一種星載GPS接收機設計及測試

趙德功，魏小豐

(1 中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066004； 2 中國電子科技集團公司第20研究所 總體部，陜西 西安 710068)

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一種星載GPS接收機設計及測試

趙德功1，魏小豐2

(1 中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066004； 2 中國電子科技集團公司第20研究所 總體部，陜西 西安 710068)

為解決星載GNSS接收機具備高動態(tài)信號的跟蹤與鎖定功能，基于自行研發(fā)的星載GPS導航接收機，通過軟件升級使其能夠工作在LEO、GEO和更高軌道高度上，實現(xiàn)更快的信號捕獲能力和對微弱信號的跟蹤能力。文中給出了接收機的軟硬件架構及功能描述，以及低軌道高動態(tài)條件下的模擬器測試結果，通過測試表明，文中給出的接收機具有高動態(tài)、微弱GNSS信號的捕獲跟蹤性能，具備星載搭載條件。

GPS接收機；星載；微弱信號；捕獲跟蹤

地球高軌道(High-AltitudeOrbit)包括地球靜止軌道(GeostationaryOrbit，GEO)和大橢圓軌道(HighlyEccentricOrbit，HEO)等，其軌道最大高度一般高于20 000km。現(xiàn)代社會，高軌衛(wèi)星在通信、導航、氣象、預警等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，高軌自主導航技術已經(jīng)成為我國迫切需要發(fā)展的航天新技術之一，在高軌航天器上使用導航接收機成為各類工程應用的熱點。

但是星載GNSS接收機載體在空中運行時的速度很大，可達每秒幾公里，產生的信號多普勒頻移將近100kHz，而且星載GNSS接收機在工作時也會不停地抖動，這些因素決定了星載GNSS接收機必須要且備高動態(tài)信號的跟蹤與鎖定功能，以保證接收機能夠持續(xù)的跟蹤到衛(wèi)星信號。

正因為星載接收機的廣闊應用前景，國外諸多科研機構都進行了研究和產品開發(fā)。2001年，美國國家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA)發(fā)射了AMSAT-OSCAR- 40 (AO-40)衛(wèi)星，并在在1 000～58 800km大橢圓軌道上，利用這顆衛(wèi)星對GPS接收機用于高軌衛(wèi)星自主導航進行了探測性試驗[1-2]。實驗中采用2個Trimble接收機，在航天器近地側安裝4個普通GPS天線，在航天器遠地側安裝了4個高增益GPS天線(最高增益9.2dBi)，此次飛行試驗獲得了大量的GPS導航信號多普勒、載噪比、觀測星數(shù)等數(shù)據(jù)。

2001年，NASA戈達德空間中心GSFC(GoddardSpaceFlightCenter)開發(fā)了PiVoTGPS接收機[3]，PiVoT最初為LEO低軌應用設計，通過修改軟件使其能夠工作在LEO、GEO和更高軌道高度上，此款接收機具有更快的信號捕獲能力和對微弱信號的跟蹤能力。

本文就基于ABFCM的異構多平臺混雜系統(tǒng)有限干預式協(xié)同決策機制課題支持下進行自主研發(fā)的星載GPS接收機進行介紹，包括系統(tǒng)架構、導航處理等，并給出了測試結果。

1　接收機架構

1.1硬件架構

GPS接收機硬件架構如圖1所示，其主要包括時頻、供電以及核心的前端模塊和計算模塊。

圖1　接收機硬件架構

采集自天線的射頻信號經(jīng)過前置低噪聲放大器(LNA)后，下變頻到中頻信號，之后通過A/D采樣進入計算模塊。

計算模塊主要由捕獲跟蹤FPGA和跟蹤相關器、導航解算DSP，慣性器件組成，經(jīng)過捕獲跟蹤處理過的GNSS偽距、載波、多普勒測量信息經(jīng)過導航解算輸出位置、速度、時間(PVT)信息給接口。為提高接收機的微弱信號捕獲跟蹤性能，慣性器件提供了良好的輔助信息，能夠在接收機處于惡劣條件下，通過速度、多普勒等信息的輔助進行信號的快速重捕，提高靈敏度。

1.2軟件結構

衛(wèi)星在高動態(tài)環(huán)境下的導航定位面臨的難點主要是高動態(tài)載體接收到的GPS衛(wèi)星信號存在巨大的多普勒頻移以及多普勒頻移率，這是由載體與衛(wèi)星之間的視線距離的高機動造成的。多普勒頻移以及多普勒頻移率造成的碼相位誤差過大、并且變化速度快，這超出傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路鑒相器容忍范圍，造成信號失鎖。當多普勒頻移足夠大時，會造成更新周期內的相位差大于360°，這時鎖相環(huán)得到的相位誤差雖然在忍受范圍之內，但其實已經(jīng)發(fā)生錯誤，不能正確定位。

