摘 要
本文介绍了一种GPS/BDS双系统高精度接收机的实现方法。首先介绍了设计高精度接收机时需要考虑的低功耗技术、通道一致性技术、抗多径技术、高精度载波相位提取技术及解决途径，接着给出了高精度接收机的基本组成和工作原理。对所设计的接收机进行实际测试，测试结果表明接收机的观测数据可直接用于高精度数据处理。此设计为研制多系统高精度接收机提供了一种实现途径。【关键词】GPS BDS 双系统 高精度
1 引言
基于卫星导航系统的高精度测量在国民经济建设中占有重要位置，是国民经济信息化建设的重要组成部分和推动力量，是直接关系到国家安全、经济发展的关键性技术平台，成为体现国家综合实力的重要标志。在航空、航天、航海、交通运输、农业、测量等多个领域，都得到了广泛的应用。
随着我国北斗卫星区域导航系统的正式运行，具有兼容北斗导航系统的接收机已经成为高精度卫星导航定位专业应用领域的一个发展趋势。多个频率多个卫星导航系统组合导航定位，能够在作业环境较差的区域，提供稳定、可靠的定位结果，扩展作业范围。
鉴于高精度卫星导航定位的应用需求，对GPS/BDS双系统高精度接收机进行研究，突破其关键技术具有十分重要的意义。本文详细介绍了一种双系统高精度接收机的设计方法，在接收机稳定工作的前提下，通过使用通道一致性、抗多径等算法提高了数据质量，使得到观测数据可用于高精度解算。
2 高精度接收机关键技术
2.1 低功耗技术
高精度接收机经常应用于户外环境，低功耗意味着更好的续航能力，因此，高精度接收机需要尽可能的降低功耗。GPS/BDS双系统高精度接收机功耗主要集中在射频单元和基带单元两部分。其中，射频部分完成5个频点（L1/L2/B1/B2/B3）的变频处理，基带部分完成BDS和GPS信号的接收和实时定位解算。
2.1.1 射频单元低功耗设计
多系统高精度接收机射频前端接收的信号非常微弱，要求接收机射频前端具有高的接收灵敏度。另外，为了提供给基带部分足够的信噪比，还要求接收机射频前端具有极低的本振噪声，以免邻近的本振噪声转换到接收机信道带宽内。为了降低功耗和尺寸，我们选用MAX2769射频芯片来构建接收机射频前端。MAX2769是美信公司推出的一款针对于GNSS接收机的射频芯片，它具备很高的集成度和灵活性，可以根据用户的需要配置输出中频频率、中频带宽，低噪放增益、ADC采样频率和量化位数等。
2.1.2 基带单元低功耗设计
基带单元采用高集成度低功耗器件，另外在算法设计上进行优化，尽量降低工作时钟频率，各个模块根据情况可以配置为工作模式或休眠模式。电源部分尽量提高自身各DC/DC单元的转化效率。
2.2 通道一致性技术
接收通道的时延一致性对于高精度测量的精确性有很大的影响。由于接收机一般都是多个通道同时接收导航信号，因此可能存在多个接收通道时延不一致性的情况。
2.2.1 单频点的多通道时延一致性
单频点的接收由于共用一条射频通道，使得射频通道对所有卫星信号的时延影响是相同的。单频点的通道时延与基带部分通道程序设计有关，为了达到良好的通道一致性，主要采用以下方法：
（1）采用全局复位信号。各个信号处理通道采用统一的全局复位信号，保证各个通道基于同一时间同时启动工作。
（2）使用全局时钟及PLL锁相环。FPGA内部使用全局高频时钟，在FPGA布局布线时，优先对全局高频时钟进行布线，保证到达各FPGA模块的时钟零时延。并且在对同步性有要求的处理中，采用同步时钟使能方案，全部使用同步时序电路。此外还采用了PLL锁相环技术，有效地避免了全局高频时钟的抖动，从而达到了与时钟的同步一致性。
（3）模块化设计。每个通道采用相同的模块组成，尽量使每个通道的内部结构一致，处理时间和结果也一致，从而满足系统各通道间的同步一致性。
（4）采用统一的时基标准提取各通道寄存器信息。综上所述，对于单频点的接收，虽然内置了多个独立通道，但是通过对信号处理模块的合理设计，可以保证各通道处理时延的一致性，从而满足高精度导航定位的要求。
2.2.2 多频点之间的时延一致性
由于GPS L1/L2，BD B1/B2/B3各个频点之间采用独立的射频通道和接收单元，所以多频点之间的通道时延很有可能存在不一致性。在所设计的接收机中包含通道时延校正模块，通过事先接收多系统模拟器的固定伪据场景信号来自动对各个频点之间的时延进行标定与修正，使各个频点的时延达到一致。
2.3 抗多径技术
无论是伪距测量还是载波相位测量，多径信号会使相关函数发生变形，影响高精度接收机的正确测量。多径信号直接影响用户机的伪码测距、载波相位和多普勒等观测数据的测量精度，导致观测数据质量降低，在最坏的情况下，多路径信号甚至会导致接收机跟踪环路失锁。另外，多路径是接收机特别是差分接收机的主要误差源，因此，高精度接收机一定要有多径抑制措施。
