洪冰清，覃新賢,2,3，陳海強,2,3

(1. 廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004；2. 廣西大學 廣西高校多媒體通信與信息處理重點實驗室，廣西 南寧 530004；3. 廣西大學 廣西多媒體通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點實驗室培育基地，廣西 南寧 530004)

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多系統(tǒng)兼容衛(wèi)星導(dǎo)航接收機關(guān)鍵技術(shù)概述

洪冰清1，覃新賢1,2,3，陳海強1,2,3

(1. 廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004；2. 廣西大學 廣西高校多媒體通信與信息處理重點實驗室，廣西 南寧 530004；3. 廣西大學 廣西多媒體通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點實驗室培育基地，廣西 南寧 530004)

隨著各導(dǎo)航衛(wèi)星的發(fā)展與完善，多系統(tǒng)兼容衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用成為衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展的趨勢，在對多系統(tǒng)兼容衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的設(shè)計中，導(dǎo)航系統(tǒng)的時空轉(zhuǎn)換算法、快速選星算法、系統(tǒng)完好性檢測等技術(shù)嚴重影響著導(dǎo)航接收機的性能。文中針對多系統(tǒng)兼容接收機設(shè)計中的一些關(guān)鍵技術(shù),闡述了當前多系統(tǒng)兼容接收機的發(fā)展狀況，并對未來多系統(tǒng)兼容接收機的研究重點進行了展望。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；多系統(tǒng)兼容；快速選星算法；完好性檢測

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)作為航天與空間技術(shù)、通信計算機以及信息論技術(shù)的結(jié)合領(lǐng)域，已經(jīng)嚴重滲透到人們生產(chǎn)生活的各個方面，對導(dǎo)航定位精度的需求也越來越高[1]。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)作為一個國家科技、軍事力量的象征，目前各國都在競相發(fā)展自己的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。隨著GPS, 導(dǎo)航基帶信號處理算法等。

GALILEO, GLONASS, 北斗等各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅猛發(fā)展與完善，導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)將大幅增加，多系統(tǒng)兼容應(yīng)用是衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的重要趨勢[2-3]。多系統(tǒng)兼容的接收機可合理利用多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的在軌衛(wèi)星，綜合各個衛(wèi)星的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)，有效提高定位精度、完好性和可用性等性能。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 GPS系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是能夠全天候的提高導(dǎo)航定位和授時服務(wù)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。第一代GPS系統(tǒng)始建于1973年，于1995年7月進入完全運行狀態(tài)。GPS系統(tǒng)由空間星座部分、用戶設(shè)備部分和地面監(jiān)控部分組成，空間星座部分由分布在6個軌道平面的24顆衛(wèi)星組成，可見衛(wèi)星數(shù)目隨觀測時間和地點的不同而不同，約在4～11顆范圍內(nèi)；地面監(jiān)控站由 1個主控站、4個注入站和6個監(jiān)測站組成，控制著整個系統(tǒng)的運行；用戶設(shè)備主要來完成定位、導(dǎo)航和授時等功能。為保持GPS在全球?qū)Ш较到y(tǒng)中的優(yōu)越性，美國政府于2005年5月開始終止SA干擾政策，并在L2波段上和在L5波段上增發(fā)了民用信號，GPS的民用接收機在L1、L2和L5頻段均可以接收到GPS信號。目前 GPS 正進入一個新的發(fā)展時期，考慮與其它系統(tǒng)的兼容性問題。

