GNSS导航信号接收机的基本性能检验

武汉大学测绘学院 刘基余

我国区域覆盖的北斗卫星导航系统于2012年12月27日宣布建成后，它的用户设备──北斗导航信号接收机也随之迅速发展；其中，以所谓“多模接收机”（实际上就是GNSS导航信号接收机）发展更为迅速。对于研制者而言，他们需要确知自己的产品竞争力；对于使用者而言，他们需要确知所购产品的适应性。因此，GNSS导航信号接收机的基本性能，就成为大家的关注焦点。由于北斗卫星导航信号及其导航电文与GPS具有许多相似之处，两者构成的GNSS导航信号接收机也易检测。笔者基于对GPS信号接收机基本性能的了解和对它的检测实践，提出了检验GNSS导航信号接收机基本性能的零基线检测法和超短基线检测法，供实用参考。

一、GNSS接收机的理想性能

GNSS导航信号接收机的理想性能，笔者认为，可以概括成如下所述：

1. 观测量多

在研制GNSS导航信号接收机时，依据其应用目的，选择合乎需求的较多观测量。一般说来，GNSS导航信号接收机主要是指能够接收、捕获、跟踪和测量GPS、GLONASS、北斗和Galileo导航信号的卫星导航用户设备；此处论述它们的观测量，不可能一一而述，只能够以GPS信号为例，予以说明之，且仅对GPS第一、第二导航信号L1/L2而言（GPS L5信号请见笔者所著的【GPS卫星导航定位原理与方法】一书〖北京科学出版社于2013年1月出版发行〗的相关章节）。目前GPS L1/L2信号可供民间用户选用的观测量如表1所述。

表1 GPS基本观测量

20世纪80年代末期所生产的GPS测地接收机，有的不提供“站星距离粗测值”，而要求用户输入点位精度为±150公里的概略值，用于该种GPS测地接收机的点位精密解算。由此可见，也非每位研制者都关注“站星距离粗测值”，而予以测量之。笔者认为，对于各类导航型接收机，必须精细测得“站星距离粗测值”！否则，无法实现运动载体的精确导航。

2. 具有同时跟踪和测量4颗以上有效GNSS卫星 的能力

一台GNSS导航信号接收机，能否同时跟踪和测量多颗GNSS卫星，取决于它具有的波道数。根据美国《GPS World》期刊于2012年第一期的统计报告可知，在58家生产厂商所生产的483种GNSS信号接收机中，Trimble公司的仅重1.75kg的NetR9 TI-1基准接收机具有440个波道，能够接收GPS、GLONASS、Galileo、北斗、QZSS、WAAS和EGNOS导航信号，以及OmniSTAR VBS、HP和XP差分改正信号。由此看来，现代的GNSS导航信号接收机，同时跟踪和测量4颗以上有效GNSS卫星是完全可行的；但是，如何剔除所接收到的病态GNSS卫星，则是一个必须解除的难题；否则，稳定而可靠的高精度导航定位，就是一句空话。对于GPS卫星而言，它们的导航电文第四、第五子帧较详细地给出了所发信号各个分量的“健康状况”（详见笔者前述著作的表3.1.1），依此即可剔除所接收到的病态GPS卫星。

3. 具有弱信号的捕获测量能力

现代的GNSS导航信号接收机，需要在许多复杂环境条件下使用；例如，需要在深山峡谷或市镇闹区进行卫星导航定位测量。在这种场合下，GNSS导航信号的强度往往低于－160dBw，GNSS导航信号接收机就需要具有弱信号的捕获测量能力。此外，GNSS卫星所发送的几种导航信号电平也不相同，需要认真思考解决方法；例如，根据GLONASS ICD 2008 Edition 5.1可知，GLONASS卫星L1/L2最低接收功率电平（dBw）随卫星高度角（度）变化如图1所示。由该图可见，当GLONASS卫星高度角为30°时，其L1信号的最低接收功率电平是－160dBw，而L2信号的最低接收功率电平是－167.5dBw左右。如果GNSS导航信号接收机不具备较强的弱信号捕获测量能力，就难以实现GLONASS卫星的双频测量，不能够匹配其他GNSS卫星的双频率测量成果。目前已经研发了专用于捕获GNSS卫星弱信号的相干累加、非相干累加、差分相干累加和基于广义差分相干累加等算法，并成功地用于作业实践。

