摘要：在高動(dòng)態(tài)條件下，結(jié)合GEC公司的十二通道相關(guān)器GP2021，討論了CPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研制高動(dòng)態(tài)CPS接收機(jī)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，以及DSP在接收機(jī)中的功能。

GPS是美國(guó)建立的高精度全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，在陸地、海洋、航空和航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)則可應(yīng)用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機(jī)導(dǎo)航等許多場(chǎng)合，但由于高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)涉及軍工等敏感領(lǐng)域，故國(guó)外的相關(guān)技術(shù)或產(chǎn)品對(duì)我國(guó)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(xiàn)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(jī)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(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)算量大、刷新速度高，對(duì)微處理器提出了更高的要求，即接收機(jī)應(yīng)具有較高的數(shù)字信號(hào)處理能力。DSP芯片具有適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和硬件資源，它運(yùn)算速度快、接口方便、編程方便、穩(wěn)定性好、精度高、集成方便，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法。因此筆者的GPS接收機(jī)使用DSP芯片作為中央處理器。在此基礎(chǔ)上，采用一系列的算法，如利用接收機(jī)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(shè)計(jì)新的載波跟蹤環(huán)路等，提高接收機(jī)的抗干擾和動(dòng)態(tài)性能及定位精度。

1 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用相關(guān)接收技術(shù)的GPS接收機(jī)一般可以分為三個(gè)功能模塊：射頻前端模塊，信號(hào)處理模塊和應(yīng)用處理模塊，如圖1所示。高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)組成與其類似，關(guān)鍵在于信號(hào)處理模塊具有快速捕獲功能和較大的捕獲、跟蹤帶寬。

信號(hào)處理模塊的主要功能是對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤、解擴(kuò)、解調(diào)等，提取觀測(cè)量和導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)。GPS擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)一般通過(guò)相關(guān)接收技術(shù)完成，信號(hào)處理模塊的核心就是相關(guān)器。多通道接收機(jī)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(wèi)星信號(hào)。

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(dú)立跟蹤模塊等組成。其中每一獨(dú)立跟蹤模塊包含載波DCO、碼DCO、相關(guān)器和相應(yīng)的載波整周計(jì)數(shù)器、碼相位和歷元計(jì)數(shù)器等。 相關(guān)器還提供了一個(gè)5．714MHz時(shí)鐘給GP2010，對(duì)GP2010的4．309MHz信號(hào)進(jìn)行欠采樣，得到1．405MHz的中頻數(shù)字信號(hào)。GP2010輸出中心頻率為1．405MHz的中頻信號(hào)給GP2021。GPS接收機(jī)前端和相關(guān)器如圖2所示。

根據(jù)DSP芯片運(yùn)算速度、價(jià)格、軟硬件資源、運(yùn)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(hào)處理和定位求解。其運(yùn)算速度為75MIPS，單指令周期為13ns，內(nèi)置1．1Mbit RAM，由0．18μm CMOS工藝制造。

DSP功能包括信號(hào)收集處理、GP2021硬件控制、相位跟蹤和導(dǎo)航數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)路、GPS導(dǎo)航電文提取、電文推算、導(dǎo)航定位求解等[1](見(jiàn)圖3)。

    信號(hào)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(jù)這些積分值實(shí)現(xiàn)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(jù)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(diào)節(jié)GP2021的碼DCO和載波DCO中的值，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)。

相位跟蹤和導(dǎo)航數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)路是載波跟蹤環(huán)路的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，由它實(shí)現(xiàn)載波相位的抽取和數(shù)據(jù)解調(diào)。

接收機(jī)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(yùn)行。DSP芯片的高速運(yùn)算性能使得部分硬件功能軟化，大大縮小了接收機(jī)的體積，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

在碼和載波跟蹤環(huán)路中，許多地方使用了數(shù)字濾波器。由于TMS320VC33計(jì)算精度很高，可以實(shí)現(xiàn)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(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中，僅受量化誤差和有限字長(zhǎng)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(hào)所必須的。同時(shí)，用DSP軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，只需修改編程過(guò)程中的幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，就能靈活方便地實(shí)現(xiàn)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(diào)試帶來(lái)極大的便利和靈活性。

2 動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)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(hào)，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(wèi)星的最新歷書(shū)直接由用戶根據(jù)較早的星歷導(dǎo)出，通過(guò)外推得到冷捕搜星時(shí)刻的有效數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)對(duì)間隔一個(gè)月的星歷進(jìn)行推算，GPS星軌道長(zhǎng)半徑α、偏心率e、軌道面傾角i、軌道準(zhǔn)經(jīng)度Ω0、軌道近地點(diǎn)角矩ω、平近點(diǎn)角M、星鐘參數(shù)af0、af1都可達(dá)到相當(dāng)?shù)木龋渲衋、e、i的值變化不大，同時(shí)設(shè)6個(gè)攝動(dòng)修正參數(shù)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(jié)果

afo=0．7237169739D-04 af1=0．4706628D-11

t1時(shí)刻 t1+30天時(shí)刻

Ωt1=-2．09716567564 Ω0t2=-2.72117917258

ωt1=-1．71643691820 ωt2=-1．67529031669

Mot1=3．08373107049 Mot2=-2．08799859062

由toe1，時(shí)刻的星歷可推算出toe2時(shí)刻的星歷

計(jì)算得出Ω1ot2=-2．720653，ωt2=-1．666083，

Mlot2=-2．085210

(2) 時(shí)鐘特性對(duì)高動(dòng)態(tài)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能影響的研究：時(shí)鐘特性(頻率飄移和老化率)對(duì)高動(dòng)態(tài)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能有較大的影響，在高動(dòng)態(tài)接收機(jī)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(dòng)時(shí)間縮短60s。

