基于DSP的高动态GPS接收机关键技术讨论
2008-08-13
作者：张伯川 常 青 张其善 寇
摘 要：在高动态条件下，结合GEC公司的十二通道相关器" title="相关器">相关器GP2021，讨论了GPS接收机的结构设计和研制高动态GPS接收机所涉及到的关键技术,以及DSP在接收机中的功能。
关键词：高动态 GPS DSP
GPS是美国建立的高精度全球卫星定位导航系统，在陆地、海洋、航空和航天等领域有着广泛的应用。而高动态GPS接收机则可应用于导弹、卫星、飞机导航等许多场合，但由于高动态GPS接收机涉及军工等敏感领域，故国外的相关技术或产品对我国是封锁的，有关高动态的核心解决技术在各种文献中也见之甚少，相关技术必须自主开发。
GPS接收机的实时动态性能、定位精度以及功能的丰富性与其所选用的CPU性能有很大关系。具有较大动态范围" title="动态范围">动态范围的接收机的实时运算量大、刷新速度高，对微处理器提出了更高的要求，即接收机应具有较高的数字信号处理能力。DSP芯片具有适合于数字信号处理的软件和硬件资源，它运算速度快、接口方便、编程方便、稳定性好、精度高、集成方便，可用于复杂的数字信号处理算法。因此笔者的GPS接收机使用DSP芯片作为中央处理器。在此基础上，采用一系列的算法，如利用接收机原始的伪距和伪距变化率进行GPS/INS组合算法和抗多径算法及设计新的载波跟踪" title="载波跟踪">载波跟踪环路等，提高接收机的抗干扰和动态性能及定位精度。
1 接收机的结构设计
采用相关接收技术的GPS接收机一般可以分为三个功能模块：射频前端模块，信号处理模块" title="处理模块">处理模块和应用处理模块，如图1所示。高动态GPS接收机组成与其类似，关键在于信号处理模块具有快速捕获功能和较大的捕获、跟踪带宽。
信号处理模块的主要功能是对信号进行捕获、跟踪、解扩、解调等，提取观测量和导航电文数据。GPS扩频信号的解扩一般通过相关接收技术完成，信号处理模块的核心就是相关器。多通道接收机一般采用多通道相关器实时地跟踪4颗或4颗以上的卫星信号。
以GP2010、GP2021芯片组作为接收前端和相关器，GP2021由时基产生电路、地址译码器、状态寄存器及12通道独立跟踪模块等组成。其中每一独立跟踪模块包含载波DCO、码DCO、相关器和相应的载波整周计数器、码相位和历元计数器等。相关器还提供了一个5.714MHz时钟给GP2010，对GP2010的4.309MHz信号进行欠采样，得到1.405MHz的中频数字信号。GP2010输出中心频率为1.405MHz的中频信号给GP2021。GPS接收机前端和相关器如图2所示。
根据DSP芯片运算速度、价格、软硬件资源、运算精度、开发工具、功耗等因素，以TI公司的32位DSP芯片TMS320VC33作为中央处理器进行GPS信号处理和定位求解。其运算速度为75MIPS，单指令周期为13ns，内置1.1Mbit RAM，由0.18?滋m CMOS工艺制造。
DSP功能包括信号收集处理、GP2021硬件控制、相位跟踪和导航数据解调环路、GPS导航电文提取、电文推算、导航定位求解等[1]（见图3）。
信号收集处理主要完成从相关器输入正交、同相超前和滞后通道的相关积分值，根据这些积分值实现码环、载波环捕获和跟踪过程中的判决和滤波等功能[2]。
GP2021硬件控制主要完成码环、载波环路的闭合控制过程。根据相位跟踪环路和码环、载波环路输出的控制量动态地调节GP2021的码DCO和载波DCO中的值，实现数据解调。
相位跟踪和导航数据解调环路是载波跟踪环路的最后一个环节，由它实现载波相位的抽取和数据解调。
接收机充分利用DSP处理器的功能，将以上软件都集中在一片DSP处理器中运行。DSP芯片的高速运算性能使得部分硬件功能软化，大大缩小了接收机的体积，同时增强了系统的灵活性。
在码和载波跟踪环路中，许多地方使用了数字滤波器。由于TMS320VC33计算精度很高，可以实现幅频特性很陡直的滤波器，完成带宽很窄的滤波。另外，DSP在进行数字信号处理过程中，仅受量化误差和有限字长影响，在处理过程中不引入其他噪声影响，有较高的信噪比。而这些正是笔者跟踪环路、跟踪频率斜升信号所必须的。同时，用DSP软件编程实现数字滤波，只需修改编程过程中的几个设计参数，就能灵活方便地实现不同性能的滤波器，从而改变跟踪环路的环路特性，为环路的调试带来极大的便利和灵活性。
2 动态GPS接收机关键技术研究
（1）实时有效的GPS星的历书的推算：为快速捕获信号，快速地定位，缩短冷启动时间，必须保证实时有效的GPS星的历书的存在。卫星的最新历书直接由用户根据较早的星历导出，通过外推得到冷捕搜星时刻的有效数据。现在，经过对间隔一个月的星历进行推算，GPS星轨道长半径α、偏心率e、轨道面倾角i、轨道准经度Ω0、轨道近地点角矩ω、平近点角M、星钟参数af0、af1都可达到相当的精度，其中a、e、i的值变化不大，同时设6个摄动修正参数为零。这样，就可得间隔一个月后的历书。
