衛(wèi)星定位信號(hào)載波相位測(cè)量技術(shù)

賀青

摘要：衛(wèi)星定位系統(tǒng)通過(guò)多顆定位衛(wèi)星與接收機(jī)間的距離來(lái)計(jì)算接收機(jī)的真實(shí)位置坐標(biāo)信息，常用的測(cè)距方法有偽距測(cè)量和載波相位測(cè)量。該文以GPS定位系統(tǒng)為例，介紹了衛(wèi)星信號(hào)的載波相位的含義及其測(cè)量技術(shù)，并針對(duì)載波相位測(cè)量技術(shù)周期數(shù)模糊問(wèn)題，分析說(shuō)明了載波相位差分技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及不足。

關(guān)鍵詞：全球衛(wèi)星定位； 載波相位測(cè)量技術(shù)； 載波相位差分技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）09-2081-03

1 概述

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）融合傳統(tǒng)的無(wú)線電導(dǎo)航和測(cè)繪技術(shù)，可以為用戶提供全球、全天候的連續(xù)實(shí)時(shí)定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，以其定位精確度高、授時(shí)精準(zhǔn)度好，覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于陸地、海洋、航空、航天等多個(gè)軍用和民用領(lǐng)域[1]?，F(xiàn)有的GNSS系統(tǒng)主要有美國(guó)的GPS（Global Positioning System）系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS（GLObal NAvigation Satellite System）系統(tǒng)、歐洲的GALILEO系統(tǒng)、印度的IRNSS系統(tǒng)、日本的QZSS系統(tǒng)和中國(guó)的BEIDOU系統(tǒng)[2，3]。

GNSS系統(tǒng)一般由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收部分三個(gè)獨(dú)立的部分組成[4]。其中，空間星座部分即為運(yùn)行在不同地球軌道上的多顆定位衛(wèi)星，向地面不間斷地發(fā)射定位信號(hào)；地面監(jiān)控部分主要包括控制站、監(jiān)測(cè)站和注入站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制每顆衛(wèi)星的工作運(yùn)行狀態(tài)，并將衛(wèi)星的軌道信息與觀測(cè)得到的衛(wèi)星時(shí)鐘時(shí)延、大氣對(duì)流層、平流層時(shí)延等修正信息發(fā)送給衛(wèi)星，讓衛(wèi)星在其發(fā)射信號(hào)上添加并轉(zhuǎn)播這些信息；用戶接收部分主要包括各種手持、車載、機(jī)載、艦載等定位信號(hào)接收設(shè)備，主動(dòng)接收各顆可見(jiàn)衛(wèi)星的定位信號(hào)，結(jié)合特定算法解算接收設(shè)備自身的空間位置信息。

在GPS系統(tǒng)中，用戶接收設(shè)備通過(guò)偽距測(cè)量和載波相位測(cè)量?jī)煞N方式估計(jì)衛(wèi)星與接收設(shè)備間距離，結(jié)合從定位信號(hào)中獲取的衛(wèi)星真實(shí)空間位置信息，解算接收設(shè)備的真實(shí)位置坐標(biāo)信息[5]。其中，基于偽距測(cè)量的定位較低，而且容易受多徑效應(yīng)干擾，該文主要分析研究衛(wèi)星定位信號(hào)的載波相位測(cè)量技術(shù)。

2 常用載波相位提取技術(shù)

2.1. 鎖相環(huán)

鎖相環(huán)（Phase Lock Loop，PLL）是一個(gè)閉環(huán)相位自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，具有很好的窄帶跟蹤性能，常被用作自動(dòng)捕獲和跟蹤接收信號(hào)的相位信息，完成信號(hào)的正確接收和解調(diào)，常見(jiàn)鎖相環(huán)的有平方環(huán)、科斯塔斯環(huán)、判決反饋環(huán)等。鎖相環(huán)主要由鑒相器（Phase Detector，PD）、環(huán)路濾波器（Loop Filter，LP）和壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）三部分組成。鎖相環(huán)的輸入為接收到的衛(wèi)星定位信號(hào)，輸出為經(jīng)鎖相環(huán)鎖定后的信號(hào)，并作為系統(tǒng)反饋信號(hào)輸入鑒相器中。鑒相器的作用是比較接收到的定位信號(hào)和系統(tǒng)反饋信號(hào)之間的相位差，并產(chǎn)生一個(gè)與之相關(guān)的輸出信號(hào)。這個(gè)信號(hào)包含直流和高頻分量，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器變?yōu)橹绷餍盘?hào)，作為控制信號(hào)輸入至壓控振蕩器，調(diào)整壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率，直至與接收到的衛(wèi)星定位信號(hào)同步，進(jìn)入鎖定狀態(tài)。結(jié)合環(huán)路濾波器的輸出信號(hào)和壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率，可以解算出衛(wèi)星定位信號(hào)的載波相位θi

