GNSS信號(hào)接收機(jī)的構(gòu)件初識(shí)── GNSS導(dǎo)航信號(hào)的收發(fā)問題之十

劉基余

（武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢　430079）

GNSS信號(hào)接收機(jī)的構(gòu)件初識(shí)── GNSS導(dǎo)航信號(hào)的收發(fā)問題之十

劉基余

（武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢430079）

GNSS信號(hào)接收機(jī)是GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星的用戶設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位的終端儀器。它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)的無線電接收設(shè)備，既具有常用無線電接收設(shè)備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理弱達(dá)3.5E-16W～2.5E-17W衛(wèi)星微弱信號(hào)的特性。為此，GNSS信號(hào)接收機(jī)的構(gòu)件必須滿足這種捕獲、跟蹤和測(cè)量GNSS信號(hào)的需求。

GNSS信號(hào)接收機(jī)；GNSS信號(hào)；信號(hào)波道

1　引言

GNSS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無數(shù)用戶共享的空間信息資源。陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要持有一種能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GNSS信號(hào)的接收機(jī)，就可以測(cè)定用戶的七維狀態(tài)參數(shù)（三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間）和三維姿態(tài)參數(shù)。但是，隨著使用目的之異，GNSS信號(hào)接收機(jī)需具有不同的特性和能力；縱觀現(xiàn)況，它主要分為靜態(tài)定位型和動(dòng)態(tài)測(cè)量型；兩者的主要區(qū)別如下：

（1）靜態(tài)定位。用戶天線在跟蹤GNSS衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機(jī)高精度地測(cè)量GNSS信號(hào)的傳播時(shí)間，聯(lián)同GNSS衛(wèi)星在軌的已知位置，而算得固定不動(dòng)的用戶天線之三維坐標(biāo)。后者可以是一個(gè)固定點(diǎn)，也可以是若干點(diǎn)位構(gòu)成的GNSS網(wǎng)。靜態(tài)定位的特點(diǎn)是多余觀測(cè)量大，可靠性強(qiáng)，定位精度高。廣大測(cè)繪工作者都很了解常規(guī)靜態(tài)定位，而對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)定位也較熟悉。例如，地球動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)定和人為位移的監(jiān)測(cè)，后者包括蓄水負(fù)荷所導(dǎo)致的大壩形變，速率達(dá)幾十厘米的海上平臺(tái)的沉降，地下采礦和抽水引起的地表沉陷。由于上列兩種動(dòng)態(tài)效應(yīng)是非常緩慢的運(yùn)動(dòng)結(jié)果，觀測(cè)一次衛(wèi)星通過，很難捕捉到它們的動(dòng)態(tài)信息，而要依靠較長時(shí)間（如幾十天，甚至更長時(shí)間）的觀測(cè)。因此，將GNSS信號(hào)在上述情況下的應(yīng)用，稱為準(zhǔn)動(dòng)態(tài)定位，這是一個(gè)既有科學(xué)價(jià)值、又有經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的新興應(yīng)用領(lǐng)域。

（2）動(dòng)態(tài)測(cè)量。它是用GNSS信號(hào)接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡和姿態(tài)。GNSS信號(hào)接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體，包括陸地車輛、河海船艦、空中飛機(jī)、宇空飛行器，等等。按照這些載體的運(yùn)行速度之快慢，又將動(dòng)態(tài)測(cè)量分成秒速為幾米至幾十米的低動(dòng)態(tài)，秒速為100米至幾百米的中等動(dòng)態(tài)和秒速為幾千米的高動(dòng)態(tài)等三種形式。所謂“動(dòng)態(tài)測(cè)量”，就是載體上的用戶天線在跟蹤GNSS衛(wèi)星的過程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)，接收機(jī)用GNSS信號(hào)實(shí)時(shí)地測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)。動(dòng)態(tài)測(cè)量的特點(diǎn)是逐點(diǎn)測(cè)定運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)/姿態(tài)參數(shù)，多余觀測(cè)量少，精度較靜態(tài)定位低一些，DGNSS的偽距測(cè)量解，可以達(dá)到米級(jí)的測(cè)量精度，DGNSS載波相應(yīng)測(cè)量解，可以達(dá)到亞米級(jí)甚至厘米級(jí)的精度。

GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航，是用GNSS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)“引導(dǎo)”運(yùn)動(dòng)載體安全而經(jīng)濟(jì)地到達(dá)目的地的一門新興學(xué)科，它要求GNSS動(dòng)態(tài)測(cè)量的精度，隨著引導(dǎo)目的之異而不同，后續(xù)章節(jié)將作較詳細(xì)論述。

某些領(lǐng)域，既要求靜態(tài)定位，又要求動(dòng)態(tài)測(cè)量。例如，在建立海底大地測(cè)量控制網(wǎng)時(shí)，用GNSS信號(hào)測(cè)定測(cè)量船的實(shí)時(shí)位置，在疏通河道時(shí)，用GNSS信號(hào)測(cè)定挖泥船的前進(jìn)航線（可節(jié)省33.3%的費(fèi)用）；在航空攝影測(cè)量和航空航天遙感時(shí)，用GNSS信號(hào)測(cè)量每一個(gè)攝影瞬間的相機(jī)（攝站）位置。值得特別指出的是，GNSS在航空攝影測(cè)量中的應(yīng)用，將發(fā)展成為無需地面大地測(cè)量控制點(diǎn)的航測(cè)快速成圖新技術(shù)；然而，它不僅是在航速為每秒幾十米到幾百米的動(dòng)態(tài)環(huán)境下進(jìn)行GNSS定位測(cè)量，而且要求較高的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量精度；例如，對(duì)中等比例尺（1∶50，000）的航攝成圖，用GNSS信號(hào)測(cè)量攝站坐標(biāo)的精度要求達(dá)到±4m；對(duì)于大比例尺（1∶4，000）的航測(cè)成圖，用GNSS信號(hào)測(cè)量攝站坐標(biāo)的精度要求達(dá)到±15cm。航空遙感則隨著它的不同應(yīng)用，而要求不同的攝站坐標(biāo)精度（如10米級(jí)到亞米級(jí)），但是，航天遙感則是在載體每秒幾公里的運(yùn)行速度下，用GNSS信號(hào)測(cè)定攝站位置的；在這種高動(dòng)態(tài)下應(yīng)用，需要解決捕獲、跟蹤和測(cè)量GNSS信號(hào)的一些特殊問題。這是發(fā)展GNSS信號(hào)接收機(jī)的一個(gè)重大研究課題。從上可見，用于測(cè)繪行業(yè)的GNSS信號(hào)接收機(jī)，不僅要求高精度，而且要求能夠適用高中等動(dòng)態(tài)的應(yīng)用場(chǎng)合。因此，測(cè)地型GNSS信號(hào)接收機(jī)，是一種研制難度較大的GNSS用戶設(shè)備。

縱觀應(yīng)用，按照GNSS信號(hào)的不同用途，GNSS信號(hào)接收機(jī)可分成三大類：導(dǎo)航型、測(cè)地型和守時(shí)型。按照GNSS信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)合之異，可以分為袖珍式、背負(fù)式、車載式、船用式、機(jī)載式、彈載式和星載式等七種類型的GNSS信號(hào)接收機(jī)。根據(jù)GNSS信號(hào)接收機(jī)使用一個(gè)載波，還是多個(gè)載波，又分成單頻和多頻兩種類型；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，單頻接收機(jī)的售價(jià)比多頻接收機(jī)的售價(jià)低60%左右；一般情況下，若生產(chǎn)作業(yè)的最遠(yuǎn)站間距離僅為30km左右，只需購買單頻接收機(jī)；如果超過40km，則應(yīng)購買多頻接收機(jī)，以確保GNSS的測(cè)量高精度。近年來，DGNSS實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的研制取得了豐碩成果；一套DGNSS系統(tǒng)包括一臺(tái)基準(zhǔn)接收機(jī)、一臺(tái)動(dòng)態(tài)接收機(jī)、一套數(shù)據(jù)處理軟件和一套作用距離為幾十千米甚至更遠(yuǎn)的DGNSS數(shù)據(jù)鏈（DGNSS數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)）。

