徐亞明，劉志鋒，張　鵬，孫福余

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理

信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430079)

?

USRP平臺(tái)下GPS軟件接收機(jī)高精度定位的實(shí)現(xiàn)

徐亞明1,2，劉志鋒1，張鵬1,2，孫福余1,2

(1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 精密工程與工業(yè)測(cè)量國(guó)家測(cè)繪地理

信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430079)

The Implement of High Precision Software Receiver Based on USRP

XU Yaming,LIU Zhifeng,ZHANG Peng,SUN Fuyu

摘要：首先介紹了采用軟件無(wú)線電外設(shè)USRP(universal software radio peripheral)實(shí)現(xiàn)軟件接收機(jī)的過(guò)程，然后介紹了采用軟件接收機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度定位的過(guò)程，輸出了RINEX格式導(dǎo)航電文和觀測(cè)文件，并詳細(xì)介紹了利用開(kāi)源軟件RTKLIB進(jìn)行最終定位的解算細(xì)節(jié)，經(jīng)過(guò)與距離400 m左右的IGS站進(jìn)行基線解算分析，該軟件接收機(jī)能夠達(dá)到厘米級(jí)別的定位精度，均方根誤差在1 cm左右。

關(guān)鍵詞：軟件接收機(jī)；USRP；RTKLIB；定位

傳統(tǒng)的商用接收機(jī)大多采用專(zhuān)用集成電路技術(shù)(application specific integrated circuit,ASIC)，計(jì)算能力強(qiáng)、效率高、專(zhuān)一性好，但是無(wú)法進(jìn)行算法的升級(jí)，不能對(duì)其進(jìn)行修改和定制，不具備可擴(kuò)展性，產(chǎn)品更新?lián)Q代的時(shí)間也較長(zhǎng)。而軟件接收機(jī)利用了軟件無(wú)線電的思想，其優(yōu)點(diǎn)是可以方便、簡(jiǎn)單、快速地適應(yīng)新的頻率制式，也可以適應(yīng)多路徑、GNSS反射等一些特殊的科學(xué)研究需要，而且可以方便地植入智能手機(jī)，與慣性設(shè)備進(jìn)行深組合等[1]。軟件接收機(jī)核心思想是將數(shù)字信號(hào)處理模塊中信號(hào)捕獲、信號(hào)跟蹤等核心模塊全部通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。衛(wèi)星信號(hào)首先由射頻前端模塊進(jìn)行預(yù)處理，完成下變頻并進(jìn)行數(shù)字化，之后所有的工作都由運(yùn)行在通用處理器上的軟件接收機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

目前，基于軟件接收機(jī)的研究主要集中在導(dǎo)航領(lǐng)域，定位精度有限，在高精度定位領(lǐng)域的研究還很欠缺。本文從捕獲、碼環(huán)路、載波環(huán)路、本地載波頻率漂移量等方面的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)講述了載波相位測(cè)量值的輸出原理，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于USRP的實(shí)時(shí)單頻軟件接收機(jī)短基線能夠達(dá)到厘米級(jí)別的定位精度，東西、南北、高程3個(gè)方向的均方根誤差能夠維持在1 cm左右，接近高精度的商用接收機(jī)的定位精度。

一、基本模塊分析與實(shí)現(xiàn)

1. 射頻前端模塊

本文利用USRP1作為試驗(yàn)平臺(tái)中的射頻前端，USRP1源于Ettus實(shí)驗(yàn)室，它借助開(kāi)源軟件GNURadio通過(guò)USB2.0連接到電腦，其傳輸速度最大為480 Mbps，可以滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。USRP由母板、子板組成，母板包括一個(gè)FPGA、兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以在母板上插入覆蓋不同頻率范圍的子板。不同的子板可以覆蓋從0～2.9 GHz的頻率，本文選擇了DBSRX子板，它可以處理的頻率范圍從800 MHz～2.4 GHz，基本上可以處理GNSS系統(tǒng)所有的信號(hào)頻段。

本文中，DBSRX的主要功能是將處于L1頻段的GPS信號(hào)通過(guò)混頻操作將射頻信號(hào)下變頻到中頻頻段，便于主板上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。而母板的主要功能是將處于中頻的模擬信號(hào)通過(guò)ADC變換為數(shù)字信號(hào)，如圖1所示，并將得到的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳遞給軟件接收機(jī)，軟件接收機(jī)通過(guò)GNURadio先設(shè)置子板的混頻頻率、數(shù)據(jù)抽取率等待信息，把數(shù)字中頻信號(hào)讀進(jìn)內(nèi)存進(jìn)行下一步捕獲、跟蹤處理或保存到硬盤(pán)進(jìn)行離線分析。

