1、导航定位技术之接收机导航定位技术与计算机之GNSS接收机 引言:GPS由三部分组成:空间星座部分,地面监控部分和用户设备部分组成。接收机是用户部分的核心，我国在卫星设计和航天测控领域均取得了长足的进步，但在导航接收机领域却尚处于起步阶段；同时开发新一代的全球导航系统，导航接收机的研究有着举足轻重的作用。一GNSS接收机的发展现状与趋势1.接收机终端是卫星导航系统的重要组成部分,是卫星导航系统与广大应用的主体-用户的唯一接口,是市场规模最大和产业化最核心的环节,卫星导航应用的价值最终需要通过接收机才能得以实现.目前,世界上使用最广泛的接收机是GPS接收机,产品也多达数百种.这些产品按其用途可分为
2、导航型接收机,测地型接收机,和授时型接收机等;按工作原理分可分为码相关型接收机,平方型接收机,混合型接收机和干涉型接收机等;按照接收机的通道来分则可分为多通道接收机,序贯通道接收机和多路复用通道接收机等;按动态围可分为低动态,中动态,高动态等,不胜枚举【1】.。从1981年第一台民用GPS接收机问世以来，GPS接收机有了长足进步。从只供少数人使用的笨重昂贵到体积，质量，功耗，成本的不断降低，从单通道单频单系统单一功能到多通道多频多系统多功能，从模拟和分立器件到数字化芯片化和软件化。2.卫星导航技术是各航天大国竞相发展的热门领域,为了保持导航系统的先进性和有效性,世界各国在卫星导航系统相关技术方
3、面积极地推进和发展.。不仅有Galileo和QZSS等卫星导航系统正在研究设计中，GPS和GLONASS等现有的卫星导航系统也在不断地升级和改进.。GPS现代化计划包括发射第二种民用信号L2C，为救生服务设计的第三种民用信号L5以及新的军用码M码；GLONASS正在进行差分GLONASS的改进以及空间断的提高【2】.。伴随着全球卫星导航系统的全面升级和发展，卫星导航接收机也呈现出以下的新的发展特点【3】：(1)多系统兼容接收机是技术发展的大趋势。当前和今后的若干年卫星导航系统的发展将经历从GPS时代到GNSS时代的转变,即由主要依赖GPS向GPS+Galileo+其他系统的多系统并存的局面转化
4、，尤其是Galileo系统的最终完成部署将预示着GNSS时代的正式开启。由于GNSS在可用性，连续性和完好性方面的保障远比单一GPS好，所以GNSS兼容接收机将是未来接收机技术发展的大趋势。一旦以民用为主的Galileo系统投入完全工作状态，实现与GPS的互操作，有可能形成Galileo/gps组合的GNSS兼容接收机批量市场，在性能价格比上将大大超过单一系统的接收机，从而可以形成大批量应用的GNSS兼容接收机市场，实现产业化。(2)与移动通信的融合及室定位是应用市场的客观需求。卫星导航能与电子信息产业中的多个领域实现设备与信息的互相渗透和融合，其中以无线通信尤其是蜂窝通信为最优先的融合对象。
5、与蜂窝通信的融合使卫星导航显示出活力无限的发展态势，使一切静止和移动目标的实时监控成为可能。两种技术的融合，真正保证在任何地方任何时刻，实现定位和监控服务，AGPS（用网络辅助GPS）的应用就是一个鲜明的例子。卫星导航本来大多应用与户外空旷地区，随着与蜂窝通信的结合，室定位被提上日程，于是有了高灵敏度接收机的应用要求，而且要比原先的灵敏度高出10db30db。这是一个很大的难题，因为卫星导航接收机原先就已经是灵敏度很高的设备，而且室环境在多径效应和干扰噪声等方面显得更为苛刻与复杂，所以干扰和多径效应缓解技术方面的研究成为导航界十分重视的研究课题。(3)高精度是卫星导航接收机追求的目标，并且越来