1.2 GLONASS 系統(tǒng)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Orbiting Navigation Satellite System，GLONASS)，是由前蘇聯(lián)研制由俄羅斯完善的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GLONASS 系統(tǒng)于 1993 年開始正式使用，1995 年基本完成衛(wèi)星組網(wǎng)。其空間星座部分包括21顆工作衛(wèi)星和3顆備份衛(wèi)星，同時加強了 GLONASS 導(dǎo)航信號在高緯度地區(qū)的覆蓋能力，增強了抗干擾特性。GLONASS系統(tǒng)曾因資金短缺而導(dǎo)致發(fā)展停滯，以致不能獨立組網(wǎng)。隨著俄羅斯經(jīng)濟的復(fù)蘇，GLONASS不僅完成了星座部署實現(xiàn)星座的正常運行，還積極的進行技術(shù)革新升級：一方面，新一代的衛(wèi)星將采用碼分多址的技術(shù)，逐步統(tǒng)一于通用的衛(wèi)星導(dǎo)航信號體制；另一方面，提高衛(wèi)星的使用壽命是GLONASS目前必須解決的重要問題；另外，為解決 GLONASS 海外建站的難題必須發(fā)展星間鏈路技術(shù)[4]。

1.3 GALILEO 系統(tǒng)

GALILEO是歐盟建設(shè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于 1999 年由歐盟開始建設(shè)。GALILEO 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原計劃到2008年時發(fā)射27顆工作衛(wèi)星和3顆備份衛(wèi)星。但是由于經(jīng)費原因，這些計劃尚未實現(xiàn)。GALILEO系統(tǒng)整體上處于在夾縫中生存的環(huán)境中，但是作為了新一代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的代表，添加了許多先進的技術(shù)和創(chuàng)新的理念。比如，使用了BPSK、BOC、AltBOC 和MBOC等導(dǎo)航信號的調(diào)制方式，系統(tǒng)地提出了包括GALILEO完好性在內(nèi)的許多創(chuàng)新的概念[5]。GALILEO衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已經(jīng)完成了大部分的系統(tǒng)設(shè)計和論證，同時相當成熟的一箭多星的發(fā)射技術(shù)已經(jīng)為GALILEO的完備部署做好了充分準備。

1.4 北斗系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國正在實施的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[6]。預(yù)計到 2020年左右，北斗系統(tǒng)空間星座部分將由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，可以提供覆蓋全球范圍的導(dǎo)航定位服務(wù)，同時為用戶提供授權(quán)服務(wù)和開放服務(wù)。目前在開放服務(wù)中，北斗系統(tǒng)的定位精度已經(jīng)優(yōu)于10 m，測速精度優(yōu)于0.2 m/s，授時精度優(yōu)于50 ns。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于地理測繪、交通運輸和國家安全等重要領(lǐng)域，產(chǎn)生了不可估量的經(jīng)濟價值和社會價值。

1.5 其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

日本區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Quasi-Zenith Satellite System，QZSS)是一個區(qū)域性的、空基、在任何天氣情況下適用的連續(xù)的定位、導(dǎo)航和授時系統(tǒng)。空間段由3顆衛(wèi)星組成，目前第一顆QZSS衛(wèi)星Michibiki已經(jīng)發(fā)射，未來其余兩顆QZSS發(fā)射成功后，將會實現(xiàn)整個日本24 h信號連續(xù)覆蓋。QZSS提供可與GPS(L1、L2和L5)互操作的信號、一個廣域差分GPS增強信號L1-SAIF以及一個實驗性的LEX信號，其中，LEX信號能夠在很短的傳輸時間內(nèi)播發(fā)大容量的數(shù)據(jù)。印度也在大力發(fā)展其起身的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Indian Regional Navigation Satellite System，IRNSS)基線星座由7顆衛(wèi)星組成，由對地靜止衛(wèi)星和非靜止衛(wèi)星組成。三顆對地靜止衛(wèi)星分別位于34°E、83°E 和131.5°E，兩顆地球同步軌道衛(wèi)星分別位于55°E 和111.5°E，傾角為29°。IRNSS系統(tǒng)能提供定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的持續(xù)區(qū)域覆蓋能力。IRNSS 將在L5和S頻段播發(fā)導(dǎo)航信號，其中，分別在L5(1 176.45 MHz)和S(2 492.028 MHz)頻段上采用 BPSK 調(diào)制方式。

2 多系統(tǒng)兼容接收機關(guān)鍵技術(shù)

