乘法運算，進而用離散傅立葉逆變換將結(jié)果轉(zhuǎn)換到時域中來實現(xiàn)GPS信號捕獲。它的優(yōu)點是并行碼相位搜索算法使搜索循環(huán)數(shù)進一步減少，只需要對21個不同的多普勒頻移進行搜索，每次相關(guān)計算僅需要進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。其缺點是算法復雜度高。

從圖7可見，星載GNSS信號軟件接收機更適合于航天器的廣泛應用，因其軟件單元能夠與其它星載設備共用一臺電子計算機，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)應用。

3 結(jié)束語

20世紀80年代初期，第一臺實用的星載GPS信號接收機重達18公斤，三十余年后的今天，星載GPS信號接收機可能比它輕達100倍?，F(xiàn)代的GPS信號接收機，主要包括接收天線、射頻前端、數(shù)字基帶處理器、接收機處理器和導航處理器等部件，它們的作用分別是捕獲可視GPS衛(wèi)星的導航信號、跟蹤它們的運行、測量所需要的導航定位參數(shù)、提取衛(wèi)星導航電文、計算用戶七維狀態(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。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，能夠接收和跟蹤GPS、GLONASS、北斗、QZSS和SBAS(星基增強系統(tǒng))信號進行導航定位測量。如果仿照上述天線/接收單元模塊，研制星載GNSS信號接收機，那將發(fā)展成為一種彈星多用設備，開創(chuàng)GNSS航天應用的新天地!

圖8 現(xiàn)代GPS信號接收機的天線/接收單元模塊

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

例如，一種在互聯(lián)網(wǎng)上廣泛宣傳的由一個“國家北斗重大專項承擔單位”研制的XXXXXX-B1B3GG三模四頻衛(wèi)星導航接收機板，其性能介紹曰，“該芯片能夠達到的精度指標是，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信號接收機研制難點之法是值得研制者認真考慮的。

此外，研制高精度星載GNSS信號接收機并非僅有上述幾大注意點，還要針對需求，合理選擇觀測值，選擇功能強和運行快的接收機內(nèi)置軟件等一些問題需要我們認真思考[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導航信號接收機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，實現(xiàn)偽距的精確測量，這是研制星載GNSS信號接收機時必須要認真解決的重大問題之一。

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

[2]劉基余.BOC調(diào)制打通共用載頻的坦途——GNSS導航信號的收發(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)的坐標系作用與應用問題[J].數(shù)字通信世界，2012，(12)：53～58.

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

[6]劉基余.攻占GNSS高動態(tài)高精度測量制高點的思考——關(guān)于北斗衛(wèi)星導航信號的一項應用建議[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(wèi)星導航定位/衛(wèi)星激光測距技術(shù)，已在國內(nèi)外30余種中英文學術(shù)期刊上發(fā)表了250余篇相關(guān)研究論文，獨著了(北京)科學出版社于2013年1月出版發(fā)行的《GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法》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年中國科學技術(shù)協(xié)會出版發(fā)行的《中國科學技術(shù)專家傳略》工程技術(shù)編(電子信息科學技術(shù)卷2)等五十多種國內(nèi)外辭書上。

2014-08-15