●　文|趙利平　 張永紅　 唐斌　 方秀花

GNSS多系統(tǒng)信號兼容的Teseo-3 接收機

●文|趙利平 張永紅 唐斌 方秀花

預計到2020年，全球四大導航系統(tǒng)將為用戶提供超過100顆可用衛(wèi)星，無遮擋條件下同時可見衛(wèi)星多達30～40顆。《GPS世界》2014年1月期刊登了Philip G. Mattos和Fabio Pisoni撰寫的一篇研究文章，對2013年年底面世的Teseo-3 GNSS接收機進行了介紹。Teseo-3 GNSS芯片成功應用于北斗和Galileo系統(tǒng)，意味著GNSS接收機已經(jīng)進入GPS、GLONASS、北斗和Galileo四系統(tǒng)信號兼容接收的時代。

多系統(tǒng)多星座GNSS接收機從2010—2011年開始得到廣泛應用，但一般是指GPS+GLONASS。雖然有些接收機已能支持Galileo系統(tǒng)，但當時并沒有可用的Galileo衛(wèi)星，北斗也還只是一個稱呼，尚沒有任何接口規(guī)范（接口控制文件，也稱ICD），因此也無法研制兼容北斗的接收機。然而，隨著接收機技術(shù)的發(fā)展，接收機硬件的開發(fā)時間已經(jīng)大大縮短，同時，Galileo ICD已推出多年，斯坦福大學的Grace Gao和她的同事們，經(jīng)過逆向工程分析，獲得了北斗開放信號的擴頻碼，這在2011年年底中國官方發(fā)布的北斗系統(tǒng)測試版ICD中得到了確認。但是，北斗系統(tǒng)測試版ICD只給出了信號層面內(nèi)容，并未給出信息（message）層面的內(nèi)容。

到2012年的最后一周，Galileo、北斗系統(tǒng)終于實現(xiàn)了跨越。Galileo IOV3和IOV4衛(wèi)星于2012年12月初開始發(fā)送信號（10月成功發(fā)射），將Galileo在軌測試衛(wèi)星數(shù)量增加到4顆，因而每天可獲得約兩個小時的可定位時間（至少同時可見4顆衛(wèi)星才可定位）。12月底，中國宣布北斗系統(tǒng)開通運行，發(fā)布了正式版ICD，公開了全部接口內(nèi)容，用戶可以保持對北斗信號持續(xù)跟蹤，實現(xiàn)北斗電文解析、星歷計算，直至最終定位。意法半導體公司的Teseo-2接收機已面世多年，對于兼容接收Galileo衛(wèi)星信號，只需進行軟件擴展開發(fā)，但對于兼容接收北斗衛(wèi)星信號，除了軟件擴展外，還需要升級接收機射頻前端硬件。另外，盡管升級后的Teseo-2接收機可支持所有四個系統(tǒng)，但卻不能同時接收處理北斗和GPS/Galileo信號。因為在Teseo-2接收機推出時，北斗系統(tǒng)的ICD尚未發(fā)布，擴頻碼必須由軟件產(chǎn)生，并保存在碼生成器的存儲器中以供使用，在產(chǎn)生北斗擴頻碼時，有可能會影響GPS/Galileo擴頻碼的生成。

Teseo-3接收機于2013年年底推出，采用最優(yōu)的單芯片封裝形式，射頻電路與數(shù)字芯片、閃存集成在同一封裝內(nèi)，可同時處理北斗和GPS/Galileo信號。2012年以前，多系統(tǒng)主要指GPS+GLONASS，即使在城市峽谷的上空，也有多達20顆的可見衛(wèi)星。目前，在歐洲上空，每天有2小時可以見到3顆以上Galileo測試衛(wèi)星。在中國，則同時可見GPS/北斗/Galileo三個系統(tǒng)的衛(wèi)星，三系統(tǒng)應用是首選。