衛(wèi)星導航接收機[4-6]跟蹤環(huán)路中不同信號的高動態(tài)性能是不同的。由于載波頻率為1 575．42MHz，對應的載波波長約為19cm，載波環(huán)路能帶來精確的定位結果的同時高動態(tài)環(huán)境下也非常脆弱。偽碼碼片對應的距離為293m，而碼環(huán)的鑒相器承受范圍為 ，這就決定了同樣條件下偽碼跟蹤環(huán)的高動態(tài)性能要遠遠優(yōu)于載波跟蹤環(huán)路。另外，在載波環(huán)路跟蹤足夠精確的條件下，偽碼跟蹤環(huán)通過延遲鎖定環(huán)路(DLL)可以精確的計算出相位誤差。所以，解決高動態(tài)環(huán)境下的導航定位問題的關鍵是解決載波環(huán)路的穩(wěn)定跟蹤問題。

采用GPS/INS超緊組合導航技術理論上可以通過慣導系統(tǒng)輔助衛(wèi)星導航接收機跟蹤環(huán)路的方法來實現(xiàn)載波環(huán)路的穩(wěn)定運行。超緊組合技術采用慣導系統(tǒng)輔助衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號跟蹤環(huán)路，補償高動態(tài)環(huán)境下多普勒頻移以及多普勒頻移率給衛(wèi)星信號跟蹤帶來的影響，保持衛(wèi)星導航接收機解算的穩(wěn)定運行；同時，衛(wèi)星導航接收機通過估計慣導系統(tǒng)的誤差并及時進行校正使慣導系統(tǒng)誤差收斂[7]。在超緊組合導航系統(tǒng)中，慣導系統(tǒng)利用其1kHz的高頻輸出校正衛(wèi)星信號跟蹤環(huán)路，提高系統(tǒng)整體的高動態(tài)性能。區(qū)別于松組合、緊組合模式，在超緊組合系統(tǒng)中，選取相關器輸出I、Q數(shù)據(jù)作為衛(wèi)星信號的觀測量，消除了誤差相關性給導航解算帶來的誤差，同時也提高了系統(tǒng)的魯棒性，在可視衛(wèi)星數(shù)目少于4顆時系統(tǒng)仍可用當前可視衛(wèi)星與慣導系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)融合。

圖2　接收機軟件結構

基于以上考慮，GPS接收機最終設計軟件架構如上圖所示。其中超緊組合融合算法是核心部分，負責對輸入的偽距誤差、偽距率誤差以及相位跟蹤誤差進行非線性狀態(tài)估計得出慣導系統(tǒng)的位置、速度、姿態(tài)、角速度、加速度等誤差的校正量和衛(wèi)星導航系統(tǒng)的時鐘誤差、鐘漂[8-14]。經(jīng)矯正過的慣導系統(tǒng)結合星歷數(shù)據(jù)控制跟蹤環(huán)路中的載波NCO和偽碼NCO，被慣導系統(tǒng)調節(jié)和控制的載波NCO和偽碼NCO產生本地信號和接收到的衛(wèi)星信號進行相關運算和信號解擴。在接收機軟件設計中，還進行了GNSS獨立/耦合運行模式切換功能，方便在不同條件下使用。經(jīng)過軟件部分運算，系統(tǒng)最終輸出衛(wèi)星的位置、速度、時鐘信息。

2　仿真測試

為了真正能夠有效驗證和測試GPS接收機在高動態(tài)星載條件下的信號捕獲跟蹤及導航定位功能，這里首先將接收機切換到GNSS獨立模式，給出模擬器設置及測試結果和分析。

圖3　接收機模擬器測試圖

仿真場景設置為典型的低軌衛(wèi)星，軌道參考CHAMP衛(wèi)星[4]，如表1所示。

表1　CHAMP衛(wèi)星軌道參數(shù)

仿真中設置星座類型為GPS，仿真初始歷元為2016年4月8日14：15UTC，仿真時間6h，步長1s。星歷文件來源IGS網(wǎng)站[5]。接收機天線假設指向為天頂方向，類型為全向天線，經(jīng)過實時數(shù)據(jù)采集和事后處理，得到衛(wèi)星天線天頂圖如圖4所示。

圖4　HiSGR天線天頂圖

圖中以衛(wèi)星運行方向為前向，因GPS天頂軌跡眾多，圖中僅給出PRN15號衛(wèi)星天頂軌跡，并給出了初始歷元下的各顆衛(wèi)星天頂位置。從圖中可以看出，部分時段PRN15號衛(wèi)星天頂仰角出現(xiàn)負值，這是因為在模擬器設置中，接收天線默認為全向天線，增益為球形(default_v1-0.ant_pat文件)，造成負仰角衛(wèi)星信號的接收，如圖5所示。