自上世紀90年代以來，各導(dǎo)航接收機廠家就不斷研究全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多系統(tǒng)兼容接收機的應(yīng)用。目前，國際上帶變形的多系統(tǒng)兼容接收機廠家主要有JAVAD公司、Novatel公司等[7]。其中JAVAD公司的Triumph芯片可兼容捕獲、跟蹤、處理GPS、GLONASS、GALILEO、北斗等衛(wèi)星信號；Novatel公司的OEMV系列接收機可兼容捕獲、跟蹤、處理GPS、GLONASS衛(wèi)星信號。在解決全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機的多系統(tǒng)兼容問題中存在很多關(guān)鍵性問題，如多系統(tǒng)時間、坐標基準的統(tǒng)一、多系統(tǒng)選星、多系統(tǒng)完好性等技術(shù)都是需要解決的重點問題。

2.1 多系統(tǒng)時間基準及轉(zhuǎn)換

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，時間量在觀測量獲取以及衛(wèi)星的幾何觀測和運動信息描述上具有重要意義，因此時間是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要基準。時間統(tǒng)一是多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容定位的基礎(chǔ)，擁有高精度的時間基準才能實現(xiàn)高精度的導(dǎo)航與定位。現(xiàn)在各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都擁有各自獨特的時間基準，相互之間存在著恒定的差值，需要一系列的時間轉(zhuǎn)換算法才能實現(xiàn)各系統(tǒng)之間時間基準的統(tǒng)一與兼容。

GPS系統(tǒng)時是以協(xié)調(diào)世界時UTC為基準，是衛(wèi)星原子鐘和各地面監(jiān)控站的時鐘讀數(shù)的統(tǒng)計處理結(jié)果。GPS系統(tǒng)時沒有跳秒修正，與UTC時在1980年1月6日零時是重合的。在此之后，GPS系統(tǒng)時與UTC的整秒差異隨UTC的跳秒而改變，由時間服務(wù)機構(gòu)定期進行公布。GLONASS采用系統(tǒng)特有的時間基準，它基于前蘇聯(lián)的協(xié)調(diào)世界時UTC，兩者之間差值保持在1 ms以內(nèi)。由于GLONASS系統(tǒng)時保持與UTC同步整秒校正，因此兩者之間不存在整秒差值。但是由于GLONASS地面監(jiān)控段的工作特點，兩者之間恒存在3 h的差值。GALILEO時間系統(tǒng)保持與國際原子時的偏差在33 ns以內(nèi)，它與UTC時在1999年8月22日零時重合。而北斗時采用了中國國家授時中心提供的UTC作為基準，兩者之間存在跳秒改正差值。北斗時起始點與UTC時在2006年1月1日的零點重合。

在多系統(tǒng)兼容接收機進行位置解算過程中對系統(tǒng)時間的處理通常采用兩種方案[8]，一種是采用基于UTC時，采用時間轉(zhuǎn)換算法將不同系統(tǒng)的時間轉(zhuǎn)換到相同的基準下；然而實際上在實際的多系統(tǒng)兼容定位中，大多數(shù)情況下并不做復(fù)雜的時間系統(tǒng)的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，而是直接將系統(tǒng)之間時間差當做“接收機鐘差”未知數(shù)進行解算。這是因為各個系統(tǒng)的UTC修正參數(shù)存在各自的偏差，很難將各個系統(tǒng)的時間統(tǒng)一到同一時間基準下。把系統(tǒng)之間的時間差當做未知數(shù)求解，不僅可以準確求出系統(tǒng)間的時間差，還可以避免時間轉(zhuǎn)換過程中的誤差帶來的定位精度影響。

2.2 多系統(tǒng)坐標基準與轉(zhuǎn)換

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過衛(wèi)星發(fā)播測距信號，提供衛(wèi)星坐標、時間等基準信息，以提供用戶定位的手段。對于多系統(tǒng)兼容接收機來說，由于不同系統(tǒng)所采用的坐標基準不同，必須研究不同系統(tǒng)之間的坐標基準及其轉(zhuǎn)換關(guān)系。此外，在不同應(yīng)用場合下，接收機也常需要采用不同坐標形式進行輸出定位結(jié)果，必須研究不同坐標形式及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系[9]。不同系統(tǒng)的坐標基準如表1所示。

