GNSS软件接收机已跨越大众应用的拐点

GNSS软件接收机已跨越大众应用的拐点

近些年来，GNSS应用产业最大的技术进步是在什么方面？是在接收机领域，这是一个潜移默化的过程，在不知不觉中，在岁月静好中，在那些远去的记忆中，GNSS接收机有了翻天覆地的变化，这是理所当然的吗？是，也不是。在《GNSS技术趋势蓝皮书—2018》的报告中，我们就指出，GNSS技术发展大趋势中，GNSS接收机发展变化之大，是最为明显的，GNSS系统之多星座、多频率、多信号的革命性变化，随之而来的当然是接收机的变化，包括天线之变。而接收机之变是市场化、规模化、大众化、产业化的结果，消费需求是万变之源。其中是市场化的伟大力量把GNSS应用服务产业推向崭新的发展高度、深度和广度。

实质上，GNSS接收机真正的重大变化是在软件接收机上，换句话税，是在软件无线电上，现代的科学技术革命，在某种意义上说，是一种流动，或者说是流变革命，也是一场移动与信息革命，而真正革命的底蕴基础是无线电（Radio），无线电让世界万物都能够流起来，动起来，同时它又将无线变成无限，这是一百多年来，人类最为革命性的创造，没有之一，这就是无线电广播，这就是收音机。一个广播电台，在其覆盖范围内，可以有无限多个用户，收听广播。后来，又演变成为无线电电视广播。

                               
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卫星导航，就是无线电广播的又一范例。实现了全球化的定位导航授时，但是，这又是难以随便复制和拷贝的模式，就这个“无线=无限”的模式，也是卫星通信和卫星遥感等等望尘莫及的。无线电技术的最新进展之一是软件定义无线电或称SDR。SDR通常由两个组件组成：一个称为射频（RF）前端的硬件和一个在通用计算机上运行的软件。前端的工作是将其天线接收的无线电频谱的一部分转换为可由软件处理的数字数据流。软件对数据进行解码以产生期望的结果。由于该软件在处理无线电信号时承担了大部分“繁重的工作”，因此它通常被称为SDR接收机。

SDR技术进入GNSS领域不足为奇。事实上，2007年，有关GNSS SDR的开创性文本《软件定义的GPS和伽利略接收机：单频方法》（A Software Defined GPS and Galileo Receiver:A Single Frequency Approach）出版，同时还销售了一个拇指大小的驱动器廉价射频前端，该前端允许研究生和其他人自己试验GNSS SDR。从那个时候开始，至今，GNSS软件接收机，已经经过了四分之一世纪的发展历程，首先是突破了能够实时处理运作的难关，成为真正是实用型接收机，成为GNSS接收机研究开发的强大工具；其次，是其开源化的发展，成为一种真正人人可用的公共资源，持续不断地在演化进步，在许多方面体现了其优势，能够随着GNSS系统本身的发展，而不断地更新、再设置，无需无休无止地更换硬件；第三是得到了许多实实在在的推广应用，如在空间卫星定轨、空间物理探测、空间飞行控制……的一系列空间应用中，在教育培训演示体验中，成为重要的基础培训教育资源和测试仪器设备，得到了广泛的推崇关注和服务应用，在大量的参考站、基准站、连续跟踪观测站建设中，被作为重要的选择对象和关键资源，加以运用。随着单指令多数据多核技术的进步，随着计算机处理器速度、并行指令和架构的进步为GNSS软件接收机打开了更大的发展可能性。在某些处理配置下，每一步处理链已被用于优化，从而减少了整个处理链上相关操作的负担，GNSS接收机相关操作不再是瓶颈过程。一种最先进的基于位并行相关的“纯”GNSS SDR出现，现代处理器和矢量化指令集使得GNSS SDR变得精致，在并行操作和位操作中有效实现技术转化，完全有可能成就低成本和高精度的商业化运作。实际上，在智能手机领域，早已经将GNSS软件接收机的概念，运用在其产品的系列中，挖空心思用通用的芯片技术，解决了专用芯片要着力消解的难题。

                               
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图1 实时GNSS 软件接收机组成及外观

                               
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图2 最新的数字射频前端（比图1 中的金属外壳射频更小）

                               
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而在国内，我们在北斗二号民用产业化项目中，也安排了GNSS软件接收机项目的研发，赶上了国际的技术发展潮流。在北斗二号项目民用产业化项目实施之前，我国卫星导航产业所批量使用的GPS和GLONASS芯片，以及相关的高端定位、导航和授时接收机，基本上都是进口的。直到2005年才有西安华讯微电子推出国产第一款GPS芯片组。为了从根本上改变这种被动局面，北斗民用产业化项目在“关键技术与基础产品”专题中，安排了“IC芯片组”、“高精度接收机”和“软件接收机”等开拓性项目，以期填补相关的国内空白。而且，都要求实现与其他GNSS的兼容互操作。以清华大学无线电系陆明泉教授为首的团队，承担了GNSS多星座多频率兼容软件接收机的研究任务，该项目构建了支持多星座、多频点软件接收机研发平台，在该平台基础上可实现多种接收机的延伸研发，可以组构出导航型、测量型与授时型典型应用接收机，对加快我国开发具有自主知识产权的卫星导航接收机的进程，具有举足轻重的意义。近10多年来，多星座多频率软件接收机项目成果，经过不断完善，已经形成能够接收所有GNSS系统信号的完整接收机系统，而且实现了多基站联网工作。其技术水平在当前在同类产品中居于国内外一流水准。