高精度接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
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高精度接收機(jī)與導(dǎo)航型接收機(jī)在硬件上差別較大，其射頻、基帶電路的主要指標(biāo)都高于導(dǎo)航型接收機(jī)。對(duì)基帶信號(hào)處理也有其自身特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)難度較大，主要體現(xiàn)在：
1）A/D采樣時(shí)鐘頻率、穩(wěn)定度要求較高；
2）碼相位測(cè)距精度高，抗多徑技術(shù)和時(shí)序要求高；
3）載波相位的測(cè)距精度高，導(dǎo)致本地載波NCO的碼表很大、位寬較寬，也需要較好的抗多徑抑制；
4）高采樣率決定了后續(xù)的下變頻和濾波工作在高速率上，必須合理選取量化位數(shù)和本地載波NCO精度；
5）碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)有成熟的理論可供參考，但是必須通過大量的實(shí)驗(yàn)才能獲得較優(yōu)的參數(shù)。在時(shí)鐘選取上，采用美國XX型的鐘可以達(dá)到較好的效果，雖然也存在零漂，但其均值和方差可以在開機(jī)后統(tǒng)計(jì)出來，利用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)出每個(gè)區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)的數(shù)目，然后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于高精度接收機(jī)，核心是L1、L2、B1和B2頻點(diǎn)載波相位的高精度測(cè)量，由于L1頻率上調(diào)制有民碼，可以利用C/A碼的相關(guān)測(cè)量L1載波相位，其主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于L2頻率載波相位的測(cè)量，B1、B2頻率為北斗的頻率，測(cè)量方式與L1頻率相似。所有頻率載波相位的精確測(cè)量都需要解決多徑的問題。
1.1L2載波接收技術(shù)設(shè)計(jì)
美國軍方為了防止對(duì)軍用P碼的欺騙，利用保密的W碼對(duì)L1、L2載波的P碼進(jìn)行調(diào)制，形成具有反欺騙功能的Y碼。由于GPS的L2載波上僅調(diào)制有P碼，且不知道Y碼的結(jié)構(gòu)，只能利用無碼或半無碼技術(shù)進(jìn)行L2信號(hào)的測(cè)量。無碼接收技術(shù)不需要知道Y碼的結(jié)構(gòu)，半無碼技術(shù)利用了公開的P碼，并利用Y碼是P碼和W碼的模2和特點(diǎn)，其中W碼帶寬約為500kHz。目前，幾大廠商采用的無碼或半無碼技術(shù)主要有4種：平方法，交叉相關(guān)法，P碼輔助L2平方和Z跟蹤法。由于平方法存在半波長的模糊度和平方損（降低30dB）問題，交叉相關(guān)法需要寬帶濾波，信噪比一樣會(huì)損失（約27dB），P碼輔助L2平方法只能進(jìn)行L2載波的半波長測(cè)量，因此論文選取Z跟蹤法。Z跟蹤法綜合了交叉相關(guān)和P碼輔助L2平方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還利用了W碼和P碼之間的碼長關(guān)系（W碼碼長約為P碼碼長的20倍），L1和L2信號(hào)處理后可以得到W碼的估計(jì)。L1、L2信號(hào)與本地產(chǎn)生的P碼進(jìn)行相關(guān)，當(dāng)相關(guān)器輸出的信號(hào)包絡(luò)最大時(shí)，認(rèn)為本地P碼與接收的P碼對(duì)齊。P碼相關(guān)后的L1、L2載波調(diào)制有W碼，帶寬約為1MHz。對(duì)于L1載波，L1-W帶通濾波器的輸出與從C/A碼恢復(fù)的L1載波混頻，然后經(jīng)低通濾波器后進(jìn)行積分累加，積分時(shí)間為W碼的碼長，積分時(shí)刻由P碼以及P碼和W的碼長關(guān)系確定。積分累加后輸出信號(hào)的正負(fù)可以作為W碼極性的估計(jì)。對(duì)L2信號(hào)進(jìn)行同樣的處理，由于P2碼受電離層影響產(chǎn)生的延遲大于P1碼延遲，可以認(rèn)為P2碼是P1碼經(jīng)延遲后所得，因此，可以用一個(gè)具有可變延遲的P碼生成器實(shí)現(xiàn)圖3中兩個(gè)P碼生成器的功能。