基于DSP的高動態(tài)GPS接收機關鍵技術討論

信號處理模塊的主要功能是對信號進行捕獲、跟蹤、解擴、解調等，提取觀測量和導航電文數據。GPS擴頻信號的解擴一般通過相關接收技術完成，信號處理模塊的核心就是相關器。多通道接收機一般采用多通道相關器實時地跟蹤4顆或4顆以上的衛(wèi)星信號。
以GP2010、GP2021芯片組作為接收前端和相關器，GP2021由時基產生電路、地址譯碼器、狀態(tài)寄存器及12通道獨立跟蹤模塊等組成。其中每一獨立跟蹤模塊包含載波DCO、碼DCO、相關器和相應的載波整周計數器、碼相位和歷元計數器等。相關器還提供了一個5.714MHz時鐘給GP2010，對GP2010的4.309MHz信號進行欠采樣，得到1.405MHz的中頻數字信號。GP2010輸出中心頻率為1.405MHz的中頻信號給GP2021。GPS接收機前端和相關器如圖2所示。

根據DSP芯片運算速度、價格、軟硬件資源、運算精度、開發(fā)工具、功耗等因素，以TI公司的32位DSP芯片TMS320VC33作為中央處理器進行GPS信號處理和定位求解。其運算速度為75MIPS，單指令周期為13ns，內置1.1Mbit RAM，由0.18?滋m CMOS工藝制造。
DSP功能包括信號收集處理、GP2021硬件控制、相位跟蹤和導航數據解調環(huán)路、GPS導航電文提取、電文推算、導航定位求解等^[1]（見圖3）。

信號收集處理主要完成從相關器輸入正交、同相超前和滯后通道的相關積分值，根據這些積分值實現碼環(huán)、載波環(huán)捕獲和跟蹤過程中的判決和濾波等功能^[2]。
GP2021硬件控制主要完成碼環(huán)、載波環(huán)路的閉合控制過程。根據相位跟蹤環(huán)路和碼環(huán)、載波環(huán)路輸出的控制量動態(tài)地調節(jié)GP2021的碼DCO和載波DCO中的值，實現數據解調。
相位跟蹤和導航數據解調環(huán)路是載波跟蹤環(huán)路的最后一個環(huán)節(jié)，由它實現載波相位的抽取和數據解調。
接收機充分利用DSP處理器的功能，將以上軟件都集中在一片DSP處理器中運行。DSP芯片的高速運算性能使得部分硬件功能軟化，大大縮小了接收機的體積，同時增強了系統的靈活性。
在碼和載波跟蹤環(huán)路中，許多地方使用了數字濾波器。由于TMS320VC33計算精度很高，可以實現幅頻特性很陡直的濾波器，完成帶寬很窄的濾波。另外，DSP在進行數字信號處理過程中，僅受量化誤差和有限字長影響，在處理過程中不引入其他噪聲影響，有較高的信噪比。而這些正是筆者跟蹤環(huán)路、跟蹤頻率斜升信號所必須的。同時，用DSP軟件編程實現數字濾波，只需修改編程過程中的幾個設計參數，就能靈活方便地實現不同性能的濾波器，從而改變跟蹤環(huán)路的環(huán)路特性，為環(huán)路的調試帶來極大的便利和靈活性。
2 動態(tài)GPS接收機關鍵技術研究
（1）實時有效的GPS星的歷書的推算：為快速捕獲信號，快速地定位，縮短冷啟動時間，必須保證實時有效的GPS星的歷書的存在。衛(wèi)星的最新歷書直接由用戶根據較早的星歷導出，通過外推得到冷捕搜星時刻的有效數據?，F在，經過對間隔一個月的星歷進行推算，GPS星軌道長半徑α、偏心率e、軌道面傾角i、軌道準經度Ω₀、軌道近地點角矩ω、平近點角M、星鐘參數af₀、af₁都可達到相當的精度，其中a、e、i的值變化不大，同時設6個攝動修正參數為零。這樣，就可得間隔一個月后的歷書。
t1時刻