2　GNSS信號(hào)接收機(jī)的構(gòu)件

GNSS信號(hào)接收機(jī)的種類雖然如此之多，但是，從儀器結(jié)構(gòu)的角度來分析，則可概括為天線單元和接收單元兩大部分（如圖1所示）。對(duì)于大多數(shù)的非便攜式的GNSS信號(hào)接收機(jī)而言，圖1中的兩個(gè)單元被分別裝成兩個(gè)獨(dú)立的部件，以便天線單元能夠安設(shè)在運(yùn)動(dòng)載體或地面的適當(dāng)點(diǎn)位上，接收單元置于運(yùn)動(dòng)載體內(nèi)部或測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤?，進(jìn)而用長達(dá)10m～100m的天線電纜將兩者聯(lián)接成一個(gè)整機(jī)，僅由一個(gè)電源對(duì)該機(jī)供電。現(xiàn)對(duì)圖1所示部件功能分別予以簡要介紹。

圖1　GNSS信號(hào)接收機(jī)

2.1天線單元

它由接收天線和前置放大器兩個(gè)部件組成，也有文獻(xiàn)將天線單元叫做天線前端（frontend）。它的作用是，將到達(dá)GNSS信號(hào)接收天線的功率約為-160dBW的GNSS電磁波變換成微波電信號(hào)，并將如此微弱的GNSS電信號(hào)（前端熱噪聲電平約為-11.4dBmW·MHz）予以放大。GNSS信號(hào)工作于1.6GHz微波段，易受鄰近頻段信號(hào)的干擾，例如，超高頻電視發(fā)射信號(hào)，移動(dòng)電話信號(hào)，各種袖珍發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)，工作于數(shù)百兆赫的空間控制雷達(dá)所發(fā)送的強(qiáng)脈沖信號(hào)，甚至?xí)餑NSS信號(hào)接收機(jī)測(cè)量故障。因此，GNSS天線前端，除了具有較理想的接收和放大功能以外，還必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力。圖2和圖3分別表示GNSS天線前端的基本結(jié)構(gòu)及其類型。

圖2　GNSS天線前端的結(jié)構(gòu)框圖

圖3　GNSS信號(hào)接收天線的類型

表1　幾種GNSS信號(hào)接收天線的特點(diǎn)

GNSS信號(hào)接收天線必須具有下列特性：

⊙ 波束半帶寬大于70°的半球狀天線方向圖。

⊙ 電波右旋圓極化。

⊙ 精確定義和穩(wěn)定的相位中心。

⊙ 較強(qiáng)的多徑效應(yīng)抑制能力。

⊙ 能夠接收GNSS信號(hào)的多個(gè)載波頻率。

⊙ 輕便的尺寸和重量。

⊙ 高度穩(wěn)定的機(jī)械性能。

圖4　GNSS信號(hào)接收天線的基本類型

自第一臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)于1980年問世以來，所用的GPS信號(hào)接收天線有下列幾種：全向振子天線、小型螺旋型天線和微帶天線。它們的特點(diǎn)如表1所示，圖4表示它們的概貌。從目前的應(yīng)用和生產(chǎn)看來，微帶天線（Microstrip Antenna）已成為GNSS信號(hào)接收天線的主要發(fā)展方向，擬用專題予以論述。

2.2 信號(hào)波道

信號(hào)波道（Channel）是接收單元的核心部件，它不是一種簡單的信號(hào)通道，而是一種軟硬件相結(jié)合的有機(jī)體，故以“波道”之名稱予以區(qū)別。按照捕獲偽噪聲碼的不同方式，信號(hào)波道分成相關(guān)型、平方律和碼相位等三種類型。三者的基本特點(diǎn)如下：

（1）相關(guān)型波道：用偽噪聲碼互相關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)，解譯出衛(wèi)星導(dǎo)航電文。

圖5　相關(guān)型波道釋義

圖6　信號(hào)波道的跟蹤模式

（2）平方律波道：用GNSS信號(hào)自乘電路，僅能獲取二倍于原載頻的重建載波，抑制了數(shù)據(jù)碼，無法獲取衛(wèi)星導(dǎo)航電文。

（3）碼相位波道：用GNSS信號(hào)時(shí)延電路和自乘電路相結(jié)合的方法，獲取P碼或C/A碼的碼率正弦波，僅能測(cè)量碼相位，而無法獲取衛(wèi)星導(dǎo)航電文。

