GNSS多系统信号兼容的Teseo-3 接收机

●　文|赵利平　 张永红　 唐斌　 方秀花

GNSS多系统信号兼容的Teseo-3 接收机

●文|赵利平 张永红 唐斌 方秀花

预计到2020年，全球四大导航系统将为用户提供超过100颗可用卫星，无遮挡条件下同时可见卫星多达30～40颗。《GPS世界》2014年1月期刊登了Philip G. Mattos和Fabio Pisoni撰写的一篇研究文章，对2013年年底面世的Teseo-3 GNSS接收机进行了介绍。Teseo-3 GNSS芯片成功应用于北斗和Galileo系统，意味着GNSS接收机已经进入GPS、GLONASS、北斗和Galileo四系统信号兼容接收的时代。

多系统多星座GNSS接收机从2010—2011年开始得到广泛应用，但一般是指GPS+GLONASS。虽然有些接收机已能支持Galileo系统，但当时并没有可用的Galileo卫星，北斗也还只是一个称呼，尚没有任何接口规范（接口控制文件，也称ICD），因此也无法研制兼容北斗的接收机。然而，随着接收机技术的发展，接收机硬件的开发时间已经大大缩短，同时，Galileo ICD已推出多年，斯坦福大学的Grace Gao和她的同事们，经过逆向工程分析，获得了北斗开放信号的扩频码，这在2011年年底中国官方发布的北斗系统测试版ICD中得到了确认。但是，北斗系统测试版ICD只给出了信号层面内容，并未给出信息（message）层面的内容。

到2012年的最后一周，Galileo、北斗系统终于实现了跨越。Galileo IOV3和IOV4卫星于2012年12月初开始发送信号（10月成功发射），将Galileo在轨测试卫星数量增加到4颗，因而每天可获得约两个小时的可定位时间（至少同时可见4颗卫星才可定位）。12月底，中国宣布北斗系统开通运行，发布了正式版ICD，公开了全部接口内容，用户可以保持对北斗信号持续跟踪，实现北斗电文解析、星历计算，直至最终定位。意法半导体公司的Teseo-2接收机已面世多年，对于兼容接收Galileo卫星信号，只需进行软件扩展开发，但对于兼容接收北斗卫星信号，除了软件扩展外，还需要升级接收机射频前端硬件。另外，尽管升级后的Teseo-2接收机可支持所有四个系统，但却不能同时接收处理北斗和GPS/Galileo信号。因为在Teseo-2接收机推出时，北斗系统的ICD尚未发布，扩频码必须由软件产生，并保存在码生成器的存储器中以供使用，在产生北斗扩频码时，有可能会影响GPS/Galileo扩频码的生成。

Teseo-3接收机于2013年年底推出，采用最优的单芯片封装形式，射频电路与数字芯片、闪存集成在同一封装内，可同时处理北斗和GPS/Galileo信号。2012年以前，多系统主要指GPS+GLONASS，即使在城市峡谷的上空，也有多达20颗的可见卫星。目前，在欧洲上空，每天有2小时可以见到3颗以上Galileo测试卫星。在中国，则同时可见GPS/北斗/Galileo三个系统的卫星，三系统应用是首选。

2012年12月4日，Teseo-3接收机第一次实现了对4颗Galileo测试卫星的跟踪接收和定位；2013年1月，第一次实现了北斗卫星定位。接收机对Galileo和北斗系统分别进行了静态和动态道路测试，也对多系统组合进行了测试，并提出了独特的定位解决方案。道路测试，在美国和欧洲进行了GPS /GLONASS/Galileo组合定位，在中国地区进行了GPS/Galileo/北斗组合定位。

预计2020年以后，GLONASS将会播发码分多址（CDMA）的L1OC信号，与同频率GPS/Galileo的信号调制方式相同，北斗系统服务也有望扩展至全球，全面播发开放信号B3，中心频点也将调至1575MHz。在这一频点上，4个GNSS信号在同一频段，有100多颗可用卫星，在开阔的空间中用户同时可见30多颗卫星，甚至多达40颗。

更多的可见卫星使多系统接收机在城市峡谷中具有更好的可用性和准确性，也大大简化了接收机的设计。虽然扩频码生成器需要极大的灵活性，以产生任一系统的扩频码序列。但实际信号接收过程将被大大简化，由于只用一套射频前端（模拟部分）和基带信号处理（数字部分）设备，包括所有滤波器、解调器等，将极大降低接收机功耗。

一、Teseo-3应用于北斗信号的接收

与Galileo一样，北斗也是逐渐发展起来的。一开始没有ICD，在验证北斗信号接收时，需要采用双射频前端架构。后来，虽然公布了包含所有北斗卫星的测试版ICD，能够接收信号，但仍然无法定位。直到2012年年底，北斗才发布正式版ICD，提供定位服务。2013年9月，Teseo-3接收机芯片正式问世。

