[整理]载波相位测量原理及在GPS软件接收机上的实现_孙福余[1]

[整理]载波相位测量原理及在GPS软件接收机上的实现_孙福余[1] 载波相位测量原理及在GPS软件接收机上的实现_孙福余[1]引文格式: 孙福余，张鹏，徐亚明，等( 载波相位测量原理及在GPS 软件接收机上的实现,J,( 测绘通报，2 014( 4) : 70-73( DOI: 10( 13474 /j( cnki( 11-2246( 2014( 0128 载波相位测量原理及在GPS 软件接收机上的实现 孙福余1，张鹏1，2，徐亚明1，2，邹进贵1，2 ( 1( 武汉大学测绘学院，湖北武汉430079; 2( 精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室， 湖北武汉430079) Principles of Carrier Phase Measurements and Implementation upon GPS Software ,eceiver Platform SUN Fuyu，ZHANG Peng，XU Yaming，ZOU Jingui 摘要: 采用载波相位测量值可以得到厘米级甚至毫米级的测量精度。本文介绍载波相位测量的基本原理和通用软件无线电外设 US,P 平台下的具体实现过程，并将US,P 平台下生成的载波相位测量值和商用GPS 硬件接收机输出的载波相位测量值进行对比。 关键词: GPS; 软件接收机; 载波相位测量; 锁相环; US,P 中图分类号: P228( 4 文献标识码: B 文章编号: 0494-0911( 2014) 04-0070-04 收稿日期: 2013-03-04 基金项目: 国家自然科学基金( 41074025) ; 高等学校博士学科点专项科研基金( 20110141120046) ; 精密工程与工业测量国家测绘地理信 息局重点实验室开放基金( PF2011-3) 作者简介: 孙福余( 1988—) ，男，山东菏泽人，博士生，研究方向为软件接收机、室内定位。 通信作者: 张鹏 一、引言 商用接收机一般属于硬件接收机，具有较完备 的定位功能，并且能够输出精确的载波相位测量值 以供后处理软件解算出高精度的定位结果。但硬件 接收机灵活性较差，不方便软件升级，也不能满足室 内、城市峡谷等特殊场合的定位需求。软件接收机 将信号处理模块用软件来实现，不仅可以测试新制 式的卫星信号和更先进的定位算法，而且其灵活的 软件构架可以根据需求输出更多的有效信息，具有 重要的研究价值。 当前的软件接收机大多采用伪距( 又称码相位) 测量值计算定位结果,1,，米级的定位精度限制了软件 接收机在大地测量、精密工程测量、精细农业等精密 定位领域的应用。因此，在软件接收机上实现载波相 位测量值的精确输出吸引了研究人员的关注,2,。 本文详细 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了载波相位测量值输出的基本原 理和在软件接收机上的实现过程，并通过和商用接 收机输出的载波相位测量值的对比验证了采用软件 接收机输出的载波相位测量值的稳定性和高精度。 二、载波相位测量值输出基本原理 卫星信号位于射频频段，需要借助于载波调制。 载波信号在其传播路径上的不同位置有着不同的相 位值，如果能精确地测量出传播路径上两点间载波 的相位差异，那么这两点之间的距离就可以被推算 出来。载波相位测量值的定义为“接收机收到的载 波信号的相位与载波信号初始发射相位的差值”。 即可以将载波相位测量值Φ 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为整数载波周期 数N( 简称整周数) 和小数周数值 之和的形式，即 Φ = N + 。式中， 可以近似由接收机跟踪模块得 到，而精确的整周数N 可以通过整周模糊度解算方 法求得，如LAMBDA 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,3,。 假设t1 时刻卫星处于位置1，而此时的载波相 位测量值为Φ1 = N + 1 ，而在t2 时刻卫星运行到了 位置2。