6、越重视环境对测量定位精度的影响。其突出表现是Galileo系统明确地在GPS的老三段（空间段，地面段，用户段）上加了新的一段，即环境段，直接把电离层，对流层，多径效应和电磁干扰等一系列问题摆到前台作为当务之急来解决。同时Galileo系统的信号采用BOC（Binary Offset Carrier）调制，在抗多径方面相比于BPSK调制，也有着独特的优势。所有这些，都是为了解决高精度测量的问题，使其导航定位精度将比当前GPS高一个量级。(4)软件无线电接收机越来越显示出其举足轻重的地位。软件无线电是一种新的无线通信体制结构，将软件无线电引入到卫星导航接收机的研究中，可以实现接收机的软件化设计。软
7、件无线电接收机，简称软件接收机，结构具有非常强的通用性，可用来实现多频段，多用户和多体制的通用接收机，使得接收机在性能，尺寸，重量和功耗方面具有巨大的优势。软件接收机既方便接收机的升级换代，也方便编程，灵活验证各种软件算法。在卫星导航接收机领域，软件化趋势日益明显，软件接收机研究开发平台成为为设计与仿真，实验测试与算法验证的重要手段。在接收机中像相关器这样关键硬件模块也在实现软件化；接收机的主要功能如信号捕获跟踪和导航数据获取与解算，都可以用软件方法实现多样化选择；在算法的选择上，不仅不断地实现卡尔曼虑波和快速傅里叶变换的花样翻新，还引入了模糊逻辑学，小波技术和神经网络技术等。二我国卫星导航定
8、位系统建设和发展的现实需求伴随着GNSS建设和应用的热潮,我国越来越重视卫星导航系统和技术的发展.。我国已经建成的第一代北斗卫星导航系统BD-1解决了卫星导航定位系统的有无问题。BD-1将导航定位，双向数据通信和精密授时结合在一起，系统自身包含广域差分标校以提高定位精度，是一个成功实用投资很少的初级起步系统。但BD-1卫星导航系统本质上是主动式二维定位，很难满足高动态和的军事应用需求；依赖于地面中心站提供数字高程图数据和用户机发上行信号，从而使系统用户容量，导航定位维数，隐蔽性方面等受到限制，在信号体制上很难与国际上的GPS,GLONASS及将来的Galileo系统兼容。因此，中国还需要在BD
9、-1卫星导航系统成就的基础上发展第二代卫星导航系统以满足国家今后对卫星导航应用和长远军事战略的需求。据新华网报道，卫星发射中心2007年4月14日凌晨4时11分用长征3号甲运载火箭，成功将一颗北斗导航卫星送入太空，飞行在高度为2.15万千米的中轨轨道。这颗卫星的发射成功，标志着我国自行研制的BD-2卫星导航系统进入新的发展建设阶段【4】。新系统将向无源导航高精度导航全球覆盖的方向有计划的演进。BD-2卫星导航系统每颗卫星均配备RNSS载荷，每个导航信号均正交调制有普通测距码和精密测距码。如此，BD-2卫星导航系统在信号体制上实现了与GPS信号调制方式的同一性，也为GPS接收机技术可以顺利转移到
10、BD-2卫星导航系统接收机中提供了保证。在致力于建设自主的BD-2卫星导航系统的同时，我国相继出台了一系列计划和措施扶植GNSS核心技术研发，基础产品制造，应用示工程建设，标准规和信息服务体系建立等。其中卫星导航接收机底层核心技术则是论证和测试新系统的重中之重，其所产生的社会和经济效益将是巨大而久远的。而在军用领域，研制出 具有自主知识产权的高性能导航接收机及核心芯片，对于保障国防安全则无疑是必要而迫切的。卫星导航接收机的设计融合了卫星导航，无线通信，嵌入式系统，空间信息技术等多项专业领域的知识，其技术门槛相对较高，需要大量长期的投入。新一代多系统兼容的高性能接收机不断显现出复杂程度加深和开发
11、周期紧迫的两大特点，要在更短的时间将更多的功能，更高的性能，丰富的技术含量集成于所开发的产品中，必须依赖于先进的设计开发及测试验证方法，平台和工具。在此背景下，卫星导航软件接收机关键技术的研究应运而生。三研究的重要意义所谓软件接收机，就是在接收机设计中融入了软件无线电的思想其宗旨是在尽量靠近天线处开始灵活可配置的软件化数字处理。全新的设计思想和体系结构，突破了接收机以往功能单一，可扩展性差和以硬件为核心的设计局限。软件接收机具有前端硬件的可重用性，软件的可升级性，功能的可配置性，以及平台的通用性，灵活性，开放性，成为卫星导航接收机的发展方向。 仅仅从模拟到数字的转变是不够的。以前的数字信号处理