圖1　射頻前端模塊示意圖

2. 數(shù)據(jù)處理模塊

軟件接收機(jī)中的軟件處理模塊主要包括3部分：捕獲、跟蹤和定位[2]。詳細(xì)過(guò)程如圖2所示。

圖2　軟件處理模塊示意圖

捕獲過(guò)程得到衛(wèi)星號(hào)、偽隨機(jī)碼相位和中頻信號(hào)頻率的初始值，然后程序進(jìn)入跟蹤模塊，跟蹤模塊由碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)共同組成。如圖3所示，其中碼跟蹤環(huán)由延遲鎖定環(huán)路(delay lock loop，DLL)實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)是跟蹤并剝離偽隨機(jī)碼；而載波跟蹤環(huán)一般由鎖相環(huán)(phase-locked loop,PLL)完成，目標(biāo)是完全剝離載波信號(hào)[3]。

在GPS軟件接收機(jī)的捕獲和跟蹤過(guò)程中，本地碼產(chǎn)生、載波產(chǎn)生、相關(guān)積分這3個(gè)部分耗時(shí)最多[4]，本地微調(diào)生成載波最為耗時(shí)，所用時(shí)間占整個(gè)信號(hào)跟蹤處理時(shí)間的近一半。因此本文在捕獲過(guò)程中，基于FFT算法，利用了預(yù)存查表的技術(shù)，本地先生成各個(gè)衛(wèi)星的偽隨機(jī)噪聲碼(PRN碼)并對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，保存為一個(gè)單獨(dú)的文件，這樣在捕獲過(guò)程中可以直接通過(guò)指針來(lái)獲得任意一顆衛(wèi)星的PRN碼，提高了軟件接收機(jī)捕獲過(guò)程的處理速度和實(shí)時(shí)性。在實(shí)現(xiàn)載波跟蹤環(huán)的過(guò)程中，同樣利用了預(yù)存查表技術(shù)，先生成了頻率間隔為10 Hz的載波，這樣在進(jìn)行載波剝離時(shí)可以直接與預(yù)先生成的載波相乘，有效地提高了跟蹤衛(wèi)星的速度，滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)軟件接收機(jī)的要求。

圖3　載波跟蹤環(huán)信號(hào)處理流程

3. 載波相位測(cè)量值的生成

軟件接收機(jī)中，輸入鎖相環(huán)的中頻信號(hào)和本地復(fù)制載波信號(hào)都是離散的數(shù)字信號(hào)，鎖相環(huán)的工作也完全由軟件實(shí)現(xiàn)。因此鎖相環(huán)的頻率更新不再是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，而是有一個(gè)更新周期T。在本文中，由于中頻數(shù)據(jù)是以1 ms為整體進(jìn)行處理的，故跟蹤環(huán)路的更新周期為1 ms。在剛進(jìn)入跟蹤環(huán)路時(shí)，利用鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)，鎖相環(huán)在鎖頻環(huán)的跟蹤頻率的基礎(chǔ)上鎖定載波相位[5]，采用載波環(huán)輔助碼環(huán)的策略，降低了碼環(huán)的噪聲帶寬，減小碼環(huán)的誤差。跟蹤環(huán)路穩(wěn)定后，每1 ms進(jìn)行載波跟蹤和碼跟蹤，每毫秒載波環(huán)都會(huì)計(jì)算在該周期內(nèi)中頻信號(hào)和本地復(fù)制載波的相位差異，并以此反饋給下一毫秒更新本地載波生成器的輸出頻率。

由于整周模糊度N的存在，因此在軟件接收機(jī)部分無(wú)法得到準(zhǔn)確的載波相位值，但是在后處理中可以通過(guò)一些算法進(jìn)行求解。重點(diǎn)是測(cè)量不同時(shí)刻的載波相位測(cè)量值的差值，只要保證測(cè)得的相位小數(shù)部分的精確且沒(méi)有太多周跳，就可以在后處理中得到高精度的定位值。由于衛(wèi)星和接收機(jī)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)在它們連線方向的投影改變接收信號(hào)的頻率，產(chǎn)生多普勒頻移fD(t)。根據(jù)頻率和相位的內(nèi)在關(guān)系，對(duì)fD(t)積分會(huì)得到該時(shí)間段內(nèi)的載波相位測(cè)量值的變化量Δφ，簡(jiǎn)稱(chēng)積分多普勒[6]，即