近年來，美國“GPS World”期刊的每年第一期，公布國際上GNSS信號(hào)接收機(jī)的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)資料。他們按跟蹤GNSS信號(hào)的不同方式，而將信號(hào)波道分成平等（Parallel）跟蹤式、序貫（Sequence）跟蹤式和多重（multiplex）跟蹤式，且采用“par.，seq.，multi.”的簡稱，它們的基本差別如圖6所示。

根據(jù)美國“GPS World”期刊于2014年第一期的統(tǒng)計(jì)報(bào)告可知，受訪的47家生產(chǎn)廠商生產(chǎn)了380種GNSS信號(hào)接收機(jī)，其中，Trimble公司的僅重1.75kg 的NetR9 TI-1基準(zhǔn)接收機(jī)具有440個(gè)波道，能夠接收GPS，GLONASS，Galileo，北斗，QZSS，WAAS，EGNOS導(dǎo)航信號(hào)及OmniSTAR VBS，HP，XP差分改正信號(hào)，且其GNSS定位精度能夠達(dá)到毫米級(jí)。平行跟蹤式波道，是每一個(gè)波道連續(xù)而固定地跟蹤一顆特定的GNSS衛(wèi)星。序貫跟蹤式波道，采用一個(gè)或多個(gè)波道定時(shí)而轉(zhuǎn)換捕獲、跟蹤和測(cè)量來自不同衛(wèi)星的GNSS信號(hào)。當(dāng)跟蹤和測(cè)量甲顆GNSS衛(wèi)星時(shí)，其他能見衛(wèi)星到達(dá)接收單元的GNSS信號(hào)均被拒之于“波道”之外。甲顆衛(wèi)星“處于”波道內(nèi)的持續(xù)時(shí)間，叫做“閉鎖時(shí)間”，只有甲顆衛(wèi)星被測(cè)量完畢后，波道才自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到另一顆GNSS衛(wèi)星閉鎖測(cè)量。換言之，序貫波道對(duì)GNSS衛(wèi)星的跟蹤和測(cè)量，是開關(guān)式的，其閉鎖測(cè)量時(shí)間一般為0.16s～2s。多重跟蹤式波道是一種快速轉(zhuǎn)換型波道，它類似于序貫跟蹤式波道，依次轉(zhuǎn)換而逐一測(cè)量所有能見的GNSS衛(wèi)星.但是，多重式波道的閉鎖測(cè)量時(shí)間比較短促，僅為20ms。近年來的統(tǒng)計(jì)資料表明，平行跟蹤式波道，已成為應(yīng)用的主流，特別是用于中高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的GNSS信號(hào)接收機(jī)，幾乎均采用平行跟蹤式波道。

圖7　Trimble NetR9 TI-1基準(zhǔn)接收機(jī)（備有抑徑圈天線和抑徑板天線）

2.3存儲(chǔ)器

為了差分導(dǎo)航和相對(duì)定位的測(cè)后數(shù)據(jù)，許多接收機(jī)能夠?qū)?dǎo)航定位現(xiàn)場(chǎng)所采集的偽距、偽距率、載波相位測(cè)量和人工量測(cè)的數(shù)據(jù)，以及所解譯的GNSS衛(wèi)星星歷，都儲(chǔ)存在機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器里面，或者通過外接微型計(jì)算機(jī)直接儲(chǔ)存在磁盤上。

