GNSS軟件接收機(jī)已跨越大眾應(yīng)用的拐點(diǎn)

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近些年來，GNSS應(yīng)用產(chǎn)業(yè)最大的技術(shù)進(jìn)步是在什么方面？是在接收機(jī)領(lǐng)域，這是一個(gè)潛移默化的過程，在不知不覺中，在歲月靜好中，在那些遠(yuǎn)去的記憶中，GNSS接收機(jī)有了翻天覆地的變化，這是理所當(dāng)然的嗎？是，也不是。在《GNSS技術(shù)趨勢藍(lán)皮書—2018》的報(bào)告中，我們就指出，GNSS技術(shù)發(fā)展大趨勢中，GNSS接收機(jī)發(fā)展變化之大，是最為明顯的，GNSS系統(tǒng)之多星座、多頻率、多信號(hào)的革命性變化，隨之而來的當(dāng)然是接收機(jī)的變化，包括天線之變。而接收機(jī)之變是市場化、規(guī)?；?、大眾化、產(chǎn)業(yè)化的結(jié)果，消費(fèi)需求是萬變之源。其中是市場化的偉大力量把GNSS應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)業(yè)推向嶄新的發(fā)展高度、深度和廣度。

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實(shí)質(zhì)上，GNSS接收機(jī)真正的重大變化是在軟件接收機(jī)上，換句話稅，是在軟件無線電上，現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)革命，在某種意義上說，是一種流動(dòng)，或者說是流變革命，也是一場移動(dòng)與信息革命，而真正革命的底蘊(yùn)基礎(chǔ)是無線電（Radio），無線電讓世界萬物都能夠流起來，動(dòng)起來，同時(shí)它又將無線變成無限，這是一百多年來，人類最為革命性的創(chuàng)造，沒有之一，這就是無線電廣播，這就是收音機(jī)。一個(gè)廣播電臺(tái)，在其覆蓋范圍內(nèi)，可以有無限多個(gè)用戶，收聽廣播。后來，又演變成為無線電電視廣播。

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衛(wèi)星導(dǎo)航，就是無線電廣播的又一范例。實(shí)現(xiàn)了全球化的定位導(dǎo)航授時(shí)，但是，這又是難以隨便復(fù)制和拷貝的模式，就這個(gè)“無線=無限”的模式，也是衛(wèi)星通信和衛(wèi)星遙感等等望塵莫及的。無線電技術(shù)的最新進(jìn)展之一是軟件定義無線電或稱SDR。SDR通常由兩個(gè)組件組成：一個(gè)稱為射頻（RF）前端的硬件和一個(gè)在通用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的軟件。前端的工作是將其天線接收的無線電頻譜的一部分轉(zhuǎn)換為可由軟件處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼以產(chǎn)生期望的結(jié)果。由于該軟件在處理無線電信號(hào)時(shí)承擔(dān)了大部分“繁重的工作”，因此它通常被稱為SDR接收機(jī)。

