上海宇志--第二代高性能GPS導(dǎo)航接收機(jī)-指標(biāo)測試及系統(tǒng)方案簡要說明

1、第二代高性能 GPS導(dǎo)航接收機(jī) 指標(biāo)測試及系統(tǒng)方案簡要說明V2.0.1GNSS上海宇志通信技術(shù)冇限公訶目錄第一部分 技術(shù)指標(biāo)說明11主要技術(shù)性能指標(biāo)11.111.2有源天線21.3整機(jī)功耗22功能32.1衛(wèi)星接收犬線32.2 GPS射頻板32.3 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航基帶開發(fā)平臺31）模式設(shè)置輸入功能32）調(diào)試信息輸出功能33）定位功能34）非易失存儲(chǔ)功能37）預(yù)測功能424特色4第二部分第二代高性能GPS接收機(jī)開發(fā)驗(yàn)證平臺方案設(shè)計(jì)說明51開發(fā)驗(yàn)證平臺總體方案介紹52開發(fā)器各功能模塊設(shè)計(jì)介紹62.1天線單尤62.2 GPS射頻單尤72.3 GPS基帶處理單元82 4 GPS信號捕獲、環(huán)路跟蹤與定位解

2、算單元10www.caspl.cii上海宇志IGNSS R&D Platform manual - Rev 2.0.1, 16 Oct 201 0第一部分技術(shù)指標(biāo)說明1主要技術(shù)性能指標(biāo)1.1接收機(jī)頻率：1575.42 ± 1.5MHz靈敏度：GPS-130dBm 通道數(shù)：GPS： 12（可擴(kuò)展）定位精度:（相對r秒脈沖時(shí)刻）表2： GPS定位精度參數(shù)GPS位置水 T-1。7.5 m10 m速度水 T- 1。0 lm/s0.15m/s時(shí)間秒脈沖lOOiis注：SA=OFF： PDOPS3秒脈沖：寬度Mims的TTL正脈沖、前沿與UTC同步 初始定位時(shí)I）小GPS初始定位時(shí)間見表

3、2農(nóng)2： GPS初始定位時(shí)間參數(shù)冷康動(dòng)熱啟動(dòng)重捕（失鎖S10s）時(shí)間（s）32101測試方法和數(shù)據(jù)見附錄1動(dòng)態(tài)性能：見表3衣3： GPS接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能速度加速度高度2000m/s16g不限數(shù)據(jù)更新率：10Hz快捕模塊捕獲速度：1秒鐘內(nèi)捕獲完整32顆星，多譜勒范陽為-8KHz8KHz測試方法和數(shù)據(jù)見附錄2數(shù)據(jù)"O：2個(gè)232電平異步串I I1）串丨I缺省波特率為115200bps2）數(shù)據(jù)傳輸格式：NMEA0183格式，門泄義二進(jìn)制格式1個(gè)USB2.0高速傳輸接I I工作電斥：5V±02V 工作電流：v=400mA （全溫度范圍）1.2有源天線類型：GPS有源天線射頻插座：SM

4、A工作電壓：5V±0.2V工作電流：=5O111A （全溫度范圍）放大系數(shù)：“6dB噪聲系數(shù)：S2.5JB 工作頻率：1575.42 ± 1.5MHz1.3整機(jī)功耗GPS衛(wèi)星導(dǎo)航開發(fā)平臺整機(jī)功耗=2.5 W2功能2.1衛(wèi)星接收天線衛(wèi)星接收天線接收GPS衛(wèi)星信號，將GPS衛(wèi)星信號輸入到GPS射頻板。2.2 GPS射頻板接受GPSL1信號輸入，板上完成L1頻段帶通濾波，低噪聲放人，頻綜產(chǎn)生, 模擬下變頻至IQ正交兩路輸出，最后通過雙通道8位AD采樣輸出數(shù)字中頻信 號，提供給GPS衛(wèi)星導(dǎo)航基帶開發(fā)平臺。2.3 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航基帶開發(fā)平臺1）模式設(shè)置輸入功能接收機(jī)可通過RS232接