多径消除技术可以分为两类，一类是接收机外部因素，即环境，另一类是接收机处理技术。接收机处理技术主要从两个方面着手：
（1）抗多径天线，通过有效设计天线提高仰角增益，降低低仰角增益；
（2）基带信号处理，对多径误差造成的畸变相关峰进行适当修正或尽可能减少相关峰的畸变。这些技术主要包括窄相关技术、PAC技术等。
2.4 高精度载波相位提取方法
高精度载波相位提取是高精度应用的核心。高精度的载波相位获取是以锁相环（PLL）或是科斯塔斯环（Costas）路滤波为基础的，它是信号误差修正的闭合系统。为了提高载波相位的精度和稳定性，需要对环路的带宽、积分时间、观测值的锁存处理等进行深入分析。
2.4.1 基准振荡器的要求
理论上讲，载波跟踪环滤波器的噪声带宽要足够小，才能稳定到载波跟踪工作模式，但是由于接收机动态特性和导航信号受内外噪声的影响，环路的噪声带宽要有一定的宽度，利用环路滤波器能够降低信号噪声，以便在其输出端对输入的载波信号进行精确的估计。
环路滤波器的噪声带宽取决于环路的外部和内部的噪声影响，包括与信号一起输入的热噪声和相位噪声，以及外界的杂波干扰。内部噪声包括接收机部件产生的热噪声和基准振荡器的相位噪声，其中基准振荡器的相位噪声是主要的噪声源。在高精度的导航应用中，基准振荡器信号频率不稳定即相位噪声太高，会影响环路的稳定跟踪，导致载波相位精度的降低。在用窄带跟踪的条件下，基准振荡器的阿仑偏差的影响开始占据主要地位，通常要求基准振荡器的稳定度在10Hz PLL跟踪下的跟踪误差不会超过0.1rad。对没有辅助的接收机来说，用很差阿仑偏差特性的基准振荡器会妨碍可靠的PLL闭环工作，因此对接收机设计来说，基准信号的频率稳定度必须满足阿仑偏差的规范。
2.4.2 环路滤波参数的要求
对于高精度接收机而言，载波相位测量值的精度要求较高。为了提高载波相位精度，就需要尽量减小PLL热噪声抖动。减小PLL热噪声的方法有多种，如载噪比的增加会使环路抖动显著下降，减小噪声带宽也会使环路抖动显著的下降，延长积分时间也可以减小环路抖动，但是影响较小。
在实际应用中，信号强度是无法改变的事实，这主要由卫星发射功率、接收机位置等决定，可提高的空间非常有限。那么提高精度只能从以下两个方面着手：减小带宽和增加积分时间。
减小带宽，可以采用逐级缩小环路带宽的办法实现载波相位的高精度。在逐级收敛的过程中，需要判断接收机的动态情况，在动态大的时候放宽环路，动态小的时候缩窄环路，这样就非常有效的控制PLL环路噪声，从而提高了载波相位精度。
增加积分时间的实现方法如图1所示。当捕获到卫星信号且收齐了卫星历书之后，在1-2个小时内，接收机可以推算出后续的基带调制数据信息，用这些数据辅助载波环，那么载波环就可以克服数据调制的影响，退化成纯PLL，这样可以增大积分时间T，从而减小平方损耗，并且纯PLL载波环可以使信号跟踪门限改善多达6dB。
从两种方法来看，缩窄环路带宽的方法是一种短期手段，而增长积分时间是一种长时间的策略。前者需要时时准确地评估接收机的动态（速度、加速度），后者需要存储很长时间的电文信息来去掉数据调制。前者对接收机的数据处理精度提出了要求，后者对接收机的灵敏度和存储空间提出了要求。从实际应用上来看，减小环路带宽是可行的，而长时间电文存储方法对接收机的存储空间和策略控制提出了较高要求，距离实际应用还有一段距离。
3 GPS/BDS双系统接收机设计及测试
3.1 接收机架构设计
GPS/BDS双系统接收机的原理框图如图2所示。
GPS/BDS双系统高精度接收机主要由射频单元、基带单元组成。具体来说，射频单元完成各频点导航信号的下变频处理，基带单元主要完成GPS-L1/L2P以及BDS-B1/B2/B3导航信号的捕获、跟踪、导航电文解调、伪距和载波相位测量以及定位解算等任务。
3.2 接收机实际测试
实际对天测试接收机性能过程中，为了简便评估基线测量精度，采用同一个天线功分两路信号的方法对两台接收机进行测试，测试连接图如图3所示。
利用改进的高精度处理软件RTKLIB对两台接收机的观测数据进行解算，评估结果如图4所示。由图中可以看出，GPS+BDS的基线解算全时段均能固定，基线测量精度E、N方向为亚毫米级，U方向为毫米级，这说明所设计的接收机观测数据质量较高，可以应用于高精度测量。
4 结术语
本文提出了一种GPS/BDS双系统高精度接收机的实现途径，文章重点关注高精度接收机开发过程中需要考虑的一些关键技术，同时对于这些技术点也给出了解决思路。对天实际测试证明了开发的接收机观测数据可以用于高精度测量领域，这为开发不同类型的高精度接收机提供了一定的借鉴意义。
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