圖8　GNSS數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)形式

在1988年以前，許多接收機(jī)采用盒式磁帶記錄器。例如WM101GPS單頻接收機(jī)，采用帶有時(shí)間標(biāo)識(shí)符的每英寸800比特的記錄磁帶，當(dāng)每次觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星時(shí)，可以記錄19小時(shí)的單頻觀測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于經(jīng)常使用接收機(jī)的用戶而言，磁帶記錄存在著購帶、換帶、存帶和讀帶等許多麻煩。為了更加節(jié)省勞力和免除從磁帶上讀取GPS導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)之煩，美國Trimble導(dǎo)航儀器公司于1988年推出的Trimble4000SL GPS信號(hào)接收機(jī)，取消了盒式磁帶記錄器，代之以1兆比特的內(nèi)裝式半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（簡稱為內(nèi)存器）。此后，GPS信號(hào)接收機(jī)多采用內(nèi)存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如，Norstar1000，Asshtech XⅡ，Trimble/4000ST和4000SST，等等。這些接收機(jī)內(nèi)存器的存儲(chǔ)容量，是隨著數(shù)據(jù)率和被測(cè)衛(wèi)星數(shù)的不同而異的；例如，Trimbble 4000SST的內(nèi)存器，在15秒數(shù)據(jù)率的情況下，能夠存儲(chǔ)對(duì)5顆衛(wèi)星作14個(gè)小時(shí)的雙頻（L1/L2）觀測(cè)數(shù)據(jù)（選購件可存儲(chǔ)112個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)），但在1秒數(shù)據(jù)率的情況下，只能儲(chǔ)存56分鐘的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)。為了防止數(shù)據(jù)溢出，當(dāng)內(nèi)存器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)達(dá)到飽和容量的95%時(shí)，便會(huì)發(fā)出“嘀嘀”的報(bào)警聲，以此提醒作業(yè)員進(jìn)行及時(shí)處理。為了轉(zhuǎn)移內(nèi)存器所存儲(chǔ)的GPS定位數(shù)據(jù)，有的接收機(jī)隨機(jī)配備了轉(zhuǎn)換器（OSM），PC機(jī)通過轉(zhuǎn)換器不僅能將內(nèi)存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存在磁盤上，而且能夠給接收機(jī)預(yù)置有關(guān)觀測(cè)指令，例如，實(shí)現(xiàn)無人值守的數(shù)據(jù)采集。

Trimble公司于20世紀(jì)末推出的Trimble 5700 GPS信號(hào)接收機(jī)，采用內(nèi)置小型的48MB Flash存儲(chǔ)器，可以存儲(chǔ)對(duì)6顆衛(wèi)星以15秒更新率作雙頻（L1/ L2）觀測(cè)的1，080小時(shí)（45天）的GPS數(shù)據(jù)；若連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站（CORS），采用Trimble 5700 GPS信號(hào)接收機(jī)，則可選用能夠存儲(chǔ)2，750小時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的Flash存儲(chǔ)器，其所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)仍為對(duì)6顆衛(wèi)星以15秒更新率作雙頻（L1/L2）觀測(cè)的GPS數(shù)據(jù)。LEICA公司于20世紀(jì)末研制成功的SR530 GPS信號(hào)接收機(jī)，采用LEICA閃存PC卡存儲(chǔ)GPS數(shù)據(jù)（如圖9所示），一張4MB卡（可提供256MB卡）能存儲(chǔ)15秒更新率/平均5顆衛(wèi)星的150小時(shí)雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖9　用LEICA閃存PC卡存儲(chǔ)GPS數(shù)據(jù)

2.4計(jì)算與顯控

圖1中的顯控器通常包括一個(gè)視屏顯示窗和一個(gè)控制鍵盤，它們均安設(shè)在接收單元的面板上。在作業(yè)過程中，使用者通過鍵盤按鍵的控制，可以從視屏顯示窗上讀取所要求的數(shù)據(jù)和信息。這些數(shù)據(jù)和信息是由微處理機(jī)及其相應(yīng)軟件提供的；接收機(jī)內(nèi)的處理軟件是實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)采集和波道自校檢測(cè)自動(dòng)化的重要部分，它主要用作信號(hào)捕獲、環(huán)路跟蹤和點(diǎn)位計(jì)算。在機(jī)內(nèi)軟件的協(xié)同下，微處理機(jī)主要完成下述計(jì)算和處理：

⊙ 當(dāng)接收機(jī)接通電源后，立即指令各個(gè)波道自檢，適時(shí)地在視屏顯示窗內(nèi)展示各自的自檢結(jié)果，并測(cè)得、校正和儲(chǔ)存各個(gè)波道的時(shí)延值。

