導航定位技術與計算機之gnss接收機
引言:***由三部分組成:空間星座部分,地面監控部分和使用者裝置部分組成。
接收機是使用者部分的核心，我國在衛星設計和航天測控領域均取得了長足的進步，但在導航接收機領域卻尚處於起步階段；同時開發新一代的全球導航系統，導航接收機的研究有著舉足輕重的作用。
一．gnss接收機的發展現狀與趨勢
1. 接收機終端是衛星導航系統的重要組成部分,是衛星導航系統與廣大應用的主體-----使用者的唯一介面,是市場規模最大和產業化最核心的環節,衛星導航應用的價值最終需要通過接收機才能得以實現.目前,世界上使用最廣泛的接收機是***接收機,產品也多達數百種.
這些產品按其用途可分為導航型接收機,測地型接收機,和授時型接收機等;按工作原理分可分為碼相關型接收機,平方型接收機,混合型接收機和干涉型接收機等;按照接收機的通道來分則可分為多通道接收機,序貫通道接收機和多路復用通道接收機等;按動態範圍可分為低動態,中動態,高動態等,不勝列舉【1】.。從2023年第一台民用***接收機問世以來，***接收機有了長足進步。從只供少數人使用的笨重昂貴到體積，質量，功耗，成本的不斷降低，從單通道單頻單系統單一功能到多通道多頻多系統多功能，從模擬和分立器件到數位化晶元化和軟體化。
2. 衛星導航技術是各航天大國競相發展的熱門領域,為了保持導航系統的先進性和有效性,世界各國在衛星導航系統相關技術方面積極地推進和發展..。不僅有galileo和qzss等衛星導航系統正在研究設計中，***和glonass等現有的衛星導航系統也在不斷地公升級和改進..。
***現代化計畫包括發射第二種民用訊號l2c，為救生服務設計的第三種民用訊號l5以及新的軍用碼m碼；glonass正在進行差分glonass的改進以及空間斷的提高【2】.。伴隨著全球衛星導航系統的全面公升級和發展，衛星導航接收機也呈現出以下的新的發展特點【3】：
(1) 多系統相容接收機是技術發展的大趨勢。當前和今後的若干年內衛星導航系統的發展將經歷從***時代到gnss時代的轉變,即由主要依賴***向***+galileo+其他系統的多系統並存的局面轉化，尤其是galileo系統的最終完成部署將預示著gnss時代的正式開啟。由於gnss在可用性，連續性和完好性方面的保障遠比單一***好，所以gnss相容接收機將是未來接收機技術發展的大趨勢。
一旦以民用為主的galileo系統投入完全工作狀態，實現與***的互操作，有可能形成galileo/***組合的gnss相容接收機批量市場，在效能**比上將大大超過單一系統的接收機，從而可以形成大批量應用的gnss相容接收機市場，實現產業化。
(2) 與移動通訊的融合及室內定位是應用市場的客觀需求。衛星導航能與電子資訊產業中的多個領域實現裝置與資訊的互相滲透和融合，其中以無線通訊尤其是蜂窩通訊為最優先的融合物件。與蜂窩通訊的融合使衛星導航顯示出活力無限的發展態勢，使一切靜止和移動目標的實時監控成為可能。
兩種技術的融合，真正保證在任何地方任何時刻，實現定位和監控服務，a***（用網路輔助***）的應用就是乙個鮮明的例子。衛星導航本來大多應用與戶外空曠地區，隨著與蜂窩通訊的結合，室內定位被提上日程，於是有了高靈敏度接收機的應用要求，而且要比原先的靈敏度高出10db~30db。這是乙個很大的難題，因為衛星導航接收機原先就已經是靈敏度很高的裝置，而且室內環境在多徑效應和干擾雜訊等方面顯得更為苛刻與複雜，所以干擾和多徑效應緩解技術方面的研究成為導航界十分重視的研究課題。
