張鵬娜,曾慶喜，祝雪芬，裴 凌

(1.南京航空航天大學(xué)車輛電子研究中心，江蘇南京 210016；2.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096；3.上海交通大學(xué)北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)上海市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

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衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)研究綜述

張鵬娜1,曾慶喜1，祝雪芬2，裴 凌3

(1.南京航空航天大學(xué)車輛電子研究中心，江蘇南京 210016；2.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210096；3.上海交通大學(xué)北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)上海市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

軟件接收機(jī)憑借其良好的通用性、靈活性及較好的定位性能已成為衛(wèi)星定位接收機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。系統(tǒng)闡述了軟件接收機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)比分析了基于PC，DSP(digital signal processor)，F(xiàn)PGA(field programmable gate array)以及FPGA+DSP平臺(tái)的軟件接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能，指出基于FPGA+DSP，DSP的實(shí)現(xiàn)方式更利于發(fā)揮軟件接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可使軟件接收機(jī)真正走向?qū)嵱没?，最后給出了軟件接收機(jī)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向和其在無(wú)人駕駛技術(shù)中的應(yīng)用前景，為軟件接收機(jī)的研究和應(yīng)用提供理論參考。

無(wú)線通信技術(shù)；衛(wèi)星定位；軟件接收機(jī)；DSP/FPGA；研究現(xiàn)狀

GNSS系統(tǒng)主要由GPS(global position system)、Glonass，Galileo和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及相關(guān)增強(qiáng)系統(tǒng)組成，具有全天候、高精度、實(shí)時(shí)連續(xù)性等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航海、緊急救援等領(lǐng)域。衛(wèi)星定位接收機(jī)可接收視界內(nèi)的衛(wèi)星播發(fā)的衛(wèi)星信號(hào)并通過(guò)解調(diào)解算為用戶提供位置及導(dǎo)航信息。由于新的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)陸續(xù)出現(xiàn)，并且接收機(jī)信號(hào)處理算法也在不斷地改進(jìn)，現(xiàn)有的衛(wèi)星定位接收機(jī)需要不斷地更新?lián)Q代，更改硬件結(jié)構(gòu)以適應(yīng)和更好地接收各種類型的衛(wèi)星信號(hào)，這給接收機(jī)的設(shè)計(jì)者和用戶都帶來(lái)了很大的不便。因此，一種在不改變硬件的條件下，通過(guò)更換內(nèi)部的軟件就可以實(shí)現(xiàn)性能升級(jí)的新型接收機(jī)即軟件接收機(jī)，成為接收機(jī)設(shè)計(jì)方面的研究熱點(diǎn)。軟件接收機(jī)基于通用嵌入式平臺(tái)，可深入到接收機(jī)信號(hào)通道內(nèi)部控制衛(wèi)星信號(hào)的處理過(guò)程[1]，具有良好的開放性，現(xiàn)已成為未來(lái)定位接收機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外對(duì)軟件接收機(jī)研究的熱度也一直有增無(wú)減。

1 軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)將“軟件無(wú)線電”的概念引入到了衛(wèi)星定位接收機(jī)中，在接收機(jī)中使ADC(analog to digital converter)在盡量接近天線的地方把信號(hào)數(shù)字化，然后使用軟件來(lái)處理數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位[2]。軟件接收機(jī)與硬件接收機(jī)結(jié)構(gòu)的區(qū)別見圖1。

圖1 硬件接收機(jī)和軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)的區(qū)別Fig.1 Structure difference of hardware receiver and software receiver

衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)主要是由天線、射頻前端以及基帶信號(hào)處理3部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of GNSS software receiver

利用天線接收衛(wèi)星發(fā)射的射頻信號(hào)，即將衛(wèi)星發(fā)射的L波段的電磁波轉(zhuǎn)換成便于后續(xù)處理的電信號(hào)。射頻前端通過(guò)對(duì)天線接收到的微弱射頻信號(hào)進(jìn)行放大、下變頻，輸出頻率較低的中頻模擬信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊獲得數(shù)字化的中頻信號(hào)，并將該信號(hào)傳給后續(xù)的基帶數(shù)字信號(hào)處理部分。基帶數(shù)字信號(hào)處理是接收機(jī)的核心，通過(guò)依次完成對(duì)中頻信號(hào)的捕獲、跟蹤、解調(diào)解算獲得衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，然后利用導(dǎo)航電文計(jì)算出用戶位置信息。基于PC通用CPU的軟件接收機(jī)，由電腦的主處理器完成信號(hào)的解調(diào)解擴(kuò)及定位解算；基于嵌入式平臺(tái)的軟件接收機(jī)，由主芯片(如DSP，F(xiàn)PGA)完成對(duì)基帶信號(hào)的處理。