L2-Y碼信號(hào)與本地P碼相關(guān)后，與L2鎖相環(huán)中NCO產(chǎn)生的本地L2載波混頻?；祛l后的信號(hào)經(jīng)低通濾波器后根據(jù)L2-P碼確定的時(shí)刻進(jìn)行積分累加。L2信號(hào)的積分累加輸出與時(shí)間鎖存中從L1信號(hào)估計(jì)得到的相應(yīng)L1-W碼估計(jì)進(jìn)行相關(guān)，當(dāng)時(shí)間同步時(shí)，L2積分累加后輸出中的W碼將被移去，鎖相環(huán)可以對(duì)L2載波進(jìn)行全波長跟蹤測(cè)量，而不需要很精確地知道W碼的碼長。由于L1信號(hào)較L2信號(hào)強(qiáng)3dB，并且在W碼確定以前已經(jīng)與本地P碼相關(guān)去掉了L1、L2載波上的P碼，使得信號(hào)帶寬從20MHz縮小到1MHz，所以其平方損較小（約為13dB），有效地提高了測(cè)量中的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
1.2多徑效應(yīng)抑制設(shè)計(jì)
多徑效應(yīng)是影響接收機(jī)精度的主要因素之一，可以造成1/4個(gè)波長誤差。一般是通過抗多徑天線和基帶信號(hào)處理兩方面進(jìn)行修正。基帶處理主要是利用窄相關(guān)技術(shù)或者以窄相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)而改進(jìn)的如MEDLL（MultipathEstimatingDelayLockLoop）、PAC（PulseApertureCorrelator）以及Strobe等技術(shù)。對(duì)于測(cè)量型接收機(jī)，其周圍環(huán)境較為穩(wěn)定，多徑變化也緩慢，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用了MEDLL技術(shù)。MEDLL是建立在統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上的一種抗多徑技術(shù)MEDLL采用多個(gè)相關(guān)器得到相關(guān)函數(shù)的多個(gè)采樣值，然后根據(jù)最大似然準(zhǔn)則進(jìn)行迭代計(jì)算。理論上，如果接收機(jī)受到M路多徑信號(hào)的影響，就需要進(jìn)行M次迭代計(jì)算，但在實(shí)際環(huán)境中，并不知道存在多少個(gè)多徑信號(hào)。由于所有的多徑信號(hào)中只有其中的1-2路占主導(dǎo)作用，因此實(shí)際操作中M值一般選取3或4。在迭代計(jì)算的過程中，MEDLL將多徑信號(hào)考慮在內(nèi)，利用并行通道的窄相關(guān)采樣，估計(jì)出直接信號(hào)和多徑信號(hào)的幅度、延遲和相位，分析延遲最小的信號(hào)為直達(dá)信號(hào)，其它較大延遲的信號(hào)認(rèn)為是多徑信號(hào)分量被消除。2.3環(huán)路設(shè)計(jì)環(huán)路設(shè)計(jì)包括碼環(huán)和載波環(huán)的設(shè)計(jì)，主要難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)用于反饋控制設(shè)備行為的控制系統(tǒng)，包括延遲鎖定環(huán)（DLL）、鎖相環(huán)（PLL）和鎖頻環(huán)（FLL）。好的動(dòng)態(tài)性能要求DLL能夠精確跟蹤由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)而引起的碼延遲變化，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)包括時(shí)鐘漂移以及用戶和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的視線方向分量。這里考慮用來自于PLL或者FLL的速率測(cè)量來輔助DLL的方案，進(jìn)而改善其動(dòng)態(tài)性能，對(duì)于接收機(jī)轉(zhuǎn)到高精度定位時(shí)，利用延長積分時(shí)間的方案提高測(cè)量精度。載波同步也考慮到兩種情況，PLL能夠同時(shí)跟蹤載波頻率和相位，測(cè)量精度高，但動(dòng)態(tài)性能差。FLL僅能跟蹤載波的頻率，動(dòng)態(tài)性能較好，但精度較差，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)環(huán)境的不同，合理切換為PLL或者FLL。
2調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