(3) 高精度是衛星導航接收機追求的目標，並且越來越重視環境對測量定位精度的影響。其突出表現是galileo系統明確地在***的老三段（空間段，地面段，使用者段）上加了新的一段，即環境段，直接把電離層，對流層，多徑效應和電磁干擾等一系列問題擺到前台作為當務之急來解決。同時galileo系統的訊號採用boc（binary offset carrier）調製，在抗多徑方面相比於bpsk調製，也有著獨特的優勢。
所有這些，都是為了解決高精度測量的問題，使其導航定位精度將比當前***高乙個量級。
(4) 軟體無線電接收機越來越顯示出其舉足輕重的地位。軟體無線電是一種新的無線通訊體制結構，將軟體無線電引入到衛星導航接收機的研究中，可以實現接收機的軟體化設計。軟體無線電接收機，簡稱軟體接收機，結構具有非常強的通用性，可用來實現多頻段，多使用者和多體制的通用接收機，使得接收機在效能，尺寸，重量和功耗方面具有巨大的優勢。
軟體接收機既方便接收機的公升級換代，也方便程式設計，靈活驗證各種軟體演算法。
在衛星導航接收機領域，軟體化趨勢日益明顯，軟體接收機研究開發平台成為為設計與**，實驗測試與演算法驗證的重要手段。在接收機中像相關器這樣關鍵硬體模組也在實現軟體化；接收機的主要功能如訊號捕獲跟蹤和導航資料獲取與解算，都可以用軟體方法實現多樣化選擇；在演算法的選擇上，不僅不斷地實現卡爾曼慮波和快速傅利葉變換的花樣翻新，還引入了模糊邏輯學，小波技術和神經網路技術等。
二．我國衛星導航定位系統建設和發展的現實需求
伴隨著gnss建設和應用的熱潮,我國越來越重視衛星導航系統和技術的發展..。我國已經建成的第一代北斗衛星導航系統bd-1解決了衛星導航定位系統的有無問題。bd-1將導航定位，雙向資料通訊和精密授時結合在一起，系統自身包含廣域差分標校以提高定位精度，是乙個成功實用投資很少的初級起步系統。
但bd-1衛星導航系統本質上是主動式二維定位，很難滿足高動態和保密的軍事應用需求；依賴於地面中心站提供數字高程圖資料和使用者機發上行訊號，從而使系統使用者容量，導航定位維數，隱蔽性方面等受到限制，在訊號體制上很難與國際上的***,glonass及將來的galileo系統相容。因此，中國還需要在bd-1衛星導航系統成就的基礎上發展第二代衛星導航系統以滿足國家今後對衛星導航應用和長遠軍事戰略的需求。據新華網報道，西昌衛星發射中心2023年4月14日凌晨4時11分用長征3號甲運載火箭，成功將一顆北斗導航衛星送入太空，飛行在高度為2.
15萬千公尺的中軌軌道。這顆衛星的發射成功，標誌著我國自行研製的bd-2衛星導航系統進入新的發展建設階段【4】。
新系統將向無源導航高精度導航全球覆蓋的方向有計畫的演進。bd-2衛星導航系統每顆衛星均配備rnss載荷，每個導航訊號均正交調製有普通測距碼和精密測距碼。如此，bd-2衛星導航系統在訊號體制上實現了與***訊號調製方式的同一性，也為***接收機技術可以順利轉移到bd-2衛星導航系統接收機中提供了保證。
在致力於建設自主的bd-2衛星導航系統的同時，我國相繼出台了一系列計畫和措施扶植gnss核心技術研發，基礎產品製造，應用示範工程建設，標準規範和資訊服務體系建立等。其中衛星導航接收機底層核心技術則是論證和測試新系統的重中之重，其所產生的社會和經濟效益將是巨大而久遠的。而在軍用領域，研製出具有自主智財權的高效能導航接收機及核心晶元，對於保障國防安全則無疑是必要而迫切的。
