BDS GNSS接收机发展趋势

陈国成，陈嘉庆，叶文芳，谢宝飞，范潇云，王一飞

（1.国家无线电监测中心检测中心，北京 100041；2.武汉大学，武汉 430072）

1 引言

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）泛指包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Gal i leo和我国的北斗卫星导航定位系统（Beidounavigation satellite system，BDS）在内的卫星导航系统，在经济、政治、军事、农业等多个领域有着重要意义，也是衡量国家实力的重要指标。可全天候提供导航定位功能的GNSS广泛应用于导航、测地、授时、交通、气象、国防等多个领域，从军用的导弹军舰到民用的汽车、手机，GNSS 涵盖各行各业且自面世以来产业的规模和市场价值不断增长，已成为全球发展最快的信息产业之一。

2 GNSS接收机构成及性能检测

一个全球导航卫星系统主要由三大部分组成：空间部分、地面控制部分和用户接收部分，GNSS接收机不仅是用户部分的核心，还是市场上产业规模最成熟的部分，市面上的GNSS接收机产品多达上百种，按用途可分为测地型、导航型、授时型接收机；按接收机通道可分为多通道、序贯通道、多路复用通道接收机；按工作原理可分为码相关型、平方型接收机，分类方式数不胜数。GNSS接收机通常有四个组成部分，分别是天线、射频前端、数字基带信号处理和导航定位解算。

接收机的性能主要是评估接收机的位置、速度和时间（PVT）解算能力。PVT解算的质量主要取决于两个因素，一个是可视卫星数量及几何精度因子（GDOP），另一个是伪距和多普勒测量的质量，伪距测量的误差源主要有电离层和对流层延迟、导航电文误差和接收机噪声，采用双频接收机和功能更好的天线能有效降低误差。鉴于测量误差与时间、地点有关，因此GNSS接收机的性能和指标是动态的，具体的性能指标如表1所示。

表1 GPS接收机性能指标

GNSS接收机的测试包括灵敏度、测距码捕获时间、测距精度、首次定位时间、多通道时延一致性、定位测速精度、自主完好性测试等。其中伪距精度测试常用方法有：钟差测定法、通道间单差法、定位精度反算法和零基线双差法；多通道时延一致性测试常用方法有：单星测试法、多星测试法；

3 GNSS接收机发展趋势

GNSS接收机在面世的几十年间的体积、重量、成本、功能、耗能都在不断地进化，其受到的影响因素是多方面的，包括有GNSS供应商基础设施的建设、用户需求的变化、新服务和新技术的出现等。尤其是新世纪以来，GNSS用户技术的发展得到了长足进步，GPS时代正向GNSS时代过渡，GPS和GLONASS 的现代化计划的推进、Galileo预计在2020年全面运行、我国北斗卫星导航系统实现从局域到全球的过渡，以及印度和日本的局域卫星导航系统构建计划的提出，都推动了航空导航事业的发展。另一方面处理器、传感器、集成芯片等硬件的发展这些进步因素也投射到GNSS接收机上，多方面联动下GNSS接收机的各个部分的发展趋势都有变化。

根据欧洲全球导航卫星系统管理局（GSA）发布的2016年度《GNSS用户技术报告》，GNSS接收机各模块发展的重点如表2所示。

表2 接收机各模块发展重点

3.1 多系统兼容

随着Galileo最终部署的完成和北斗的全面建成，GPS一家独大的时代将一去不复返，多系统并存使得具有兼容性和互操作性的GNSS接收机成为未来的趋势。多系统接收机在观测条件不佳的区域可用性更强，几何精度因子（GDOP）更高，被欺骗的可能更低，在全球导航卫星系统管理局多次的测试中，多系统接收机在精度的提升和首次定位时间的缩短上都表现得可圈可点。现今市面上的多系统接收机主要是GPS+GLONASS、GPS+Galileo模式或是GPS+其他系统的模式，这是因为GPS面世数十年来已经抢占了GNSS市场的先机并以其相对成熟的技术和广泛的用户占据了主导地位，已经渗透进交通运输、移动通信、互联网和各种可穿戴型设备的GPS用户使得GPS接收机占据了市场极大份额，这使得其他GNSS供应商要在市场中取得一席之地必须与GPS系统实现兼容和互操作。实现互操作的首要要求是卫星信号的主要频谱特征如载波频率、信号带宽、调制方式、多址方式等应尽可能一致，才利于多系统接收机的硬件和软件共享，但是GPS 和BDS的信号并不相似，这对系统间的兼容和互操作性影响很大，GPS的了L1C/A和BDS的B1 I信号的载波频率、扩频码速率、扩频码等方面都存在差异，给BDS和GPS双系统接收机的设计带来很大困难，目前市面上的L1C/A+B1 I双系统接收机其实并未实现体制上的兼容整合，不同的信号特征不利于天线尺寸的减小、需要双通道接收、对芯片的性能要求高和不同的程序算法要占用更多的资源，从长远看不利于多系统接收机性能提高和功耗、体积、成本的降低，如果不能解决这个设计难点BDS在民用市场很难争取到更多的用户资源。

