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基子DSP的高動態(tài)GPS接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)討論
摘要：在高動態(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)計和研制高動態(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)航等許多場合，但由于高動態(tài)GPS接收機(jī)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)高動態(tài)的核心解決技術(shù)在各種文獻(xiàn)中也見之甚少，相關(guān)技術(shù)必須自主開發(fā)。
GPS接收機(jī)的實(shí)時動態(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。具有較大動態(tài)范圍的接收機(jī)的實(shí)時運(yùn)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(jī)應(yīng)具有較高的數(shù)字信號處理能力。DSP芯片具有適合于數(shù)字信號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)計新的載波跟蹤環(huán)路等，提高接收機(jī)的抗干擾和動態(tài)性能及定位精度。
1 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
采用相關(guān)接收技術(shù)的GPS接收機(jī)一般可以分為三個功能模塊：射頻前端模塊，信號處理模塊和應(yīng)用處理模塊，如圖1所示。高動態(tài)GPS接收機(jī)組成與其類似，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(kuò)、解調(diào)等，提取觀測量和導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)。GPS擴(kuò)頻信號的解擴(kuò)一般通過相關(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(jī)一般采用多通道相關(guān)器實(shí)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(guān)器，GP2021由時基產(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)的載波整周計數(shù)器、碼相位和歷元計數(shù)器等。 相關(guān)器還提供了一個5．714MHz時鐘給GP2010，對GP2010的4．309MHz信號進(jìn)行欠采樣，得到1．405MHz的中頻數(shù)字信號。GP2010輸出中心頻率為1．405MHz的中頻信號給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、價格、軟硬件資源、運(yùn)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(jìn)行GPS信號處理和定位求解。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(jù)這些積分值實(shí)現(xiàn)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(jù)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(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(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，只需修改編程過程中的幾個設(shè)計參數(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)試帶來極大的便利和靈活性。
2 動態(tài)GPS接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究
(1)實(shí)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(shí)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(jù)較早的星歷導(dǎo)出，通過外推得到冷捕搜星時刻的有效數(shù)據(jù)�，F(xiàn)在，經(jīng)過對間隔一個月的星歷進(jìn)行推算，GPS星軌道長半徑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，同時設(shè)6個攝動修正參數(shù)為零。這樣，就可得間隔一個月后的歷書。
t1時刻
af0=：0．596651807427D-04 af1=0．579802872380D—11
t1 30天時刻
af0=0．724918209016D-04 af1=0．477484718431D-11
t1 30天時刻的推算結(jié)果
afo=0．7237
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