⊙ 根據(jù)跟蹤環(huán)路所輸出的數(shù)據(jù)碼，解譯出GNSS衛(wèi)星星歷；聯(lián)同所測(cè)得的GNSS信號(hào)到達(dá)接收天線的傳播時(shí)間及其變率，計(jì)算出測(cè)站的三維位置和速度；并按照預(yù)置的位置數(shù)據(jù)更新率，不斷更新（計(jì)算）點(diǎn)位坐標(biāo)和速度。

⊙ 用已測(cè)得的點(diǎn)位坐標(biāo)和GNSS衛(wèi)星歷書，計(jì)算所有在軌衛(wèi)星的升落時(shí)間和方位；并能為作業(yè)員提供在視衛(wèi)星數(shù)量及其正常工作與否，以便作業(yè)員選用“健康”的分布適宜的定位星座，達(dá)到提高點(diǎn)位精度的目的。

2.5頻率合成器

頻率合成器（如圖10所示）是用一個(gè)獨(dú)立的基準(zhǔn)頻率源（如晶體振蕩器），在壓控振蕩器的支撐下，運(yùn)用信號(hào)的分頻和倍頻功能，獲得一系列與基準(zhǔn)頻率穩(wěn)定度相同的信號(hào)輸出，即，用一個(gè)頻率合成器，可以獲得多個(gè)高穩(wěn)定的輸出信號(hào)。

圖10　頻率合成器的基本結(jié)構(gòu)

2.6 電源

20世紀(jì)的GPS信號(hào)接收機(jī)一般采用蓄電池作電源，甚至采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直源電源，例如，WM102雙頻接收機(jī)采用12伏機(jī)內(nèi)鎘鎳電池，或者12伏外接蓄電池。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的是，便于在更換外接電池時(shí)而不中斷連續(xù)觀測(cè)。當(dāng)機(jī)外電池下降到11.5伏時(shí)，便自動(dòng)接通機(jī)內(nèi)電池，后者的容量為6.7安培小時(shí)，可供3～4小時(shí)的觀測(cè)之用；當(dāng)機(jī)內(nèi)電池低于10伏時(shí)，若沒有連接上新的機(jī)外電池，接收機(jī)便自動(dòng)關(guān)機(jī)，停止工作，以免縮短使用壽命。WM102的接收單元還安設(shè)了一個(gè)3.6伏和1安培小時(shí)可用兩年左右的鋰電池，它專為機(jī)內(nèi)時(shí)鐘供電。并在關(guān)機(jī)后，為RAM存儲(chǔ)器供電，以防止丟失數(shù)據(jù)。美國Trimble公司于21世紀(jì)第一春投放市場(chǎng)的Trimble 5700 GPS信號(hào)接收機(jī)，在機(jī)內(nèi)安設(shè)了兩塊鋰電池，可供5700 GPS信號(hào)接收機(jī)進(jìn)行10個(gè)小時(shí)的野外作業(yè)。在用機(jī)外電池的觀測(cè)過程中，機(jī)內(nèi)電池能夠自動(dòng)地被充電。圖11表示兩種不同電池供電的GNSS信號(hào)接收機(jī)。

圖11　A采用蓄電池供電的GNSS信號(hào)接收機(jī)

圖11　B采用機(jī)內(nèi)電池供電的GNSS信號(hào)接收機(jī)

綜上所述，GNSS信號(hào)接收機(jī)的主要任務(wù)是：當(dāng)GNSS衛(wèi)星在用戶視界升起時(shí)，能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星，并能夠跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行；對(duì)所接收到的GNSS信號(hào)，具有變換、放大和處理的功能，以便測(cè)量出GNSS信號(hào)從衛(wèi)星到接收天線的傳播時(shí)間及其變率，解譯出GNSS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的三維位置、三維速度和時(shí)間，甚至三維姿態(tài)參數(shù)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，GNSS信號(hào)接收機(jī)需要功能強(qiáng)和運(yùn)行快的兩種功能數(shù)據(jù)處理軟件：一是接收機(jī)內(nèi)置軟件，它既能解算用戶的位置、速度和時(shí)間，又能作數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)管理、載波相位測(cè)量的周跳探測(cè)及其注記、儀器自診斷及其控制；二是測(cè)后數(shù)據(jù)處理軟件，它能夠作觀測(cè)數(shù)據(jù)的初加工、預(yù)處理、基線向量解、網(wǎng)平差計(jì)算、坐標(biāo)變換（包括從通用橫軸墨卡托平面坐標(biāo)變換成高斯平面坐標(biāo)），等等。因此，GNSS信號(hào)接收機(jī)是一種軟硬件集成的用戶設(shè)備。

