GNSS信號接收機的研制思考── GNSS導航信號的收發問題之十四

劉基余

（武漢大學測繪學院，武漢 430079）

1 引言

GNSS信號接收機，是一部多種衛星導航信號集成應用的接收設備，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，IRNSS等衛星的導航信號，以便在世界上任何地方和任何時侯的陸海空用戶，能夠精確地測得他們的三維位置、三維速度和時間，甚至三維姿態參數，并確保它們達到穩定可靠的高精度。為了充分發揮GNSS信號接收機的優越性，筆者認為，必須認真解決GNSS信號接收機的下述研制難點。

1.1 GNSS信號接收機的優越性

GNSS信號接收機相對于用單一衛星星座的GPS或GLONASS信號接收機而言，具有下述優越性：

圖1 單一GPS星座和GPS，GLONASS，北斗，Galileo混合星座的PDOP值

（1）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衛星，而這4顆衛星所構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，而顯著地放大位置和時間誤差，這個時段稱為“間隙時段”；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，Galileo等多種衛星的導航信號，則可從幾十顆衛星構成的混合星座中選擇適宜的衛星，構成定位星座，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性和可靠性。圖1為2015年9月1日24小時內在武漢地區單一GPS星座（共31顆衛星）和GPS，GLONASS，北斗，Galileo混合星座（共75顆衛星）的PDOP值。從該圖可見，單一GPS星座的PDOP最小值為1.23左右，最大值為3.20以上；而GPS，GLONASS，北斗，Galileo混合星座的PDOP最小值為0.85左右，最大值為1.33左右（接近單一GPS星座的PDOP最小值）。因此，從24小時的PDOP值可知，混合星座將使三維位置測量精度提高40%以上。

（2）能夠實現真正的全球連續的精確導航。當用單一的GPS星座作導航測量時，理論上只需觀測4顆衛星，但試驗結果表明，僅僅觀測4顆衛星難以實現連續的精確導航，特別是在高動態的應用場合，運動載體和GPS衛星之間存在著較大的加速度徑向分量，易于導致接收機跟蹤環路的失鎖。若采用GPS，GLONASS，北斗，Galileo集成接收機，既可在一天的任何時候接收4顆以上的衛星信號，又可選擇徑向加速度較小的衛星構成定位星座，而確保精確導航測量的連續性。

（3）能夠以較短的數據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達70%（如圖2所示）；用GPS/GLONASS混合星座作單頻差分測量的精度比用單一GPS星座作雙頻差分測量的精度，是相似的（如圖3所示）。

圖2 用單一GPS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）

此外，GNSS信號接收機能夠在繁雜的地形和地物環境下，甚至在高樓林立的街區進行可靠的導航定位測量，確保用戶位置的精確測定。即使某一個星座因故不能為我國用戶所用的情況下，而可以采用另幾個星座，以此提高利用外國導航衛星的可靠性，而受到我國一些用戶的特別關注和重用。

1.2 GNSS信號接收機的研制難點

根據美國“GPS World”期刊于2014年第一期的統計報告可知，受訪的47家生產廠商生產了380種GNSS信號接收機，其中，Trimble公司的僅重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，QZSSS，WAAS，EGNOS導航信號，以及OmniSTAR VBS，HP，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GNSS信號接收機現代的高水平性能。如何使我們研制的GNSS信號接收機達到這種高性能水平？筆者建議采用“細致分析系統間的差異、巧妙處理系統間信號的差別點、選擇和使用最佳定位星座”的破解難點之法。

2 細致分析系統間的差異

GPS，GLONASS，Galileo，北斗，QZSS，IRNSS等系統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，這對GNSS信號接收機的研制提供了工作基礎。但是，細致分析這幾系統，它們存在著一些重大差異，值得統籌解決，現予以簡要論述。

2.1 導航信號之異

現代的GNSS導航信號，基本上采用三種載波頻率，各個載頻又調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，只能舉例說明。

