摘要：從天線、RF、DSP和微處理器等方面介紹了GNSS接收機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性，根據(jù)用途、工作原理、接收頻率等對GNSS接收機(jī)進(jìn)行不同的分類，而且詳細(xì)介紹了各種不同類型接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，論述了技術(shù)發(fā)展才是GNSS產(chǎn)業(yè)生存和可持續(xù)發(fā)展的靈魂。目前GNSS接收機(jī)在各行各業(yè)的引入和推廣，已使傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變革，特別是車載導(dǎo)航儀和手持用戶機(jī)給人們實(shí)實(shí)在在帶來了便利，GNSS必將成為一種、活躍、滲透力的社會(huì)生產(chǎn)力。

　　1.引言

　　衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)已在廣泛應(yīng)用，其廣泛應(yīng)用的物質(zhì)基礎(chǔ)是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，目前應(yīng)用主要的是GPS接收機(jī)，應(yīng)用數(shù)量多的則是單頻C/A碼民用導(dǎo)航接收機(jī)。除了這種普遍適用于民用的接收機(jī)外，還有雙頻接收機(jī)，GPS/GLONASS雙系統(tǒng)兼容機(jī)，以及軍用接收機(jī)等。據(jù)《GPS WORLD》雜志報(bào)道，現(xiàn)在有上千余家接收機(jī)生產(chǎn)制造商，共有上萬種型號的接收機(jī)進(jìn)入商用市場。

　　GNSS接收機(jī)有多種多樣的類別，分為C/A碼與P碼、單頻與雙頻、導(dǎo)航與定位、授時(shí)與測量、手持、機(jī)載、彈載、星載，以及其他各不相同的類型。十多年來，GNSS接收機(jī)技術(shù)有了長足的進(jìn)步。在高端的科學(xué)和工程應(yīng)用中，其功能越來越強(qiáng)大，能同時(shí)接收所有可見衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)低噪聲測量及無碼與半無碼工作，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)求解整周模糊數(shù)。

　　在低端應(yīng)用中，手持導(dǎo)航接收機(jī)的價(jià)格降到100美元以下，具備了大批量進(jìn)入大眾化應(yīng)用的條件，手表型導(dǎo)航儀也已進(jìn)入市場，與無線移動(dòng)通信結(jié)合的定位手機(jī)也已問世，個(gè)人應(yīng)用市場展現(xiàn)了巨大的發(fā)展前景。許許多多的應(yīng)用拓廣都?xì)w功于GNSS接收機(jī)數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步。基本的GNSS接收機(jī)已經(jīng)可以在單個(gè)芯片中，數(shù)據(jù)記錄技術(shù)也有了明顯發(fā)展，從原來的磁帶軟盤，變成價(jià)廉物美的閃存或半導(dǎo)體存儲器，體積也越來越小。

　　2.發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1 天線

　　GNSS接收天線的作用，是將衛(wèi)星來的無線電信號的電磁波能量變換成接收機(jī)電子器件可攝取應(yīng)用的電流。天線的大小和形狀十分重要，因?yàn)檫@些特征決定了天線能獲取微弱的GNSS信號的能力。根據(jù)需要，GNSS接收天線可設(shè)計(jì)成能夠工作在單一的L111頻率上，也可以工作在L1和L2兩個(gè)頻率上。由于GNSS信號時(shí)圓極化波，所以所有的接收天線都是圓極化工作方式。由于有多種多樣的條件限制，便有多種不同的天線類型存在，如單極化的、雙極化的、螺旋的以及微帶天線。微帶天線由于其耐用性和相對容易操作，所以成為應(yīng)用為普遍的一類天線。其形狀可以是圓形也可以是正方形或長方形，如同一塊敷銅的印刷電路板。它由一個(gè)或多個(gè)金屬片構(gòu)成，所以GNSS天線常用的形狀是塊狀結(jié)構(gòu)。由于天線可以做得很小，因此可適合于個(gè)人手持應(yīng)用。

　　天線的另一個(gè)主要特性，是其增益圖形，即方向性。利用天線的方向性可以提高其抗干擾和抗多路徑效應(yīng)能力。在定位中，天線的相位中心的穩(wěn)定性是個(gè)很重要的指標(biāo)。但是，在普通的導(dǎo)航應(yīng)用中，人們希望用全向天線，至少能接收天線地平以上5°視野內(nèi)天空中所有的可見衛(wèi)星信號。微帶天線通常有個(gè)接地平板作為地網(wǎng)。由于到達(dá)接收機(jī)的GNSS信號一般都比較微弱，所以往往采用有源天線，所謂有源天線，是指天線中裝有RF前置放大器或低噪聲放大器。