由于在卫星的运动过程中，接收机持续跟 踪卫星发送的载波信号，所以N 保持不变，那么t2 时刻的载波相位测量值可以表示为Φ2 = N + 2。 令Δ = 2 , 1 ，可以得到Φ1 和Φ2 的关系为 Φ2 = Φ1 + Δ ( 1) 卫星和接收机之间距离的变化也会改变接收信 号的频率，产生多普勒频移fD ( t) 。根据频率和相位 的内在关系，对fD ( t) 的积分会得到该时间段内的载 波相位测量值的变化量Δ ，简称积分多普勒,4, Δ = , ?t2 t1 fD ( t) dt ( 2) 将式( 2) 代入式( 1) 可以求得t2 时刻的载波相 位测量值。本节简要介绍了载波相位测量值输出的 基本原理，下一节会结合软件接收机框架详细分析， 要解决的核心问题是如何精确地输出fD ( t) 。在不 影响理解的前提下，将连续时间信号fD ( t) 简单表示 为fD。 70 测绘通报2014 年第4 期 三、载波相位测量原理 1( 射频信号下变频 在GPS 软件接收机框架中，通常会采用混频电 路将射频信号下变频到中频频段，在中频频段完成 数字化，如图1 所示。 图1 射频信号下变频处理流程 在图1 中，f ,F 和fIF 分别表示射频信号和中频信 号的标称频率。接收机收到的射频信号的瞬时相位 表示为θ,F ，而本地复制的载波信号由频率为f,F , fIF ，相位为θmix 的载波构成。混频后的信号经过低 通滤波，构成了频率为fIF + fD ，相位为θIF 的中频信 号，其中θIF = θ,F , θmix。比较图1 中的中频信号和 射频信号的频率，不难看出多普勒频移分量fD 并未 改变。因此下变频操作并不会影响后续的载波相位 测量值输出。 2( 载波跟踪环 经过采样后的中频数据会依次输入捕获和跟踪 模块。捕获模块主要实现伪随机码和中频信号频率 的初始捕获，并将较粗略的捕获结果提交给跟踪模 块。跟踪模块由码跟踪环和载波跟踪环共同组成， 其中码跟踪环由延迟锁定环路( delay lock loop， DLL) 实现，作用是跟踪并剥离伪随机码; 而载波跟 踪环一般由锁相环( phase locked loop，PLL) 完成，目 标是完全剥离载波信号,5,。 由于载波相位测量值的输出只与载波跟踪环有 直接关系，因此笔者重点画出由锁相环构成的载波 跟踪环的信号处理流程，如图2 所示。希望深入了 解锁相环工作原理的读者可以参阅文献,5,。但与 传统的锁相环不同，在GPS 接收机中会同时产生同 向和正交两路本地复制载波。这种处理方法不仅可 以使接收机更好地获取多普勒频移分量fD 的估计 值^fD ，而且还能够区分^fD 的正负,6,。 本地复制的同向载波和正交载波分别与中频信 号相乘，分别得到同向分量IP ( t) 和正交分量IQ ( t) ， 图2中的积分清除模块实现了低通滤波的功能。 图2 载波跟踪环信号处理流程 令 e ( t) = 2π ( fD , ^f ) D t + θIF ,^θ ( ) IF ，式中 e ( t) 表示中频信号和本地复制的同相载波之间的相 位差异。载波生成器会根据 e ( t) 的大小实时更新 本地复制载波的频率，使得 e ( t) 总是趋近于0，该 过程称为锁相环的频率更新。 一旦锁相环完成了对中频信号的锁定，本地复 制载波频率fIF + ^fD 就近似等于输入中频信号频率 fIF + fD ，进而可以获取fD 的估计值^fD。 3( 软件实现 以上分析的前提是中频信号和本地复制载波都 是连续时间信号。但在软件接收机中，输入锁相环 的中频信号和本地复制载波都是离散信号，锁相环 的工作也完全由软件实现，因此锁相环的频率更新 不再是实时进行的，而是有一个更新周期TPLL。只 有在每个频率更新周期结束后，才会计算在该周期 内中频信号和本地复制载波的相位差异，并以此为 依据更新载波生成器的输出频率。 理论上，在第i 个频率更新周期时间内，载波相 位测量值的变化量Δ i 可以表示为 Δ i = , ^fD ( i) × TPLL 式中，^fD ( i)为常数。在锁相环的频率更新周期内， 载波生成器输出的本地复制载波的频率fIF + ^fD 维 持不变。