基子DSP的高动态GPS接收机关键技术讨论.doc

基子DSP的高动态GPS接收机关键技术讨论在高动态条件下，结合GEC公司的十二通道相关器GP2021，讨论了CPS接收机的结构设计和研制高动态CPS接收机所涉及到的关键技术，以及DSP在接收机中的功能。 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0．18μm 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。卫星的必威体育精装版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