5、口，設(shè)置初始位置、北京時(shí)間等初始化信息，設(shè)置 工作狀態(tài)、控制數(shù)據(jù)輸出等。2）調(diào)試信息輸出功能通過串口輸出UTC/北京時(shí)間，定位結(jié)果，速度，鐘差，各顆衛(wèi)星的載波相 位平滑偽距，多譜勒頻率，衛(wèi)星尚皮角、方位角和信噪比等到監(jiān)控界而上，輸出 星歷，歷書等形成文件。界面圖形化顯示衛(wèi)星頂視分如圖、信噪比、接收機(jī)運(yùn)動(dòng) 軌跡、通道相關(guān)峰實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線、載波環(huán)和碼環(huán)環(huán)路謀差監(jiān)測曲線等。3）定位功能定位模式可通過軟件命令請求，輸出參考坐標(biāo)系：WGS-84o4）非易失存儲(chǔ)功能具有非易失存儲(chǔ)器，用丁保存接收機(jī)中間運(yùn)行結(jié)果如導(dǎo)航電文等信息。3上海宇志 |GNSS R&D Platform manual - Rev

6、 2.0.1, 16 Oct 201 07）預(yù)測功能DSP軟件和上位機(jī)軟件分別具有可見星預(yù)測功能，上位機(jī)軟件提供豐富的可 見星預(yù)測表格和圖形化曲線信息輸岀。2.4特色第二代GPS衛(wèi)星導(dǎo)航開發(fā)驗(yàn)證平臺與第一代相比較其特色為：在第二代中加入衛(wèi)星快捕模塊，模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，捕獲速度快的同時(shí)占用FPGA資源極少。 數(shù)據(jù)更新率由原來的1Hz提高到10Hz冷熱啟動(dòng)時(shí)間大大縮短程序結(jié)構(gòu)粘煉，緊湊系統(tǒng)參數(shù)配置靈活，方便調(diào)整程序模塊化，易丁移植程序模塊可任不同導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)開發(fā)中靈活復(fù)用結(jié)構(gòu)適合多模接收機(jī)開發(fā)上海宇志IGNSS R&D Platform manual - Rev 2.0.1, 16 Oc

7、t 201 05上海宇志IGNSS R&D Platform manual - Rev 2.0.1, 16 Oct 201 0第二部分第二代高性能GPS接收機(jī)開發(fā)驗(yàn)證平臺方案設(shè)計(jì)說明1開發(fā)驗(yàn)證平臺總體方案介紹第二代高性能GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)開發(fā)驗(yàn)證平臺是茲J：通用熨導(dǎo)航與通信DSPTPGA 開發(fā)平臺，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，集擴(kuò)頻通信與解擴(kuò)、導(dǎo)航、信號處理及相關(guān)軟件算法 為-體，11所仃代碼全面開源，成功地解決了用戸在系統(tǒng)集成、二次軟件開發(fā)屮的實(shí)際問GPS衛(wèi)尺導(dǎo)航接收機(jī)開發(fā)驗(yàn)證平臺組成主耍包括：大線單元、GPS射頻單尤和GPS P. 星導(dǎo)航接收機(jī)基帶開發(fā)平臺，比中GPS射頻單元主要完成G

8、PSL1頻點(diǎn)的帶通濾波，低噪聲 放人，頻綜產(chǎn)生，模擬混頻和雙路AD正交采樣等功能，基帶開發(fā)平臺主耍11DSP和FPGA 構(gòu)成，其屮FPGA主要完成衛(wèi)星信號的快速捕獲、衛(wèi)星導(dǎo)航的基帶處理,ifljDSPi要完成FPGA快捕模塊的捕獲觸發(fā)、控制及結(jié)果的讀取.戯波環(huán)和碼環(huán)的環(huán)路控制以及后續(xù)的導(dǎo)航定位解算等功能.如圖21所示。nVGAVGALNAAMPAMPIP廠VGAFrequency SynthosizorVGAPower ManagementDC/DC ConverterMemory . UART . RTC . USBSupervi sory圖2-1 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)開發(fā)驗(yàn)證平臺系統(tǒng)組成框

9、圖（1）GPS有源接收犬線接收GPS衛(wèi)星信號并輸入到開發(fā)半臺的射頻板上，射頻通道采用分立元件完成所需轉(zhuǎn)換。（2）在GPS射頻通道中,頻綜模塊SI4133通過FPGA的SPI接I配置產(chǎn)生1575MHz 本振信號，與從天線進(jìn)來的GPS信號經(jīng)帶通濾波和低噪聲放大后-起進(jìn)入AD8347進(jìn)行混 頻，經(jīng)四階elliptic低通濾波Z后，輸出近似零中頻IQ正交兩路基帶信號，做為AD采樣的 模擬輸入信號。（3）某帶信兮處理功能由Altera的FPGA-EP2C70F672完成。比中FPGA中的阜帶信 號處理主耍包括GPS信號快速捕獲模塊、載波NCO產(chǎn)生、碼NCO產(chǎn)生、復(fù)相位旋轉(zhuǎn)數(shù)字 卜變頻、本地GPS擴(kuò)頻碼產(chǎn)