軟件接收機(jī)具有如下特點(diǎn)[3-5]。

1)更好的通用性 軟件接收機(jī)除射頻前端部分是用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)之外，其他所有的功能都是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于使用了很少的硬件，使得其相對(duì)于傳統(tǒng)的接收機(jī)具有更高的通用性，可以兼容多星座、多頻段和多體制的信號(hào)。同時(shí)由于減少了所使用的硬件，這種接收機(jī)在制造成本、性能、尺寸、質(zhì)量和功耗等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2)更好的定位性能 目前傳統(tǒng)接收機(jī)的信號(hào)處理功能都是通過(guò)使用特定的硬件ASIC(application specific integrated circuit)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于硬件資源的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)過(guò)于復(fù)雜的算法，而軟件接收機(jī)利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶部分的算法，即可以通過(guò)開發(fā)更復(fù)雜的優(yōu)化算法來(lái)提高其在多信號(hào)融合、高靈敏度、高精度、抗干擾和多路徑抑制等方面的性能，這使得軟件接收機(jī)在定位性能方面比傳統(tǒng)的接收機(jī)具有更大的優(yōu)勢(shì)。

3)更容易實(shí)現(xiàn)性能升級(jí) 由于傳統(tǒng)的硬件接收機(jī)采用ASIC芯片進(jìn)行信號(hào)處理，如果要對(duì)這種接收機(jī)進(jìn)行性能升級(jí)，只能重新設(shè)計(jì)ASIC芯片，在設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)周期方面的代價(jià)都很高。而軟件接收機(jī)適合各種采樣頻率的數(shù)據(jù)，不需要做任何硬件的改動(dòng)，通過(guò)加載不同的軟件即可實(shí)現(xiàn)不同的功能，只需要更換接收機(jī)中的軟件便可以實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的性能升級(jí)。

2 軟件接收機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

軟件接收機(jī)可以利用各種算法來(lái)提高接收機(jī)的定位性能，但是由于需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，需要CPU具有很強(qiáng)的處理能力和很大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。這使得目前的GPS軟件接收機(jī)多是利用PC機(jī)的通用CPU[6-8]甚至GPU(graphic processing unit)進(jìn)行處理，可以在不考慮硬件資源的情況下研究軟件接收機(jī)高性能算法，可為軟件接收機(jī)嵌入式實(shí)現(xiàn)提供理論研究基礎(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)相比，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和處理速度都非常有限，其對(duì)算法復(fù)雜性和計(jì)算量要求較高。但其具有較好的靈活性，成本較低，便于安裝，有利于衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)真正走向?qū)嵱没?。本文按照空間上從國(guó)外到國(guó)內(nèi)、時(shí)間上由遠(yuǎn)及近的順序分析基于PC和基于嵌入式平臺(tái)的軟件接收機(jī)的研究現(xiàn)狀。

2.1 基于PC的衛(wèi)星定位接收機(jī)研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于軟件接收機(jī)的研究起步較早，1995年Clifford Kelley 博士設(shè)計(jì)了第1款真正意義上的GPS 軟件接收機(jī)，并且在2001年將該軟件接收機(jī)作為開源項(xiàng)目對(duì)外公開；2000年美國(guó)TSUIJ[2]出版了第1本基于軟件無(wú)線電思想的GPS軟件接收機(jī)著作。在這本書中， TSUIJ系統(tǒng)介紹了GPS系統(tǒng)的星座組成及衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述了軟件接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)和基帶信號(hào)處理算法，可為初學(xué)者提供入門參考資料；美國(guó)Stanford 大學(xué)和瑞典Luleake科技大學(xué)于2000年合作設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于高級(jí)語(yǔ)言的GPS L1四通道實(shí)時(shí)軟件接收機(jī)gpSrx，該軟件接收機(jī)從計(jì)算量較大的相關(guān)器到信號(hào)的跟蹤及解算均由運(yùn)行在X-86芯片上的軟件完成[9]；2001年該實(shí)驗(yàn)室又對(duì)基于X-86的GPS軟件接收機(jī)算法進(jìn)行了改進(jìn)，使用了基于FFT的循環(huán)卷積方法達(dá)到了次秒級(jí)的捕獲速度，同時(shí)改進(jìn)導(dǎo)航解算算法，使定位誤差減小到了30 m以內(nèi)[10]。由此可見，軟件接收機(jī)可通過(guò)修改內(nèi)部程序改進(jìn)基帶信號(hào)處理算法，無(wú)需對(duì)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改即可實(shí)現(xiàn)性能和速度的升級(jí)，具有較強(qiáng)的靈活性；2003年美國(guó)Cornell大學(xué)LEDVINA等[11]設(shè)計(jì)開發(fā)了一款單頻實(shí)時(shí)GPS軟件接收機(jī)并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試。該軟件接收機(jī)基于主頻為 1.73 GHz的通用PC CPU，實(shí)現(xiàn)了12通道實(shí)時(shí)處理，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram of software receiver

