GPS L5接收机的设计与实现

马英昌，谢 松

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;2.河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，河北石家庄050081)

0 引言

在GPS现代化进程中，Block-IIF卫星将逐步发射并提供服务(截止到2013年4月10日，有3颗Block-IIF卫星在运行)，它通过在L2和L5频点增发民用信号使用户能接收更多卫星来提高定位精度，有利于进行电离层传播误差修正［1］。其中，L5频点信号是一个伪码速率为10.23 MHz的QPSK调制信号，中心频率为1 176.45 MHz。它与Galileo信号类似，由同相的数据支路和正交的导频支路组成［2］。

由于GPS L5播发信号的伪码速率为10.23 MHz，因此它能提供更好的测距性能进而提高定位精度，同时，GPS L5信号播发频率为1 176.45 MHz，这与Galileo E5a信号中心频率重合，因此未来可以实现与Galileo E5a信号的互操作。综上所述，研究GPS L5接收机对于探索未来接收机的发展具有一定意义。

1 信号体制

GPS L5信号由2个正交分量组成，其中一个支路调制有导航电文，另一个支路无导航数据调制。对于GPS L5信号，信号生成公式如下［3］:

式中，fL5=1 176.45 MHz，DI5(t)为导航数据，gI(t)、gQ(t)分别为同相支路和正交支路的伪随机码，hI(t)和 hQ(t)为Neumann-Hoffman(N-H)码。其中，hI(t)码周期为10个基码(0000110101)，每个码片持续时间为1 ms，hI(t)和gI(t)相乘使得同相码的长度扩展到102 300，周期为10 ms。hQ(t)周期为20个基码(00000100110101001110)，每个码片持续时间为1 ms，因此正交码的长度从10 230码片扩展到204 600码片，hQ(t)gQ(t)周期为20 ms。

从式(1)可以看出，L5信号的同向分量由导航数据DL5(t)和扩展码hI(t)gI(t)调制，正交分量由hQ(t)gQ(t)来调制。同相分量和正交分量中伪码速率都为10.23 M，伪码速率相对于L1的10倍增长将为测距和抑制多径效应带来好处。新的L5码比L1 C/A码长，gI(t)和gQ(t)长度均为10 230个码片，周期为1 ms，这使得他们的自相关和互相关旁瓣比C/A码的旁瓣要低10 dB左右。

2 接收机结构设计

2.1 总体设计思路

接收机所要实现的最终目的是求解出用户的位置和速度，利用伪距(多普勒)和卫星的位置(速度)，使用最小二乘即可得到用户的位置(速度)。在接收机设计中，包括信号处理和信息处理2个部分。信号处理主要完成通道、捕获、相关和跟踪等操作，信息处理主要完成定位解算。为了使得接收机更加方便接收多种信号，可以通过参数选择的方式实现不同形式信号的选择［4］。

接收机的工作流程框图如图1所示。下变频模块完成对射频信号的变频，本设计中变频器的输出频率为126.45 MHz。基带模块完成信号处理(二次变频、捕获以及跟踪等)、定位解算以及对外接口，基带板卡架构为FPGA+DSP。接收机最后得到观测量、用户的位置和速度等信息通过PCI接口上传到上位机，由上位机界面进行显示。

图1 接收机工作流程图

2.2 信号捕获设计

捕获阶段要去检测2个重要参数:伪码的起始位置和载波频率［5］。接收机天线接收的信号中包含多个卫星信号，不同卫星由于和接收机的距离和相对速度不同，因此具有不同的伪码起始位置和不同的多普勒频率。针对某个特定的卫星信号，捕获过程就是找到此卫星对应伪码的码相位和载波多普勒频率，于是通过FFT操作可以得到载波频率。也就是说，捕获过程就是要获得输入信号的伪码的起始码相位和载波频率，然后将其传递给跟踪过程［6］。

常见的捕获算法包括:串行搜索法和频域FFT法。串行搜索法先进行伪码相位搜索，再进行多普勒频移搜索。串行搜索技术原理简单且易于实现但是捕获时间很长。文中采用频域FFT法进行信号的捕获，这种方法对频率不是采用串行搜索，而是采用FFT并行搜索，运算一次即可得到最大相关值对应的频率，大大节省了捕获时间［6］。

