GNSS多系統信號兼容的Teseo-3 接收機

●　文|趙利平　 張永紅　 唐斌　 方秀花

GNSS多系統信號兼容的Teseo-3 接收機

●文|趙利平 張永紅 唐斌 方秀花

預計到2020年，全球四大導航系統將為用戶提供超過100顆可用衛星，無遮擋條件下同時可見衛星多達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，意味著GNSS接收機已經進入GPS、GLONASS、北斗和Galileo四系統信號兼容接收的時代。

多系統多星座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，但當時并沒有可用的Galileo衛星，北斗也還只是一個稱呼，尚沒有任何接口規范（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，隨著接收機技術的發展，接收機硬件的開發時間已經大大縮短，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年年底中國官方發布的北斗系統測試版ICD中得到了確認。但是，北斗系統測試版ICD只給出了信號層面內容，并未給出信息（message）層面的內容。

到2012年的最后一周，Galileo、北斗系統終于實現了跨越。Galileo IOV3和IOV4衛星于2012年12月初開始發送信號（10月成功發射），將Galileo在軌測試衛星數量增加到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顆衛星才可定位）。12月底，中國宣布北斗系統開通運行，發布了正式版ICD，公開了全部接口內容，用戶可以保持對北斗信號持續跟蹤，實現北斗電文解析、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衛星信號，只需進行軟件擴展開發，但對于兼容接收北斗衛星信號，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，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，北斗系統的ICD尚未發布，擴頻碼必須由軟件產生，并保存在碼生成器的存儲器中以供使用，在產生北斗擴頻碼時，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，采用最優的單芯片封裝形式，射頻電路與數字芯片、閃存集成在同一封裝內，可同時處理北斗和GPS/Galileo信號。2012年以前，多系統主要指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測試衛星。在中國，則同時可見GPS/北斗/Galileo三個系統的衛星，三系統應用是首選。

2012年12月4日，Teseo-3接收機第一次實現了對4顆Galileo測試衛星的跟蹤接收和定位；2013年1月，第一次實現了北斗衛星定位。接收機對Galileo和北斗系統分別進行了靜態和動態道路測試，也對多系統組合進行了測試，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，在中國地區進行了GPS/Galileo/北斗組合定位。

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

更多的可見衛星使多系統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，以產生任一系統的擴頻碼序列。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（數字部分）設備，包括所有濾波器、解調器等，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。后來，雖然公布了包含所有北斗衛星的測試版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構。

圖1、圖2中是Teseo-3接收機接收GPS+北斗衛星信號動態試驗的結果，是在臺北進行的實際道路測試。GPS在軌衛星32顆，北斗14顆。測試所在城區高樓林立（圖3）,GPS+北斗總共可見衛星為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星信號情況

圖2　Teseo-3接收機接收GPS+北斗衛星信號情況

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，第一次實現同時跟蹤4顆在軌測試衛星。由于缺乏有效的軌道數據，還不能定位。 2013年3月，第一次現場演示Galileo系統定位，由歐洲航天局在歐洲航天技術中心和意大利那不勒斯、米蘭的意法半導體公司軟件開發中心，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勢。

由于Galileo系統僅4顆測試衛星在軌運行，因而目前并不會獲得良好的定位精度。為了使這4顆衛星同時可見性更高，就不會有很好的DOP。另外，Galileo系統的全套地面監控站也還沒有完成，因此還不能很好地校準星座的軌道誤差。最后，Galileo系統的電離層校正數據也尚未公布。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播發的、傳統的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信號在準天頂系統中已經可用，并且允許進行實際信號的測試。相對于傳統信號，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，一旦選擇了產生某顆衛星對應的擴頻碼，僅產生一次，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，經常先獲取傳統的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，每顆衛星信號對應64路相關器。相關器具有多個抽頭，用于消除捕獲BOC調制信號時所產生的模糊性，同時進行信號解調變換，而且它可以替代已在使用的導頻碼輔助捕獲（在GPS III中，導頻碼信號比數據信號強5dB）。

四、接收機芯片未來發展趨勢

為了適應已知信號和未來可能出現的新導航信號，多系統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、功耗與多數用戶的需求。解決方案是在多系統多頻率接收機中，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，相關原理已經在Teseo-2接收機擴展接收北斗信號時進行驗證。這種與原有芯片內射頻前端相同設計的第二個射頻端可以用于芯片開發過程中的測試，并且很可能被集成到后續研制的單芯片中。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，并且無法控制開發成本。

五、結束語

Teseo-2接收機已經驗證了所有四系統衛星信號的接收處理，其芯片已經于幾年前就開始大批量生產，并作為多系統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，實現了對北斗信號的優化處理和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，實現運動中精密單點定位和實時動態定位，從而進軍汽車應用市場，如高級駕駛員輔助系統等等。