GPS L5接收機的設計與實現

馬英昌，謝 松

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.河北省衛星導航技術與裝備工程技術研究中心，河北石家莊050081)

0 引言

在GPS現代化進程中，Block-IIF衛星將逐步發射并提供服務(截止到2013年4月10日，有3顆Block-IIF衛星在運行)，它通過在L2和L5頻點增發民用信號使用戶能接收更多衛星來提高定位精度，有利于進行電離層傳播誤差修正［1］。其中，L5頻點信號是一個偽碼速率為10.23 MHz的QPSK調制信號，中心頻率為1 176.45 MHz。它與Galileo信號類似，由同相的數據支路和正交的導頻支路組成［2］。

由于GPS L5播發信號的偽碼速率為10.23 MHz，因此它能提供更好的測距性能進而提高定位精度，同時，GPS L5信號播發頻率為1 176.45 MHz，這與Galileo E5a信號中心頻率重合，因此未來可以實現與Galileo E5a信號的互操作。綜上所述，研究GPS L5接收機對于探索未來接收機的發展具有一定意義。

1 信號體制

GPS L5信號由2個正交分量組成，其中一個支路調制有導航電文，另一個支路無導航數據調制。對于GPS L5信號，信號生成公式如下［3］:

式中，fL5=1 176.45 MHz，DI5(t)為導航數據，gI(t)、gQ(t)分別為同相支路和正交支路的偽隨機碼，hI(t)和 hQ(t)為Neumann-Hoffman(N-H)碼。其中，hI(t)碼周期為10個基碼(0000110101)，每個碼片持續時間為1 ms，hI(t)和gI(t)相乘使得同相碼的長度擴展到102 300，周期為10 ms。hQ(t)周期為20個基碼(00000100110101001110)，每個碼片持續時間為1 ms，因此正交碼的長度從10 230碼片擴展到204 600碼片，hQ(t)gQ(t)周期為20 ms。

從式(1)可以看出，L5信號的同向分量由導航數據DL5(t)和擴展碼hI(t)gI(t)調制，正交分量由hQ(t)gQ(t)來調制。同相分量和正交分量中偽碼速率都為10.23 M，偽碼速率相對于L1的10倍增長將為測距和抑制多徑效應帶來好處。新的L5碼比L1 C/A碼長，gI(t)和gQ(t)長度均為10 230個碼片，周期為1 ms，這使得他們的自相關和互相關旁瓣比C/A碼的旁瓣要低10 dB左右。

2 接收機結構設計

2.1 總體設計思路

接收機所要實現的最終目的是求解出用戶的位置和速度，利用偽距(多普勒)和衛星的位置(速度)，使用最小二乘即可得到用戶的位置(速度)。在接收機設計中，包括信號處理和信息處理2個部分。信號處理主要完成通道、捕獲、相關和跟蹤等操作，信息處理主要完成定位解算。為了使得接收機更加方便接收多種信號，可以通過參數選擇的方式實現不同形式信號的選擇［4］。

接收機的工作流程框圖如圖1所示。下變頻模塊完成對射頻信號的變頻，本設計中變頻器的輸出頻率為126.45 MHz。基帶模塊完成信號處理(二次變頻、捕獲以及跟蹤等)、定位解算以及對外接口，基帶板卡架構為FPGA+DSP。接收機最后得到觀測量、用戶的位置和速度等信息通過PCI接口上傳到上位機，由上位機界面進行顯示。

圖1 接收機工作流程圖

2.2 信號捕獲設計

捕獲階段要去檢測2個重要參數:偽碼的起始位置和載波頻率［5］。接收機天線接收的信號中包含多個衛星信號，不同衛星由于和接收機的距離和相對速度不同，因此具有不同的偽碼起始位置和不同的多普勒頻率。針對某個特定的衛星信號，捕獲過程就是找到此衛星對應偽碼的碼相位和載波多普勒頻率，于是通過FFT操作可以得到載波頻率。也就是說，捕獲過程就是要獲得輸入信號的偽碼的起始碼相位和載波頻率，然后將其傳遞給跟蹤過程［6］。

常見的捕獲算法包括:串行搜索法和頻域FFT法。串行搜索法先進行偽碼相位搜索，再進行多普勒頻移搜索。串行搜索技術原理簡單且易于實現但是捕獲時間很長。文中采用頻域FFT法進行信號的捕獲，這種方法對頻率不是采用串行搜索，而是采用FFT并行搜索，運算一次即可得到最大相關值對應的頻率，大大節省了捕獲時間［6］。