　　2.2 模擬（RF部分）

　　GNSS接收機(jī)的RF部分，是將GPS的L1頻率信號，轉(zhuǎn)換成較低的頻率，即中頻，從而易于進(jìn)行放大處理。這種變頻通常稱之為混頻，通常是將天線送來的輸入信號，經(jīng)低噪聲放大器的濾波和放大，與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波信號進(jìn)行混頻，形成中頻信號。大部分GNSS接收機(jī)的本振，采用的是精密的石英晶體振蕩器為基準(zhǔn)的頻率綜合器。中頻信號除了在載波頻率上變低以外，RF信號的所有調(diào)制信號信息都轉(zhuǎn)移到中頻信號上。

　　在GNSS接收機(jī)模擬部分與數(shù)字部分之間必須有個(gè)數(shù)模（A/D）變換器，有些直接采用接收機(jī)不是面對中頻信號，而是直接對RF信號進(jìn)行A/D采樣。直接采樣不僅需要高速A/D轉(zhuǎn)換器，更重要的是增加了數(shù)字部分的處理工作量。

　　2.3 數(shù)字信號處理（DSP）部分

　　該子系統(tǒng)的主要功能是：實(shí)施機(jī)載激光測量、機(jī)載GPS定位和測姿等多種數(shù)據(jù)的集成快速解算，而地算得所探水下目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置。指揮、控制和維護(hù)機(jī)載激光測深系統(tǒng)的在航作業(yè)。協(xié)調(diào)機(jī)上各子系統(tǒng)的同步工作，監(jiān)視測深狀態(tài)和系統(tǒng)工作正常與否，管理機(jī)載測試數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)到機(jī)載數(shù)據(jù)通信控制子系統(tǒng)。

　　通常用下變頻方法得到中頻信號，經(jīng)過A/D后送給DSP進(jìn)行處理。它要完成對GNSS信號的跟蹤和解碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)子采用信號相關(guān)處理，以及基本的跟蹤測量。

　　◆GPS C/A碼信號捕獲

　　GPS接收機(jī)的數(shù)字部分是為了完成跟蹤和解碼工作，必須從采樣信號將不同的收星信號區(qū)分開來，信號的搜索、捕獲和跟蹤才能一步步地實(shí)現(xiàn)。找到信號后，需要測量兩個(gè)重要參量：一個(gè)是C/A碼周期的開始，另一個(gè)是輸入信號的載波頻率。因?yàn)椴煌男l(wèi)星信號，具有不同的C/A碼和不同的起始時(shí)間，以及不同的多普勒頻率。得到了C/A碼的起始時(shí)間，便可以利用這一信息，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，輸出連續(xù)波信號，并獲得其載波頻率。

　　隨后便可以由搜索捕獲過程，進(jìn)入跟蹤程序。

　　◆GPS信號跟蹤

　　為了跟蹤一個(gè)信號，必須針對輸入信號的變化，建立一個(gè)隨之而動(dòng)的寬帶濾波器，當(dāng)輸入信號的頻率隨著時(shí)間變化時(shí)，濾波器的中心頻率也隨著信號而變。實(shí)際的跟蹤過程是，寬帶濾波器的中心頻率是固定的，而本機(jī)產(chǎn)生的信號隨著輸入信號頻率而變化，輸入信號的相位和本機(jī)產(chǎn)生的信號相位通過相位比較器進(jìn)行比相，相位比較器的輸出則通過寬帶濾波器。由于跟蹤電路的帶寬很窄，所以對比相器輸出結(jié)果的響應(yīng)靈敏度要求很高。對輸入信號跟蹤過程的結(jié)果就是導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息。在跟蹤過程中，一般有兩個(gè)跟蹤環(huán)路在工作，一個(gè)是C/A碼跟蹤環(huán)，另一個(gè)是跟蹤信號載波相位的，稱為載波環(huán)。

　　2.4 微處理器

　　微處理器完成的主要任務(wù)有：

　?。?）基于衛(wèi)星信號的距離和多普勒的跟蹤測量，控制數(shù)字部分中的跟蹤環(huán)路；

　?。?）采集GNSS信號的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，包括每個(gè)衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘，以及其他多種信息；

　?。?）通過給跟蹤環(huán)提供信息，輔助并加速對衛(wèi)星的跟蹤；

　?。?）基于距離和多普勒測量及衛(wèi)星軌道信息，計(jì)算接收機(jī)所在位置和速度；

　　（5）利用載波相位測量，可實(shí)現(xiàn)接收機(jī)內(nèi)置的其他計(jì)算；

　?。?）支持用戶接口微處理器的外設(shè)，主要是存儲程序和數(shù)據(jù)以及程序執(zhí)行操作的存貯器。

　　2.5 集成一體化

　　將GNSS接收機(jī)的各個(gè)主要組成部分盡可能地集成到一個(gè)芯片上來，構(gòu)成單片系統(tǒng)，這是理想的結(jié)果，從而可以縮小體積、降低成本，提高可靠性，減少功耗。

