基于DSP的高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)討論

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0.18?滋m 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(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)處理過程中，僅受量化誤差和有限字長(zhǎng)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(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(shí)刻的有效數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，經(jīng)過對(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?，其中a、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。
t1時(shí)刻

(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GPS信號(hào)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(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)無歷書存儲(chǔ)或由于長(zhǎng)時(shí)間未開機(jī)造成歷書無效時(shí)接收機(jī)開機(jī)即處于盲捕狀態(tài)。而歷書預(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，提出了通過消除接收機(jī)時(shí)鐘頻率漂移并輔之以有效歷書推算的新的冷啟動(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
參考文獻(xiàn)
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