3.2 高精度定位市场化

GNSS接收机的研究内容集中于三高和三抗，即高精度、高动态、高灵敏度和抗干扰、抗欺骗、抗多路径，能同时支持多星座的多系统GNSS接收机使得上述内容取得较大突破。双频GNSS接收机可以消除电离层延迟误差、实现实时动态差分（RTK）和精密单点定位（PPP），现今我国的BDS 是第一个使用三频信号服务的卫星导航定位系统，三频信号可以更好消除电离层延迟影响、提高定位可靠性和缩短模糊度的固定时间，如果第三个信号出现问题还可以转换为双频定位方式，频率多样性增强了可靠性和抗干扰能力。另一方面新信号新的调制方式能提供更精确的测量精度和更高的码速率和抑制多路径干扰的影响，双频和三频接收机未来能有更大的发展空间，未来多频接收机将从高精度定位领域走向民用市场。

3.3 软件化趋势

在GNSS接收机领域有着软件化的趋势。采用专用集成电路（ASIC）设计的传统GNSS接收机虽然速度快，但是可扩展性差、不可编译、数字信号处理方式不可修改，如果要修改数字信号处理功能就必须重新设计和生产专用集成电路。与此相比软件GNSS接收机主要通过处理器上的软件处理数字化后的卫星信号，如果需要修改数字基带信号处理模块的功能和方式，可通过处理器重配置、修改数字信号处理程序及算法的方式来实现，接收机的信号处理方式和功能也可通过软件方式进行选择。另一方面，在接收机的设计、仿真和研究测试上、在各种算法的验证上，可灵活配置的软件接收机远优于传统接收机，软件接收机已可以充当接收机新应用、新算法、新体制的研发、设计验证和评估使用的平台。软件接收机具有前端可重用、结构可通用、功能可兼容、软件算法易修改等优点，但是功耗和主系统的计算负荷增加使得效率降低给软件接收机的发展带来很大局限，当前民用市场应用的主流还是功耗低、运算速率快的采用专用集成电路设计方式的GNSS接收机，未来软件GNSS接收机能否成为多模式、多频段、多用户GNSS接收机的主流主要还是取决于数字信号处理技术的发展。

3.4 自动选择策略

各国的GNSS供应商都在如火如荼地发展以抢占广大的GNSS市场的先机，GPS和GLONASS的现代化计划、中国北斗卫星导航系统的出世、为民用而开发的Galileo即将全面建成运行，以及日本的QZSS、印度的IRNSS的建设进行中，各个大国激烈竞争之下是GNSS百花齐放的时代。随着各国卫星导航系统的发展，预计到达2020年将有120多颗卫星同时运行，GNSS接收机的可视卫星数目能达到50 颗，一方面可视卫星数的增加能明显增强接收机在遮蔽地区的可用性、能改善几何精度因子（GDOP）以提高精度，能通过有效的接收机自主完好性监测程序提高完好性，另一方面同时使用几个独立的全球导航定位系统能把被欺骗险降到很低。但是随着卫星数的增加和各种卫星基础设施的改进，选择哪个系统、选择多少颗卫星是一个问题，这要求GNSS 接收机能自动评判观测卫星的质量并能通过选择卫星将观测量控制在合适范围，未来GNSS接收机应有更合适的自动选择或拒绝卫星的策略。

4 结束语

GNSS接收机自第一台GPS接收机面世的数十年以来，从模拟器件到集成电路再到今天的ASIC结构，其尺寸、重量、功耗和成本都在不断下降，性能在逐步提高。随着GNSS基础设施的建设和用户需求的不断变化，在BDS投入服务GNSS时代之后，GNSS接收机的发展趋势表现为多系统兼容、软件化、高精度领域市场化和新的自动选择策略等。

[1] 李征航，黄劲松.GPS测量与数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2012：9-10.

[2] 李龙龙，张永红，席欢.影响GNSS用户技术发展的主要因素—《GNSS用户技术报告》简介之一[J].卫星应用，2017，（03）：66-68.[2017-08-06].

[3] 李龙龙，张永红，席欢.GNSS用户技术的主要发展趋势—GNSS用户技术报告简介之二[J].卫星应用，2017，（04）：32-35+38-39.[2017-08-06].

[4] 杨元喜，陆明泉，韩春好.GNSS互操作若干问题[J].测绘学报，2016，45（03）：253-259.[2017-08-06].

[5] 刘婧.GNSS接收机测试与评估方法研究[D].辽宁工程技术大学，2013.

[6] 唐斌，刘富，张益青.GNSS接收机发展趋势与研究思路分析[J].数字通信世界，2011，（S1）：82-84.[2017-08-06].