4. 具有多频的接收测量能力

图1 GLONASS卫星的L1/L2最低接收功率电平（dBw）随卫星高度角（°）的变化

单频接收机的制作成本和售价虽较低，但它们不适宜用于厘米级测量精度的应用场合，如站间距离为百余公里以上的测地应用；又如，星载GNSS的定轨测量，等等。对于这种高精度的应用场合，必须采用多频GNSS导航信号接收机，才能够有效地削弱电离层效应的精度损失。现行的GNSS卫星均能够提供三种导航定位信号，因此，只要GNSS导航信号接收机具有捕获接收三种导航定位信号的能力，就能够实现三个载波频率的导航定位测量。

5. 内存容量大

在20世纪90年代生产的GPS信号接收机，其内存容量一般为0.5Mb～80Mb；它们的存储时间长短，既取决于GPS定位数据的更新率，又取决于被测卫星的多少，例如，当内存容量为1Mb，被测卫星为5颗，采用15秒数据更新率，可存储14小时的GPS数据；若其他条件不变，仅改用1秒数据更新率，则只能存储56分钟的GPS数据。但是，Trimble 5700 GPS信号接收机，采用内置小型的48MB Flash存储器，可以存储对6颗卫星以15秒更新率作双频（L1/L2）观测的1080小时（45天）的GPS数据；若连续运行的基准站（CORS），采用Trimble 5700 GPS信号接收机，则可选用能够存储2750小时观测数据的Flash存储器，其所存储的数据仍为对6颗卫星以15秒更新率作双频（L1/L2）观测的GPS数据。由此看来，随着内置小型存储器的迅速发展，GNSS导航信号接收机能够实施大容量的内置存储，而为用户实用便利。

6. 无故障时间长

平均无故障时间MTBF（mean time been without failure）表征GNSS导航信号接收机的耐用性；美国军用标准定为MTBF≥13000小时；而现行的民用GNSS导航信号接收机的平均无故障时间一般为60000小时左右。

7. 测量精度高

精度，表示一个量的观测值与其真值接近或一致的程度。正如前述，Trimble公司的仅重1.75kg的NetR9 TI-1基准接收机，具有440个波道，而能够接收多种卫星导航信号，以致它的GNSS测距码差分定位的二维位置精度能够达到�(25cm＋1PPM)，高程测量精度为�(50cm＋1PPM)；它的GNSS静态定位的二维位置精度能够达到�(3mm＋0.1PPM)，高程测量精度为�(3.5mm＋0.4PPM)。笔者认为，这代表GNSS导航信号接收机现代的高精度测量水平，值得我们借鉴。

8. 作业适应性强

一台较理想的GNSS导航信号接收机，既能作静态定位，又能作动态测量，也即能在高低动态环境条件下作7维状态参数测量；而且具有较强的抗客体干扰能力。干扰GPS信号接收的信号（如表2所示），有人为射频干扰类（Jamming）和客体射频干扰类（Unintentional RF Interference）。后者是一些客观存在的无线电发送设备引起的电子干扰；例如，1996年2月26日，我们在海口市一个高层建筑物上拟设立一个GPS基准站，首先用AOA公司生产的SNR-8000 GPS信号接收机进行试测，但不能接收到GPS信号；当用Trimble 4000SSE GPS 信号接收机安设在这同一点位上时，却能够正常地捕获和跟踪到GPS信号，而实现GPS导航定位。后续的调查研究表明，近处有一座无线电发射台。由此可见，不同类型的GPS信号接收机，其抗电子干扰能力相差较大。

表2 GNSS卫星导航信号的射频干扰源及其类型

9. 低功耗，小而轻

非手持式的GNSS导航信号接收机，应具有交直流供电的适应能力，而且对供电电源的电压范围不作过高要求。最好在GNSS导航信号接收机内部安设有锂电池，可供它在野外作业十来小时。而且整机的功耗小，重量轻，以便野外作业使用。

10. 数据处理软件功能强

GNSS导航信号接收机的内置软件，既能解算用户的位置、速度和时间，又能作数据编辑、数据压缩、数据管理、载波相位测量的周跳探测及其注记、仪器自诊断及其控制。

GNSS导航信号接收机的测后数据处理软件，能够作观测数据的初加工、预处理、基线向量解、网平差计算、坐标变换（包括从通用横轴墨卡托平面坐标变换成高斯平面坐标），等等。