但卫星的运动会使得多普勒频移fD 持续 发生变化，输入中频信号频率fIF + fD 也会实时发生 改变。在频率更新周期内锁相环处于不完全同步的 状态，导致在第i 个频率更新周期结束后会有一个 额外的相位差异 e ( i)。在计算载波相位测量值的 时候，不仅要在前一个载波相位测量值的基础上加 上本周期内的积分多普勒值Δ i ，还要加上额外的 2014 年第4 期孙福余，等: 载波相位测量原理及在GPS 软件接收机上的实现71 相位差异 e ( i)。因此，第i 个锁相环频率更新周期 结束后载波相位测量值的变化量Δ i 可以表示为 Δ i = , fD ( i) × TPLL + e ( i) ( 3) 如果给定t1 时刻的载波相位测量值Φ1 ，那么t2 时刻的载波相位测量值Φ2 可表示为 Φ2 = Φ1 +Σm i =1 Δ i = Φ1 +Σm i =1 [ , fD( i) × TPLL + e ( i) ] ( 4) 式中，m = ( t2 , t ) 1 /TPLL ，可视为在( t2 , t ) 1 时间段内 包含的频率更新周期TPLL 的个数。 四、测试结果 通用软件无线电外设US,P 是科研领域较为通 用的软件无线电平台。在项目组的前期工作中，已 经在US,P 平台上利用伪距测量值完成了米级精度 的单点定位,1,。本文在其基础上进一步实现载波 相位测量值的输出。US,P 由子板和母板组成，子 板主要完成射频信号到中频信号的下变频操作，而 母板的主要功能是将处于中频频段的模拟信号通过 采样变换为数字信号，并将得到的数字中频数据通 过USB 接口传递给计算机中的软件处理模块，由软 件处理模块完成捕获、跟踪和载波相位测量值输出 等功能。测试选择了型号为DBS,X 的US,P 子板， DBS,X 可以处理的射频信号频率范围从800 MHz 到2( 4 GHz，涵盖了包括GPS 在内的所有GNSS 系 统的信号频段。尽管本文的测试以GPS 信号为例， 但从原理上讲，本文介绍的载波相位测量原理和软 件实现也适用于其他GNSS 系统。 在载波跟踪环路中，笔者选择了二象限反正切 函数算法来近似求解每一个更新周期TPLL 内产生的 相位差异分量 e ( i)。环路滤波器采用二阶锁频环 辅助的三阶锁相环，且锁相环的参数更新周期TPLL 设定为1 ms。载波相位测量值输出的初始值由无模 糊度的码相位测量值计算得到。 测试试验选择了零基线相对定位的测试 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ， 即将同一个GPS 有源天线采集的信号通过功率分 配器分别连接US,P 和诺瓦泰商用接收机。零基线 方案保证了在同一时刻，US,P 和诺瓦泰商用接收机 收到的射频信号强度、电离层延迟和对流层延迟等都 是相同的，而相对定位可以消除大部分测量误差。测 试方案如图3 所示。测试地点在武汉大学测绘学院 顶楼，测试开始时间为2012 年10 月17 日9? 30。 测试首先将US,P 输出的载波相位测量值与伪 距测量值进行了对比。其中，载波相位测量值采用 解算出的整周模糊度进行了修正。 图3 零基线相对定位测试方案示意图 图4 和图5 分别表示了在600 s 的时间内， US,P输出的7 号卫星和28 号卫星的载波相位跟踪 值和伪距测量值。在图4 和图5 中，载波相位测量值 无论在稳定性还是在精度方面均远优于伪距测量值。 图4 7 号卫星的载波相位和伪距测量值 图5 28 号卫星的载波相位和伪距测量值 72 测绘通报2014 年第4 期 为了横向评估US,P 输出的载波相位测量值的 精度，笔者将US,P 和诺瓦泰商用接收机输出的载 波相位测量值进行三次差分运算。即两个接收机在 同一时刻针对同一卫星的载波相位测量值进行差 分，消除卫星时钟误差和大气延迟误差; 然后，两台 接收机在同一时刻对7 号和28 号两颗卫星的载波 相位测量值进行双差运算，消除接收机的时钟误差; 最后针对不同时刻的双差载波相位测量值再求一次 差分，消掉双差整周模糊度,4,。 