多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備設(shè)計與研究

翟建勇

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，很多國家正加緊開發(fā)獨立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國正在實施GPS現(xiàn)代化計劃、俄羅斯也在加緊恢復(fù)并全面提升GLONASS的性能、歐盟正在建設(shè)Galileo全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、我國已經(jīng)建成區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并且正在建設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，印度、日本等也在發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航增強和導(dǎo)航系統(tǒng)。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備是接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，實現(xiàn)高精度導(dǎo)航、定位測速及授時的關(guān)鍵設(shè)備。衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的研制從接收單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號逐步向多系統(tǒng)、多頻點信號接收的方向發(fā)展。通過對多種（北斗、GPS、GLONASS和Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的綜合利用，勢必打破單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的壟斷局面，擺脫對一個特定導(dǎo)航星座的依賴，可以更好地為用戶提供更精確、更安全的導(dǎo)航定位服務(wù)。通過與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的兼容和互操作，可增強其自身衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性。如現(xiàn)代化的 GLONASS-KM衛(wèi)星增加的 L1CR和L5CR頻率與GPS的L1和L5以及Galileo的E1和E5的頻率相同，其目的就是為了更好地實現(xiàn)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的兼容和互操作。

GPS系統(tǒng)的現(xiàn)代化過程中除了干信比容量增強8-9dB，導(dǎo)航電文增加了新的CNAV電文格式、在前期L1、L2信號基礎(chǔ)上，在信號體制方面也使用了多種信號：在L1頻點增加L1C信號，調(diào)制方式MBOC(6,1,1/11)；增加時分方式的L2C信號；增加L5頻段信號。

GLONASS系統(tǒng)不僅計劃分別在L1和L2頻點發(fā)射CDMA新體制信號，而且增加了新的L3頻段A信號。

Galileo系統(tǒng)目前由于費用、協(xié)調(diào)等問題系統(tǒng)建設(shè)進展緩慢，已經(jīng)有4顆衛(wèi)星正處在信號測試和驗證階段，發(fā)射導(dǎo)航信號有多種信號供用戶使用：包括公共服務(wù)信號E5a、E5b（AltBOC）和E2-L1-E1（MBOC(6,1,1/11)）、商業(yè)服務(wù)信號 E2-L1-E1B、E2-L1-E1C（CBOC(6,1,1/11)）、E6B、E6C（BPSK（5））、公共管理服務(wù)信號E2-L1-E1A（BOC（15，2.5））、E6A（BOC（10，5））以及救援服務(wù)功能。

我國的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)三個頻點的基礎(chǔ)上，也在多個新頻點上增加了多種新體制信號。

通過各個系統(tǒng)的現(xiàn)代化改造和發(fā)展，各個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號越來越多，而且更好地實現(xiàn)和加強了多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號間的互操作和兼容性，從而為多系統(tǒng)多頻點衛(wèi)星綜合利用奠定了基礎(chǔ)，可用衛(wèi)星資源大大增加，提高了觀測數(shù)據(jù)的可用性，在測量定位中提高了信號快速捕獲、整周模糊的解算效率和定位效率、導(dǎo)航處理結(jié)果的可靠性，并且提高了導(dǎo)航定位精度，另外還可以利用不同導(dǎo)航系統(tǒng)之間的信號和數(shù)據(jù)進行完好性驗證。

因此，多系統(tǒng)、多頻點兼容成為未來的發(fā)展趨勢之一。從而需要設(shè)計一款多系統(tǒng)集成的衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備，使其能夠在一個衛(wèi)星導(dǎo)航導(dǎo)航接收設(shè)備中完成多個導(dǎo)航系統(tǒng)不同頻點信號的接收處理，滿足不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)、監(jiān)測和增強的需要。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備工作原理

衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備由天線、低噪聲放大器（LNA）、射頻通道、數(shù)字信號處理部分、數(shù)據(jù)處理部分、頻率綜合器和電源等部分組成，如圖1所示。

圖1 接收設(shè)備工作原理圖

天線接收衛(wèi)星信號，通過 LNA放大濾波后經(jīng)同軸電纜送入射頻通道；在射頻通道里對放大濾波的衛(wèi)星射頻信號進行變頻、濾波、放大并通過AGC保持末級中頻穩(wěn)定在一定幅度；將末級中頻完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后由數(shù)字信號處理部分對信號進行載波和碼的搜索、捕獲和跟蹤，完成相關(guān)解擴，最后解調(diào)出導(dǎo)航電文，提取測量偽距及偽距變化率等數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理部分以導(dǎo)航電文和測量值為輸入，利用相關(guān)算法完成定位、測速、授時等任務(wù)；頻率綜合器利用內(nèi)外頻標(biāo)提供的高穩(wěn)定低相噪的 10.0MHz頻率源為射頻通道和信號處理部分提供本振頻率和數(shù)字處理時鐘頻率；電源為整機內(nèi)部提供所需電源。