　　3.GNSS接收機(jī)

　　GNSS接收機(jī)根據(jù)用途、工作原理、接收頻率等進(jìn)行不同的分類。

　　（1）按接收機(jī)的用途分類

　　◆導(dǎo)航型接收機(jī)

　　此類型接收機(jī)主要用于運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航，它可以實(shí)時(shí)給出載體的位置和速度。這類接收機(jī)一般采用C/A碼偽距測量，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位較低，一般為10m左右。接收機(jī)的價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。

　　◆測地型接收機(jī)

　　測地型接收機(jī)主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要采用載波相位觀測值進(jìn)行相對定位，定位高。儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較貴。

　　◆授時(shí)型接收機(jī)

　　這類用戶機(jī)主要利用GNSS衛(wèi)星提供的高時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時(shí)，常用于天文臺及無線通信、電力網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步。

　　（2）按接收機(jī)的載波頻率分類

　　◆單頻接收機(jī)

　　單頻接收機(jī)只能接收L1載波信號，測定載波相位觀測值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲的影響，單頻接收機(jī)只適用于短基線的精密定位。

　　◆雙頻接收機(jī)

　　雙頻接收機(jī)可以同時(shí)接收L1,L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不同，可以消除電離層對電磁波信號的延遲影響，因此雙拼接收機(jī)可用于長達(dá)幾千公里的精密定位。

　?。?）按接收機(jī)通道數(shù)分類

　　GNSS接收機(jī)能同時(shí)接收多顆GNSS衛(wèi)星的信號，為了分離接收到的不同  衛(wèi)星的信號，以實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和測量，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據(jù)接收機(jī)具有的通道種類分為：多通道接收機(jī)、序貫通道接收機(jī)和多路多用通道接收機(jī)。

　　（4）按接收機(jī)工作原理分類

　　◆碼相關(guān)型接收機(jī)

　　碼相關(guān)型接收機(jī)是利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值。

　　◆平方型接收機(jī)

　　平方型接收機(jī)是利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號，來恢復(fù)完整的載波信號。

　　通過相位計(jì)測定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值。

　　◆混合型接收機(jī)

　　這種儀器是綜合上述兩種接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。

　　◆干涉型接收機(jī)

　　這種接收機(jī)是將GNSS衛(wèi)星作為射電源，采用干涉測量方法，測定兩個(gè)測站間的距離。

　　4.技術(shù)發(fā)展是GNSS產(chǎn)業(yè)生存和可持續(xù)發(fā)展的靈魂

　　以GPS為代表的GNSS應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已逐步成為一個(gè)性的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。技術(shù)發(fā)展是GNSS應(yīng)用這一高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)存在和可持續(xù)發(fā)展的靈魂。實(shí)踐以無數(shù)事實(shí)證明，GNSS應(yīng)用的強(qiáng)大生命力和主要的發(fā)展前景在于與其他系統(tǒng)的相互融合，這也是現(xiàn)代電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)總趨勢。因此，近些年GNSS技術(shù)發(fā)展的總方向是低功耗、小型化和芯片組的商業(yè)化，以及系統(tǒng)功能的透明化（嵌入式）和集成化。技術(shù)的指向主要定位于提供給用戶以價(jià)廉物美、界面友好的便攜式的GNSS組合設(shè)備。

　　概括的說，GNSS技術(shù)已經(jīng)在海、陸、空、天四維空間，任何需要以動(dòng)態(tài)和靜態(tài)方式導(dǎo)航、定位及授時(shí)的設(shè)備或系統(tǒng)中都可以找到用武之地，并成為其中必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。由于GNSS能為地球表面乃至空中和近地軌道空間中的每個(gè)點(diǎn)賦予一個(gè)的三維定位數(shù)據(jù)，因而，這一定位方式已成為超越地域、超越種族、超越語言之上的一種全新的導(dǎo)航定位國際應(yīng)用規(guī)范，并成為廣域移動(dòng)物體實(shí)現(xiàn)無縫隙連續(xù)導(dǎo)航、定位、授時(shí)的技術(shù)之一。GNSS接收機(jī)在各行各業(yè)的引入和推廣，已使傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變革，以其特有的延伸力和穿透力滲透到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的每一個(gè)角落，特別是車載導(dǎo)航儀和手持用戶機(jī)給人們實(shí)實(shí)在在帶來了便利，成為一種、活躍、滲透力的社會(huì)生產(chǎn)力。（作者：張婷，魏鋼，李洪力）