其中，θO和fO分別為壓控振蕩器輸出信號(hào)的載波相位和載波頻率，TS為鎖相環(huán)的采樣時(shí)間間隔。

2.2. Costas環(huán)

Costas環(huán)又稱為同相正交環(huán)，是一種最常用的鎖相環(huán)。接收到的衛(wèi)星定位信號(hào)分別與本地產(chǎn)生的兩個(gè)載波進(jìn)行同相、正交相乘，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻部分后二次相乘，與上述的鎖相環(huán)類似經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波的作為輸入信號(hào)控制壓控振蕩器的輸出，直至壓控振蕩器的輸入控制信號(hào)電壓為零，使壓控振蕩器的輸出信號(hào)與衛(wèi)星定位信號(hào)同步，達(dá)到鎖定狀態(tài)。Costas環(huán)可以同時(shí)完成載波相位提取和解調(diào)出基帶信號(hào)兩種功能，是直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中常用的載波相位捕獲、跟蹤方法。結(jié)合兩個(gè)低通濾波器的輸出信號(hào)和壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率，可以解算出衛(wèi)星定位信號(hào)的載波相位θi

（2）

其中，θO和fO分別為壓控振蕩器輸出信號(hào)的載波相位和載波頻率，TS為鎖相環(huán)的采樣時(shí)間間隔。

2.3 自動(dòng)頻率控制（AFC）載波相位提取

常用的一階環(huán)路濾波器的捕獲帶寬可以設(shè)計(jì)得很寬，捕獲時(shí)間較短，但載波相位跟蹤性能和濾波性能較差；而二階環(huán)路濾波器的載波相位跟蹤性能和濾波性能較好，但捕獲帶寬較窄，捕獲時(shí)間較長(zhǎng)。自動(dòng)頻率控制（Automatic Frequency Control，AFC）載波相位提取技術(shù)通過(guò)自動(dòng)快速調(diào)節(jié)接收機(jī)本振信號(hào)，在系統(tǒng)剛開(kāi)始工作、初始頻偏較大的時(shí)候，以較大調(diào)整速度在盡量少的時(shí)間內(nèi)把較大的初始頻偏減??；當(dāng)頻偏減小到一定范圍內(nèi)以后改變策略，減小調(diào)整速度但是提高調(diào)整精度，達(dá)到穩(wěn)定、高精度跟蹤的目的。

以如圖1所示的BEIDOU-1衛(wèi)星接收機(jī)的載波同步電路為例[7]，虛線部分的載波跟蹤解調(diào)環(huán)是一個(gè)同相正交鎖相環(huán)，主要完成載波提取和解調(diào)出基帶信號(hào)的功能；整個(gè)電路是一個(gè)大的閉合環(huán)路，實(shí)現(xiàn)一個(gè)大環(huán)自動(dòng)調(diào)整本地壓控振蕩器的過(guò)程。同相正交鎖相環(huán)的鑒相結(jié)果累加濾波平滑處理后作為大環(huán)調(diào)整本地壓控振蕩器頻率的依據(jù)，按合理的步進(jìn)值逐步調(diào)整壓控振蕩器輸出信號(hào)頻率，直至進(jìn)入鎖定狀態(tài)。當(dāng)衛(wèi)星定位信號(hào)鎖定成功后，結(jié)合同相正交鎖相環(huán)的鑒相結(jié)果和壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率，可以解算出衛(wèi)星定位信號(hào)的載波相位。

3 基于載波相位測(cè)量的定位算法

由于載波相位測(cè)量無(wú)法直接測(cè)定衛(wèi)星定位信號(hào)在傳播過(guò)程中相位變化的周期數(shù)，基于載波相位測(cè)量定位算法的關(guān)鍵問(wèn)題是載波相位模糊度的有效確定，一般可以通過(guò)添加冗余約束條件或觀測(cè)值相減來(lái)解決[6]。

在工程應(yīng)用中，通常使用觀測(cè)值相減，即載波相位差分技術(shù)（Real Time Kinematic，RTK）對(duì)兩個(gè)或多個(gè)測(cè)量站的載波相位觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，設(shè)定某一測(cè)量站為基準(zhǔn)站并將其載波相位觀測(cè)值和坐標(biāo)信息傳輸給其他站點(diǎn)，其他測(cè)量站點(diǎn)將各自接收到的定位信號(hào)載波相位測(cè)量值與基準(zhǔn)站的信息組成差分觀測(cè)值，解算各自的位置坐標(biāo)信息。