(3)高加速度下的載波跟蹤環(huán)路的研究：為檢測(cè)高動(dòng)態(tài)GPS信號(hào)，需要設(shè)計(jì)碼環(huán)及載波環(huán)的捕獲與跟蹤數(shù)字系統(tǒng)。當(dāng)使用對(duì)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行時(shí)域(碼相位)和頻域(多普勒頻移)的二維搜索從而對(duì)載波多普勒頻移逐次逼近掃描的串行搜索法時(shí)，在高動(dòng)態(tài)下，由于碼的捕獲是分頻段進(jìn)行的，載波跟蹤環(huán)路對(duì)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(nèi)進(jìn)行的，一定范圍內(nèi)的高加速度引起的頻率變化率對(duì)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(kāi)始。同時(shí)，一定范圍內(nèi)的高速度只影響頻率捕獲所涉及到的頻段數(shù)而對(duì)頻率跟蹤影響不大。因此，在高動(dòng)態(tài)下，在CPS信號(hào)的碼跟蹤和載波捕獲與跟蹤問(wèn)題中解決在高加速度下的載波跟蹤問(wèn)題具有十分重要的意義。需設(shè)計(jì)出具有較大動(dòng)態(tài)范圍的載波跟蹤相關(guān)算法。該算法應(yīng)同時(shí)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(xiàn)在，筆者已設(shè)計(jì)出具有較大動(dòng)態(tài)范圍的載波跟蹤環(huán)路，并使用在接收機(jī)中，但環(huán)路的各項(xiàng)具體指標(biāo)正在測(cè)試中。接收機(jī)載波跟蹤模塊工作流程圖如圖4所示。

(4)對(duì)原低動(dòng)態(tài)接收機(jī)的相位跟蹤環(huán)路的改進(jìn)。四項(xiàng)鑒頻器和叉積鑒頻器實(shí)現(xiàn)精確的頻率跟蹤，相位跟蹤和導(dǎo)航數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)路是載波跟蹤環(huán)路的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，由它來(lái)實(shí)現(xiàn)載波相位的抽取和數(shù)據(jù)解調(diào)。到叉積鑒頻器時(shí)只能實(shí)現(xiàn)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(dǎo)航數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)路正確工作后才可實(shí)現(xiàn)。而只有當(dāng)幀同步(即數(shù)據(jù)可以正確解調(diào)下來(lái)并實(shí)現(xiàn)幀同步)后，接收機(jī)才可得到正確的偽距。此后建立導(dǎo)航定位方程組并準(zhǔn)確定位。故而，如相位跟蹤和導(dǎo)航數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)路不能正常工作，接收機(jī)將不能定位。適當(dāng)擴(kuò)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(chǎn)生的各項(xiàng)誤差會(huì)反應(yīng)到相位跟蹤環(huán)路，但捕獲時(shí)間縮短且鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)得到改善；同時(shí)，對(duì)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(kuò)大這個(gè)范圍，則可補(bǔ)償由于變寬而對(duì)相位跟蹤環(huán)路造成的影響，同時(shí)增加相位跟蹤環(huán)路對(duì)載波跟蹤環(huán)路補(bǔ)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(shè)計(jì)：信號(hào)一旦非正常失鎖如何快速重新捕獲，還必須結(jié)合GPS星歷進(jìn)行輔助跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)。

(6)冷啟動(dòng)算法的設(shè)計(jì)：當(dāng)接收機(jī)無(wú)歷書(shū)存儲(chǔ)或由于長(zhǎng)時(shí)間未開(kāi)機(jī)造成歷書(shū)無(wú)效時(shí)接收機(jī)開(kāi)機(jī)即處于盲捕狀態(tài)。而歷書(shū)預(yù)報(bào)誤差較大時(shí)，接收機(jī)將花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行GPS星的捕獲和星歷下傳后才可準(zhǔn)確定位。而準(zhǔn)確的軌道參數(shù)和星鐘參數(shù)推算并輔之以合理的冷啟動(dòng)搜星算法則可使接收機(jī)快速定位。對(duì)接收機(jī)接收到的GPS信號(hào)的載波多普勒頻移進(jìn)行了分析并給出其各組成部分的計(jì)算公式，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)各組成部分對(duì)接收機(jī)星捕獲占用時(shí)間的影響進(jìn)行了分析，提出了通過(guò)消除接收機(jī)時(shí)鐘頻率漂移并輔之以有效歷書(shū)推算的新的冷啟動(dòng)算法，大大縮短了高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)冷啟動(dòng)的時(shí)間。在靜止的接收機(jī)中預(yù)先輸入接收機(jī)本地概略地址和時(shí)間的情況下，冷啟動(dòng)時(shí)間縮短至25s以內(nèi)。

3 實(shí)驗(yàn)

時(shí)間：2003．9．5～9．27

接收機(jī)狀態(tài)：靜止，接收機(jī)預(yù)先輸入接收機(jī)本地概略地址和時(shí)間，有歷書(shū)推算：

星號(hào) 15 26 21 29

接收機(jī)測(cè)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(shè)置的多普勒頻移值 7201 2566 4356 2210

4顆星達(dá)到載波跟蹤狀態(tài)所需時(shí)間：21s

不考慮接收機(jī)時(shí)鐘漂移的冷啟動(dòng)時(shí)間：82s

考慮接收機(jī)時(shí)鐘漂移后的冷啟動(dòng)時(shí)間：21s