在接收機的定位算法中，實際上已經(jīng)對衛(wèi)星的觀測條件進行了計算和排除，對負仰角衛(wèi)星都沒有進入后續(xù)處理。經(jīng)過最優(yōu)選星和計算，給出衛(wèi)星觀測顆數(shù)和PDOP值如下。

圖5　接收機全向天線角度設置

圖6　觀測PDOP值和可見顆數(shù)

接收機在整個測試過程中，對高動態(tài)下的GNSS信號實現(xiàn)了快速準確捕獲，首次定位時間(TTFF)<60s，適合星載應用。

3　結束語

本文就自行研發(fā)的星載GPS接收機的設計、測試進行介紹。給出了接收機的軟硬件架構及功能描述，并最終給出了低軌道高動態(tài)條件下的模擬器測試結果，通過測試表明接收機具有高動態(tài)、微弱GNSS信號的捕獲跟蹤性能，具備星載搭載條件。

[1]MichaelCMoreau,EdwardPDavis,JRussellCarpenter,etal.PreliminaryresultsfromtheGPSflightexperimentontheHEOorbit[C].Breckenridge,CO:25thAnnualAASGuidanceandControlConference,2002.

[2]GeorgeDavisMichaelMoreau,RussellCarpenter,FrankBauer.GPS-BasednavigationandorbitdeterminationfortheAMSATAO-40Satellite[C].Britan:AIAA,2003.

[3]MoreauMC,AxelradP,GarrisonJL,etal.GPSreceiverarchitectureandexpectedperformanceforautonomousnavigationinhigh-altitudeorbits[J].JournalofTheInstituteofNavigation, 2000,47(3):191-204.

[4]OliverMontenbruck,RemcoKroes.In-flightperformanceanalysisoftheCHAMPBlackJackGPSreceiver[J].GPSSolutions,2003(7):74-86.

[5]溫增葵,高曉光,魏小豐.基于VxWorks的機載火控仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].火力與指揮控制,2012,37(7):174-178.

[6]吳海晴,蘇湛,沈昱明.非線性系統(tǒng)的自適應模糊控制器設計[J].電子科技,2016,29(7):36-38.

[7]相瑞,王力.基于小波變換的圖像去噪方法[J].電子科技,2016,29 (7):82-83.

[8]吳周潔,鮑其蓮.電子羅盤在捷聯(lián)慣導初始對準中的應用[J].電子測量技術,2009(1):89-92.

[9]薛琳,高雷.SINS/DGPS組合導航系統(tǒng)[J].電腦知識與技術,2006(29):75-78.

[10]佟盛.AUV導航系統(tǒng)及技術發(fā)展[C].天津:2006年船舶通訊導航學術會議論文集,2006.

[11]樂洋,何秀鳳.區(qū)間自適應Kalman濾波算法在GPS/INS組合導航中的應用[J].大地測量與地球動力學,2010(2):174-178.

[12]王潛心.機載GPS動態(tài)定位定速與定姿理論研究及軟件開發(fā)[D].長沙:中南大學,2011.

[13]張俊根.粒子濾波及其在目標跟蹤中的應用研究[D].西安:西安電子科技大學,2011.

[14]田雋.基于粒子濾波的視頻目標跟蹤算法的研究[D].北京:中國礦業(yè)大學,2010.

Design and Test of One Spaceborne GPS Receiver

ZHAODegong1,WEIXiaofeng2

(1.ChinesePeople’sLiberationArmy91404,Qinhuangdao066004,China;2.GeneralDepartment， 20thResearchInstituteofChinaElectronicTechnologyGroupCorporation,Xi’an710061,China)

WithhighdynamicsignaltrackingandlockingfunctiontosolvethespaceborneGNSSreceiver,thedesignofaself-developedsatellitenavigationreceiverGPS,throughasoftwareupgradetoallowittoworkinLEO,GEOandhigherorbit,achievefastersignalcapturecapabilityandweaksignaltrackingability.ThispaperintroducedthedesignandtestofspaceborneGPSreceiver.Thereceiverhardwareandsoftwarearchitectureandthefunctionaldescriptionisprovided,andfinallygivesthesimulationtestresultsundertheconditionofhighdynamiclowearthorbit.ThroughthetestshowedthatthepromisingperformanceofweakGNSSsignalacquisition&trackingunderhighdynamicconditionswhichissuitableforspaceuse.

GPSreceiver;spaceborne;weaksignal;acquisition&tracking

2016- 08- 22

國家自然科學基金資助項目(61305133)

趙德功(1983-)，男，碩士。研究方向：作戰(zhàn)效能分析，導航定位等。魏小豐(1977-)，男，碩士。研究方向：作戰(zhàn)效能分析等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.044

TN967

A

1007-7820(2016)09-158-04