根據(jù)基準(zhǔn)站傳送載波相位信息的不同，載波相位差分技術(shù)可以分為修正法和差分法兩種。修正法將基準(zhǔn)站的載波相位修正值傳輸給其他用戶站點(diǎn)，以修正其載波相位并解算各自的位置坐標(biāo)信息，也成為準(zhǔn)RTK技術(shù)；差分法則直接將基準(zhǔn)站接收的載波相位發(fā)送給其他用戶站點(diǎn)，并與用戶站點(diǎn)接收的定位信號(hào)載波下各位求差，求解各自的位置坐標(biāo)信息。

載波相位測(cè)量值可以在衛(wèi)星間求差、在接收機(jī)間求差、也可以在不同歷元間求差。將觀測(cè)值直接相減的過(guò)程叫做求一次差，所獲得的結(jié)果被當(dāng)做虛擬觀測(cè)值，稱作載波相位觀測(cè)量的一次差或單差；載波相位測(cè)量的一次差還可以繼續(xù)求差，所獲得的結(jié)果仍可以被當(dāng)做虛擬觀測(cè)值，稱作載波相位觀測(cè)量的二次差或雙差，可以在接收機(jī)與衛(wèi)星、接收機(jī)與觀測(cè)歷元或衛(wèi)星與觀測(cè)歷元間求二次差；二次差繼續(xù)求差，所得結(jié)果稱作三次差，其結(jié)果與求差順序無(wú)關(guān)，但只能在接收機(jī)、衛(wèi)星和觀測(cè)歷元間求三次差。

1）接收機(jī)間一次差

在同一時(shí)刻不同接收機(jī)獲得的同一顆衛(wèi)星的載波相位測(cè)量值直接相減，可以消除衛(wèi)星時(shí)鐘相對(duì)于GPS的鐘差，并顯著提高接收機(jī)間的相對(duì)位置精度，而且當(dāng)接收機(jī)位置較近時(shí)還可以大大減弱大氣平流層和對(duì)流層對(duì)定位信號(hào)的時(shí)延以及衛(wèi)星星歷間的誤差。在接收機(jī)間的一次求差也可以稱作站際單差，對(duì)應(yīng)的兩顆衛(wèi)星間的求差運(yùn)算可以稱作星際單差，不同觀測(cè)歷元間的求差運(yùn)算稱作歷元單差。

2） 接收機(jī)和衛(wèi)星間二次差

二次差又稱作星站二次差分，能夠有效消除衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差和星歷誤差，而且可以消除接收機(jī)的時(shí)鐘鐘差，可以顯著提高定位的精度。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通常選擇接收機(jī)視場(chǎng)內(nèi)可觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、高度角較大的衛(wèi)星作為基準(zhǔn)星，然后將針對(duì)其余各衛(wèi)星的接收機(jī)單差方程與基準(zhǔn)星單差方程觀測(cè)相減，組成雙差觀測(cè)方程。

3） 接收機(jī)、衛(wèi)星和觀測(cè)歷元間三次差

引入三次差的目的是為了解決載波相位整周數(shù)未知的問(wèn)題，一方面減小了差值計(jì)算中未知量的數(shù)目，同時(shí)也消除或消弱了衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差、接收機(jī)時(shí)鐘鐘差、大氣時(shí)延誤差等一些因素的影響，提高了定位的精度。

載波相位差分技術(shù)在基于載波相位測(cè)量值的衛(wèi)星定位算法中以其定位精度高等眾多優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用，但該技術(shù)仍然存在著一定的局限性。如：1）數(shù)據(jù)的利用率較低，一些好的觀測(cè)值會(huì)因?yàn)榕c之配對(duì)相減的數(shù)據(jù)出了問(wèn)而無(wú)法使用，求差的次數(shù)越多，數(shù)據(jù)的利用率越低；2）解的通用性差，由于一些與用戶無(wú)直接關(guān)聯(lián)的參數(shù)在求差過(guò)程中已經(jīng)被當(dāng)作多余參數(shù)消去，其擴(kuò)展性較差。但這些問(wèn)題和缺陷已經(jīng)引起了眾多科研工作人員和生產(chǎn)廠商的關(guān)注和重視，各種新的改進(jìn)方法和器件正在不斷地被研究和開(kāi)發(fā)出來(lái)，相信這些問(wèn)題和缺陷會(huì)被很快地解決和彌補(bǔ)。

4 總結(jié)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有定位精確度高、授時(shí)精準(zhǔn)度好，覆蓋范圍廣等眾多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于陸地、海洋、航空、航天等多個(gè)軍用和民用領(lǐng)域。該文以GPS定位系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了衛(wèi)星信號(hào)的載波相位的含義及鎖相環(huán)、Costas環(huán)和自動(dòng)頻率控制（AFC）載波相位提取測(cè)量技術(shù)，并針對(duì)載波相位測(cè)量技術(shù)周期數(shù)模糊問(wèn)題，分析說(shuō)明了一次差分、二次差分和三次差分的載波相位差分技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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