(2)時鐘特性對高動態(tài)接收機的動態(tài)性能影響的研究：時鐘特性（頻率飄移和老化率）對高動態(tài)接收機的動態(tài)性能有較大的影響，在高動態(tài)接收機中必須予以考慮并盡量消除之。其中，頻率飄移的消除大約可以使冷啟動時間縮短60s。
(3)高加速度下的載波跟蹤環(huán)路的研究：為檢測高動態(tài)GPS信號，需要設計碼環(huán)及載波環(huán)的捕獲與跟蹤數字系統。當使用對信號同時進行時域(碼相位)和頻域(多普勒頻移)的二維搜索從而對載波多普勒頻移逐次逼近掃描的串行搜索法時，在高動態(tài)下，由于碼的捕獲是分頻段進行的,載波跟蹤環(huán)路對碼跟蹤環(huán)路提供速度輔助,且由于碼的跟蹤是在頻率誤差范圍500Hz以內進行的，一定范圍內的高加速度引起的頻率變化率對碼的捕獲和跟蹤影響不大，環(huán)路失鎖首先從載波跟蹤環(huán)路開始。同時，一定范圍內的高速度只影響頻率捕獲所涉及到的頻段數而對頻率跟蹤影響不大。因此，在高動態(tài)下，在GPS信號的碼跟蹤和載波捕獲與跟蹤問題中解決在高加速度下的載波跟蹤問題具有十分重要的意義。需設計出具有較大動態(tài)范圍的載波跟蹤相關算法。該算法應同時兼顧在高加速度和高加速度環(huán)境下的環(huán)路工作特性。
現在，筆者已設計出具有較大動態(tài)范圍的載波跟蹤環(huán)路，并使用在接收機中，但環(huán)路的各項具體指標正在測試中。接收機載波跟蹤模塊工作流程圖如圖4所示。

（4）對原低動態(tài)接收機的相位跟蹤環(huán)路的改進。四項鑒頻器和叉積鑒頻器實現精確的頻率跟蹤，相位跟蹤和導航數據解調環(huán)路是載波跟蹤環(huán)路的最后一個環(huán)節(jié)，由它來實現載波相位的抽取和數據解調。到叉積鑒頻器時只能實現碼鎖定、載波鎖定。位同步和幀同步狀態(tài)只有在相位跟蹤和導航數據解調環(huán)路正確工作后才可實現。而只有當幀同步（即數據可以正確解調下來并實現幀同步）后，接收機才可得到正確的偽距。此后建立導航定位方程組并準確定位。故而，如相位跟蹤和導航數據解調環(huán)路不能正常工作，接收機將不能定位。適當擴大載波跟蹤環(huán)路等效噪聲帶寬BLF，跟蹤精度降低，載波跟蹤環(huán)路產生的各項誤差會反應到相位跟蹤環(huán)路，但捕獲時間縮短且鎖相環(huán)的動態(tài)范圍會得到改善；同時，對于相位跟蹤環(huán)路，由于它的線性牽引有效范圍有限，如果可以擴大這個范圍，則可補償由于變寬而對相位跟蹤環(huán)路造成的影響，同時增加相位跟蹤環(huán)路對載波跟蹤環(huán)路補償作用的范圍，從而改善在高加速度下載波跟蹤性能。
（5）輔助跟蹤環(huán)路的設計：信號一旦非正常失鎖如何快速重新捕獲，還必須結合GPS星歷進行輔助跟蹤環(huán)路的設計。
（6）冷啟動算法的設計：當接收機無歷書存儲或由于長時間未開機造成歷書無效時接收機開機即處于盲捕狀態(tài)。而歷書預報誤差較大時，接收機將花費較長時間進行GPS星的捕獲和星歷下傳后才可準確定位。而準確的軌道參數和星鐘參數推算并輔之以合理的冷啟動搜星算法則可使接收機快速定位。對接收機接收到的GPS信號的載波多普勒頻移進行了分析并給出其各組成部分的計算公式，同時根據實驗結果對各組成部分對接收機星捕獲占用時間的影響進行了分析，提出了通過消除接收機時鐘頻率漂移并輔之以有效歷書推算的新的冷啟動算法，大大縮短了高動態(tài)GPS接收機冷啟動的時間。在靜止的接收機中預先輸入接收機本地概略地址和時間的情況下，冷啟動時間縮短至25s以內。
3 實 驗
時間：2003.9.5～9.27
接收機狀態(tài)：靜止，接收機預先輸入接收機本地概略地址和時間，有歷書推算：
星號15 26 21 29
接收機測得的多普勒頻移值 7320 2579 4120 2381
推算得到的多普勒頻移值 7201 2566 4356 2210
程序設置的多普勒頻移值 7201 2566 4356 2210
4顆星達到載波跟蹤狀態(tài)所需時間：21s
不考慮接收機時鐘漂移的冷啟動時間：82s
考慮接收機時鐘漂移后的冷啟動時間：21s
參考文獻
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8 GPS Builder-2 Designer's Guide[Z]