3　結(jié)束語

自從1978年2月22日第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星的入軌運(yùn)行以來，且不論GPS在航空、航天、航海和陸地測(cè)量中的廣泛應(yīng)用，僅僅入戶伴人隨行的應(yīng)用便有：戴在人們頭上的GPS眼鏡、穿在人們腳上的GPS鞋、掛在人們腰帶上的GPS跟蹤器和握在人們手中的GPS照相機(jī)，等等，這些應(yīng)用都需要接收機(jī)。廣言之，GNSS信號(hào)接收機(jī)是GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星的用戶設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位的終端儀器，它是一種能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)的無線電接收設(shè)備，既具有常用無線電接收設(shè)備的共性，又具有捕獲、跟蹤和處理弱達(dá)3.5E-16W～2.5E-17W衛(wèi)星微弱信號(hào)的特性。本文對(duì)GNSS信號(hào)接收機(jī)的GNSS信號(hào)接收天線、信號(hào)波道、存儲(chǔ)器、計(jì)算與顯控、電源等構(gòu)件進(jìn)行了概述，為讀者深究它們打開了方便之門。

值得注意的是，GNSS信號(hào)接收機(jī)，不僅需要優(yōu)秀的硬件，而且還需要優(yōu)秀的內(nèi)置軟件，后者既能解算用戶的位置、速度和時(shí)間，又能作數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)管理、載波相位測(cè)量的周跳探測(cè)及其注記、儀器自診斷及其控制。此外，還需要有優(yōu)秀的測(cè)后數(shù)據(jù)處理軟件，它能夠作觀測(cè)數(shù)據(jù)的初加工、預(yù)處理、基線向量解、網(wǎng)平差計(jì)算、坐標(biāo)變換（包括從通用橫軸墨卡托平面坐標(biāo)變換成高斯平面坐標(biāo)）等功能。

［1］劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法（第二版）.北京：科學(xué)出版社，2008.6

［2］We11s，D.E.， et a1， Guide to GPS Positioning， University of New Brunswick，Canada，1987

［3］GNSS receivers，http://www.trimble.com

The Current Status and Development on Refning GNSS Ephemeris by Means of Satellite Laser Ranging --Transmitting/receiving Issue（10） of GNSS Navigation Signals

Liu Jiyu
（School of Geodesy and Geomatics， Wuhan University， Wuhan， 430079）

The GNSS signal receiver is GNSS user equipment for satellite navigation andthe terminal equipment for realizing GNSS satellite navigation/positioning. It is the radio receiving equipment that is able to receive， process， track and measure the GNSSnavigation signals. It has not only the common performance of the radio receiving equipments， but also the characteristic performance for acquiring， tracking and surveying the weak satellite signals of 3.5E-16W～2.5E-17W. For this reason the structural components of GNSS signal receivers must meet the needs to capture， track， and measure the GNSS signals.

GNSS signal receiver； GNSS signal； Signal channel

10.3969/j.issn.1672-7274.2015.02.001

TN96

A

1672-7274（2015）02-0001-06

劉基余，現(xiàn)任武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院教授/博士生導(dǎo)師，兼任美國紐約科學(xué)院（New York Academy of Sciences）外籍院士、中國電子學(xué)會(huì)會(huì)士。主要研究方向是GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位/衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)，在國內(nèi)外30余種中英文學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了280余篇相關(guān)研究論文，獨(dú)著了（北京）科學(xué)出版社于2013年1月出版發(fā)行的《GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法》一書。他的主要業(yè)績已分別載于美國于2001年出版發(fā)行的《世界名人錄》（Who's Who in the World）、美國于2005年出版發(fā)行的《科技名人錄》（Who's Who in Science and Engineering）和中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)于2007年出版發(fā)行的《中國科學(xué)技術(shù)專家傳略》工程技術(shù)編《電子信息科學(xué)技術(shù)卷2》等五十多種國內(nèi)外辭書上。