10、生、相關(guān)器、時(shí)施信號產(chǎn)生、原始觀測數(shù)據(jù)TIC時(shí)刻測駅、GPS 位同步幀同步信號處理模塊等，另外FPGA完成兩路串II收發(fā)、USB接II總線訪問、射頻 頻綜SPI接I I配置、FPGA與DSP總線接I通訊等功能。（4）環(huán)路跟蹤與定位解算功能rh TI的DSP-TMS320C6713B來實(shí)現(xiàn).DSP主耍完成 FPGA快捕模塊的觸發(fā)、控制及捕獲結(jié)果的讀取，GPS各通道的初始化，各通道超前、即時(shí) 和滯后相關(guān)值的讀取和存儲(chǔ)，戯;波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)的環(huán)路控制,TIC時(shí)刻觀測數(shù)據(jù)的讀取， 我波柑位輔助偽距平滑處理，跟蹤多譜勒kalnian濾波處理，GPS幀數(shù)據(jù)的讀取和導(dǎo)航電文 解析、衛(wèi)星歷巧的實(shí)時(shí)心儲(chǔ)，GP

11、S泄位解算和速度求解、GPS授時(shí)環(huán)路控制和串II協(xié)議的 組幀和解幀等功能。2開發(fā)器各功能模塊設(shè)計(jì)介紹2.1天線單元GPS仃源接收人線，通過SNIA接頭與射頻板相連，天線貝體參數(shù)耍求如F> 類空：GPS有源犬線> 射頻插座：SNIA>工作電壓：5V±0.2V> 工作電流：v=50mA （全溫度范陽）>放人系數(shù)：36dB>噪聲系數(shù)：25dB> 工作頻率：1575.42±1.5RIHzoo圖2-2 GPS有源犬線2.2 GPS射頻單元GPS射頻通道原理如圖2-3所示GFS接收天線GPS射頻通道圖23 GPS射頻通道原理框圖從犬線進(jìn)來的GP

12、S信號兩級低噪放進(jìn)行30dB的放人，之.后通過中心頻率在1575MHz, 帯寬40MHz的無源介質(zhì)濾波器，濾除GPS射頻倍號帶外干擾，經(jīng)過濾波Z后的信號與從頻 綜過來的1575MHz本振信兮一起進(jìn)入AD8347進(jìn)行混頻，輸出中心頻率在0.42MHz的近似 冬屮頻IQ兩路止交皋帯信號，經(jīng)AD9288 化為8位數(shù)字信號進(jìn)入FPGA基帯處理，選取 近似不中頻正交英帶信號輸出的優(yōu)點(diǎn)主要仃： 相比零屮頻正交某帶輸出町以減少瓦流偏移的影響；7上海宇志IGNSS R&D Platform manual - Rev 2.0.1, 16 Oct 201 0 配1575MHz比配1575.42MHz,頻綜

13、M以獲得更低的旁瓣； 相比實(shí)中頻方案，其低通濾波器可以減少一倍的帶寬，從而減少帶外噪聲抑制，提高我 噪比。壟帶信號釆集宙AD9288組成兩路獨(dú)立的基帯信號采集通道，把射頻單元輸出的IQ正 交模擬基帶信匕轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，供后端某帶信號處理單尤使用.接收倍號：GPSL1頻段（通過修改射頻參數(shù)可兼容其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻段）接收頻率范 ffl： 1575.42 ± 1.5MHz本振頻率:1575.000 000MHz （可通過SPI接口修改本振頻率）中頻信號輸出我波頻率：0.42RIHZ（近似零中頻，參數(shù)可通過修改本振頻點(diǎn)來改變）中頻信號樣式：雙路復(fù)正交信號 AD采樣頻率：默認(rèn)39NIHZ （