2 多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備設(shè)計

2.1 單板式多系統(tǒng)接收設(shè)備設(shè)計

圖2 單板式多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的組成

單板式多系統(tǒng)接收設(shè)備設(shè)計通過天線接收衛(wèi)星信號，LNA放大濾波后，對衛(wèi)星射頻信號進行變頻、濾波、放大，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后對信號進行載波和碼的搜索、捕獲和跟蹤，完成相關(guān)解擴，解調(diào)出導(dǎo)航電文并提取觀測數(shù)據(jù)；最后完成定位、測速、授時等任務(wù)?？傮w方框圖如圖2所示。

射頻信號處理采用可配置射頻芯片（比如XN117），可以通過FPGA將射頻芯片配置成要處理的任意頻點；隨著新一代FPGA和DSP內(nèi)存資源和處理速度的不斷增加和提升，AD完成信號模數(shù)轉(zhuǎn)化后，選用高性能的帶有ARM核的FPGA（比如5CSEMA6CF31I7N）完成四個頻點的信號處理，包括干擾檢測及抑制、衛(wèi)星信號的搜索、跟蹤、測量、數(shù)據(jù)解調(diào)，并提供相應(yīng)的原始觀測數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文等信息；最后利用DSP完成導(dǎo)航定位解算、接口信息處理等。

單板式接收設(shè)備能夠在一個平臺上實現(xiàn)四個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所有信號的接收和處理，具有可靈活配置信號頻點、小型化等特點，但是不能同時處理四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的所有頻點信號、硬件資源有限、無法擴展。研制的單板式多系統(tǒng)接收設(shè)備，可用于多種導(dǎo)航、授時、高精度測量等用戶終端上。

2.2 多板式多系統(tǒng)接收設(shè)備設(shè)計

多系統(tǒng)接收設(shè)備由天線部分、射頻信號處理部分、總線接口、數(shù)字信號處理部分、頻率基準(zhǔn)單元、主控單元、顯控部分、電源部分等組成?？傮w方框圖如圖3所示。

圖3 多系統(tǒng)接收設(shè)備總體方框圖

多系統(tǒng)接收設(shè)備通過天線部分接收北斗、GPS、Galileo和GLONASS四個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相應(yīng)頻點的衛(wèi)星信號，經(jīng)多通道射頻信號處理部分進行下變頻處理后，通過總線接口將各路模擬中頻信號傳輸給數(shù)字信號處理部分的各個數(shù)字信號處理模塊，完成中頻信號預(yù)處理和基帶信號處理，在主控單元對各種數(shù)據(jù)進行綜合處理后，傳輸給顯控部分進行顯示，同時通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶進行數(shù)據(jù)記錄和評估。各部分實現(xiàn)描述如下：

天線部分主要由輻射體、低噪聲放大器（LNA）、帶通濾波器、扼流圈和天線電纜等部分組成，采用對稱振子結(jié)合微帶天線的方式實現(xiàn)，完成對視界內(nèi)的北斗、GPS、Galileo和GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星信號的接收、預(yù)先放大和抗多徑處理。

多通道射頻信號處理部分根據(jù)不同頻點由多個射頻通道單元組成，用來完成對天線接收的北斗、GPS、Galileo和GLONASS系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星信號進行放大和下變頻處理。多頻點射頻信號經(jīng)過射頻放大與分路，用相應(yīng)的濾波器進行濾波，在各自的變頻通道內(nèi)對信號進行變頻、放大、濾波變換為相應(yīng)的中頻信號。為了設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試方便，各個變頻通道都采用模塊化設(shè)計，電路形式完全相同，只有本振信號和濾波器不同。射頻通道單元的設(shè)計可以采用兩種方案：一種是采用傳統(tǒng)的低速采樣方案設(shè)計一組變頻通道，針對四個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所有頻點中的每個頻點（帶寬較窄）進行下變頻，將每個頻點的中頻信號傳送給多個不同的數(shù)字信號處理模塊處理；另一種是采用高速采樣方案，將包含四個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所有頻點的整個L頻段，分為兩個寬帶信號，分別為 1222±66MHz和 1578±32MHz，每個寬帶頻段通過一次下變頻和高速采樣后進行數(shù)字信號處理，與前一種處理不同的是在數(shù)字信號處理前需要針對單個頻點信號對寬帶信號進行窄帶信號濾波處理，將需要處理的信號從寬帶信號中提取出來。

數(shù)字信號處理部分由多個數(shù)字信號處理模塊組成。數(shù)字信號處理部分用來完成A/D轉(zhuǎn)換，自動增益控制、干擾檢測及抑制、衛(wèi)星信號的搜索、跟蹤、測量、數(shù)據(jù)解調(diào)以及多徑信號監(jiān)測與抑制等信號處理功能，并提供相應(yīng)接收信號的載噪比、偽距、載波相位、多卜勒等原始觀測數(shù)據(jù)和導(dǎo)航電文等信息。每塊數(shù)字信號處理模塊用來完成不同系統(tǒng)不同頻點中頻信號預(yù)處理以及基帶信號處理。數(shù)字信號處理模塊主要由可編程邏輯器件FPGA、數(shù)字信號處理器（DSP）、程序存儲器和相關(guān)外圍電路等組成，如圖4所示。