與硬件接收機(jī)不同，該軟件接收機(jī)使用了純軟件相關(guān)器，并引入了新的算法使處理器按照整個(gè)“字”操作對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)“位”進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的并行處理，加快了信號(hào)處理速度；2004年，該項(xiàng)目組又設(shè)計(jì)開發(fā)了一款GPS L1/L2 C雙頻民用10通道實(shí)時(shí)軟件接收機(jī)，這個(gè)雙頻的接收機(jī)運(yùn)行在Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，處理器是主頻為3.2 GHz的INTEL Pentium 4，接收機(jī)全速運(yùn)行時(shí)大約占用CPU 80%的處理能力，能同時(shí)對(duì)10個(gè)通道進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤[7]；2009年丹麥Aalborg大學(xué)的丹麥GPS中心研制出了基于E5000軟件的GPS接收機(jī)，由于使用軟件代替了傳統(tǒng)的GPS基帶硬件集成電路，故該GPS軟件接收機(jī)只需在PC或DSP上運(yùn)行軟件就可以實(shí)現(xiàn)定位[12]；2013年JAVIER等[13]也基于PC對(duì)GPS+Galileo雙星座軟件接收機(jī)進(jìn)行了研究；JUANG等[14]在PC上使用C/C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了北斗軟件接收機(jī)，可接收北斗衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，最終定位誤差在30 m左右，距離真正實(shí)用還存在一定差距；芬蘭的ZAHIDUL等[15]在PC上實(shí)現(xiàn)了北斗軟件接收機(jī)，其通過(guò)天線采集到2組北斗B1信號(hào)并存儲(chǔ)到PC中，然后由運(yùn)行在PC上的軟件接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理得到最終定位結(jié)果，其水平和垂直定位誤差分別為4.66，4.88 m和5.94，9.74 m;Loctronix公司的MATHEWS等[16]研究了一款高性能的GNSS軟件接收機(jī)，該接收機(jī)可在多平臺(tái)上運(yùn)行，能接收處理多種GNSS信號(hào)進(jìn)行定位解算，方便與其他傳感器信息進(jìn)行融合定位。以上這些研究都在不考慮嵌入式實(shí)現(xiàn)的前提下，基于PC機(jī)研制了各種高性能的衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)。為了避免研究人員各自為戰(zhàn)及加速GNSS軟件接收機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用，美國(guó)俄亥俄大學(xué)的GUNAWARDENA[17]于2013年9月撰文發(fā)布了一個(gè)用于大數(shù)據(jù)量快速處理的Matlab工具包，旨在為研究GNSS軟件接收機(jī)的用戶提供一個(gè)開放式的軟件平臺(tái)。該工具包使用高效率的低級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 開源的Matlab工具包結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Chart of open-source Matlab toolbox