二、GNSS接收机的质量指标

GNSS导航信号接收机的质量优劣，主要表现在它自身测量站星距离的误差大小。当以GPS信号接收机为例时，在简化公式推导的情况下，用L1-P码和L2-P码测得的伪距分别为

式中，ρj为GPS信号接收天线至第j颗GPS卫星的真实距离；IjL1为L1-P码伪距的电离层效应的距离偏差；IjL2为L2-P码伪距的电离层效应的距离偏差；Mj

L1-P为L1-P码伪距测量的质量指数，它表明多路径误差和接收机L1-P码伪距测量误差的大小；MjL2-P为L2-P码伪距测量的质量指数，它表明多路径误差和接收机L2-P码伪距测量误差的大小。

用P-L1载波和P-L2载波测得的伪距分别为

式中，AjL1为P-L1载波的整周模糊度偏差距离；AjL2为P-L2载波的整周模糊度偏差距离；mjP-L1为P-L1载波伪距测量的质量指数，且知，mjP-L1<

若将式（1）和式（2）相减，且考虑到mjP-L1<

或写成

式（2）的两个方程相减可得

式中，

α=IjL2/ IjL1=（fL1/ fL2）2

由式（4）知，

将式（5）代入式（3）可得

或写成

式（6）左边的第二项，是GPS载波相位测量的整周模糊度偏差距离之差。用我们自己的DDKIN-OTF动态载波相位测量数据处理软件多次解算的实践表明，一般用10个时元的载波相位测量数据，即可固定整周模糊度之解，以致式（6）左边的第二项可以忽略不计，故有

依式（6）的推导方法，可得

当略去式（8）左边的第二项时，则得

考虑到fL1＝1575.42MHz和fL2＝1227.60MHz，则知：α＝1.646944；故有

对四种最新的GPS双频接收机半小时实际测量数据解算表明，MjL1-P的均值分别为0.135m～6.326m；MjL2-P的均值分别为0.178m～8.675m。这些数值能够较好地反映GPS双频接收机的性能优劣；一般而言，MjL1-P和MjL2-P的均值越小，其接收机的作业性能就越好，也越能获得较高而稳定的GPS卫星定位精度。这可供检测GNSS导航信号接收机的基本性能参考。

三、检测GNSS接收机基本性能的方法

卫星信号在接收机内部从一个电路到另一个电路的行进中，必须占据一定的时间，这种由于电子电路所产生的时间延迟，叫做内部时延。它的大小可以根据电路参数计算求得。如果内时延是稳定而不变动的话，经过内时延改正后的站星距离，便不存在测量精度的损失。但是，由于波道时延的不稳定性，中频信号的相位抖动和接收天线的相位中心漂移，不可能实现接收机内时延的精确改正。为了监控内部时延的不稳定性，需要定期地检测GNSS导航信号接收机。

此外，现行的GNSS卫星导航定位，是基于被动式测距原理；GNSS导航信号接收机只要测得用户天线至GNSS卫星的距离（简称为站星距离），即可按式（11）解算出用户位置：

式中，Pj(t)为GNSS导航信号接收机测得的用户在时元t至第j颗GNSS卫星的距离；Xj(t),Yj(t),Zj(t)为第j颗GNSS卫星在时元t的在轨位置；Xu(t),Yu(t),Zu(t)为用户天线在时元t的在途位置；du(t)为GNSS导航信号接收机时钟偏差等因素引起的站星距离偏差。

从式（11）可见，为了解算出用户的三维位置，GNSS导航信号接收机至少要观测四颗GNSS卫星，而列出四个如上的方程式。由此可见，GNSS定位精度与用户航行速度快慢无关，只取决于下列三大因素：

⊙ 站星距离的测量误差。

⊙ 作为动态已知点的GNSS卫星的实时在轨位置误差。

⊙ 所测四颗以上GNSS卫星在空的几何分布，即PDOP值。

从此可见，适时地检测GNSS导航信号接收机的基本性能，是确保导航定位成果高精度的第一步；特别是对于新近购得或研制的接收机，更有必要。GNSS导航信号接收机的基本性能检测主要包括下列几项：一是内时延稳定性的检测；二是外部符合精度的测定；三是GNSS成果可靠性的鉴别。下面对接收机基本性能检验分别予以简要论述。�

1. 零基线检测法

零基线，源于用二台接收机作相对定位所测定的两付GNSS导航信号接收天线之间的距离和相对位置。所谓零基线，是二个接收单元共用一副天线单元而测定的距离；其值应为零。当作零基线检测时，仅用一副GNSS导航信号接收天线接收在视卫星信号，并通过一个信号分配器将所接到的GNSS导航信号分别送到各个接收单元（如图2所示），进而分别测定同一接收天线至各颗在视GNSS卫星的距离；对两个接收单元所观测的GNSS数据进行联合解算，可以求得零基线的长度和相对点位。零基线检测的优点是:

⊙ 能够消除GNSS导航信号接收天线相位中心漂移影响。

⊙ 能够消除GNSS导航信号在大气传播的不良影响。

⊙ 能够消除GNSS卫星的星历误差。

⊙ 能够消除多路径效应的不良影响。

图2 零基线检测框图

也即，零基线测验的解算成果，消除了GNSS导航信号的传播误差、多路径误差、星历误差和天线相位中心不稳定性影响，仅仅取决于接收机内时延的大小及其不稳定性。因此，零基线测验成果与其真值（△X＝△Y＝△Z＝0，D＝0）相比较，可以鉴别内时延的相对值，多次检测成果可以鉴别内时延的稳定与否。

表3 Trimble 4000SSI的零基线检测成果

表3是我们于2001年4月和6月对3台Trimble 4000SSI双频接收机作零基线检测的实测成果。从表列数据可知，实际测定的零基线长度与其真值（0mm）之差小于0.095mm；相对位置与其真值（△X＝△Y＝△Z＝0）之差也不超过±0.062mm。这说明Trimble 4000SSI具有较小的相对内时延。相隔50天后的零基线检测成果也很近似，这表明Trimble 4000SSI的内时延比较稳定；因此，用Trimble4000SSI作导航定位测量能够获得稳定可靠的实际精度。零基线检测，不仅可以对同一型号的GPS信号接收机配对检测，而且还可以用不同型号的GNSS导航信号接收机配对检测。表4下半部分成果，是将Trimble GPS信号接收天线改换为AOA GPS信号接收天线，且用三台3台Trimble 4000SSI双频接收单元，共用一副AOA GPS信号接收天线；其零基线检测成果表明，实际测定的零基线长度与其真值之差，以及相对位置与及其真值之差，均不超过0.1mm；这表明，它们具有较高的外部符合精度。

表4 混合配对的零基线测定成果

零基线检测，不仅可以对同一型号的GNSS导航信号接收机配对检测，而且还可以用不同型号的GNSS导航信号接收机配对检测（如表4所示）。从表列数据可见，Ashtech LM-XII3和Trimble 4000SSE混合配对，而用AOA SNR-8000接收机的天线作零基线检测，用载波L1测得的零基线长度为0.4mm；用载波L2测得的零基线长度为1.0mm。当改用AshtechLM-XII3接收机的天线（用圆括号表示），而保持接收机的配对不变，用载波L1测得的零基线长度仍为0.4mm，用载波L2测得的零基线长度则为1.3mm。表4中三种接收机的零基线检测表明，它们的相对内时延是比较小的。�

2. 超短基线检测法

超短基线检测法，是笔者于1991年初春提出的，并经过了多次生产实践应用；其目的是便于某些野外作业者，在GNSS测量现场，进行GNSS导航信号接收机的基本性能检测。从目前GNSS导航信号接收机的发展可见，GNSS天线单元与接收单元结合为一体的GNSS导航信号接收机已经成为一个重要的发展机型，笔者称之为“一体机”。下文所述的超短基线检测法，适应于检测GNSS导航信号接收机的“一体机”。超短基线检测的基本思想如下述：

（1）在一个植被优良和地势开阔的检测场地上，依据被检测的GNSS导航信号接收机的台数，测设一个边长为几米的几何图形（如三角形或四边形），并用钢卷尺精确地测定它们的实际长度，以此作为检测的标准值。�

（2）将受检GNSS导航信号接收机安设在检测图形的各个节点上，进而作多个时段的定位测量。图3表示我们于2001年4月用超短基线构成的三角形检测三台接收机之例；该检测三角形的平均边长为8.036m。在第一时段，图3中的A，B，C三个测站上分别安设8668，8511，8697号Trimble 4000SSI GPS信号接收机；后续时段，则按照全组合方式，以反时针方向移动方式，安设三台GPS信号接收机（如表5所示）。

图3 检验三角形

表5 各测站的4000SSI接收机安设顺序（于2001年4月16日）

（3）处理和分析各接收机对的双差定位成果（如表6所示）。在几米长的超短基线上作双差定位测量时，既可不顾及对流层和电离层时延改正的残差影响，又可消除星历误差和星钟误差，以及两台接收机的收钟误差。各站际双差成果和基线标准值D0之差，便能较客观地反映各接收机对的仪器误差及其稳定性。从表6数据可见，用三台Trimble 4000SSI GPS信号接收机所测得的超短基线距离与其标准值之差，最大相差为4mm，最小相差仅为1mm。这说明，受检的三台4000SSI双频接收机，既不存在明显的仪器误差之异，又在相对定位时具有较小的仪器误差。但是，在作业过程中，应该按照检测时所用的接收机和外接天线配对，而不宜重新组合GNSS导航信号接收天线和接收单元的配对。

为了真实地反映GNSS导航信号接收机的基本性能，在作超短基线检测时，应充分注意下列几点：

⊙ 各时段的持续时间应该相同（一般采用60分钟）。

⊙ 各时段的三维位置几何精度因子（PDOP）的选择，均应小而相近似，致使各个PDOP对各接收机对的检测成果具有相近似的影响。

表6 Trimble 4000SSI超短基线检测三角形的检测成果

⊙ 宜选取较大的卫星高度截止角（如20°），以保持检测过程中具有相近似的信噪比，并记录后者，以备分析之用。

实际上，四台接收机的超短基线检测，还可以采用如图4所示的检测四边形；其各边长度也应设定在几米，且应精确测定它们的实际长度，用作标准值。当作第一组检测时，四台接收机（R1，R2，R3，R4）分别安设在四个测站（A，B，C，B，见表7所示）上。当作第二组检测时，四台接收机依顺时针变换测站安设［如表7的R4(A)，R1(B)，R2(C)，R3(D)］；余类推。采用四边形检测，可以计算出同步环路和异步环路的坐标闭合差，及时评定GNSS数据质量的优劣，客观地检测GNSS导航信号接收机的基本性能。

图4 检测四边形

表7 在四边形上的组合检测

四、结束语

GNSS导航信号在接收机内部电路所产生的时间延迟是不稳定的，难以予以精确改正，因此，为了监控内部时延的不稳定性，需要定期地检测GNSS导航信号接收机。依靠已知基线或已知边长的几何图形，能够检测GNSS导航信号接收机的外部符合精度；依据多时段观测成果的互差，能够鉴别GNSS成果的可靠性。零基线检测法，是测定接收机内时延大小及其稳定性的有效途径。超短基线检测法，是在零基线检测的基础上发展而成的；对于GNSS天线单元与接收单元结合为一体的GNSS导航信号接收机，或者，在某些野外作业的条件下，一时难以制配信号分配器，就可改用超短基线检测法；实践证明，它具有零基线检测法的同等作用。

图5 用三星Galaxy Note 手机的GPS定位成果

值得一提的是，带GPS导航定位功能的手机的基本性能检测问题有待实用解决。据笔者所知，具有GPS导航定位功能的三星Galaxy Note手机，是一种真正能够独立自主做GPS导航定位的手机，很受用户赞赏。例如，2013年2月11日，胡克伟硕士利用该手机在武汉市公交车上测得如图5所示的GPS动态定位成果（手机显示界面的截获图）；由此可见，两次测量仅相差40秒钟，而它显示的定位精度却相差6m。因此，如何确认它的真实精度，就需要对它予以实际检测。对于这种GPS信号接收天线与跟踪测量一体化的设备，检测它们的测量精度等项技术参数，虽然不能够采用零基线检测法，但是，能够采用笔者提出的已知点位检测法。

见www.dcw.org.cn