圖4 數(shù)字信號處理模塊的組成

每個數(shù)字信號處理模塊的核心器件為兩組DSP和FPGA，其中一組DSP和FPGA用于中頻信號預(yù)處理（A/D轉(zhuǎn)換/AGC控制/干擾檢測及抑制），另一組DSP和FPGA用于基帶信號處理（信號捕獲/跟蹤/測量及數(shù)據(jù)解調(diào)）。所有數(shù)字信號處理模塊的設(shè)計采取了靈活的、可擴展的模塊化設(shè)計方案，硬件結(jié)構(gòu)是完全相同的，可通過相應(yīng)的軟件和邏輯重構(gòu)，便可適應(yīng)各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號以及不同體制導(dǎo)航信號的基帶信號的特殊處理要求。

主控單元用于測量數(shù)據(jù)、導(dǎo)航電文、時基信號，內(nèi)/外接口等處理，為接收機提供內(nèi)部采樣基準(zhǔn)時鐘和測量基準(zhǔn)時鐘（TIC信號）等時基信號，完成接收機內(nèi)外1PPS鐘面校時、數(shù)據(jù)輸入輸出及內(nèi)部接口控制等功能，集成有TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)接口、RS-232C接口和1PPS信號輸入/輸出接口等。

總線接口主要用來實現(xiàn)接收機內(nèi)部相應(yīng)模塊間的信號傳輸、數(shù)據(jù)交互和時間同步等互聯(lián)功能，在總線接口上，定義有時鐘、數(shù)據(jù)、地址、控制等總線、并配置了中頻信號輸入/輸出接口和電源輸入/輸出接口等。通過總線接口將所有數(shù)字信號處理模塊及主控單元有機的結(jié)合在一起進行各種信號和數(shù)據(jù)的交互；使用相應(yīng)的接插件和電纜連接接收機內(nèi)射頻信號處理部分、顯控部分和電源部分， 使各部分或模塊有機的連接在一起；另外通過總線接口完成接收機內(nèi)部和外部的1PPS信號、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的交互。在總線接口上，主要有多個數(shù)字信號處理模塊的插槽、一個主控單元的插槽，定義有接收機內(nèi)部的數(shù)據(jù)接口、中頻信號輸入、中頻信號輸出、頻率基準(zhǔn)信號輸入、頻率基準(zhǔn)信號輸出、AGC控制總線、sTIC信號、msTIC信號、電源接口等。

頻率基準(zhǔn)通過高穩(wěn)定雙槽恒溫晶振（OCXO）或外頻標(biāo)為接收機內(nèi)部相應(yīng)模塊提供頻率基準(zhǔn)信號。顯控部分主要完成接收機的工作狀態(tài)、接收機收星信息、原始觀測數(shù)據(jù)、原始導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)、接收機工作模式等基本信息的顯示和相應(yīng)的操作控制。電源部分主要由電源處理模塊和電源濾波器等組成，用來為接收機內(nèi)各單元提供所需的多種直流電源。

在多板式接收設(shè)備研制過程中，除了要突破寬頻帶多頻點接收天線高穩(wěn)定度相位中心技術(shù)、多種新體制信號的捕獲與跟蹤技術(shù)、高精度測量技術(shù)、授時技術(shù)、抗干擾技術(shù)、多徑抑制技術(shù)等衛(wèi)星導(dǎo)航專業(yè)技術(shù)，還需要突破接收機總線技術(shù)、射頻通道和數(shù)字通道板的模塊化通用化設(shè)計、遠程在線升級、信號高速采樣技術(shù)等工程方面的技術(shù)。

多板式接收設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)在一個設(shè)備中同時完成四個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所有信號的接收和處理，具有集成度高、硬件資源容量大、易擴展、處理速度快等優(yōu)點，但相應(yīng)的體積大、功耗大、成本高一些。

研制的多板式多系統(tǒng)接收設(shè)備，可用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)、基準(zhǔn)站建設(shè)、完好性監(jiān)測系統(tǒng)、增強系統(tǒng)、多系統(tǒng)授時、局域差分系統(tǒng)、多系統(tǒng)組合導(dǎo)航等領(lǐng)域。

3 結(jié)論

未來幾年空間導(dǎo)航衛(wèi)星的數(shù)量將達到 130多顆，隨著GPS、GLONASS、Galileo以及我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的增加、性能的提升、廣泛應(yīng)用以及硬件性能的不斷提升，除了快速、高靈敏度、高抗干擾性、高精度相對定位等相關(guān)技術(shù)需要發(fā)展，接收設(shè)備的多系統(tǒng)多頻點兼容、高集成化、芯片化、小型化將是主要發(fā)展趨勢之一。與以往的接收機設(shè)計相比，多系統(tǒng)接收設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)要求高、難度更大，當(dāng)然設(shè)備集成度高、功能會更全面、性能會更好，是未來的發(fā)展方向。

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