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基子DSP的高动态GPS接收机关键技术讨论

发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:368

摘要: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。

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

摘要: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。

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

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