卫星定位信号载波相位测量技术

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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

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：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依据，按合理的步进值逐步调整压控振荡器输出信号频率，直至进入锁定状态。当卫星定位信号锁定成功后，结合同相正交锁相环的鉴相结果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。

3 基于载波相位测量的定位算法

由于载波相位测量无法直接测定卫星定位信号在传播过程中相位变化的周期数，基于载波相位测量定位算法的关键问题是载波相位模糊度的有效确定，一般可以通过添加冗余约束条件或观测值相减来解决[6]。

在工程应用中，通常使用观测值相减，即载波相位差分技术（Real Time Kinematic，RTK）对两个或多个测量站的载波相位观测值进行实时处理，设定某一测量站为基准站并将其载波相位观测值和坐标信息传输给其他站点，其他测量站点将各自接收到的定位信号载波相位测量值与基准站的信息组成差分观测值，解算各自的位置坐标信息。

根据基准站传送载波相位信息的不同，载波相位差分技术可以分为修正法和差分法两种。修正法将基准站的载波相位修正值传输给其他用户站点，以修正其载波相位并解算各自的位置坐标信息，也成为准RTK技术；差分法则直接将基准站接收的载波相位发送给其他用户站点，并与用户站点接收的定位信号载波下各位求差，求解各自的位置坐标信息。

载波相位测量值可以在卫星间求差、在接收机间求差、也可以在不同历元间求差。将观测值直接相减的过程叫做求一次差，所获得的结果被当做虚拟观测值，称作载波相位观测量的一次差或单差；载波相位测量的一次差还可以继续求差，所获得的结果仍可以被当做虚拟观测值，称作载波相位观测量的二次差或双差，可以在接收机与卫星、接收机与观测历元或卫星与观测历元间求二次差；二次差继续求差，所得结果称作三次差，其结果与求差顺序无关，但只能在接收机、卫星和观测历元间求三次差。

1）接收机间一次差

在同一时刻不同接收机获得的同一颗卫星的载波相位测量值直接相减，可以消除卫星时钟相对于GPS的钟差，并显著提高接收机间的相对位置精度，而且当接收机位置较近时还可以大大减弱大气平流层和对流层对定位信号的时延以及卫星星历间的误差。在接收机间的一次求差也可以称作站际单差，对应的两颗卫星间的求差运算可以称作星际单差，不同观测历元间的求差运算称作历元单差。

2） 接收机和卫星间二次差

二次差又称作星站二次差分，能够有效消除卫星时钟钟差和星历误差，而且可以消除接收机的时钟钟差，可以显著提高定位的精度。在实际工程应用中，通常选择接收机视场内可观测时间较长、高度角较大的卫星作为基准星，然后将针对其余各卫星的接收机单差方程与基准星单差方程观测相减，组成双差观测方程。

3） 接收机、卫星和观测历元间三次差

引入三次差的目的是为了解决载波相位整周数未知的问题，一方面减小了差值计算中未知量的数目，同时也消除或消弱了卫星时钟钟差、接收机时钟钟差、大气时延误差等一些因素的影响，提高了定位的精度。

载波相位差分技术在基于载波相位测量值的卫星定位算法中以其定位精度高等众多优势得到了广泛的应用，但该技术仍然存在着一定的局限性。如：1）数据的利用率较低，一些好的观测值会因为与之配对相减的数据出了问而无法使用，求差的次数越多，数据的利用率越低；2）解的通用性差，由于一些与用户无直接关联的参数在求差过程中已经被当作多余参数消去，其扩展性较差。但这些问题和缺陷已经引起了众多科研工作人员和生产厂商的关注和重视，各种新的改进方法和器件正在不断地被研究和开发出来，相信这些问题和缺陷会被很快地解决和弥补。

4 总结

卫星定位系统具有定位精确度高、授时精准度好，覆盖范围广等众多优点，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。该文以GPS定位系统为例，详细介绍了卫星信号的载波相位的含义及锁相环、Costas环和自动频率控制（AFC）载波相位提取测量技术，并针对载波相位测量技术周期数模糊问题，分析说明了一次差分、二次差分和三次差分的载波相位差分技术。

参考文献：

[1] 何在民.卫星导航信号码跟踪精度研究[D].中国科学院国家授时中心，2012.

[2] 郑奎.卫星定位接收机同步技术研究[D]，.中国科学院国家授时中心，2010.

[3] 韩华.卫星导航系统中的高精度时间同步误差分析与仿真[D].燕山大学，2012.

[4] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009.