該工具包支持各種RF前端或二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，能夠模擬產(chǎn)生多種GNSS信號(hào)。同時(shí)，其優(yōu)化了相關(guān)器功能，最大程度地利用了主處理器的計(jì)算能力，能明顯減少程序運(yùn)行的時(shí)間。工具包可被Matlab調(diào)用，具有良好的人機(jī)交互界面，方便針對(duì)不同研究進(jìn)行不同配置，為世界各國(guó)的研究者們提供了一個(gè)完善的GNSS接收機(jī)基帶信號(hào)處理研究仿真平臺(tái)。該工具包深入到平臺(tái)底層，通過(guò)并行處理任務(wù)加快了信號(hào)處理速度，因此通過(guò)軟件合理利用硬件資源，調(diào)度各個(gè)任務(wù)處理進(jìn)程，能很大程度地加快軟件接收機(jī)運(yùn)行速度；2013年NAVSYS公司的BROWN等[18]將GNSS信號(hào)產(chǎn)生軟件與開源的軟件接收機(jī)相融合，通過(guò)運(yùn)行GRC(GNU radio companion，一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生信號(hào)流程圖及流程圖源代碼的圖形化工具)軟件和可兼容的軟件接收機(jī)，用戶能夠產(chǎn)生可用來(lái)記錄和回放的直觀的GNSS信號(hào)流。開源的GRC工具允許用戶根據(jù)需要抓取和回放信號(hào)；2014年日本的SUZUKI等[19]開發(fā)了一種新型的開源的GNSS軟件接收機(jī)——GNSS-SDRLIB，其運(yùn)行在PC上，由C語(yǔ)言編寫而成，能夠?qū)NSS信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤、導(dǎo)航信息解算、頻譜分析等工作，可處理各種RF前端接收到的導(dǎo)航信號(hào)，并輸出偽距、載波相位、多普勒頻移等信息。最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其定位誤差可保持在2 m內(nèi)；2015年P(guān)ARK等[20]基于多GPGPU(general purpose GPU)平臺(tái)開發(fā)了一款具有抗干擾性能的軟件接收機(jī)，并通過(guò)建立跟蹤性能評(píng)估模型合理分配每個(gè)GPU的跟蹤處理任務(wù)，減少了近60%的跟蹤處理時(shí)間。通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源的最優(yōu)利用，能大大加速軟件接收機(jī)的處理速度，因此在軟件接收機(jī)中算法的優(yōu)劣將直接決定接收機(jī)的性能；ARRIBAS等[21]設(shè)計(jì)完成了一個(gè)GNSS軟件接收機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)由通用的硬件平臺(tái)和開源的軟件構(gòu)成，能夠接收多種GNSS信號(hào)，便于開發(fā)人員進(jìn)行算法研究。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，基于PC的衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)已經(jīng)從單頻GPS軟件接收機(jī)發(fā)展為當(dāng)下的多星座多信號(hào)的GNSS軟件接收機(jī)，可為開發(fā)者提供良好的算法研究環(huán)境，便于高性能算法的仿真模擬。

中國(guó)對(duì)軟件接收機(jī)的研究相對(duì)國(guó)外的研究來(lái)說(shuō)開始較晚。1998年北京航空航天大學(xué)張其善教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組率先研制出了一臺(tái)在PC平臺(tái)上運(yùn)行的單頻GPS 軟件接收機(jī)樣機(jī)[22]；2004年在美國(guó)留學(xué)的GPS高級(jí)軟件工程師魯郁[23]博士采用高級(jí)語(yǔ)言編寫了一套完整的GPS軟件接收機(jī)程序，并將其作為開源項(xiàng)目對(duì)外公布；2009年北京航空航天大學(xué)通信導(dǎo)航與測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的JIN等[24]開發(fā)了基于軟件相關(guān)器的GPS軟件接收機(jī)，該軟件接收機(jī)能夠在奔騰41.7 GHz的CPU上實(shí)現(xiàn)超過(guò)12通道的實(shí)時(shí)運(yùn)算；清華大學(xué)研制了一種基于高性能CPU和GPU處理器的多頻率實(shí)時(shí)軟件接收機(jī)，可以在5 MHz的采樣率下同時(shí)對(duì)150個(gè)通道進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，使用的CPU是Intel的Xeon 5150，主頻為2.66 GHz，使用的GPU是Geforce的GTX285，速度為648 MHz[25]；2010年復(fù)旦大學(xué)的趙晉[26]研究了基于“硬件模擬前端+FPGA+PC”架構(gòu)的北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，由于當(dāng)時(shí)北斗B2信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)尚未公布，文章只是利用假設(shè)信號(hào)對(duì)接收機(jī)捕獲、跟蹤算法做出了相應(yīng)改進(jìn)，通過(guò)GPS信號(hào)驗(yàn)證了平臺(tái)的定位性能，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該軟件接收機(jī)可滿足實(shí)時(shí)定位要求；2012年電子科技大學(xué)的羅正平[27]基于模塊化的思想用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了通用的衛(wèi)星信號(hào)處理模型。該模型可以根據(jù)用戶的配置完成BD2系統(tǒng)中各種衛(wèi)星信號(hào)的處理流程。測(cè)試結(jié)果表明，該模型可以實(shí)現(xiàn)用戶位置的計(jì)算，在特定的仿真條件下可以獲得較好的定位精度；2014年ZHANG等[28]在PC上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)開源的L1/L2 C雙頻軟件接收機(jī)，與已有的大部分接收機(jī)不同，該軟件接收機(jī)可接收GPS衛(wèi)星雙頻信號(hào)。使用外部時(shí)鐘作為RF前端的時(shí)鐘輸入提高了接收機(jī)的頻率穩(wěn)定性，且軟件設(shè)計(jì)程序完全開源，可為研究者提供技術(shù)參考；2015年XU等[29]設(shè)計(jì)了一款基于NVIDIA GeForce GTX 750 Ti GPU的軟件接收機(jī)，其將一種基于GPU的捕獲和跟蹤結(jié)構(gòu)應(yīng)用到軟件接收機(jī)中，加速了信號(hào)的跟蹤處理過(guò)程。應(yīng)注意到的是，這些基于PC的研究雖均能實(shí)現(xiàn)軟件接收機(jī)功能，但均在不考慮硬件資源的情況下實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜算法和大點(diǎn)數(shù)信號(hào)處理。當(dāng)在資源有限的嵌入式上實(shí)現(xiàn)時(shí)，較低的時(shí)鐘頻率、有限的內(nèi)存空間和外部存儲(chǔ)將制約軟件接收機(jī)的處理速度和算法性能。因此，如何降低算法的空間復(fù)雜度和通過(guò)算法合理利用硬件資源成為軟件接收機(jī)真正走向?qū)嵱没年P(guān)鍵問(wèn)題。