衛星導航接收機的設計融合了衛星導航，無線通訊，嵌入式系統，空間資訊科技等多項專業領域的知識，其技術門檻相對較高，需要大量長期的投入。新一代多系統相容的高效能接收機不斷顯現出複雜程度加深和開發周期緊迫的兩大特點，要在更短的時間內將更多的功能，更高的效能，豐富的技術含量整合於所開發的產品中，必須依賴於先進的設計開發及測試驗證方法，平台和工具。在此背景下，衛星導航軟體接收機關鍵技術的研究應運而生。
三．研究的重要意義
所謂軟體接收機，就是在接收機設計中融入了軟體無線電的思想其宗旨是在盡量靠近天線處開始靈活可配置的軟體化數字處理。全新的設計思想和體系結構，突破了接收機以往功能單一，可擴充套件性差和以硬體為核心的設計侷限。軟體接收機具有前端硬體的可重用性，軟體的可公升級性，功能的可配置性，以及平台的通用性，靈活性，開放性，成為衛星導航接收機的發展方向。
僅僅從模擬到數字的轉變是不夠的。以前的數字訊號處理通過專用硬體（asic）實現。asic意味著要引入新頻率，處理新訊號或改善演算法都要購買新的接收機；而軟體接收機具有硬體通用性和系統可重配置性，可以很容易地通過更新程式來實現接收機的公升級換代。
軟體化使引入新頻率，支援新碼訊號捕獲跟蹤的代價最小化。引入新頻率所帶來的影響可以到僅對射頻模組的濾波器做簡單改動，而對新碼訊號捕獲跟蹤的支援只是軟體範圍的修改。模組化的硬體結構和靈活的可重程式設計設計允許將軟體接收機配置為支援不同型別的應用。
除了rf前端之外，軟體接收機其他部分均可以構建為乙個軟體模組，從而與其他子系統共享板載儲存器，處理器等資源。
另一方面,更靠近rf的軟體化數字訊號處理,使gnss訊號觀測量能夠達到更高的精度水平,同時更夠方便有效地採用各種訊號處理優化技術,例如,採用自適應處理,塊處理多徑效應消除等技術來改進效能。從科研和產品開發的角度來看，軟體接收機可以作為深入到接收機內部觸及其底層核心技術，嘗試各種新應用，新體制，新演算法的有效研發平台。軟體接收機的開發在整個衛星導航系統尤其是使用者接收機設計開發和驗證測試中佔據重要地位，是在系統研發階段經常使用的方法。
在galileo系統方案論證和研發階段的系統級**工具和試驗系統gssf和gstb中，純軟體**和半實物模擬裝置形式的接收機發揮了不可替代的的作用。
gnss訊號模擬器用來模擬產生各種實際環境下的gnss訊號，為接收機尤其是靈敏度，高動態接收機的除錯和測試提供乙個**訊號源，也可用於系統級**實驗。高動態接收機實驗條件和環境的建立成本高，周期長，，是接收機設計驗證，測試評估的有效手段。模擬器還具有利用實際衛星訊號測試所無法比擬的另乙個優點-----提供一種可以再現的，可控的測試環境。
將軟體接收機及相關的測試分析工具有機整合在一起可構成完整的供導航接收機研究開發，設計實驗和測試評估使用的平台。在此平台之上，可以方便地進行接收機結構，功能，效能的測試和優化，訊號特性的研究，訊號處理方法的**，接收機各組成單元一些關鍵引數設計以及設計的驗證等。例如，對於先進訊號處理方法的研究，不需要重新開發硬體相關器晶元，只需將訊號處理軟體公升級即可；利用軟體中頻訊號模擬器作為測試源，在軟體接收機平台上可以得到有足夠說服力的實驗結果。
對接收機和晶元的設計而言，這種閉環的系統結構保證了在研發早期就可以見到預期的結果，從而能夠及時發現問題和解決問題，從被動地測試成品轉向主動地去尋求乙個最佳的設計。對適應未來新訊號體制的新一代gnss接收機的研製，在新的衛星發射之前就可以展開，大大加快了新型接收機的研製程序。
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