2.3 跟踪算法设计

由于GPS L5信号为QPSK调制方式，其分为数据支路和导频支路，数据支路调制有导航电文，导频支路无数据调制。因为导频支路没有了数据翻转，对导频支路信号的跟踪可以采用纯锁相环，这样相比Costas环可以提高6 dB的跟踪门限值。同时，无数据跳变影响的导频支路也为长时间的相干积分提供了方便，有利于提高接收机的跟踪灵敏度，因此，L5信号的跟踪是对导频支路进行处理的。接收机跟踪环路结构如图2所示。

图2 接收机跟踪环结构

码跟踪环采用载波环辅助DLL(延迟锁定环)，这样有利于提高伪距精度。接收机将剥离载波的输入信号与本地超前、即时和滞后码相关，根据码鉴相器和环路滤波结果调整本地伪码频率。载波环路使用(FLL)和锁相环(PLL)进行载波跟踪。

2.4 译码过程

当信号达到稳定跟踪状态之后，GPS接收机通过同步头找到每一个页面并存储。接收机首先对符号解交织，再采用维特比译码算法将符号转换为数据比特，然后对数据比特进行CRC校验，校验正确后方可从导航电文中提取卫星的星历参数［7］。利用得到的星历参数结合发射时间求解卫星位置和速度，根据伪距采用最小二乘即可进行定位解算，最终得到所需定位结果。

GPS L5采用和GPS L2C相同的电文编排方式，电文类型为CNAV。电文数据速率为50 bps，每帧电文长度为300 bit，持续时间6 s。L5电文采用FEC编码形成符号速率为100 sps的数据流，采用编码对于接收机提取电文有5 dB的好处。

3 测距和定位结果

目前空中只有3颗GPS卫星在发射L5信号，接收空间信号还不能全部验证接收机的功能和性能，因此需要采用导航信号模拟源对接收机进行充分测试。测试用模拟源为CGTR-ITE全功能导航信号模拟器，其支持GPS L5信号的产生。测试实验时，连接关系如图3所示。

图3 实验测试环境示意图

测试时导航信号模拟源设定为如下参数:导航信号仿真初始时间为:2007年1月1日，用户的位置为B:30，L:110，H:1000 m，仿真场景为用户静止模式，无电离层、对流层以及星钟误差。GPS接收机正常跟踪时多普勒值如图4所示。

图4 卫星多普勒变化曲线

在求取GPS卫星的具体位置时，注意坐标系的转化，得到符合解算要求的坐标系［8］。电离层与对流层误差可借用相关模型来进行修正［9］。GPS接收机的定位结果误差如图5所示。

图5 接收机定位结果

4 结束语

论述了完整L5接收机的设计过程并对开发的接收机进行了测试，测试结果表明了所设计接收机的正确性。由于开发过程中采用了通用化和模块化的设计思想，所设计的模块(例如捕获模块)可以兼容其他信号的接收，大大提高接收机的设计效率。依据此通用模块稍加修改实现了对GPS/Galileo多个频点信号的接收。同时，应当注意目前市场上少有支持L5定位的接收机，而所开发的接收机支持定位，并可以输出各种原始观测量，可以成为验证GPS L5模拟源正确性的一种重要手段，为研制GPS L5模拟源提供必要支持。另外，目前空中已有3颗卫星在发射L5信号，还不能提供定位服务，随着新的GPS卫星的发射，在以后的工作中会进行实际信号的接收。

［1］ 陈俊勇.美国 GPS现代化概述［J］.测绘通报，2000(8):44-45.

［2］ 李跃.导航与定位-信息化战斗中的北斗星［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［3］ PRATAP M.全球定位系统 信号、测量与性能［M］.罗鸣，译.北京:电子工业出版社，2008.

［4］ 谢松，张楠.基于FPGA的Galileo/GPS接收机设计与实现［C］//第二届中国卫星导航学术年会，2011:909-912.

［5］ BORRE K，AKOS D M，BERTELSEN N，et al.软件定义的GPS和伽利略接收机［M］.杨东凯，张飞舟，张波，译.北京:国防工业出版社，2009.

［6］ KAPLAN E D.GPS原理与应用［M］.寇艳红，译.北京:电子工业出版社，2008:420-425.

［7］ 张倞，寇艳红.GALILEO E1B软件接收机设计实现［J］.无线电工程，2009，39(7):32-35.

［8］李明峰，洪宝红，刘三枝.GPS定位技术及其应用［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［9］张勤.GPS测量原理及应用［M］.北京:科学出版社，2005.