卫星定位信号载波相位测量技术

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卫星定位信号载波相位测量技术

摘要:卫星定位系统通过多颗定位卫星与接收机间的距离来计算接收机的真实位置坐标信息，常用的测距方法有伪距测量和载波相位测量。该文以GPS定位系统为例，介绍了卫星信号的载波相位的含义及其测量技术，并针对载波相位测量技术周期数模糊问题，分析说明了载波相位差分技术的优点及不足。

关键词:全球卫星定位; 载波相位测量技术; 载波相位差分技术 TP391 A 1009-3044(2014)09-2081-03 1 概述

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite

System，GNSS)融合传统的无线电导航和测绘技术，可以为用户提供全球、全天候的连续实时定位、导航和授时服务，以其定位精确度高、授时精准度好，覆盖范围广等优点，已经广泛地应用于陆地、海洋、航空、航天等多个军用和民用领域[1]。现有的GNSS系统主要有美国的GPS(Global Positioning System)系统、俄罗斯的GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)系统、欧洲的GALILEO系统、印度的IRNSS系统、日本的QZSS系统和中国的BEIDOU系统[2，3]。

GNSS系统一般由空间星座部分、地面监控部分和用户接收部分三个独立的部分组成[4]。其中，空间星座部分即为运行在不同地球轨道上的多颗定位卫星，向地面不间断地发射定位信号;地面监控部分主要包括控制站、监测站和注入站，实时监测控制每颗卫星的工作运行状态，并将卫星的轨道信息与观测得到的卫星时钟时延、大气对流层、平流层时延等修正信息发送给卫星，让卫星在其发射信号上添加并转


播这些信息;用户接收部分主要包括各种手持、车载、机载、舰载等定位信号接收设备，主动接收各颗可见卫星的定位信号，结合特定算法解算接收设备自身的空间位置信息。

在GPS系统中，用户接收设备通过伪距测量和载波相位测量两种方式估计卫星与接收设备间距离，结合从定位信号中获取的卫星真实空间位置信息，解算接收设备的真实位置坐标信息[5]。其中，基于伪距测量的定位较低，而且容易受多径效应干扰，该文主要分析研究卫星定位信号的载波相位测量技术。

2 常用载波相位提取技术 2.1. 锁相环

锁相环(Phase Lock Loop，PLL)是一个闭环相位自动跟踪系统，具有很好的窄带跟踪性能，常被用作自动捕获和跟踪接收信号的相位信息，完成信号的正确接收和解调，常见锁相环的有平方环、科斯塔斯环、判决反馈环等。锁相环主要由鉴相器(Phase Detector，PD)、环路滤波器(Loop Filter，LP)和压控振荡器(Voltage Controlled

Oscillator，VCO)三部分组成。锁相环的输入为接收到的卫星定位信号，输出为经锁相环锁定后的信号，并作为系统反馈信号输入鉴相器中。鉴相器的作用是比较接收到的定位信号和系统反馈信号之间的相位差，并产生一个与之相关的输出信号。这个信号包含直流和高频分量，经过环路滤波器变为直流信号，作为控制信号输入至压控振荡器，调整压控振荡器输出信号的频率，直至与接收到的卫星定位信号同步，进入锁定状态。结合环路滤波器的输出信号和压控振荡器的输出信号频率，可以解算出卫星定位信号的载波相位θi

其中，θO和fO分别为压控振荡器输出信号的载波相位和载波频率，TS为锁相环的采样时间间隔。

2.2. Costas环


Costas环又称为同相正交环，是一种最常用的锁相环。接收到的卫星定位信号分别与本地产生的两个载波进行

同相、正交相乘，经过低通滤波器滤除高频部分后二次相乘，与上述的锁相环类似经过环路滤波的作为输入信号控制压控振荡器的输出，直至压控振荡器的输入控制信号电压为零，使压控振荡器的输出信号与卫星定位信号同步，达到锁定状态。Costas环可以同时完成载波相位提取和解调出基带信号两种功能，是直接序列扩频通信系统中常用的载波相位捕获、跟踪方法。结合两个低通滤波器的输出信号和压控振荡器的输出信号频率，可以解算出卫星定位信号的载波相位θi

(2)

其中，θO和fO分别为压控振荡器输出信号的载波相位和载波频率，TS为锁相环的采样时间间隔。

2.3 自动频率控制(AFC)载波相位提取

常用的一阶环路滤波器的捕获带宽可以设计得很宽，捕获时间较短，但载波相位跟踪性能和滤波性能较差;而二阶环路滤波器的载波相位跟踪性能和滤波性能较好，但捕获带宽较窄，捕获时间较长。自动频率控制(Automatic Frequency Control，AFC)载波相位提取技术通过自动快速调节接收机本振信号，在系统刚开始工作、初始频偏较大的时候，以较大调整速度在尽量少的时间内把较大的初始频偏减小;当频偏减小到一定范围内以后改变策略，减小调整速度但是提高调整精度，达到稳定、高精度跟踪的目的。

以如图1所示的BEIDOU-1卫星接收机的载波同步电路为例[7]，虚线部分的载波跟踪解调环是一个同相正交锁相环，主要完成载波提取和解调出基带信号的功能;整个电路是一个大的闭合环路，实现一个大环自动调整本地压控振荡器的过程。同相正交锁相环的鉴相结果累加滤波平滑处理后作为大环调整本地压控振荡器频率的

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