圖4A 四大系統的第一導航信號的頻譜圖

圖4B 四大系統的第二導航信號的頻譜圖

圖4C 四大系統的第三導航信號的頻譜圖4 四大系統的導航信號頻譜

Galileo信號和GPS信號雖有許多相近之處，但是，兩者卻有重大差別。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。僅就調制方法而言，Galileo L1A/B信號分別采用BOC(15, 2.5)和BOC(1, 1)調制，而GPS C/A碼和P碼均采用BPSK調制，因此，對它們的捕獲和跟蹤就需要采用相適應的軟硬件。BOC信號的自相關函數是一種多個峰值函數，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GNSS信號接收機分辯主次峰值的難度；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，需要采用不同于捕獲與跟蹤傳統BPSK信號的新技術，以便檢測到正確的自相關峰值，實現偽距的精確測量。

GPS，GLONASS，Galileo，北斗系統的三個導航信號的頻譜圖如圖4所示。2011年2月26日發射的GLONASS-K1衛星增設了第三個導航定位信號(L3)，它的載波頻率為1201.74～1208.51MHz，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衛星發送的L3 OC信號，是采用BQPSK調制方式，而且分為數據通道(I)和導頻通道(Q)，該信號由1202.025MHz的載波、10.23Mc/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。數據通道(I)導航電文速率為50b/s，采用標準的（2,1,7）非系統卷積碼編碼，編碼后符號速率為100s/s。導頻通道(Q)不包含數據。

（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10.23Mc/s，導頻通道(Q)和數據通道(I)的初始狀態(IS)分別為nIS=62和nIS=30。導頻通道和數據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），數據通道采用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）載波的頻率為1175×1.023MHz= 1202.025MHz，它用BPSK調制生成L3 OC信號。GLONASS L3 OC信號是一種高精度和高可靠的民用公開服務信號，該信號與GPS L5信號具有相似性，兩者的調制方式、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2014年才開始由Block III衛星發送給用戶。

2.2 時間系統之異

從日常生活到航天發射，從出外步行到航空航海，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：通信系統、電力網、金融網和其他重要基礎設施的精確同步；無線網絡更有效地利用有限的無線電頻譜；改善網絡的管理及其最優化，使可追蹤的金融交易和票據的時間標記成為可能；通過“共視定時”技術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精確的時間基準，實時地調整系統時鐘。

不過，值得我們特別注意的是：各個衛星導航系統所采用的協調世界時，是由所研發國家的天文臺測定的，而存在微小差異。例如，GPS的UTC(USNO)與GLONASS的UTC(SU)之間相差±1μs左右；其他衛星導航系統所用的UTC如下：日本QZSS系統用UTC(NICI)；Galileo系統用的UTC，是采用德國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)。我國北斗衛星導航系統的時間系統是北斗時（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秒協調世界時（UTC），BDT是一種連續時間的時間尺度，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，BDT的時間系統與GPS時一樣無閏秒。BDT與國際原子時（TAI）存在33s的偏差，即BDT+33s=TAI。北斗時與中國軍用時頻中心（CMTC）的時間進行了比對，得知BDT相對于UTC(CMTC)的偏差小于20ns。需要特別注意的是，目前北斗衛星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衛星時鐘改正，是每一顆GNSS衛星的時鐘相對于GNSS時系的差值。由于相對論效應，衛星時鐘比地面時鐘走得快，每秒約差448微微秒（每天相差3.87×10-5s），因此，GNSS衛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衛星將其時鐘的10.23MHz之標稱頻率減小到10.22999999545MHz的實際頻率。雖經過了這種改正，但是，還需考慮相對論效應所產生的時間偏移并非常數的問題，對于某一顆給定偏心率e的GPS衛星，一階相對論效應改正如式（1）所示