2.3 跟蹤算法設計

由于GPS L5信號為QPSK調制方式，其分為數據支路和導頻支路，數據支路調制有導航電文，導頻支路無數據調制。因為導頻支路沒有了數據翻轉，對導頻支路信號的跟蹤可以采用純鎖相環，這樣相比Costas環可以提高6 dB的跟蹤門限值。同時，無數據跳變影響的導頻支路也為長時間的相干積分提供了方便，有利于提高接收機的跟蹤靈敏度，因此，L5信號的跟蹤是對導頻支路進行處理的。接收機跟蹤環路結構如圖2所示。

圖2 接收機跟蹤環結構

碼跟蹤環采用載波環輔助DLL(延遲鎖定環)，這樣有利于提高偽距精度。接收機將剝離載波的輸入信號與本地超前、即時和滯后碼相關，根據碼鑒相器和環路濾波結果調整本地偽碼頻率。載波環路使用(FLL)和鎖相環(PLL)進行載波跟蹤。

2.4 譯碼過程

當信號達到穩定跟蹤狀態之后，GPS接收機通過同步頭找到每一個頁面并存儲。接收機首先對符號解交織，再采用維特比譯碼算法將符號轉換為數據比特，然后對數據比特進行CRC校驗，校驗正確后方可從導航電文中提取衛星的星歷參數［7］。利用得到的星歷參數結合發射時間求解衛星位置和速度，根據偽距采用最小二乘即可進行定位解算，最終得到所需定位結果。

GPS L5采用和GPS L2C相同的電文編排方式，電文類型為CNAV。電文數據速率為50 bps，每幀電文長度為300 bit，持續時間6 s。L5電文采用FEC編碼形成符號速率為100 sps的數據流，采用編碼對于接收機提取電文有5 dB的好處。

3 測距和定位結果

目前空中只有3顆GPS衛星在發射L5信號，接收空間信號還不能全部驗證接收機的功能和性能，因此需要采用導航信號模擬源對接收機進行充分測試。測試用模擬源為CGTR-ITE全功能導航信號模擬器，其支持GPS L5信號的產生。測試實驗時，連接關系如圖3所示。

圖3 實驗測試環境示意圖

測試時導航信號模擬源設定為如下參數:導航信號仿真初始時間為:2007年1月1日，用戶的位置為B:30，L:110，H:1000 m，仿真場景為用戶靜止模式，無電離層、對流層以及星鐘誤差。GPS接收機正常跟蹤時多普勒值如圖4所示。

圖4 衛星多普勒變化曲線

在求取GPS衛星的具體位置時，注意坐標系的轉化，得到符合解算要求的坐標系［8］。電離層與對流層誤差可借用相關模型來進行修正［9］。GPS接收機的定位結果誤差如圖5所示。

圖5 接收機定位結果

4 結束語

論述了完整L5接收機的設計過程并對開發的接收機進行了測試，測試結果表明了所設計接收機的正確性。由于開發過程中采用了通用化和模塊化的設計思想，所設計的模塊(例如捕獲模塊)可以兼容其他信號的接收，大大提高接收機的設計效率。依據此通用模塊稍加修改實現了對GPS/Galileo多個頻點信號的接收。同時，應當注意目前市場上少有支持L5定位的接收機，而所開發的接收機支持定位，并可以輸出各種原始觀測量，可以成為驗證GPS L5模擬源正確性的一種重要手段，為研制GPS L5模擬源提供必要支持。另外，目前空中已有3顆衛星在發射L5信號，還不能提供定位服務，隨著新的GPS衛星的發射，在以后的工作中會進行實際信號的接收。

［1］ 陳俊勇.美國 GPS現代化概述［J］.測繪通報，2000(8):44-45.

［2］ 李躍.導航與定位-信息化戰斗中的北斗星［M］.北京:國防工業出版社，2008.

［3］ PRATAP M.全球定位系統 信號、測量與性能［M］.羅鳴，譯.北京:電子工業出版社，2008.

［4］ 謝松，張楠.基于FPGA的Galileo/GPS接收機設計與實現［C］//第二屆中國衛星導航學術年會，2011:909-912.

［5］ BORRE K，AKOS D M，BERTELSEN N，et al.軟件定義的GPS和伽利略接收機［M］.楊東凱，張飛舟，張波，譯.北京:國防工業出版社，2009.

［6］ KAPLAN E D.GPS原理與應用［M］.寇艷紅，譯.北京:電子工業出版社，2008:420-425.

［7］ 張倞，寇艷紅.GALILEO E1B軟件接收機設計實現［J］.無線電工程，2009，39(7):32-35.

［8］李明峰，洪寶紅，劉三枝.GPS定位技術及其應用［M］.北京:國防工業出版社，2006.

［9］張勤.GPS測量原理及應用［M］.北京:科學出版社，2005.