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基子DSP的高動態(tài)GPS接收機關鍵技術討論
摘要：在高動態(tài)條件下，結合GEC公司的十二通道相關器GP2021，討論了CPS接收機的結構設計和研制高動態(tài)CPS接收機所涉及到的關鍵技術，以及DSP在接收機中的功能。GPS是美國建立的高精度全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，在陸地、海洋、航空和航天等領域有著廣泛的應用。而高動態(tài)GPS接收機則可應用于導彈、衛(wèi)星、飛機導航等許多場合，但由于高動態(tài)GPS接收機涉及軍工等敏感領域，故國外的相關技術或產品對我國是封鎖的，有關高動態(tài)的核心解決技術在各種文獻中也見之甚少，相關技術必須自主開發(fā)。
GPS接收機的實時動態(tài)性能、定位精度以及功能的豐富性與其所選用的CPU性能有很大關系。具有較大動態(tài)范圍的接收機的實時運算量大、刷新速度高，對微處理器提出了更高的要求，即接收機應具有較高的數字信號處理能力。DSP芯片具有適合于數字信號處理的軟件和硬件資源，它運算速度快、接口方便、編程方便、穩(wěn)定性好、精度高、集成方便，可用于復雜的數字信號處理算法。因此筆者的GPS接收機使用DSP芯片作為中央處理器。在此基礎上，采用一系列的算法，如利用接收機原始的偽距和偽距變化率進行GPS／INS組合算法和抗多徑算法及設計新的載波跟蹤環(huán)路等，提高接收機的抗干擾和動態(tài)性能及定位精度。
1 接收機的結構設計
采用相關接收技術的GPS接收機一般可以分為三個功能模塊：射頻前端模塊，信號處理模塊和應用處理模塊，如圖1所示。高動態(tài)GPS接收機組成與其類似，關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行捕獲、跟蹤、解擴、解調等，提取觀測量和導航電文數據。GPS擴頻信號的解擴一般通過相關接收技術完成，信號處理模塊的核心就是相關器。多通道接收機一般采用多通道相關器實時地跟蹤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器，GP2021由時基產生電路、地址譯碼器、狀態(tài)寄存器及12通道獨立跟蹤模塊等組成。其中每一獨立跟蹤模塊包含載波DCO、碼DCO、相關器和相應的載波整周計數器、碼相位和歷元計數器等。 相關器還提供了一個5．714MHz時鐘給GP2010，對GP2010的4．309MHz信號進行欠采樣，得到1．405MHz的中頻數字信號。GP2010輸出中心頻率為1．405MHz的中頻信號給GP2021。GPS接收機前端和相關器如圖2所示。
根據DSP芯片運算速度、價格、軟硬件資源、運算精度、開發(fā)工具、功耗等因素，以TI公司的32位DSP芯片TMS320VC33作為中央處理器進行GPS信號處理和定位求解。其運算速度為75MIPS，單指令周期為13ns，內置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、相位跟蹤和導航數據解調環(huán)路、GPS導航電文提取、電文推算、導航定位求解等[1](見圖3)。
信號收集處理主要完成從相關器輸入正交、同相超前和滯后通道的相關積分值，根據這些積分值實現(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)地調節(jié)GP2021的碼DCO和載波DCO中的值，實現(xiàn)數據解調。
相位跟蹤和導航數據解調環(huán)路是載波跟蹤環(huán)路的最后一個環(huán)節(jié)，由它實現(xiàn)載波相位的抽取和數據解調。
接收機充分利用DSP處理器的功能，將以上軟件都集中在一片DSP處理器中運行。DSP芯片的高速運算性能使得部分硬件功能軟化，大大縮小了接收機的體積，同時增強了系統(tǒng)的靈活性。
在碼和載波跟蹤環(huán)路中，許多地方使用了數字濾波器。由于TMS320VC33計算精度很高，可以實現(xiàn)幅頻特性很陡直的濾波器，完成帶寬很窄的濾波。另外，DSP在進行數字信號處理過程中，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軟件編程實現(xiàn)數字濾波，只需修改編程過程中的幾個設計參數，就能靈活方便地實現(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)路的調試帶來極大的便利和靈活性。
2 動態(tài)GPS接收機關鍵技術研究
(1)實時有效的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較早的星歷導出，通過外推得到冷捕搜星時刻的有效數據�，F(xiàn)在，經過對間隔一個月的星歷進行推算，GPS星軌道長半徑α、偏心率e、軌道面傾角i、軌道準經度Ω0、軌道近地點角矩ω、平近點角M、星鐘參數af0、af1都可達到相當的精度，其中a、e、i的值變化不大，同時設6個攝動修正參數為零。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天時刻的推算結果
afo=0．7237
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