2.2 基于嵌入式硬件結(jié)構(gòu)的軟件接收機(jī)研究現(xiàn)狀

為了驗(yàn)證GPS軟件接收機(jī)也可在低功耗、資源有限的數(shù)字信號(hào)處理器上實(shí)現(xiàn)，2001年AKOS等[10]選用Texas Instruments公司的TMS320C6201 DSP芯片為核心處理器，將軟件接收機(jī)代碼移植到該平臺(tái)上進(jìn)行定位解算。與X-86芯片相比，6201芯片時(shí)鐘頻率較低，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，僅有2片32 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和一個(gè)64 KB的程序儲(chǔ)存空間。32 KB的存儲(chǔ)空間容量較小，將限制GPS信號(hào)的處理速度。64KB的程序內(nèi)存無(wú)法全部存儲(chǔ)捕獲跟蹤和定位解算程序，因此與基于X-86的軟件接收機(jī)不同，其需要對(duì)4個(gè)通道數(shù)據(jù)分階段進(jìn)行處理，如在捕獲階段結(jié)束時(shí)將跟蹤程序由片外存儲(chǔ)器加載到程序存儲(chǔ)空間中對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解擴(kuò)。由此可見，通用數(shù)字信號(hào)處理器資源有限，當(dāng)軟件接收機(jī)在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)時(shí)需考慮內(nèi)存空間的合理分配；2006年美國(guó)Cornell大學(xué)HUMPHREYS等[30]設(shè)計(jì)了一款基于DSP平臺(tái)的軟件接收機(jī)，相比于AKOS等設(shè)計(jì)的基于DSP的軟件接收機(jī)，其跟蹤精度及通道數(shù)都有所提高，可同時(shí)跟蹤43通道數(shù)據(jù)，定位誤差在5 m以內(nèi)。其選用的芯片為Texas Instruments公司的TMS320C6416 DSP芯片，軟件接收機(jī)整體示意圖如圖5所示。

圖5 基于DSP的軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of DSP-based software receiver

RF前端接收到衛(wèi)星信號(hào)后將其混頻到4.309 MHz，并以5.714 MHz對(duì)其進(jìn)行采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)分為符號(hào)數(shù)據(jù)和數(shù)值數(shù)據(jù)，分別送往DSP進(jìn)行處理，由軟件完成信號(hào)的捕獲、跟蹤和解算工作。實(shí)物原型如圖6所示，其中標(biāo)出了DSP芯片。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于信噪比強(qiáng)度為42 dB-Hz的L1信號(hào)(L1信號(hào)由運(yùn)行在PC上的軟件模擬產(chǎn)生)，該軟件接收機(jī)能在2.3 s內(nèi)完成32顆衛(wèi)星偽隨機(jī)碼碼相位捕獲的工作，可同時(shí)跟蹤43個(gè)通道的數(shù)據(jù)。在模擬的高動(dòng)態(tài)情況下，當(dāng)徑向加速度達(dá)到12.3g時(shí)，仍能穩(wěn)定跟蹤到衛(wèi)星信號(hào)。在靜態(tài)環(huán)境下，其定位誤差保持在5m以內(nèi)，定位結(jié)果如圖7所示。其中圓環(huán)中心為測(cè)試點(diǎn)實(shí)際位置。