此外，GPS各顆衛星時鐘相對于GPS時間系統的偏差誤差，也需加以改正，其值為

式中，tOC為導航電文第一數據塊的參考時刻；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（鐘速）；a2為時鐘頻率的漂移系數（鐘速變化率，即鐘漂），這些系數分別由第9字碼和第10字碼給出。三個時鐘多項式系數a0a1a2總稱為時鐘參數，且知GPS工作衛星的鐘差和鐘速最小，銫鐘優于銣鐘。根據每顆衛星的時鐘改正△ts和一階相對論效應改正△tR，則可將每顆衛星的時間(tS)化算為統一的GPS時間

各顆GPS衛星的GPS時間，還可依據衛星導航電文提供的相關參數，化算成UTC時間。

圖5 GNSS信號接收機的時間測量圖解

由上述GPS時系改正之例可見，GNSS信號接收機在歸一化時間系統的時間時，應該首先將各顆GNSS衛星的時間經過各自的衛星時鐘改正，進而化算到各自衛星導航系統的UTC時系，然后，還需要對不同的UTC時間做歸一化處理，致使GNSS測量成果處于相同的時間系統。圖5所示的GNSS信號接收機的時間測量圖解表明，僅對兩個不同的衛星導航系統（如第1，2個系統）而言，所測得的GNSS信號傳播時間就不相同（以tm1和tm2示之），而需要對它們做歸一化處理，才能夠獲得精確值。

從圖5可見，GNSS信號接收機所測量的GNSS信號從衛星到達接收機的時間是

式中，△t為GNSS信號從衛星到達接收機的真實傳播時間；△t0為衛星時系與接收機時系之間的時間差異。

由式（4）可知，若要精確測得衛星和接收機之間的真實距離（也稱為站星距離），除了必須化解時間偏差△t0以外，還需要歸一化處理系統間的時間差。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，時間化算是研制GNSS信號接收機的大問題，必須認真予以解決！

2.3 坐標系統之異

1978年2月22日，第一顆GPS試驗衛星的入軌運行，開創了以導航衛星為動態已知點的無線電導航定位的新時代。GNSS衛星是環繞地球運行的，它的運行軌道不斷地通過地球的質心。為了確切地表述作為動態已知點的導航衛星，必需建立一個以地球質心為原點的大地坐標系。例如，GPS衛星全球定位系統采用WGS-84世界大地坐標系（World Geodetic System,1984），GLONASS全球導航衛星系統采用PZ-90.02地心地固基準坐標系（PZ-90.02 Earth-Centered Earth-Fixed reference frame），北斗衛星導航系統采用2000中國大地坐標系（CGCS2000，也稱為2000國家大地坐標系），Galileo全球導航衛星系統采用GTRF大地基準坐標系（Galileo Terrestrial Reference Frame）。由此可見，坐標系是衛星導航系統的重要組成部分之一，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。但是，需要遵循的一定建系原則，致使所建立的坐標系誤差對導航衛星星歷精度的影響能夠忽略不計。對于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。

北斗衛星導航系統采用2000中國大地坐標系（CGCS 2000，China Geodetic Coordinate System 2000）。它是通過全國GPS一、二級網，國家GPSA、B級網和中國地殼形變監測網的共2,518點經聯合平差得到的（平差數據截止至2001年底）。依據GJB6304-2008《2000中國大地測量系統》所述，聯合平差分兩步進行：第一步，將中國地殼運動觀測網絡的數據與全球100多個IGS站的數據（H文件形式）進行聯合平差，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絡納入ITRF框架，該網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個網的單時段基線解進行整體平差。此時，固定IGS站、基準網和基本網的站坐標，給予區域網站的緯度、經度和高度坐標分別給予5mm，5mm，10mm的約束，以保證平差坐標體現的框架對準ITRF97。通過整體平差得到2000國家GPS大地網的坐標精度是：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0.03×10-6。CGCS 2000是一種右手地固正交坐標系，其原點和軸向的定義是：原點在地球的質量中心；Z軸指向國際地球自轉及參照系服務(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軸構成右手正交坐標系；CGCS 2000坐標系和GPS系統所用的WGS 84(G1150)坐標系是相容的。計算結果表明，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，僅有橢球扁率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的大地坐標產生差異，也導致正常重力產生差異。經過實算數據可知：df不引起大地經度變化；df引起大地緯度的變化范圍為0（赤道和兩極）至0.105mm（B=45°）；df引起大地高的變化范圍為0（赤道）到0.105mm（兩極）；df引起橢球面上正常重力的變化范圍為0（兩極）到0.016×10-8ms-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±1×10-8ms-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，在坐標系的實現精度范圍內，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1982年10月，前蘇聯發射了第一顆GLONASS衛星時，當時僅有6顆GPS試驗衛星在軌運行，蘇聯人無法利用GPS試驗衛星測定大地控制網，而需要獨立自主地為GLONASS系統建立地心坐標系，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；依據“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，筆者將它稱為“PZ-90.02橢球”。現行的在軌GLONASS衛星導航電文均使用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。