而对于Teseo-3接收机，采用单片宽带射频芯片，可同时接收处理GPS、Galileo、GLONASS和北斗信号，不需要增加额外的射频结构。

图1、图2中是Teseo-3接收机接收GPS+北斗卫星信号动态试验的结果，是在台北进行的实际道路测试。GPS在轨卫星32颗，北斗14颗。测试所在城区高楼林立（图3）,GPS+北斗总共可见卫星为13颗，其中还有很多是非直视信号。

图1　Teseo-3接收机仅接收北斗卫星信号情况

图2　Teseo-3接收机接收GPS+北斗卫星信号情况

图3　在台北进行的GPS+北斗实际路测情况

二、Teseo-3应用于Galileo信号的接收

2012年12月，第一次实现同时跟踪4颗在轨测试卫星。由于缺乏有效的轨道数据，还不能定位。 2013年3月，第一次现场演示Galileo系统定位，由欧洲航天局在欧洲航天技术中心和意大利那不勒斯、米兰的意法半导体公司软件开发中心，同时使用Teseo-2接收机完成。

2013年7月24日，在意大利费西罗卫星地面站，欧洲航天局利用Septentrio公司的测试型接收机再次重复演示了Galileo定位，在欧洲航天局的意大利实验室同时进行了类似的测试。在现实使用中，定位解算还可能使用卡尔曼滤波器，并且进行GalileoE1-B/E1-C信号的组合定位，从而更好地利用导频通道的信号跟踪优势。

由于Galileo系统仅4颗测试卫星在轨运行，因而目前并不会获得良好的定位精度。为了使这4颗卫星同时可见性更高，就不会有很好的DOP。另外，Galileo系统的全套地面监控站也还没有完成，因此还不能很好地校准星座的轨道误差。最后，Galileo系统的电离层校正数据也尚未公布。因此，即使接收机使用位于屋顶固定位置的天线接收信号进行定位解算时，仍然存在可观的残差。

三、Teseo-3接收机应用于日本准天顶与GPS III L1C信号的接收

Teseo-2接收机支持日本准天顶系统播发的、传统的GPS C/A码信号已有一段时间了，而Teseo-3接收机已升级到可以处理GPS-III的L1C信号。目前L1C信号在准天顶系统中已经可用，并且允许进行实际信号的测试。相对于传统信号，接收处理L1C信号需对基带硬件进行大幅改进，因为其信号扩频码是一种Weill码。Weill码生成相对复杂，一旦选择了产生某颗卫星对应的扩频码，仅产生一次，然后实时从存储器重放。此外，Weill码的码长较长，达10230个码片，占两个域。也就是说，需要长期储存，而且码周期很长，达10ns。在Teseo-3接收机中，经常先获取传统的C/A码信号的码相位和载波频率，然后用来引导捕获跟踪Weill码信号的码相位和频率。

未来的Teseo-4接收机中，也许会使用大型信号处理硬件。目前使用DSP硬件的Teseo-4接收机原型机已推出，每颗卫星信号对应64路相关器。相关器具有多个抽头，用于消除捕获BOC调制信号时所产生的模糊性，同时进行信号解调变换，而且它可以替代已在使用的导频码辅助捕获（在GPS III中，导频码信号比数据信号强5dB）。

四、接收机芯片未来发展趋势

为了适应已知信号和未来可能出现的新导航信号，多系统接收机设计了极具灵活性的扩频码生成器。码生成器可支持多系统多频率，并支持L5和L2频点信号，以确保有足够的灵活性满足高低端不同用户对信号的接收选择。在设计接收机芯片时，既不可能仅针对少数用户的特殊需求，也不可能覆盖整个市场对不同芯片的所有需求。但是，主流芯片也必须适当考虑少数用户的特殊需求。

在设计接收机芯片时，还需要综合考虑芯片容量、功耗与多数用户的需求。解决方案是在多系统多频率接收机中，能够支持频点的任意切换，将高频段的射频前端集成在GNSS接收芯片中。当用户需要接收低频段的信号时，可以添加相同设计的第二个射频端，并连接到基带的扩展端口。在不需要扩展时，该端口一般用于测试，相关原理已经在Teseo-2接收机扩展接收北斗信号时进行验证。这种与原有芯片内射频前端相同设计的第二个射频端可以用于芯片开发过程中的测试，并且很可能被集成到后续研制的单芯片中。如果不采取这种扩展方法，就无法满足少数用户的双频点信号接收或低频段信号接收需求，并且无法控制开发成本。

五、结束语

Teseo-2接收机已经验证了所有四系统卫星信号的接收处理，其芯片已经于几年前就开始大批量生产，并作为多系统多星座组合的定位解决方案在Teseo-3接收机中得到了应用。随着Teseo-3接收机的出现，实现了对北斗信号的优化处理和GPS-III L1C信号的硬件支持，提供了可供长期使用的单芯片解决方案。

未来，多系统接收机的双频解决方案正在酝酿中，双频可以充分利用载波相位，实现运动中精密单点定位和实时动态定位，从而进军汽车应用市场，如高级驾驶员辅助系统等等。