圖6 基于DSP的軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of DSP-based software receiver

圖7 基于DSP的軟件接收機(jī)定位精度Fig.7 Positioning accuracy of DSP-based software receiver

隨著數(shù)字信號(hào)處理芯片的更新?lián)Q代以及軟件接收機(jī)基帶信號(hào)處理算法的不斷改進(jìn)，基于DSP的軟件接收機(jī)的性能將會(huì)越來(lái)越好，可真正走向?qū)嵱没?004年澳大利亞新南威爾士大學(xué)的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位研究小組研制了一款基于GP2015射頻前端和FPGA的信號(hào)處理平臺(tái)，并在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了GPS L1/L2雙頻軟件接收機(jī)[31]；2005年德國(guó)的LUCK等[32]對(duì)比分析了基于PC和基于FPGA的接收機(jī)的定位性能。其采用Sprient 4760信號(hào)發(fā)生器模擬產(chǎn)生GPS L1信號(hào)，并分別使用基于FPGA的衛(wèi)星定位接收機(jī)和基于PC的純軟件接收機(jī)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤及定位。兩軟件接收機(jī)衛(wèi)星搜索及定位成功率如圖8所示。純軟件接收機(jī)啟動(dòng)8 s內(nèi)便可搜索到8顆可視衛(wèi)星，定位成功率超過(guò)門限值；基于FPGA的衛(wèi)星接收機(jī)啟動(dòng)19 s后可搜索到8顆可視衛(wèi)星，定位成功率在最后3 s內(nèi)極劇上升。其定位結(jié)果精度對(duì)比如圖9所示。當(dāng)接收機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定定位狀態(tài)時(shí)，高度方向偏差保持在1 mm內(nèi)，可穩(wěn)定定位。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，純軟件接收機(jī)在捕獲速度上略優(yōu)于基于FPGA的接收機(jī)，基于FFT的快速捕獲算法比傳統(tǒng)捕獲算法性能更優(yōu)，兩者的定位性能幾乎相同。同年意大利都靈理工大學(xué)DOVIS等[33]在DSP+FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了Galieo/GPS軟件接收機(jī)，其軟件接收機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示。

圖8 接收機(jī)衛(wèi)星搜索速度及無(wú)偏差定位成功率Fig.8 Receiver search satellites speed and no deviation location success rate

圖9 垂直高度定位誤差圖Fig.9 Vertical positioning error

圖10 Galieo/GPS軟件接收機(jī)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)示意圖Fig.10 Implementation platform of Galieo/GPS software receiver

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，基于FPGA+DSP的軟件接收機(jī)的信號(hào)跟蹤情況與軟件模擬情況基本擬合，驗(yàn)證了該軟件接收機(jī)的可用性。2011年意大利博洛尼亞DIEM大學(xué)的AVANZI等[34]也設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的多星座雙頻接收機(jī)；同年阿根廷LaPlata國(guó)立大學(xué)的LOPEZ等[35]也成功研制出了一款基于FPGA的高精度GPS L1/L2民用信號(hào)軟件接收機(jī)；Stanford大學(xué)RAMAKRISHNAN等[36]在通用的FPGA平臺(tái)上完成了特殊設(shè)計(jì)的快速捕獲模塊和弱信號(hào)捕獲模塊。通過(guò)使用的DSP片數(shù)和RAM區(qū)域來(lái)分析資源的使用率，分析了進(jìn)一步增強(qiáng)軟件接收機(jī)信號(hào)處理能力的可行性；2015年FORTIN等[37]提出了一種通用的基于2 048點(diǎn)FFT的捕獲結(jié)構(gòu)，其可利用較少的FPGA資源在5 ms內(nèi)捕獲到L1信號(hào)。以上這些研究大多基于FPGA實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)，由FPGA的硬件邏輯電路完成計(jì)算量較大的相關(guān)運(yùn)算，雖速度較快卻無(wú)法發(fā)揮軟件接收機(jī)的優(yōu)勢(shì)，不利于加入用于提高接收機(jī)性能的靈活的復(fù)雜算法。基于DSP的軟件接收機(jī)從信號(hào)捕獲到定位解算均由運(yùn)行在處理器上的軟件完成，通過(guò)修改程序即可實(shí)現(xiàn)性能升級(jí)，具有較高的靈活性。但類似于AKOS等基于DSP進(jìn)行的研究，其有限的資源需要進(jìn)行合理的分配并且可能會(huì)制約軟件接收機(jī)運(yùn)行的速度。因此，在不損失軟件接收機(jī)性能的前提下，如何有效地減少算法的執(zhí)行時(shí)間和降低算法的空間復(fù)雜度成為關(guān)鍵問(wèn)題。