2012年12月4日，Teseo-3接收機第一次實現(xiàn)了對4顆Galileo測試衛(wèi)星的跟蹤接收和定位；2013年1月，第一次實現(xiàn)了北斗衛(wèi)星定位。接收機對Galileo和北斗系統(tǒng)分別進行了靜態(tài)和動態(tài)道路測試，也對多系統(tǒng)組合進行了測試，并提出了獨特的定位解決方案。道路測試，在美國和歐洲進行了GPS /GLONASS/Galileo組合定位，在中國地區(qū)進行了GPS/Galileo/北斗組合定位。

預計2020年以后，GLONASS將會播發(fā)碼分多址（CDMA）的L1OC信號，與同頻率GPS/Galileo的信號調(diào)制方式相同，北斗系統(tǒng)服務也有望擴展至全球，全面播發(fā)開放信號B3，中心頻點也將調(diào)至1575MHz。在這一頻點上，4個GNSS信號在同一頻段，有100多顆可用衛(wèi)星，在開闊的空間中用戶同時可見30多顆衛(wèi)星，甚至多達40顆。

更多的可見衛(wèi)星使多系統(tǒng)接收機在城市峽谷中具有更好的可用性和準確性，也大大簡化了接收機的設計。雖然擴頻碼生成器需要極大的靈活性，以產(chǎn)生任一系統(tǒng)的擴頻碼序列。但實際信號接收過程將被大大簡化，由于只用一套射頻前端（模擬部分）和基帶信號處理（數(shù)字部分）設備，包括所有濾波器、解調(diào)器等，將極大降低接收機功耗。

一、Teseo-3應用于北斗信號的接收

與Galileo一樣，北斗也是逐漸發(fā)展起來的。一開始沒有ICD，在驗證北斗信號接收時，需要采用雙射頻前端架構(gòu)。后來，雖然公布了包含所有北斗衛(wèi)星的測試版ICD，能夠接收信號，但仍然無法定位。直到2012年年底，北斗才發(fā)布正式版ICD，提供定位服務。2013年9月，Teseo-3接收機芯片正式問世。

而對于Teseo-3接收機，采用單片寬帶射頻芯片，可同時接收處理GPS、Galileo、GLONASS和北斗信號，不需要增加額外的射頻結(jié)構(gòu)。

圖1、圖2中是Teseo-3接收機接收GPS+北斗衛(wèi)星信號動態(tài)試驗的結(jié)果，是在臺北進行的實際道路測試。GPS在軌衛(wèi)星32顆，北斗14顆。測試所在城區(qū)高樓林立（圖3）,GPS+北斗總共可見衛(wèi)星為13顆，其中還有很多是非直視信號。

圖1　Teseo-3接收機僅接收北斗衛(wèi)星信號情況

圖2　Teseo-3接收機接收GPS+北斗衛(wèi)星信號情況

圖3　在臺北進行的GPS+北斗實際路測情況

二、Teseo-3應用于Galileo信號的接收

2012年12月，第一次實現(xiàn)同時跟蹤4顆在軌測試衛(wèi)星。由于缺乏有效的軌道數(shù)據(jù)，還不能定位。 2013年3月，第一次現(xiàn)場演示Galileo系統(tǒng)定位，由歐洲航天局在歐洲航天技術(shù)中心和意大利那不勒斯、米蘭的意法半導體公司軟件開發(fā)中心，同時使用Teseo-2接收機完成。

2013年7月24日，在意大利費西羅衛(wèi)星地面站，歐洲航天局利用Septentrio公司的測試型接收機再次重復演示了Galileo定位，在歐洲航天局的意大利實驗室同時進行了類似的測試。在現(xiàn)實使用中，定位解算還可能使用卡爾曼濾波器，并且進行GalileoE1-B/E1-C信號的組合定位，從而更好地利用導頻通道的信號跟蹤優(yōu)勢。

由于Galileo系統(tǒng)僅4顆測試衛(wèi)星在軌運行，因而目前并不會獲得良好的定位精度。為了使這4顆衛(wèi)星同時可見性更高，就不會有很好的DOP。另外，Galileo系統(tǒng)的全套地面監(jiān)控站也還沒有完成，因此還不能很好地校準星座的軌道誤差。最后，Galileo系統(tǒng)的電離層校正數(shù)據(jù)也尚未公布。因此，即使接收機使用位于屋頂固定位置的天線接收信號進行定位解算時，仍然存在可觀的殘差。