14、采樣頻率宙基帶處理板供給，可修改）大線接II： MCX （5V饋電輸出，最大供應(yīng)電流1 OOniA）供電：5V外部供電，工作電流150mA2.3 GPS基帶處理單元GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)展帶處理單元如圖24所示圖24 GPS R星導(dǎo)航接收機(jī)皋帶處理單尤基帶處理板硬件平臺基于DSP+FPGA4-USB2.0架構(gòu)開發(fā)： DSP采用TI公rij的高速浮點(diǎn)糧處理器TN1S320C6713B，主頻300MHz,達(dá)2400MIPS, 幾仃強(qiáng)人的通用倍號處理能力，在接收機(jī)基帯處理”主耍完成可見星預(yù)測、載波環(huán)/碼環(huán)環(huán) 路濾波和控制、導(dǎo)航電文解析、定位解算和速度求解、授時(shí)環(huán)路控制和審I 1協(xié)議的紐幀和無 幀等工作

15、； FPGA采用ALTERA的Cyclonell EP2C70F672C8芯片，350力門，門數(shù)資源年常豐富, 在接收機(jī)基帶處理中主耍完成載波NCO產(chǎn)牛、碼NCO產(chǎn)牛、復(fù)相位旋轉(zhuǎn)數(shù)字卜變頻、本 地?cái)U(kuò)頻碼產(chǎn)生、相關(guān)器、時(shí)基信號產(chǎn)生、觀測數(shù)據(jù)TIC時(shí)刻測量、幀同步信號產(chǎn)生和幀數(shù) 據(jù)解調(diào)等，另外完成兩路串II收發(fā)、USB接II總線訪問、射頻頻綜SPI接II配置、FPGA與 DSP總線接I I通訊等匸作； USB2.0高速數(shù)據(jù)傳輸接I I采用Cypress公司的CY7C68013芯片，芯片工作在480Mbps 高速傳輸模式，端II配置為同步從FEFO模式，在接收機(jī)基帶處理中主耍完成GPS中頻數(shù)據(jù) 的實(shí)

16、時(shí)采集和心儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)的硬盤上，為軟件接收機(jī)開發(fā)提供原始屮頻數(shù)據(jù)源。 板上的ALTERA MAXn EPM570T144芯片，預(yù)留開發(fā)，用板上DSP和FPGA程序 代碼在線升級功能； 1片X64Nfb 16位總線FLASH芯片，用存儲(chǔ)DSP運(yùn)行代碼和人量用戶非易失性數(shù) 據(jù)：1片X 128Mb 32位總線SDRAM,擴(kuò)展DSP外部存儲(chǔ)器資源：#上海宇志 |GNSS R&D Platform manual - Rev 2.0.1, 16 Oct 201 0 1片X64/128/256kb EEPROM,用J：存儲(chǔ)用戸非易失性數(shù)據(jù)； 2片X2/4/8Mb 16位總線SRAM擴(kuò)展FPGA外部存儲(chǔ)

17、器資源，可做為數(shù)據(jù)采集乒乓 存儲(chǔ)使用； 1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊(RTC),保存實(shí)時(shí)時(shí)間信息，掉電不丟火： 1個(gè)10.000 000MHz溫補(bǔ)晶振，頻率穩(wěn)定度為1.0ppm(-400C+85OC),做為整個(gè)接收 機(jī)T作的全局主時(shí)鐘。 6個(gè)用戶指示燈： 1個(gè)用戶多功能指示彩燈： 1個(gè)系統(tǒng)復(fù)位按鍵： 1個(gè)配置撥碼開關(guān)：基帶信號處理單尤由一片Altera的FPGA EP2C70F672C8構(gòu)成，完成GPS的基帶信號 處理，主耍包括載波NCO產(chǎn)生、碼NCO產(chǎn)生、復(fù)和位旋轉(zhuǎn)數(shù)字卜變頻、本地GPS擴(kuò)頻碼 產(chǎn)生、相關(guān)器、時(shí)基信號產(chǎn)牛、觀測數(shù)據(jù)TIC時(shí)刻測杲、GPS幀同步信號產(chǎn)生和幀數(shù)據(jù)解 調(diào)等。2.4 GPS信號捕

18、獲、環(huán)路跟蹤與定位解算單元GPS信號捕獲、環(huán)路跟蹤與定位解算單尤由DSP及其外用心儲(chǔ)器和接II電路組成，它 主耍完成環(huán)路跟蹤和定位解算功能，包括FPGA快捕模塊的觸發(fā)、控制及捕獲結(jié)果的讀取, GPS各通道的初始化，各通道超前、即時(shí)和滯后柑關(guān)值的讀取和存儲(chǔ)，載波跟蹤環(huán)和碼跟 蹤環(huán)的環(huán)路控制，TIC時(shí)刻觀測數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ)，我波相位輔助偽距平滑處理，跟蹤多譜 勒kalman濾波處理，GPS幀數(shù)據(jù)的讀取和導(dǎo)航電文解析、GPS定位解算和速度求解、$11 協(xié)議的組幀和解幀等功能。2.4.1快捕模塊與第一代相比，第二代高性能GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)開發(fā)驗(yàn)證平臺加入了我司自主研發(fā) 設(shè)計(jì)的GPS衛(wèi)星信號快速捕獲模