2005年中國(guó)科學(xué)院在FPGA和DSP平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了基于硬件數(shù)字相關(guān)器的GPS信號(hào)多通道實(shí)時(shí)處理接收機(jī)[38]；2010年上海宇志通信公司開發(fā)了基于DSP/FPGA 平臺(tái)的GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，集擴(kuò)頻通信與解擴(kuò)、導(dǎo)航、信號(hào)處理及相關(guān)軟件算法為一體，且所有代碼全面開源，可以同時(shí)接收GPS和Glonass信號(hào),定位精度在10 m以內(nèi)[39]；中國(guó)上海交通大學(xué)的TAO等[40]改進(jìn)了LEDVINA等提出的相關(guān)器算法，并在奔騰-M 1.1G嵌入式測(cè)試平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了該相關(guān)器算法，能夠在0.358 ms內(nèi)跟蹤到12個(gè)通道的數(shù)據(jù)，比LEDVINA等提出的軟件相關(guān)器算法快了近1.5倍；2014年上海宇志通信公司在原GNSS軟件接收機(jī)基礎(chǔ)上開發(fā)了GPS L1+BD2B1 雙頻衛(wèi)星定位接收機(jī)，其能夠跟蹤12通道衛(wèi)星數(shù)據(jù)，GPS定位誤差在10 m以內(nèi)，BD定位誤差在15 m內(nèi)[41]；2015年南京航空航天大學(xué)薛濤等[42]基于DSP+FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了北斗軟件接收機(jī)，并分別在靜態(tài)、低動(dòng)態(tài)和高動(dòng)態(tài)環(huán)境下對(duì)接收機(jī)性能進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該軟件接收機(jī)能滿足實(shí)時(shí)性、高精度等性能指標(biāo)。

根據(jù)近年來(lái)衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀可知，國(guó)外對(duì)于軟件接收機(jī)的研究工作已基本成熟，正朝著研制和開發(fā)應(yīng)用于不同領(lǐng)域的多類型多星座多頻率的衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)方向邁進(jìn)。中國(guó)對(duì)軟件接收機(jī)的研制和開發(fā)仍然主要集中在GPS L1單頻軟件接收機(jī)上，關(guān)于北斗軟件接收機(jī)的研究也多側(cè)重于算法模擬仿真和硬件芯片設(shè)計(jì)，嵌入式實(shí)現(xiàn)方面的研究較少，因此和國(guó)外還存在一定的差距。在軟件接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方式方面，基于PC通用CPU，F(xiàn)PGA+DSP，F(xiàn)PGA，DSP的軟件接收機(jī)均能很好地完成接收機(jī)定位導(dǎo)航工作?；谕ㄓ肅PU的軟件接收機(jī)雖可利用其高速數(shù)據(jù)處理能力和巨大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間實(shí)現(xiàn)復(fù)雜優(yōu)化算法，提高接收機(jī)性能，但多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，還不能使軟件接收機(jī)真正走向?qū)嵱没?；基于FPGA的軟件接收機(jī)主要依賴于FPGA內(nèi)部的硬件邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能模塊，雖處理速度較快但不利于加入用于提高接收機(jī)性能的復(fù)雜算法；而基于FPGA+DSP，DSP的軟件接收機(jī)，既能發(fā)揮軟件接收機(jī)的靈活性，又能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，有利于接收機(jī)性能的提高，是軟件接收機(jī)較理想的實(shí)現(xiàn)方式。

3 研究展望及應(yīng)用前景

3.1 研究展望

目前國(guó)內(nèi)外很多研究團(tuán)隊(duì)基于PC平臺(tái)研究GPS軟件接收機(jī)，很多算法研究也多基于PC上Matlab仿真軟件實(shí)現(xiàn)，由于Matlab良好的開發(fā)環(huán)境和PC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，軟件接收機(jī)高性能算法的研究有了很大的發(fā)展。但基于Matlab 軟件仿真實(shí)現(xiàn)的算法執(zhí)行效率較低，可移植性較差，不利于軟件接收機(jī)的實(shí)用化。因此，未來(lái)要研究適合在資源有限的嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的高性能接收機(jī)算法，將提出的高性算法用較為通用的C/C++語(yǔ)言在通用軟件接收機(jī)硬件平臺(tái)DSP，DSP+FPGA上實(shí)現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)高性能實(shí)時(shí)軟件接收機(jī)。