12、通过专用硬件（ASIC）实现。ASIC意味着要引入新频率，处理新信号或改善算法都要购买新的接收机；而软件接收机具有硬件通用性和系统可重配置性，可以很容易地通过更新程序来实现接收机的升级换代。软件化使引入新频率，支持新码信号捕获跟踪的代价最小化。引入新频率所带来的影响可以到仅对射频模块的滤波器做简单改动，而对新码信号捕获跟踪的支持只是软件围的修改。模块化的硬件结构和灵活的可重编程设计允许将软件接收机配置为支持不同类型的应用。除了RF前端之外，软件接收机其他部分均可以构建为一个软件模块，从而与其他子系统共享板载存储器，处理器等资源。另一方面,更靠近RF的软件化数字信号处理,使GNSS信号观测量能够
13、达到更高的精度水平,同时更够方便有效地采用各种信号处理优化技术,例如,采用自适应处理,块处理多径效应消除等技术来改进性能。从科研和产品开发的角度来看，软件接收机可以作为深入到接收机部触及其底层核心技术，尝试各种新应用，新体制，新算法的有效研发平台。软件接收机的开发在整个卫星导航系统尤其是用户接收机设计开发和验证测试中占据重要地位，是在系统研发阶段经常使用的方法。在Galileo系统方案论证和研发阶段的系统级仿真工具和试验系统GSSF和GSTB中，纯软件仿真和半实物模拟设备形式的接收机发挥了不可替代的的作用。 GNSS信号模拟器用来模拟产生各种实际环境下的GNSS信号，为接收机尤其是灵敏度，高动
14、态接收机的调试和测试提供一个仿真信号源，也可用于系统级仿真实验。高动态接收机实验条件和环境的建立成本高，周期长，而通过模拟器产生高动态载体接收到的GNSS卫星信号可以在实验室环境中接收机静止的条件下测试其动态性能，是接收机设计验证，测试评估的有效手段。模拟器还具有利用实际卫星信号测试所无法比拟的另一个优点-提供一种可以再现的，可控的测试环境。将软件接收机及相关的测试分析工具有机集成在一起可构成完整的供导航接收机研究开发，设计实验和测试评估使用的平台。在此平台之上，可以方便地进行接收机结构，功能，性能的测试和优化，信号特性的研究，信号处理方法的探讨，接收机各组成单元一些关键参数设计以及设计的验证
15、等。例如，对于先进信号处理方法的研究，不需要重新开发硬件相关器芯片，只需将信号处理软件升级即可；利用软件中频信号模拟器作为测试源，在软件接收机平台上可以得到有足够说服力的实验结果。对接收机和芯片的设计而言，这种闭环的系统结构保证了在研发早期就可以见到预期的结果，从而能够及时发现问题和解决问题，从被动地测试成品转向主动地去寻求一个最佳的设计。对适应未来新信号体制的新一代GNSS接收机的研制，在新的卫星发射之前就可以展开，大大加快了新型接收机的研制进程。终上所述，对卫星导航软件接收机的研究有着迫切而现实的意义，为发展我国卫星导航软件接收机技术的自主知识产权成果探索途径，为新一代高性能GNSS接收机
16、的设计积累宝贵的经验，同时也将为GNSS接收机科学研究，产品开发，教学培训提供一种有效的技术手段。四国外卫星导航软件接收机研究概况软件接收机的研究，起源于对GPS信号的分析和各类新算法的测试仿真，主要研究L1频率的C/A码信号。GPS接收机由硬变软的重要标志是软件无线电结构接收机的出现，软件接收机是当前研究的热点，我国航空航天大学其善教授领导的课题组在20世纪90年代末研制出了GPS软件接收机样机。早期的软件接收机的研究，由于受器件的影响，主要致力于跟踪环路及后续导航解算的软件化，而对计算量要求较高的相关器，仍是使用现成芯片，例如原Mitel公司的Gp021；另外，一些GPS研究人员利用业余时