經實用研究，PZ-90.02坐標系與WGS-84坐標系和ITRF2000坐標系之間，只存在坐標變換的平移參數，而不存在坐標變換的旋轉參數和尺長變化因子。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的橢球基本常數比較

3 巧妙處理系統間信號的差別點

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看來，首要之舉是尋求接收機的公共頻率源。現以接收和測量GPS/GLONASS信號為例，予以說明。

所有G P S衛星均有兩個相同的載波頻率（1575.42MHz和1227.60MHz），而各顆GLONASS衛星載波頻率是隨著衛星編號不同而異的，且知第j顆GLONASS衛星的兩個載波頻率分別為

式中，j=1，2，3，…，24；f1=1602.5625MHz；△f1=0.5625MHz；f2=1246.4375MHz；△f2=0.4375MHz。

可見，GPS/GLONASS集成接收機的最基本要求是，必須具有一個聯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衛星和2顆GLONASS衛星構成），共同測定動態用戶的七維狀態參數（三維位置、三維速度和時間）；也能適宜于采用一種星座作導航定位測量。為此，現在分析兩種衛星信號的頻率關系。

從式（7）可知，第j號GLONASS衛星的載波頻率則為

例如，當j=1時，第1號GLONASS衛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衛星的載波。GLONASS衛星的時鐘頻率為5.11MHz（其穩定度為3～5E-13）。筆者推論，GLONASS信號的載波頻率是用下列倍頻和分頻方法獲得的，例如，第1號GLONASS衛星的載波頻率：

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衛星，都采用相同的PRN碼；而其頻率分別為

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所示的頻率關系，可見，只要從5MHz鐘頻獲得10.23MHz，便可按表2所示頻率關系獲得各個頻率。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GNSS信號接收機選定了中放級數及其中頻，便可同機接收和測量許多種衛星導航信號，而實現高精度的導航定位測量，這對GNSS信號接收機的研制是很有效益的。

此外，對GNSS弱信號捕獲算法也是值得重視的。就GPS弱信號捕獲算法而言，現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5mm×6mm×1.1mm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的環境中，實現用戶的三維位置定位，即使只能夠觀測一顆GPS衛星也可以進行精密時間測定。這是值得認真我們研究的。

4 選擇和使用最佳定位星座

（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）

上列各個幾何精度因子對用戶位置測量精度的損失如式（14）

式中，mΡ為用戶至GNSS衛星的距離測量誤差。

從上列論證可見，GNSS定位星座和用戶構成的幾何圖形越好，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。

圖6 GDOP值隨著四面體的大小而變化

2014年的在軌運行導航衛星達到90顆，而到2020年則多達140余顆導航衛星在空飛行。如此之多的導航衛星，用戶在任一時元都能夠觀測到十余顆GNSS衛星。例如，目前能夠為用戶提供導航定位服務的GPS/GLONASS衛星共達到55顆，任一天的24小時內，能夠觀測到13～18顆衛星。如果在所研制的GNSS信號接收機中設置定位星座優選軟件，能夠從這一、二十顆衛星中選舉數量適當又能構成最佳定位星座的衛星，進行觀測和定位解算，則可獲得顯著的精度增益，從某種意義說，它比硬件優化設計的效益要高一些。

