基于MXTOS2-200模塊的開(kāi)放式高動(dòng)態(tài)平臺設計

　　摘要：針對北斗/GPS接收機在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的重要應用，利用某SOC平臺設計一種開(kāi)放式高動(dòng)態(tài)接收機平臺，并對其開(kāi)放式方法進(jìn)行研究。首先，進(jìn)行北斗導航原理介紹及接收機設計分析;其次進(jìn)行高動(dòng)態(tài)平臺構建;然后，進(jìn)行北斗/GPS高動(dòng)態(tài)關(guān)鍵技術(shù)及可配置開(kāi)放式方法研究，并提出下一步研究重點(diǎn)。

　　引言

　　衛星導航定位系統是目前使用最為廣泛的導航和定位系統，大量應用在民用和軍事作戰領(lǐng)域，在民用主要是靜態(tài)和低速的場(chǎng)景，然而在軍事領(lǐng)域，尤其是在精密制導導彈中主要是高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景為主。與靜態(tài)和低速環(huán)境下相比，高動(dòng)態(tài)環(huán)境對接收機可靠接收信號帶來(lái)了巨大的技術(shù)挑戰，高動(dòng)態(tài)環(huán)境給接收機接收信號帶來(lái)了許多問(wèn)題。

　　本文主要從高動(dòng)態(tài)接收機的整體設計和針對開(kāi)放式設計做了設計和研究，重點(diǎn)研究了高動(dòng)態(tài)接收機開(kāi)放式設計，為高動(dòng)態(tài)的研究提供一種新的方法和思路。

　　衛星導航定位原理

　　衛星導航定位系統的定位原理和過(guò)程可以簡(jiǎn)述如下：在一個(gè)立體直角坐標系中，任何一個(gè)點(diǎn)的位置都可以通過(guò)三個(gè)坐標數據X、Y、Z來(lái)確定。如果能測得某未知點(diǎn)與其他三點(diǎn)(A、B、C)的距離，并確知A、B、C三點(diǎn)的坐標，就可以建立起一個(gè)三元方程組，解出該未知點(diǎn)的坐標數據，從而得到該點(diǎn)的確切位置[2]。然而要實(shí)現三維定位，在實(shí)際中至少需要四顆可見(jiàn)衛星，這是由于接收機、衛星、GPS時(shí)間系統三者之間的實(shí)際中不可能實(shí)現完全同步，他們之間總存在著(zhù)一個(gè)隨機的誤差。

　　在衛星導航系統為了確定用戶(hù)的位置(x,y,z)，需要對多顆衛星進(jìn)行偽距測量。在進(jìn)行偽距測量時(shí)，可以根據多種方法來(lái)獲得偽距測量值。根據觀(guān)測量性質(zhì)的不同，可以分為測碼偽距定位和測相偽距定位，即偽距測量定位和載波相位定位。在實(shí)際應用中由于載波相位存在模糊周問(wèn)題，因此主要是應用偽距測量來(lái)實(shí)現定位。假設衛星到接收機的偽距為，天空中衛星在ECEF坐標系中的坐標向量，接收機在ECEF坐標系中的坐標向量，則可以建立如下的四元方程組：

　　在方程組中是隨機事件誤差，通過(guò)用最小二乘法求解的方式可以求出接收機的坐標。

　　高動(dòng)態(tài)接收機面臨的問(wèn)題

　　高動(dòng)態(tài)一般定義為定位目標具有較高的速度，加速度和加加速度。高動(dòng)態(tài)環(huán)境使得載波產(chǎn)生較大的多普勒頻移和頻率變化率，如果使用一般的鎖相環(huán)進(jìn)行載波的鎖定，會(huì )導致載波多普勒頻移經(jīng)常超出鎖相環(huán)的鎖定，超出鎖相環(huán)的捕獲帶，無(wú)法保證對載波的可靠捕獲和跟蹤，為此必須增加環(huán)路帶寬。但是，帶寬的增加會(huì )引入寬帶噪聲，使載波跟蹤環(huán)路失鎖，無(wú)法解調數據。另一方面，高動(dòng)態(tài)環(huán)境下偽碼也會(huì )產(chǎn)生動(dòng)態(tài)延時(shí)和頻移，使得接收機的碼跟蹤環(huán)路很難跟蹤上相位地變化，容易失鎖不利于偽距的測量。而且碼相位的偏移會(huì )使捕獲的時(shí)間變長(cháng)，這樣一來(lái)接收機的導航將變得困難。

　　針對高動(dòng)態(tài)的這些問(wèn)題，已提出了一些解決方案：一種是給高動(dòng)態(tài)接收機提供慣性導航系統的輔助信息，使接收機的環(huán)路更容易跟蹤上衛星信號，接收機得以可靠工作。另一種方案是研究適合高動(dòng)態(tài)環(huán)境下擴頻信號跟蹤的頻率估計算法，以適應各種高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的信號跟蹤。

　　接收機軟硬件設計

　　在接收機分成兩大部分：模擬射頻前端和數字基帶處理。其中，模擬射頻前端部分由射頻模塊和A/D模塊兩部分構成;數字基帶由捕獲、跟蹤、PVT解算、卡爾曼濾波等模塊構成;具體結構如圖1?！　?/p>

 

　　大體上講，射頻模塊接收衛星信號后，將信號轉成中頻，經(jīng)過(guò)A/D變化為數字中頻信號，然后基帶部分將完成數字下變頻、信號預處理、數據提取、數據解算等任務(wù)。

　　硬件電路設計

　　如圖2所示，北斗/GPS開(kāi)放式高動(dòng)態(tài)接收機硬件架構，射頻前端采用兼容有源天線(xiàn)，單路高頻信號輸入，射頻前端信號處理一體式設計，兼容GPS的L1頻點(diǎn)和北斗系統的B1頻點(diǎn)，射頻輸出為兩路數字中頻直連基帶部分。數字基帶芯片MXT3013是北京微電子技術(shù)研究所自主研發(fā)的一款多模導航SOC芯片，其內部包括有一個(gè)直接捕獲模塊、32個(gè)RNSS/GPS跟蹤通道、10個(gè)RDSS直接捕獲模塊和跟蹤通道、ARM9、VFP9、存儲單元、2個(gè)UART、1個(gè)I2C、1個(gè)IC卡接口、通用I/O接口、看門(mén)狗、定時(shí)器等各部分。捕獲模塊采用改進(jìn)FFT算法實(shí)現信號的快速捕獲，多路并行高速通道可以實(shí)現多星座衛星同時(shí)穩定跟蹤，高性能ARM9 CPU內含浮點(diǎn)單元和二級CACHE，提供嵌入式高速運算性能。外圍配以電源管理單元、外部數據接口。數據流程為：高頻信號從雙模天線(xiàn)進(jìn)入射頻前端進(jìn)行濾波、變頻與數模轉換，分離出衛星兩路數字中頻信號，進(jìn)入數字基帶后經(jīng)過(guò)捕獲單元對衛星進(jìn)行捕獲，之后將捕獲到的GPS/北斗衛星數字信號轉入并行跟蹤通道實(shí)現穩定跟蹤，提取原始觀(guān)測數據與導航電文，通過(guò)基帶內部數據資源進(jìn)行運算實(shí)現導航數據處理，最終得到定位信息并實(shí)輸入輸出控制。BM3013基帶芯片基于高速ARM9處理控制單元，通過(guò)軟件設計實(shí)現對系統硬件各個(gè)單元的有效控制與數據操作?！　?/p>