基于MXTOS2-200模塊的開放式高動態(tài)平臺設(shè)計

　　摘要：針對北斗/GPS接收機在高動態(tài)環(huán)境下的重要應(yīng)用，利用某SOC平臺設(shè)計一種開放式高動態(tài)接收機平臺，并對其開放式方法進行研究。首先，進行北斗導(dǎo)航原理介紹及接收機設(shè)計分析;其次進行高動態(tài)平臺構(gòu)建;然后，進行北斗/GPS高動態(tài)關(guān)鍵技術(shù)及可配置開放式方法研究，并提出下一步研究重點。

　　引言

　　衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是目前使用最為廣泛的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，大量應(yīng)用在民用和軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域，在民用主要是靜態(tài)和低速的場景，然而在軍事領(lǐng)域，尤其是在精密制導(dǎo)導(dǎo)彈中主要是高動態(tài)場景為主。與靜態(tài)和低速環(huán)境下相比，高動態(tài)環(huán)境對接收機可靠接收信號帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，高動態(tài)環(huán)境給接收機接收信號帶來了許多問題。

　　本文主要從高動態(tài)接收機的整體設(shè)計和針對開放式設(shè)計做了設(shè)計和研究，重點研究了高動態(tài)接收機開放式設(shè)計，為高動態(tài)的研究提供一種新的方法和思路。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理

　　衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位原理和過程可以簡述如下：在一個立體直角坐標(biāo)系中，任何一個點的位置都可以通過三個坐標(biāo)數(shù)據(jù)X、Y、Z來確定。如果能測得某未知點與其他三點(A、B、C)的距離，并確知A、B、C三點的坐標(biāo)，就可以建立起一個三元方程組，解出該未知點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而得到該點的確切位置[2]。然而要實現(xiàn)三維定位，在實際中至少需要四顆可見衛(wèi)星，這是由于接收機、衛(wèi)星、GPS時間系統(tǒng)三者之間的實際中不可能實現(xiàn)完全同步，他們之間總存在著一個隨機的誤差。

　　在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為了確定用戶的位置(x,y,z)，需要對多顆衛(wèi)星進行偽距測量。在進行偽距測量時，可以根據(jù)多種方法來獲得偽距測量值。根據(jù)觀測量性質(zhì)的不同，可以分為測碼偽距定位和測相偽距定位，即偽距測量定位和載波相位定位。在實際應(yīng)用中由于載波相位存在模糊周問題，因此主要是應(yīng)用偽距測量來實現(xiàn)定位。假設(shè)衛(wèi)星到接收機的偽距為，天空中衛(wèi)星在ECEF坐標(biāo)系中的坐標(biāo)向量，接收機在ECEF坐標(biāo)系中的坐標(biāo)向量，則可以建立如下的四元方程組：

　　在方程組中是隨機事件誤差，通過用最小二乘法求解的方式可以求出接收機的坐標(biāo)。

　　高動態(tài)接收機面臨的問題

　　高動態(tài)一般定義為定位目標(biāo)具有較高的速度，加速度和加加速度。高動態(tài)環(huán)境使得載波產(chǎn)生較大的多普勒頻移和頻率變化率，如果使用一般的鎖相環(huán)進行載波的鎖定，會導(dǎo)致載波多普勒頻移經(jīng)常超出鎖相環(huán)的鎖定，超出鎖相環(huán)的捕獲帶，無法保證對載波的可靠捕獲和跟蹤，為此必須增加環(huán)路帶寬。但是，帶寬的增加會引入寬帶噪聲，使載波跟蹤環(huán)路失鎖，無法解調(diào)數(shù)據(jù)。另一方面，高動態(tài)環(huán)境下偽碼也會產(chǎn)生動態(tài)延時和頻移，使得接收機的碼跟蹤環(huán)路很難跟蹤上相位地變化，容易失鎖不利于偽距的測量。而且碼相位的偏移會使捕獲的時間變長，這樣一來接收機的導(dǎo)航將變得困難。

　　針對高動態(tài)的這些問題，已提出了一些解決方案：一種是給高動態(tài)接收機提供慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助信息，使接收機的環(huán)路更容易跟蹤上衛(wèi)星信號，接收機得以可靠工作。另一種方案是研究適合高動態(tài)環(huán)境下擴頻信號跟蹤的頻率估計算法，以適應(yīng)各種高動態(tài)環(huán)境下的信號跟蹤。

　　接收機軟硬件設(shè)計

　　在接收機分成兩大部分：模擬射頻前端和數(shù)字基帶處理。其中，模擬射頻前端部分由射頻模塊和A/D模塊兩部分構(gòu)成;數(shù)字基帶由捕獲、跟蹤、PVT解算、卡爾曼濾波等模塊構(gòu)成;具體結(jié)構(gòu)如圖1?！　?/p>

 

　　大體上講，射頻模塊接收衛(wèi)星信號后，將信號轉(zhuǎn)成中頻，經(jīng)過A/D變化為數(shù)字中頻信號，然后基帶部分將完成數(shù)字下變頻、信號預(yù)處理、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)解算等任務(wù)。

　　硬件電路設(shè)計

　　如圖2所示，北斗/GPS開放式高動態(tài)接收機硬件架構(gòu)，射頻前端采用兼容有源天線，單路高頻信號輸入，射頻前端信號處理一體式設(shè)計，兼容GPS的L1頻點和北斗系統(tǒng)的B1頻點，射頻輸出為兩路數(shù)字中頻直連基帶部分。數(shù)字基帶芯片MXT3013是北京微電子技術(shù)研究所自主研發(fā)的一款多模導(dǎo)航SOC芯片，其內(nèi)部包括有一個直接捕獲模塊、32個RNSS/GPS跟蹤通道、10個RDSS直接捕獲模塊和跟蹤通道、ARM9、VFP9、存儲單元、2個UART、1個I2C、1個IC卡接口、通用I/O接口、看門狗、定時器等各部分。捕獲模塊采用改進FFT算法實現(xiàn)信號的快速捕獲，多路并行高速通道可以實現(xiàn)多星座衛(wèi)星同時穩(wěn)定跟蹤，高性能ARM9 CPU內(nèi)含浮點單元和二級CACHE，提供嵌入式高速運算性能。外圍配以電源管理單元、外部數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)流程為：高頻信號從雙模天線進入射頻前端進行濾波、變頻與數(shù)模轉(zhuǎn)換，分離出衛(wèi)星兩路數(shù)字中頻信號，進入數(shù)字基帶后經(jīng)過捕獲單元對衛(wèi)星進行捕獲，之后將捕獲到的GPS/北斗衛(wèi)星數(shù)字信號轉(zhuǎn)入并行跟蹤通道實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，提取原始觀測數(shù)據(jù)與導(dǎo)航電文，通過基帶內(nèi)部數(shù)據(jù)資源進行運算實現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理，最終得到定位信息并實輸入輸出控制。BM3013基帶芯片基于高速ARM9處理控制單元，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件各個單元的有效控制與數(shù)據(jù)操作?！　?/p>