17、间开发的开放源代码的GPS软件接收机计划，也大多使用相关器芯片。在10N2003上，举行了GPS接收机开源计划会议，会上总结了GPS开原计划的软件开发经验和当前研究现状【5】。随着IC技术的发展及PC中CPU的更新换代，目前，严格意义上的软件接收机，应该从RF前端获得中频数据后，信号的捕获，跟踪，导航解算均由软件实现。美国Data Fusion Corporation于2001年推出了Matlab的形式的IF软件接收机，可以灵活的评测各种技术改进；随之又开发出了信号源工具，从而构成了一整套完整的GPS单频LIC/A码软件开发测试平台。2001年美国Stanford大学与瑞典Lulea科技大学合
18、作设计了GPSL1四通道实时软件接收机gpsrx,从数字IF信号的相关运算到定位解算全部采用使用ANSIC语言编程实现，可以运行在低端的通用处理器，DSP或移植到其他处理器上。2003年有合作研究了RF直接采样的前端，以及多频GPS/Galileo接收机的设计。采样数据存储到PC中由软件进行处理。RF直接采样技术和多星座兼容性设计充分体现了软件接收机未来的发展趋势。美国Center for Remote Seeing Inc.于2003年开发出一套具有开放式结构的GPS软件接收机开发与测试平台。2003年，美国Cornell大学开发了一套12通道单频实时GPS软件接收机，采用2bit的IF采样
19、，使其可以在使用AMD的1.73GHZ处理器的普通PC上实现12通道的实时处理。2004年又开发出一套双频实时GPS软件接收机。 1997年，美国俄亥俄大学D.M.Akos的博士论文中较早的研究了GPS软件接收机设计的软件无线电方法，2002年，D.M.Akos与Per-Luding Normark教授合作在瑞典创立了Nordnav公司；2004年推出了入门级软件接收机R25，随后推出了增强版R30；2005年，发布了支持Galileo信号的软件升级包；2006年，发布了第一个用于移动的嵌入式软件接收机。 丹麦Alborg大学GPS中心研制软件接收机主要为研制Galileo接收机服务。2004
20、年该中心研制出基于Matlab的GPS软件接收机样机，在10N2005上，提出了单频GPS和Galileo软件接收机研制方案。 日本凭借在电子信息领域的技术优势，很快在GPS接收机OEM板，GPS接收机芯片市场占据了一席之地。2004年7月，东京大学空间信息科学中心完成了软件接收机的捕获与跟踪研究；2004年9月，完成了基于右旋圆极化和左旋圆极化天线的软件接收机抗多径干扰分析【6】；紧接着发表了基于GPS软件接收机的GNSS发展构想。近年来，在GPS软件接收机研究方面，取得了很大的进步，为建立日本的QZSS系统做着积极的准备。国随着BD-1卫星导航系统的投入使用和BD-2卫星导航系统的建设，接
21、收机设计技术有了较快的发展，目前，已经有了手持，车载等多种型号的BD-1卫星导航用户接收机，但基本是使用或ASIC固件实现的。以研究BD-2卫星导航系统软件接收机为契机，加上国家大力扶持，未来必将在世界导航接收机研究与应用领域占领一席之地。参考文献：【1】明峰，宝红，三枝。GPS定位技术及其应用。：国防工业出版。社，2006:86-87.【2】边少锋，文魁，卫星导航系统概论。：电子工业，2005【3】冲，卫星导航接收机技术的发展趋势。（2007-1）【4】彦新，我国成功将一颗北斗导航卫星送入太空。（2007-4）【5】Open Souse GPS at ION GPS/GNSS 2003EB/OJ【6】Manandhar D,Shibasaki R.GPS Signal Analysis using LHCP/RHCP Antenna and Softwalfare GPS ReceiverA.ION GNSS 2004,Long Beach,21-24 September 2004:2489-2498理工大学课程论文课程名称：导航定位技术概论 论文题目：导航定位技术与计算机之GNSS接收机 姓 名： 清 伟 学 号： 1106840315 成 绩： 任课教师评语： 签名： 年 月 日