表1 不同系統(tǒng)的坐標基準

WGS84、GTRF和CGCS-2000 坐標系與國際地球參考框架(ITRF)的一致性較高，約為 5 cm。對精度要求不高(精度低于 5 cm)的用戶來說，可認為三者是相互兼容的，無需再進行坐標轉(zhuǎn)換，但對高精度用戶而言，則必須考慮它們之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換。不同的坐標系可以通過平移和旋轉(zhuǎn)進行轉(zhuǎn)換。目前，坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型可以采用 Bursa Model(布爾沙模型)或者Molodensky Model(莫洛金斯基模型)?？梢宰C明兩種模型具有等價的轉(zhuǎn)換結(jié)果。通常情況下，地心坐標系下采用 Bursa Model，而參心坐標系下采用Molodensky Model。

2.3 多系統(tǒng)快速選星算法

隨著GPS和GLONASS系統(tǒng)的現(xiàn)代化升級以及BD2和GALILEO系統(tǒng)的快速建成，未來在多系統(tǒng)星座分布條件下，多系統(tǒng)兼容接收機的可見衛(wèi)星將達到數(shù)十顆。為了兼顧定位精度和設(shè)計的簡化原則，需要從多顆可見衛(wèi)星中選擇幾何分布最好的數(shù)顆衛(wèi)星。為此，需要根據(jù)定位精度需求，從多個系統(tǒng)的較多可視衛(wèi)星中選擇部分衛(wèi)星進行定位解算，以達到在定位精度和導(dǎo)航運算量之間的均衡，這就是所謂的選星原則。

早在20世紀70～80年代就出現(xiàn)了若干經(jīng)典的選星算法，包括最佳幾何精度因子法[10]、最大矢端四面體體積法[11]、準最佳法、最大正交投影法[12]、綜合法等眾多算法[13]。但是學些選星算法都是針對單系統(tǒng)下的4顆衛(wèi)星組合所提出的選星算法，且這些算法都存在計算量大，實時性不好，不適合多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等問題。為了減小計算量解決多系統(tǒng)多星的選星問題，文獻[14]提出了一種基于模糊數(shù)學和準最佳法的模糊選星法、基于仰角和方位角的快速選星算法。模糊選星法在準最佳選星法中融入模糊數(shù)學中的綜合評判的思想，減少了選擇最后兩顆衛(wèi)星的計算量。基于仰角和方位角的快速選星算法實際上在最大矢端四面體體積法的基礎(chǔ)上進行了改進，提高了選星效率的同時，將原來只能選出4顆衛(wèi)星的體積法擴展為選多顆星的情況。文獻[15]利用一些交叉學科基于遺傳算法提出了一種基于遺傳算法的選星算法，文獻[16]也基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思想提出了一種GPS衛(wèi)星的最佳選星算法。文獻[17]專門針對多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)問題，提出了一種基于凸面幾何學的多星座選星算法，解決多系統(tǒng)選星問題。

2.4 接收機自主完好性檢測

完好性是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標之一，導(dǎo)航接收機尤其是多系統(tǒng)兼容接收機必須具備完好性監(jiān)測能力。接收機自主完好性檢測就是利用實時的導(dǎo)航信息來評估系統(tǒng)的完好性，也就是說，因為衛(wèi)星發(fā)生故障或者由外界誤差源造成定位失效時，接收機可以及時檢測到故障、發(fā)出告警信號，并且能夠保證在系統(tǒng)正常運行的情況下排除故障。完好性關(guān)心用戶在導(dǎo)航應(yīng)用過程中定位誤差是否在所允許的誤差以內(nèi)，這個誤差為告警限值。當用戶定位誤差超過告警限值時應(yīng)該及時告警，保證用戶的安全性，但當定位誤差沒有超限時不應(yīng)該頻繁出現(xiàn)誤警，否則會降低可用性。