三、Teseo-3接收機應用于日本準天頂與GPS III L1C信號的接收

Teseo-2接收機支持日本準天頂系統(tǒng)播發(fā)的、傳統(tǒng)的GPS C/A碼信號已有一段時間了，而Teseo-3接收機已升級到可以處理GPS-III的L1C信號。目前L1C信號在準天頂系統(tǒng)中已經(jīng)可用，并且允許進行實際信號的測試。相對于傳統(tǒng)信號，接收處理L1C信號需對基帶硬件進行大幅改進，因為其信號擴頻碼是一種Weill碼。Weill碼生成相對復雜，一旦選擇了產(chǎn)生某顆衛(wèi)星對應的擴頻碼，僅產(chǎn)生一次，然后實時從存儲器重放。此外，Weill碼的碼長較長，達10230個碼片，占兩個域。也就是說，需要長期儲存，而且碼周期很長，達10ns。在Teseo-3接收機中，經(jīng)常先獲取傳統(tǒng)的C/A碼信號的碼相位和載波頻率，然后用來引導捕獲跟蹤Weill碼信號的碼相位和頻率。

未來的Teseo-4接收機中，也許會使用大型信號處理硬件。目前使用DSP硬件的Teseo-4接收機原型機已推出，每顆衛(wèi)星信號對應64路相關(guān)器。相關(guān)器具有多個抽頭，用于消除捕獲BOC調(diào)制信號時所產(chǎn)生的模糊性，同時進行信號解調(diào)變換，而且它可以替代已在使用的導頻碼輔助捕獲（在GPS III中，導頻碼信號比數(shù)據(jù)信號強5dB）。

四、接收機芯片未來發(fā)展趨勢

為了適應已知信號和未來可能出現(xiàn)的新導航信號，多系統(tǒng)接收機設計了極具靈活性的擴頻碼生成器。碼生成器可支持多系統(tǒng)多頻率，并支持L5和L2頻點信號，以確保有足夠的靈活性滿足高低端不同用戶對信號的接收選擇。在設計接收機芯片時，既不可能僅針對少數(shù)用戶的特殊需求，也不可能覆蓋整個市場對不同芯片的所有需求。但是，主流芯片也必須適當考慮少數(shù)用戶的特殊需求。

在設計接收機芯片時，還需要綜合考慮芯片容量、功耗與多數(shù)用戶的需求。解決方案是在多系統(tǒng)多頻率接收機中，能夠支持頻點的任意切換，將高頻段的射頻前端集成在GNSS接收芯片中。當用戶需要接收低頻段的信號時，可以添加相同設計的第二個射頻端，并連接到基帶的擴展端口。在不需要擴展時，該端口一般用于測試，相關(guān)原理已經(jīng)在Teseo-2接收機擴展接收北斗信號時進行驗證。這種與原有芯片內(nèi)射頻前端相同設計的第二個射頻端可以用于芯片開發(fā)過程中的測試，并且很可能被集成到后續(xù)研制的單芯片中。如果不采取這種擴展方法，就無法滿足少數(shù)用戶的雙頻點信號接收或低頻段信號接收需求，并且無法控制開發(fā)成本。

五、結(jié)束語

Teseo-2接收機已經(jīng)驗證了所有四系統(tǒng)衛(wèi)星信號的接收處理，其芯片已經(jīng)于幾年前就開始大批量生產(chǎn)，并作為多系統(tǒng)多星座組合的定位解決方案在Teseo-3接收機中得到了應用。隨著Teseo-3接收機的出現(xiàn)，實現(xiàn)了對北斗信號的優(yōu)化處理和GPS-III L1C信號的硬件支持，提供了可供長期使用的單芯片解決方案。

未來，多系統(tǒng)接收機的雙頻解決方案正在醞釀中，雙頻可以充分利用載波相位，實現(xiàn)運動中精密單點定位和實時動態(tài)定位，從而進軍汽車應用市場，如高級駕駛員輔助系統(tǒng)等等。