對(duì)于所有需要輸入的環(huán)路數(shù)據(jù)按功能劃分放在一起傳輸。上電時(shí)，F(xiàn)PGA所有的通道處于復(fù)位狀態(tài)，快捕開始工作，搜索衛(wèi)星，并將1ms相關(guān)累加結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線傳給DSP。DSP在接收到觸發(fā)中斷信號(hào)時(shí)，對(duì)捕獲到的衛(wèi)星分配通道，復(fù)位和初始化。然后將環(huán)路信息寫入FPGA，進(jìn)行環(huán)路的更新，同時(shí)發(fā)送通道控制信息，控制相應(yīng)的地址數(shù)據(jù)搬移到串口緩沖區(qū)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)于DSP處理的PVT數(shù)據(jù)，則直接通過數(shù)據(jù)總線存儲(chǔ)到FPGA的雙口RAM中，然后搬移到串口緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。如圖5所示，這樣FPGA中每個(gè)通道和外部的數(shù)據(jù)總線之間的連接最簡(jiǎn)單，便于FPGA的布局布線和實(shí)現(xiàn)時(shí)的功能更改和擴(kuò)展。在PC機(jī)終端軟件設(shè)計(jì)時(shí)，將每個(gè)通道的環(huán)路數(shù)據(jù)按時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)，針對(duì)特定的通道數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和分析調(diào)試。
3系統(tǒng)測(cè)試與分析
測(cè)試時(shí)間：2013-2-25下午1點(diǎn)40分；測(cè)試地點(diǎn)：空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院科研樓，天線放置于樓頂；測(cè)試儀器：接收機(jī)板卡、計(jì)算機(jī)、天線、串口傳輸線和直流穩(wěn)壓電源。高精度定位解算實(shí)驗(yàn)條件：由于高精度的定位解算主要處理對(duì)象是載波相位，通過解算整周模糊度來進(jìn)行RTK驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用雙天線測(cè)姿的方法來驗(yàn)證不僅簡(jiǎn)便，而且可靠。具體流程為：首先利用2個(gè)NovAtel接收機(jī)板卡及天線，并將兩天線分別放置于已知基線長度為2.018m的兩端，利用其自帶的CDU軟件進(jìn)行長時(shí)間解算，得到基線仰角為0°，方位角為-85°。然后換成自研的高精度接收機(jī)板卡，進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，將采集的數(shù)據(jù)利用自研的軟件進(jìn)行解算（LAMBDA算法），得到的結(jié)果?？梢钥闯觯€長度誤差在1cm范圍內(nèi)，仰角與方位角誤差也在0.6°范圍內(nèi)，滿足精度要求，說明研發(fā)的高精度接收機(jī)板卡性能良好。的結(jié)果顯示的為5000個(gè)1ms環(huán)路數(shù)據(jù)（5s），從載波多普勒頻移可以看出，這段時(shí)間內(nèi)載波環(huán)由寬帶跟蹤轉(zhuǎn)到窄帶跟蹤。從其它參量也可以得到跟蹤性能良好的結(jié)論，但在3s左右的時(shí)刻出現(xiàn)了I路相關(guān)累加值增大情況，這是由于進(jìn)入窄帶跟蹤的緣故。
4結(jié)論
系統(tǒng)針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航高精度接收機(jī)的L2載波接收、多徑效應(yīng)抑制和環(huán)路三部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)試表明，高精度接收機(jī)性能較好，精度在1cm范圍內(nèi)；調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了輔助硬件程序調(diào)試和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的目的。
作者：張洪革 張穎 龐春雷 張豪 單位：空軍電磁頻譜管理中心 空軍 93936 部隊(duì)銀川場(chǎng)站 空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院