(1)

(2)

如果算得初始?xì)v元t1的載波相位測(cè)量值Φ1，那么t2時(shí)刻的載波相位測(cè)量值Φ2可以由以下公式得到

(3)

二、試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集時(shí)間是2014年7月25日，地點(diǎn)在某大學(xué)樓頂平臺(tái)。試驗(yàn)中用到的天線是高精度的增益為29 dB的Novatel GPS-702GG有源天線，該天線采用強(qiáng)制對(duì)中的方式固定在觀測(cè)墩上，如圖4所示，此點(diǎn)為要計(jì)算的未知點(diǎn)。天線直接連接到USRP的射頻輸入端，USRP通過(guò)USB2.0接口連接到筆記本電腦，所有的基帶數(shù)字信號(hào)處理由運(yùn)行在筆記本電腦上的軟件按接收機(jī)程序完成，實(shí)時(shí)輸出測(cè)量結(jié)果并存儲(chǔ)為RINEX文件，如圖5所示。值得注意的是本文輸出RINEX觀測(cè)數(shù)據(jù)的頻率是1 Hz，因此下文中所用的基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)也是1 Hz的高頻數(shù)據(jù)。

圖4　天線位置示意圖

圖5　軟件接收機(jī)

測(cè)試時(shí)間為UTC時(shí)間7：10—7：53。為了評(píng)估軟件接收機(jī)定位精度，本文選擇與待測(cè)點(diǎn)距離約400 m左右的IGS跟蹤站W(wǎng)UHN站作為參考站進(jìn)行單基線解算，以WUHN站為基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站坐標(biāo)從IGS發(fā)布的數(shù)據(jù)獲得，可以認(rèn)為基準(zhǔn)站坐標(biāo)是幾乎沒(méi)有誤差的，因?yàn)槠鹚泓c(diǎn)精度對(duì)短基線精度影響可以忽略不計(jì)[8]。該站點(diǎn)采用的是Trimble公司的NETR9型號(hào)接收機(jī)，天線為T(mén)RM59900有源高精度天線。

通常，長(zhǎng)時(shí)間的靜態(tài)定位結(jié)果可以獲得更好的定位精度，但不能很好地體現(xiàn)出接收機(jī)定位誤差的變化情況，因此筆者選擇輸出動(dòng)態(tài)的雙差定位結(jié)果，可以逐歷元地輸出待測(cè)點(diǎn)在3個(gè)方向上的點(diǎn)位偏差。本次試驗(yàn)選擇開(kāi)源軟件RTKLIB作為解算軟件，它能夠逐歷元地輸出定位結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)近似的動(dòng)態(tài)解，這是其他解算軟件無(wú)法做到的。RTKLIB解單基線是基于雙差觀測(cè)值，采用LAMBDA法搜索整周模糊度，解算界面如圖6所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，待測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)站處均能檢測(cè)到8～10顆衛(wèi)星，衛(wèi)星可見(jiàn)圖如圖7所示。為了更直觀地比較定位結(jié)果，選擇均方根誤差(RMS)作為衡量定位結(jié)果的依據(jù)，定位結(jié)果如圖8所示，可以看出東西方向的均方根誤差為1.04 cm，南北方向均方根誤差為0.28 cm，高程方向的均方根誤差為0.81 cm?？梢钥闯龃怪狈较虻木纫陀谒椒较虻木龋捎诰仍u(píng)定是建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上的，由于這里觀測(cè)時(shí)間有限，因此分析結(jié)果帶有一定的隨機(jī)性或偶然性[9]。而東西方向的精度要略差于南北方向的精度，是由基線的幾何位置位置決定的，從試驗(yàn)結(jié)果可以看到基線基本上就是南北走向的，從幾何條件上知道南北方向的基線精度必然高于東西方向的精度。由于本研究主要是針對(duì)單頻軟件接收機(jī)，另外由于本試驗(yàn)在選擇天線類(lèi)型時(shí)沒(méi)顧及天線的型號(hào)，并沒(méi)有天線相位中心偏差和天線相位中心變化進(jìn)行改正，此項(xiàng)可能對(duì)基線解算結(jié)果有一定影響[10]。由于單頻接收機(jī)容易受電離層、對(duì)流層誤差、多路徑等因素的影響，因此模糊度難以固定，如果讀者想了解單頻接收機(jī)模糊度方法，可以參考文獻(xiàn)[11]。將解算結(jié)果轉(zhuǎn)換為KML文件導(dǎo)入到谷歌地球，如圖9所示。可以看出求得的待測(cè)點(diǎn)位置就是放置軟件接收機(jī)天線的位置。