5 結束語

GNSS信號接收機競爭能力的強弱，主要取決于精度和適應性。廣義而論，精度（accuracy）表示一個量的觀測值與其真值接近或一致的程度，常以其相應值—— 誤差（error）予以表述。對GNSS衛星導航而言，精度直觀地概括為用GNSS衛星信號所測定的載體在航點位與載體實際點位之差；對于GNSS衛星測地而言，精度是用GNSS衛星信號所測定的地面點位與其實地點位之差。這為我們提供了鑒定GNSS信號接收機精度的技術途徑。

現代的GPS信號接收機，主要包括接收天線、射頻前端、數字基帶處理器、接收機處理器和導航處理器等部件。它們的作用分別是：捕獲在視GPS衛星的導航信號，跟蹤它們的運行，測量所需要的導航定位參數，提取衛星導航電文，計算用戶7維狀態參數。隨著微電子技術的迅速發展，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，ublox CAM-M80 GNSS天線模塊（僅為9.6mm×14.0mm×1.95mm）和UBX-M8030接收單元模塊（僅為17.0mm×22.4mm×2.4mm），兩者（如圖7所示）集成為一臺接收機時，能夠接收和跟蹤GPS，GLONASS，北斗，QZSS，SBAS信號進行導航定位測量。

圖7 現代GPS信號接收機的天線/接收單元模塊

相對于用單一衛星星座的接收機而言，GNSS信號接收機具有實現真正的全球連續性的高精度導航等一些優點，但是，也需要認真破解GNSS信號接收機的研制難點。為此，筆者僅僅從GNSS系統的研究角度，建議研制者細致分析系統間的差異、巧妙處理系統間信號的差別點、選擇和使用最佳定位星座。如果不能夠很好地解決各星座之間的差異，特別是時間系統之異，所研制的GNSS信號接收機將不及用單一星座的GPS信號接收機，而實得其反！例如，2014年8月，從互聯網上見到一種廣泛宣傳的由一個“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PD O P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GNSS信號接收機研制難點之法是值得研制者認真考慮的。

對于星載GNSS信號接收機而言，還需要考慮下述問題：在秒速十來千米的高動態環境條件下，能夠穩定地捕獲、跟蹤和測量在視GNSS衛星所發送的導航信號；具有不低于10Hz的數據更新率，以便獲得密度適當的航天器在軌點位；具有1秒脈沖輸出功能，以便為航天器上的所有電子設備建立統一的時間標準；在星載GNSS信號接收機內，附設有時元內插器（英文名為Event mark board），以便將航天器上的附屬設備作業時元插入GNSS測量數據流。例如，將航天對地攝影時元插入GNSS測量數據流，用于解算出對地攝影時的三維坐標值（稱之為攝站坐標），這對我國高分辨率對地觀測系統工程的后續發射高分衛星是非常實用的。

此外，BOC調制雖然能夠實現GNSS共用相同的載波頻率，而有效地分離各自的測距碼，互不產生干擾。但是，BOC信號的自相關函數是一種多個峰值函數，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GNSS導航信號接收機分辯主次峰值的難度。即，BOC信號的自相關函數(ACF)不僅具有多峰性，而且隨著調制階數的增加而增加，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函數邊峰上，而產生了模糊性，增加了捕獲和跟蹤的難度。一旦發生誤鎖，跟蹤環路將產生幾十米甚至上百米的測距誤差，這對于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與跟蹤傳統BPSK信號的新技術，以便檢測到正確的自相關峰值，實現偽距的精確測量。這是研制GNSS信號接收機時必須認真解決的重大問題之一。■

[1] 劉基余．全球導航衛星系統及其應用．北京：測繪出版社，2015.5

[2] Terry Moore, GNSS Modernisation and Future Developments Satellite Navigation Nottingham Geospatial Institute, University of Nottingham,March 2012

[3] 劉基余．BOC調制打通共用載頻的坦途──GNSS導航信號的收發問題之一．數字通信世界，2013.8.P.38～43