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SDR技術(shù)進(jìn)入GNSS領(lǐng)域不足為奇。事實(shí)上，2007年，有關(guān)GNSS SDR的開創(chuàng)性文本《軟件定義的GPS和伽利略接收機(jī)：單頻方法》（A Software Defined GPS and Galileo Receiver:A Single Frequency Approach）出版，同時(shí)還銷售了一個(gè)拇指大小的驅(qū)動(dòng)器廉價(jià)射頻前端，該前端允許研究生和其他人自己試驗(yàn)GNSS SDR。從那個(gè)時(shí)候開始，至今，GNSS軟件接收機(jī)，已經(jīng)經(jīng)過了四分之一世紀(jì)的發(fā)展歷程，首先是突破了能夠?qū)崟r(shí)處理運(yùn)作的難關(guān)，成為真正是實(shí)用型接收機(jī)，成為GNSS接收機(jī)研究開發(fā)的強(qiáng)大工具；其次，是其開源化的發(fā)展，成為一種真正人人可用的公共資源，持續(xù)不斷地在演化進(jìn)步，在許多方面體現(xiàn)了其優(yōu)勢，能夠隨著GNSS系統(tǒng)本身的發(fā)展，而不斷地更新、再設(shè)置，無需無休無止地更換硬件；第三是得到了許多實(shí)實(shí)在在的推廣應(yīng)用，如在空間衛(wèi)星定軌、空間物理探測、空間飛行控制……的一系列空間應(yīng)用中，在教育培訓(xùn)演示體驗(yàn)中，成為重要的基礎(chǔ)培訓(xùn)教育資源和測試儀器設(shè)備，得到了廣泛的推崇關(guān)注和服務(wù)應(yīng)用，在大量的參考站、基準(zhǔn)站、連續(xù)跟蹤觀測站建設(shè)中，被作為重要的選擇對(duì)象和關(guān)鍵資源，加以運(yùn)用。隨著單指令多數(shù)據(jù)多核技術(shù)的進(jìn)步，隨著計(jì)算機(jī)處理器速度、并行指令和架構(gòu)的進(jìn)步為GNSS軟件接收機(jī)打開了更大的發(fā)展可能性。在某些處理配置下，每一步處理鏈已被用于優(yōu)化，從而減少了整個(gè)處理鏈上相關(guān)操作的負(fù)擔(dān)，GNSS接收機(jī)相關(guān)操作不再是瓶頸過程。一種最先進(jìn)的基于位并行相關(guān)的“純”GNSS SDR出現(xiàn)，現(xiàn)代處理器和矢量化指令集使得GNSS SDR變得精致，在并行操作和位操作中有效實(shí)現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化，完全有可能成就低成本和高精度的商業(yè)化運(yùn)作。實(shí)際上，在智能手機(jī)領(lǐng)域，早已經(jīng)將GNSS軟件接收機(jī)的概念，運(yùn)用在其產(chǎn)品的系列中，挖空心思用通用的芯片技術(shù)，解決了專用芯片要著力消解的難題。

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圖1 實(shí)時(shí)GNSS 軟件接收機(jī)組成及外觀

圖2 最新的數(shù)字射頻前端（比圖1 中的金屬外殼射頻更?。?/p>

而在國內(nèi)，我們?cè)诒倍范?hào)民用產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中，也安排了GNSS軟件接收機(jī)項(xiàng)目的研發(fā)，趕上了國際的技術(shù)發(fā)展潮流。在北斗二號(hào)項(xiàng)目民用產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目實(shí)施之前，我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)所批量使用的GPS和GLONASS芯片，以及相關(guān)的高端定位、導(dǎo)航和授時(shí)接收機(jī)，基本上都是進(jìn)口的。直到2005年才有西安華訊微電子推出國產(chǎn)第一款GPS芯片組。為了從根本上改變這種被動(dòng)局面，北斗民用產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目在“關(guān)鍵技術(shù)與基礎(chǔ)產(chǎn)品”專題中，安排了“IC芯片組”、“高精度接收機(jī)”和“軟件接收機(jī)”等開拓性項(xiàng)目，以期填補(bǔ)相關(guān)的國內(nèi)空白。而且，都要求實(shí)現(xiàn)與其他GNSS的兼容互操作。以清華大學(xué)無線電系陸明泉教授為首的團(tuán)隊(duì)，承擔(dān)了GNSS多星座多頻率兼容軟件接收機(jī)的研究任務(wù)，該項(xiàng)目構(gòu)建了支持多星座、多頻點(diǎn)軟件接收機(jī)研發(fā)平臺(tái)，在該平臺(tái)基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)多種接收機(jī)的延伸研發(fā)，可以組構(gòu)出導(dǎo)航型、測量型與授時(shí)型典型應(yīng)用接收機(jī)，對(duì)加快我國開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的進(jìn)程，具有舉足輕重的意義。近10多年來，多星座多頻率軟件接收機(jī)項(xiàng)目成果，經(jīng)過不斷完善，已經(jīng)形成能夠接收所有GNSS系統(tǒng)信號(hào)的完整接收機(jī)系統(tǒng)，而且實(shí)現(xiàn)了多基站聯(lián)網(wǎng)工作。其技術(shù)水平在當(dāng)前在同類產(chǎn)品中居于國內(nèi)外一流水準(zhǔn)。