圖6　RTKLIB解算界面

圖7　觀測(cè)時(shí)段的衛(wèi)星可見(jiàn)圖

三、結(jié)束語(yǔ)

目前，軟件接收機(jī)在導(dǎo)航領(lǐng)域已經(jīng)得到了較廣泛的應(yīng)用，但對(duì)實(shí)時(shí)軟件接收機(jī)高精度定位領(lǐng)域的研究還沒(méi)有廣泛展開(kāi)，有學(xué)者基于Matlab軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了高精度定位和測(cè)速[12]。本文研究了用于高精度定位領(lǐng)域的軟件接收機(jī)的載體相位觀測(cè)值的生成，實(shí)現(xiàn)了高精度的定位，并對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行了分析。接下來(lái)會(huì)繼續(xù)研究提高軟件接收機(jī)的定位精度的方法，并針對(duì)其在滑波監(jiān)測(cè)、多路徑減弱、室內(nèi)高精度定位等領(lǐng)域的應(yīng)用作更加深入的研究。

圖8　雙差逐歷元解點(diǎn)位偏差

圖9　定位結(jié)果示意圖

參考文獻(xiàn)：

[1]PANY T, FALK N, RIEDL B, et al. Software GNSS Receiver[J]. GPS World, 2012, 23(9): 60-66.

[2]GPS 原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2009: 266-267.

[3]張鵬,孫福余,徐亞明,等. 基于USRP平臺(tái)的GPS軟件接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 測(cè)繪通報(bào),2012(11):55-58，80.

[4]劉銀鋒, 陳小惠, 楊鳳偉. 基于預(yù)存查表的 GPS 軟件接收機(jī)的載波產(chǎn)生方法[J]. 艦船電子工程, 2011, 31(3): 78-80.

[5]王俊, 李加琪, 吳嗣亮. 鎖頻環(huán)輔助下鎖相環(huán)的跟蹤誤差分析[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(7): 838-843.

[6]KAPLAN E, HEGARTY C. Understanding GPS: Principles and Applications[M]. [S.l.]: Artech House, 2005:162-163.

[7]孫福余,張鵬,徐亞明,等. 載波相位測(cè)量原理及在GPS軟件接收機(jī)上的實(shí)現(xiàn)[J]. 測(cè)繪通報(bào),2014(4):70-73.

[8]梁洪寶,吳向陽(yáng). 起算點(diǎn)坐標(biāo)偏差對(duì)GPS基線解的影響分析研究[J]. 測(cè)繪科學(xué),2009，34(S2):33-34,32.

[9]黃聲享, 劉經(jīng)南. 利用長(zhǎng)期觀測(cè)資料評(píng)價(jià) GPS 短基線的定位精度[J]. 測(cè)繪工程, 2001, 10(2): 41-44.

[10]劉寧, 熊永良, 馮威, 等. 單頻 GPS 動(dòng)態(tài)定位中整周模糊度的一種快速解算方法[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2013, 42(2): 211-217.

[11]郭際明,史俊波,汪偉. 天線相位中心偏移和變化對(duì)高精度GPS數(shù)據(jù)處理的影響[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2007,32(12):1143-1146.

[12]孫希延, 紀(jì)元法, 施滸立, 等. GPS 軟件接收機(jī)高精度定位和測(cè)速的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版), 2008, 32(4): 623-626.

中圖分類(lèi)號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0008-04

作者簡(jiǎn)介：徐亞明(1964—)，男，教授，研究方向?yàn)榫芄こ虦y(cè)量。E-mail：ymxu@sgg.whu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金 (41374011;41474005)；湖北省自然科學(xué)基金 (2014CFB717)

收稿日期：2015-01-30； 修回日期： 2015-12-02

引文格式： 徐亞明，劉志鋒，張鵬,等. USRP平臺(tái)下GPS軟件接收機(jī)高精度定位的實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(2)：8-11.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0038.