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基子DSP的高動(dòng)態(tài)GPS接收機關(guān)鍵技術(shù)討論
摘要：在高動(dòng)態(tài)條件下，結合GEC公司的十二通道相關(guān)器GP2021，討論了CPS接收機的結構設計和研制高動(dòng)態(tài)CPS接收機所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，以及DSP在接收機中的功能。GPS是美國建立的高精度全球衛星定位導航系統，在陸地、海洋、航空和航天等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。而高動(dòng)態(tài)GPS接收機則可應用于導彈、衛星、飛機導航等許多場(chǎng)合，但由于高動(dòng)態(tài)GPS接收機涉及軍工等敏感領(lǐng)域，故國外的相關(guān)技術(shù)或產(chǎn)品對我國是封鎖的，有關(guān)高動(dòng)態(tài)的核心解決技術(shù)在各種文獻中也見(jiàn)之甚少，相關(guān)技術(shù)必須自主開(kāi)發(fā)。
GPS接收機的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性能、定位精度以及功能的豐富性與其所選用的CPU性能有很大關(guān)系。具有較大動(dòng)態(tài)范圍的接收機的實(shí)時(shí)運算量大、刷新速度高，對微處理器提出了更高的要求，即接收機應具有較高的數字信號處理能力。DSP芯片具有適合于數字信號處理的軟件和硬件資源，它運算速度快、接口方便、編程方便、穩定性好、精度高、集成方便，可用于復雜的數字信號處理算法。因此筆者的GPS接收機使用DSP芯片作為中央處理器。在此基礎上，采用一系列的算法，如利用接收機原始的偽距和偽距變化率進(jìn)行GPS／INS組合算法和抗多徑算法及設計新的載波跟蹤環(huán)路等，提高接收機的抗干擾和動(dòng)態(tài)性能及定位精度。
1 接收機的結構設計
采用相關(guān)接收技術(shù)的GPS接收機一般可以分為三個(gè)功能模塊：射頻前端模塊，信號處理模塊和應用處理模塊，如圖1所示。高動(dòng)態(tài)GPS接收機組成與其類(lèi)似，關(guān)鍵在于信號處理模塊具有快速捕獲功能和較大的捕獲、跟蹤帶寬。
信號處理模塊的主要功能是對信號進(jìn)行捕獲、跟蹤、解擴、解調等，提取觀(guān)測量和導航電文數據。GPS擴頻信號的解擴一般通過(guò)相關(guān)接收技術(shù)完成，信號處理模塊的核心就是相關(guān)器。多通道接收機一般采用多通道相關(guān)器實(shí)時(shí)地跟蹤4顆或4顆以上的衛星信號。
以GP2010、GP2021芯片組作為接收前端和相關(guān)器，GP2021由時(shí)基產(chǎn)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(guān)器和相應的載波整周計數器、碼相位和歷元計數器等。 相關(guān)器還提供了一個(gè)5．714MHz時(shí)鐘給GP2010，對GP2010的4．309MHz信號進(jìn)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(guān)器如圖2所示。
根據DSP芯片運算速度、價(jià)格、軟硬件資源、運算精度、開(kāi)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(jìn)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0．18μm 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(jiàn)圖3)。
信號收集處理主要完成從相關(guān)器輸入正交、同相超前和滯后通道的相關(guān)積分值，根據這些積分值實(shí)現碼環(huán)、載波環(huán)捕獲和跟蹤過(guò)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(guò)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(dòng)態(tài)地調節GP2021的碼DCO和載波DCO中的值，實(shí)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(gè)環(huán)節，由它實(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)行數字信號處理過(guò)程中，僅受量化誤差和有限字長(cháng)影響，在處理過(guò)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(shí)，用DSP軟件編程實(shí)現數字濾波，只需修改編程過(guò)程中的幾個(gè)設計參數，就能靈活方便地實(shí)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(lái)極大的便利和靈活性。
2 動(dòng)態(tài)GPS接收機關(guān)鍵技術(shù)研究
(1)實(shí)時(shí)有效的GPS星的歷書(shū)的推算：為快速捕獲信號，快速地定位，縮短冷啟動(dòng)時(shí)間，必須保證實(shí)時(shí)有效的GPS星的歷書(shū)的存在。衛星的最新歷書(shū)直接由用戶(hù)根據較早的星歷導出，通過(guò)外推得到冷捕搜星時(shí)刻的有效數據�，F在，經(jīng)過(guò)對間隔一個(gè)月的星歷進(jìn)行推算，GPS星軌道長(cháng)半徑α、偏心率e、軌道面傾角i、軌道準經(jīng)度Ω0、軌道近地點(diǎn)角矩ω、平近點(diǎn)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(shí)設6個(gè)攝動(dòng)修正參數為零。這樣，就可得間隔一個(gè)月后的歷書(shū)。
t1時(shí)刻
af0=：0．596651807427D-04 af1=0．579802872380D—11
t1 30天時(shí)刻
af0=0．724918209016D-04 af1=0．477484718431D-11
t1 30天時(shí)刻的推算結果
afo=0．7237
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