t1时刻
(2)时钟特性对高动态接收机的动态性能影响的研究：时钟特性（频率飘移和老化率）对高动态接收机的动态性能有较大的影响，在高动态接收机中必须予以考虑并尽量消除之。其中，频率飘移的消除大约可以使冷启动时间缩短60s。
(3)高加速度下的载波跟踪环路的研究：为检测高动态GPS信号，需要设计码环及载波环的捕获与跟踪数字系统。当使用对信号同时进行时域(码相位)和频域(多普勒频移" title="多普勒频移">多普勒频移)的二维搜索从而对载波多普勒频移逐次逼近扫描的串行搜索法时，在高动态下，由于码的捕获是分频段进行的,载波跟踪环路对码跟踪环路提供速度辅助,且由于码的跟踪是在频率误差范围500Hz以内进行的，一定范围内的高加速度引起的频率变化率对码的捕获和跟踪影响不大，环路失锁首先从载波跟踪环路开始。同时，一定范围内的高速度只影响频率捕获所涉及到的频段数而对频率跟踪影响不大。因此，在高动态下，在GPS信号的码跟踪和载波捕获与跟踪问题中解决在高加速度下的载波跟踪问题具有十分重要的意义。需设计出具有较大动态范围的载波跟踪相关算法。该算法应同时兼顾在高加速度和高加速度环境下的环路工作特性。
现在，笔者已设计出具有较大动态范围的载波跟踪环路，并使用在接收机中，但环路的各项具体指标正在测试中。接收机载波跟踪模块工作流程图如图4所示。
（4）对原低动态接收机的相位跟踪环路的改进。四项鉴频器和叉积鉴频器实现精确的频率跟踪，相位跟踪和导航数据解调环路是载波跟踪环路的最后一个环节，由它来实现载波相位的抽取和数据解调。到叉积鉴频器时只能实现码锁定、载波锁定。位同步和帧同步状态只有在相位跟踪和导航数据解调环路正确工作后才可实现。而只有当帧同步（即数据可以正确解调下来并实现帧同步）后，接收机才可得到正确的伪距。此后建立导航定位方程组并准确定位。故而，如相位跟踪和导航数据解调环路不能正常工作，接收机将不能定位。适当扩大载波跟踪环路等效噪声带宽BLF，跟踪精度降低，载波跟踪环路产生的各项误差会反应到相位跟踪环路，但捕获时间缩短且锁相环的动态范围会得到改善；同时，对于相位跟踪环路，由于它的线性牵引有效范围有限，如果可以扩大这个范围，则可补偿由于变宽而对相位跟踪环路造成的影响，同时增加相位跟踪环路对载波跟踪环路补偿作用的范围，从而改善在高加速度下载波跟踪性能。
（5）辅助跟踪环路的设计：信号一旦非正常失锁如何快速重新捕获，还必须结合GPS星历进行辅助跟踪环路的设计。
（6）冷启动算法的设计：当接收机无历书存储或由于长时间未开机造成历书无效时接收机开机即处于盲捕状态。而历书预报误差较大时，接收机将花费较长时间进行GPS星的捕获和星历下传后才可准确定位。而准确的轨道参数和星钟参数推算并辅之以合理的冷启动搜星算法则可使接收机快速定位。对接收机接收到的GPS信号的载波多普勒频移进行了分析并给出其各组成部分的计算公式，同时根据实验结果对各组成部分对接收机星捕获占用时间的影响进行了分析，提出了通过消除接收机时钟频率漂移并辅之以有效历书推算的新的冷启动算法，大大缩短了高动态GPS接收机冷启动的时间。在静止的接收机中预先输入接收机本地概略地址和时间的情况下，冷启动时间缩短至25s以内。
3 实 验
时间：2003.9.5～9.27
接收机状态：静止，接收机预先输入接收机本地概略地址和时间，有历书推算：
星号 15 26 21 29
接收机测得的多普勒频移值 7320 2579 4120 2381
推算得到的多普勒频移值 7201 2566 4356 2210
程序设置的多普勒频移值 7201 2566 4356 2210
4颗星达到载波跟踪状态所需时间：21s
不考虑接收机时钟漂移的冷启动时间：82s
考虑接收机时钟漂移后的冷启动时间：21s
参考文献
1 罗兴宇.基于DSP技术的高动态GPS接收机的研制[D].北京：北京航空航天大学， 2002
2 Daffrara F, Vinson P. Improved search algorithm for fast acquisition in a DSP-based GPS receicer[J]. IEEE Tran on Com,1998:310～314
3 朱近康.扩展频谱通信及其应用[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1993:182～204
4 孙 礼. GPS接收机系统的研究[D].北京：北京航空航天大学， 1998
5 李小民.高动态环境GPS应用中的几个关键问题研究[D].北京：北京航空航天大学， 1998
6 W.Zhang. Modeling and analysis for the GPS pseudo-range observable[J]. IEEE Trans. On AES.1995;31(2):739～751
7 王银锋.基于DSP技术的GPS接收机的研制[D]. 北京：北京航空航天大学，1999
8 GPS Builder-2 Designer's Guide[Z]