隨著GNSS系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，新的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)陸續(xù)出現(xiàn)，因此研究開發(fā)能夠處理這些新型信號(hào)并可應(yīng)對(duì)未來(lái)信號(hào)格式變化的接收機(jī)尤其重要。例如在GNSS 的L1 頻帶，未來(lái)的導(dǎo)航信號(hào)包括GPS 的L1，Galileo 的E1，Glonass的L1OF 和L1OC以及北斗的B1信號(hào)[43]。這些信號(hào)的組合能大大提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性、連續(xù)性和精度。GNSS系統(tǒng)在可用性、完好性、定位精度方面也要優(yōu)于單一系統(tǒng)。因此，兼容多星座、多頻率的軟件接收機(jī)將會(huì)是未來(lái)接收機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向。

3.2 應(yīng)用前景

2015年，在GPS國(guó)際協(xié)會(huì)已統(tǒng)計(jì)出GPS的117種不同類型的應(yīng)用中，汽車應(yīng)用和蜂窩通信的集成仍是當(dāng)前最大的兩個(gè)市場(chǎng)，而在無(wú)人駕駛技術(shù)方面的應(yīng)用也已得到了廣泛的關(guān)注。衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)作為無(wú)人駕駛汽車技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)汽車的路徑規(guī)劃和安全行駛起著重要作用?，F(xiàn)有的衛(wèi)星接收機(jī)多為硬件接收機(jī)，雖定位性能良好，但數(shù)據(jù)更新率較低，結(jié)構(gòu)固定，不利于無(wú)人駕駛汽車傳感器的集成。當(dāng)前的無(wú)人駕駛定位技術(shù)一般采用多種定位方式融合的方法，以衛(wèi)星定位作為主要定位來(lái)源，輔以自主定位方式如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system, INS)與航位推算定位技術(shù)(dead reckoning, DR)實(shí)現(xiàn)組合定位[44]。硬件接收機(jī)可拓展性較差，不利于各導(dǎo)航信息的深度耦合。軟件接收機(jī)作為各大研究機(jī)構(gòu)及高校研究新型衛(wèi)星接收機(jī)技術(shù)的實(shí)用平臺(tái)，可深入到接收機(jī)(特別是信號(hào)通道)內(nèi)部觸及其底層核心技術(shù)[45]，有利于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)與各傳感器信號(hào)進(jìn)行深度融合來(lái)提高接收機(jī)各過(guò)程的性能和速度。因此，可拓展性好、定位精度高的軟件接收機(jī)技術(shù)在無(wú)人駕駛車輛中將有廣泛的應(yīng)用。

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Research progress of satellite positioning software receiver

ZHANG Pengna1, ZENG Qingxi1, ZHU Xuefen2, PEI Ling3

(1.Research Center of Vehicle Electronic, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, Jiangsu 210016, China; 2. School of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China;3.Shanghai Key Laboratory of Navigation and Location Based Service, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Software receiver has become a research hotspot in the satellite positioning receiver field because of its good universality, flexibility, and positioning performance. The structural features of software receiver and the current research status at home and abroad are formulated, and the structures and performance of PC-based, DSP(digital signal processor)-based, FPGA(field programmable gate array)-based and FPGA+DSP-based software receivers are compared and analyzed. It is pointed out that the FPGA+DSP- and DSP-based implementation can better demonstrate the advantages of software receiver, and realize its real application. Finally, the development directions of software receiver in the future and its application prospect in unmanned driving technology are put forward. The paper can provide theoretical references for software receiver's research and application.

wireless communication technology; satellite positioning; software receiver; DSP/FPGA; research progress

1008-1542(2016)03-0220-10

10.7535/hbkd.2016yx03002

2015-12-25；

2016-03-02；責(zé)任編輯：馮 民

國(guó)家自然科學(xué)基金(51505221)

張鵬娜(1992—)，女，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事智能車輛導(dǎo)航方法方面的研究。

曾慶喜博士。E-mail:jslyzqx@163.com

TH161

A

張鵬娜，曾慶喜，祝雪芬，等.衛(wèi)星定位軟件接收機(jī)研究綜述[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,37(3):220-229.

ZHANG Pengna, ZENG Qingxi, ZHU Xuefen,et al.Research progress of satellite positioning software receiver[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2016,37(3):220-229.