接收機自主完好性檢測技術(shù)是傳統(tǒng)單系統(tǒng)接收機解決完好性的較理想方法。從80年代中期開始，文獻[18～19]最早開始研究RAIM算法，提出了經(jīng)典的快照算法和濾波算法，之后的各種RAIM算法都是此算法基礎(chǔ)上發(fā)展完善來的?？煺账惴ㄓ捎谟嬎愫唵吻倚阅芎芎玫臐M足了時間要求而成為RAIM研究的主要趨勢。隨著多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，有關(guān)RAIM的研究集中在多系統(tǒng)故障下的RAIM以及故障檢測識別等方面。文獻[20]研究了多故障環(huán)境下關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置，以及多故障下的RAIM故障檢測算法。Lee Y C改進了單系統(tǒng)的RAIM算法，提出了針對多系統(tǒng)定位域一致性比較的RRAIM算法。國內(nèi)學者自20世紀90年代開始對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)RAIM技術(shù)的研究，針對導(dǎo)航系統(tǒng)的完備性檢測的理論和應(yīng)用并通過實驗比較分析展開了研究。隨著多導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)，國內(nèi)學者也對包括北斗系統(tǒng)在內(nèi)的多系統(tǒng)組合的完好性檢測算法展開研究[21-22]。薛瑞等研究了多頻多系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性，并提出了一種基于偽距誤差包絡(luò)的多頻完好性檢測方法，增加了衛(wèi)星導(dǎo)航的可用性。

3 結(jié)束語

隨著導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的發(fā)展，多系統(tǒng)兼容的接收機成為重要的發(fā)展趨勢。在多系統(tǒng)兼容定位中，由于可見衛(wèi)星數(shù)量的增加，有效提高了接收機的定位精度、完好性、可靠性等性能。針對多系統(tǒng)兼容接收機中的關(guān)鍵技術(shù)，本文從多系統(tǒng)時間基準及轉(zhuǎn)換、多系統(tǒng)坐標與轉(zhuǎn)換、多系統(tǒng)快速選星與接收機自主完好性檢測幾個方面進行了具體分析。目前在多系統(tǒng)兼容的快速選星算法和完好性檢測方面的研究還不充分，如何實現(xiàn)高效快速的實現(xiàn)選星與完好性檢測還需要做進一步研究。

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Reviews on Key Techniques in Multiple Systems Combined GNSS Receivers

HONG Bingqing1, QIN Xinxian1,2,3, CHEN Haiqiang1,2,3

(1.School of Computer and Electronic Information, Guangxi University,Nanning 530004,China; 2.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Multimedia Communications and Information Processing, Guangxi University,Nanning 530004,China; 3.Guangxi Key Laboratory of Multimedia Communications and Network Technology(Cultivating Base),Guangxi University,Nanning 530004,China)

The global navigation satellite system is one of the fastest and most popular hot spots in the field of information technology. With the continuous development and improvement of the navigation satellite, the application of multiple system compatible satellite navigation system has become the trend of the development of the satellite navigation. In the design of multiple systems combined GNSS receivers, the space-time conversion algorithm, fast satellite selection algorithm and the integrity detection of the navigation system seriously affect the performance of the navigation receiver. Based on some key technologies in the design of multiple systems combined GNSS receivers, this paper expounds the development status of the current multiple systems combined GNSS receivers, and prospects the research emphases of the future multiple systems combined GNSS receivers.

satellite navigation system; multiple systems combined; fast satellite selection algorithm; integrity detection

2016- 07- 29

國家自然科學基金(61072153)

洪冰清(1990-)，女,碩士研究生。研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航基帶信號處理算法。覃新賢(1963-)，男，博士，教授。研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航基帶信號處理算法等。陳海強(1976-)，男，博士，教授。研究方向：編碼理論和中繼系統(tǒng)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.06.042

TN965.5;P288.4

A

1007-7820(2017)06-150-05