由于测试方案采用了零基线的相对定位，理论 上根据三次差分运算的计算结果推算出的基线向量 的长度应该为零，实际的结果如图6 所示。经过三 次差分后的测量值的均值确实在零附近，变化范围 约为1 cm。由此可以验证US,P 输出的载波相位测 量值与诺瓦泰商用接收机输出的载波相位测量值具 有同一等级的精度。 图6 7 号卫星和28 号卫星的三差测量值 五、结束语 本文介绍了载波相位测量的基本原理和在软件 无线电平台US,P 上的具体实现过程，并与硬件接 收机输出的载波相位测量值进行了对比，证明了其 具有较高的稳定性和精度。下一阶段，笔者会针对 不同基线长度对定位精度的影响进行研究，并尝试 采用多接收机天线进一步提高定位精度。 参考文献: ,1, 张鹏，孙福余，徐亚明，等( 基于US,P 平台的GPS 软 件接收机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现,J,( 测绘通报，2012 ( 11) : 55- 58( ,2, PETOVELLO M，O'D,ISCOLL C( Carrier Phase and Its Measurement for GNSS,J,( Inside GNSS，2010 ( 7-8) : 18-22( ,3, E,ICKSON C( An Analysis of Ambiguity ,esolution Techniques for ,apid Static GPS Surveys Using Single Frequency Data,C,?Proceedings of the 5th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation( Albuquerque( NM: The Institute of Navigation， 1992: 453-462( ,4, 谢刚( GPS 原理与接收机设计,M,( 北京: 电子工业 出版社， 2009( ,5, GA,DNE, F M( Phaselock Techniques,M,( 3rd ed( Hoboken，New Jersey: John Wiley , Sons( Inc， 2005( ,6, MIS,A P，ENGE P( Global Positioning System Signals， Measurements and Performance ,M,( 2nd ed( Beijing: Publishing House of Electronics Industry， 櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂櫂 2008( ( 上接第69 页) 特性的相关信息的必要手段。地物物理量的度量模 型由度量对象ai、度量基准ai0、度量单位Bi 和度量 结果Qi 构成，度量对象ai 包含多种性质i，即i?ai i0?ai0。通过测绘学中的坐标、高程、时间、质量 等实例，证明地物物理量的度量模型有实用价值和 科学解释功能。 参考文献: ,1, 承继成，林晖，周成虎，等( 数字地球导论,M,( 北京: 科学出版社， 2000( ,2, 测绘字典编辑委员会( 测绘词典,M,( 上海: 上海辞 书出版社， 1981( ,3, 罗宾逊，塞尔，莫里逊，等( 地图学原理,M,( 北京: 测 绘出版社， 1989( ,4, 程鹏飞，成英燕，文汉江，等( 国家大地坐标系实用宝 典,M,( 北京: 测绘出版社， 2008( ,5, 宁津生，陈俊勇，李德仁，等( 测绘学概论,M,( 武汉: 武汉大学出版社， 2004( ,6, 阿尔伯特( 爱因斯坦( 相对论,M,( 重庆: 重庆出版 社， 2009: 189( ,7, 钟业勋，童新华，韦清嫄( 地物性质和外形及其在地 球椭球面上的投影的数学定义,J,( 桂林理工大学学 报， 2012， 32( 4) : 528-531( ,8, 约翰( 格里宾，黄麟译( 大宇宙百科全书,M,( 海口: 海南出版社， 2001( 2014 年第4 期孙福余，等: 载波相位测量原理及在GPS 软件接收机 73 上的实现