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(duì)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(lái)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(wàn)種型號(hào)的接收機(jī)進(jìn)入商用市場(chǎng)。

　　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(cè)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(lái)，GNSS接收機(jī)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在高端的科學(xué)和工程應(yīng)用中，其功能越來(lái)越強(qiáng)大，能同時(shí)接收所有可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低噪聲測(cè)量及無(wú)碼與半無(wú)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(chǎng)，與無(wú)線移動(dòng)通信結(jié)合的定位手機(jī)也已問(wèn)世，個(gè)人應(yīng)用市場(chǎng)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?；镜腉NSS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(lái)的磁帶軟盤，變成價(jià)廉物美的閃存或半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，體積也越來(lái)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(lái)的無(wú)線電信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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(zhǎng)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(jiàn)衛(wèi)星信號(hào)。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(hào)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(hào)，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(lái)的輸入信號(hào)，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(hào)進(jìn)行混頻，形成中頻信號(hào)。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(hào)除了在載波頻率上變低以外，RF信號(hào)的所有調(diào)制信號(hào)信息都轉(zhuǎn)移到中頻信號(hào)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(duì)中頻信號(hào)，而是直接對(duì)RF信號(hào)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(hào)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(cè)量、機(jī)載GPS定位和測(cè)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(cè)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(cè)深狀態(tài)和系統(tǒng)工作正常與否，管理機(jī)載測(cè)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(hào)，經(jīng)過(guò)A/D后送給DSP進(jìn)行處理。它要完成對(duì)GNSS信號(hào)的跟蹤和解碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)子采用信號(hào)相關(guān)處理，以及基本的跟蹤測(cè)量。

　　◆GPS C/A碼信號(hào)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(hào)將不同的收星信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，信號(hào)的搜索、捕獲和跟蹤才能一步步地實(shí)現(xiàn)。找到信號(hào)后，需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)重要參量：一個(gè)是C/A碼周期的開(kāi)始，另一個(gè)是輸入信號(hào)的載波頻率。因?yàn)椴煌男l(wèi)星信號(hào)，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(hào)，并獲得其載波頻率。

　　隨后便可以由搜索捕獲過(guò)程，進(jìn)入跟蹤程序。

　　◆GPS信號(hào)跟蹤

　　為了跟蹤一個(gè)信號(hào)，必須針對(duì)輸入信號(hào)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(hào)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(hào)而變。實(shí)際的跟蹤過(guò)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(hào)隨著輸入信號(hào)頻率而變化，輸入信號(hào)的相位和本機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)相位通過(guò)相位比較器進(jìn)行比相，相位比較器的輸出則通過(guò)寬帶濾波器。由于跟蹤電路的帶寬很窄，所以對(duì)比相器輸出結(jié)果的響應(yīng)靈敏度要求很高。對(duì)輸入信號(hào)跟蹤過(guò)程的結(jié)果就是導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息。在跟蹤過(guò)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(hào)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(hào)的距離和多普勒的跟蹤測(cè)量，控制數(shù)字部分中的跟蹤環(huán)路；

　　（2）采集GNSS信號(hào)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(guò)給跟蹤環(huán)提供信息，輔助并加速對(duì)衛(wèi)星的跟蹤；

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

　?。?）利用載波相位測(cè)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(chǔ)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(lái)，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。

　?。?）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(cè)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(cè)地型接收機(jī)

　　測(cè)地型接收機(jī)主要用于精密大地測(cè)量和精密工程測(cè)量。這類儀器主要采用載波相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)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(tái)及無(wú)線通信、電力網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步。

　?。?）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(hào)，測(cè)定載波相位觀測(cè)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(hào)。利用雙頻對(duì)電離層延遲的不同，可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)的延遲影響，因此雙拼接收機(jī)可用于長(zhǎng)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(hào)，為了分離接收到的不同  衛(wèi)星的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤、處理和測(cè)量，具有這樣功能的器件稱為天線信號(hào)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)。

　?。?）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(cè)值。

　　◆平方型接收機(jī)

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

　　通過(guò)相位計(jì)測(cè)定接收機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的載波信號(hào)與接收到的載波信號(hào)之間的相位差，測(cè)定偽距觀測(cè)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(cè)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(cè)量方法，測(cè)定兩個(gè)測(cè)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(wú)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(shì)。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(shuō)，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(yǔ)言之上的一種全新的導(dǎo)航定位國(guó)際應(yīng)用規(guī)范，并成為廣域移動(dòng)物體實(shí)現(xiàn)無(wú)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(lái)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）