北斗導航定位接收機的原理及硬件實(shí)現

　　絕大多數動(dòng)態(tài)信息的取得都離不開(kāi)時(shí)間和位置參數，而衛星定位導航技術(shù)正是獲取信息最強有力的工具。這項技術(shù)最早源于外層空間的爭奪戰，當時(shí)是作為一個(gè)功能強大的軍事傳感器來(lái)使用的。它的出現帶來(lái)了一場(chǎng)新的軍事變革，可以說(shuō)一個(gè)國家衛星導航定位系統發(fā)展程度直接決定著(zhù)這個(gè)國家在未來(lái)戰場(chǎng)上的優(yōu)劣地位。同樣，該技術(shù)在民用中也帶來(lái)了巨大經(jīng)濟效益。我國的衛星定位導航系統在國民經(jīng)濟建設中占有著(zhù)重要的地位，是建設國家信息體系的重要基礎設施，是直接關(guān)系到國家安全、經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵性系統技術(shù)平臺。

　　1總體結構

　　根據當前衛星導航定位系統發(fā)展的趨勢，考慮到導航定位的精度，這里給出一種北斗接收機的設計，其系統原理圖如圖1所示。

　　系統中GPS信號和GNSS信號的接收和處理采用成品模塊來(lái)完成，可直接輸出GPS或GNSS的定位和導航信息。硬件設計主要完成對GPS信號的處理。首先，北斗模塊的中頻信號經(jīng)中頻放大后直接進(jìn)行高速采樣，然后系統對采樣數據進(jìn)行基帶處理，再對解算出的信息進(jìn)行定位及導航計算，最后將所算結果傳送給ARM控制器，并經(jīng)處理后顯示輸出。系統中的擴展數據接口可以進(jìn)行擴展，如擴展無(wú)線(xiàn)電導航接口等。圖2所示是系統的硬件結構圖。

　　該系統主要用到以下器件：

　　(1)一片ARM9200微處理器、一片ARM程序FLASH和一片高速SDRAM，它們主要完成對整個(gè)系統的控制；

　　(2)STRATIX II高性能FPGA，該FPGA內含DSP處理模塊和6個(gè)PLL，主要負責對采樣數據的解擴解調；

　　(3)一片TIGERSHARC系列DSP-PS101和一片DSP程序FLASH，它們主要負責定位及導航信息的計算。

　　(4)系統還可以通過(guò)FPGA外掛一片數據FLASH、擴展一個(gè)429接口、四個(gè)RS232接口以及LCD顯示器。

　　2硬件設計

　　2.1 基帶處理

　　由于北斗信號為OQPSK信號，且3顆星發(fā)射信號的擴頻偽碼不同，因此系統需采用CDMA方式來(lái)工作。系統首先對北斗射頻信號直接進(jìn)行中頻放大和高速采樣，然后經(jīng)數字下變頻致零中頻，再經(jīng)低通濾波，并對采樣數據進(jìn)行解擴和解調處理，輸出信息流。該過(guò)程稱(chēng)為基帶處理過(guò)程。其中的關(guān)鍵技術(shù)是載波和PN碼的捕獲與跟蹤，下面著(zhù)重說(shuō)明。

　　(1)載波跟蹤

　　由于本系統的收發(fā)時(shí)鐘不同源，同時(shí)，系統也會(huì )存在多譜勒頻移，因此，收發(fā)數據時(shí)會(huì )出現一定的頻差，并且頻差會(huì )隨著(zhù)時(shí)間變化。對于OQPSK調制信號來(lái)說(shuō)，這種頻差不僅會(huì )引起信噪比下降，而且還可引起信號畸變，后果很?chē)乐?，因此需要引入載波跟蹤系統。另外還需考慮到OQPSK信號90°相位不確定性的問(wèn)題，圖3給出了這種載波捕獲和跟蹤電路原理圖。