19、塊，其特點(diǎn)有,完全3T FPGA設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊并流水處 理、代碼運(yùn)行高效11占用FPGA資源少，人人加快了衛(wèi)星信號的捕獲速度。GPS快速捕獲模塊壟FPGA程序框架設(shè)計(jì)，經(jīng)外部控制模塊如DSP等直入衛(wèi)星弓、 快捕通道號選擇，給入后觸發(fā)快捕模塊，這樣基J： FPGA的快捕模塊便開始獨(dú)立進(jìn)行衛(wèi)星 信號的捕獲過程，捕獲結(jié)束后給出結(jié)束標(biāo)恵，并H輸出當(dāng)前捕獲的衛(wèi)星號，信號'卜均噪聲基 上海宇志 |GNSS R&D Platform manual - Rev 2.0.1, 16 Oct 2010底，相關(guān)峰最人值以及最人值點(diǎn)對血信號位置及信號頻率等狀態(tài)信息，DSP獲取這些信息 Z后根據(jù)捕獲門限

20、判決即可判斷當(dāng)前衛(wèi)星是否可見，以及對應(yīng)它的碼初相位置和概略多浮勒 頻率?？觳赌K匸作流程圖如圖2-5所示圖2-5快捕模塊工作流程圖基J FPGA的GPS衛(wèi)星信號快速捕獲模塊采用4ms的GPS屮頻采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)捕獲, 模塊設(shè)汁中考1S動(dòng)態(tài)環(huán)境卜衛(wèi)星信號的時(shí)效性，因此模塊始終以當(dāng)前最新的4ms數(shù)據(jù)進(jìn)行 捕獲，快捕模塊集成了 4個(gè)等效并行獨(dú)&通道同時(shí)進(jìn)行GPS信號捕獲處理，每個(gè)通道從觸 發(fā)開始捕獲至捕獲結(jié)束共；/.； 4259772個(gè)時(shí)鐘（CLOCK）周期，F(xiàn)PGA以62MHz的主時(shí)鐘匚 作，因此每個(gè)通道捕獲一顆星共需4259772/62e6 = 68 706ms.由J：模塊集成了 4個(gè)等

21、效快捕 模塊，因此相當(dāng)T快捕模塊捕獲完一顆星所需時(shí)間為68.706/4= 17.1765ms,以GPS完揺32 顆星搜索來計(jì)算，捕獲完32顆星共需時(shí)仙17.1765*32 = 549.648ms,這與實(shí)際測試IE常相近, 通過DSP實(shí)際捕獲32顆星共需時(shí)間在551555ms左右，與理論值冇誤差的原因是在J： DSP 讀取結(jié)果并做處理的時(shí)延造成的。2.4.2相位旋轉(zhuǎn)法來進(jìn)行數(shù)字下變頻在實(shí)際情況卜，經(jīng)過模擬卜變頻后的I、Q兩路信號仍舊殘留有一定的多普勒頻偏，為 了消除多普勒頻偏，就耍利用相位旋轉(zhuǎn)法來進(jìn)行數(shù)字下變頻，盡可能地消除多普勒頻偏，這 種方法所得的同初E交佶號分吊不存在比他頻率分亦 與傳統(tǒng)的

22、正交卜變頻法相比，可以省 上低通濾波器，減少對信號的延時(shí)和衰減。同相正交信號分別為：人=d(r)M)cos 與 Qhl=d(t)p(t)sina)ct用復(fù)數(shù)可以表示為:S(/) = 4 + jQin = d(/)p(/)(cosqf + jsin©) = d p嚴(yán)我波NCO的輸出用復(fù)數(shù)表示為厶_NCO = cos(©/)+ jsin(6yH/) = eM/ 所以，S L_ NCOQ) = d(f)p嚴(yán).嚴(yán)=d(/)p(/)R(g”=d(/)p(/)cos(© + ©)/+ jd(/)M)sin(Q< += (/ + J(?)(cos ©

23、f + j sin M t)=(/ cos coct - Q sin coj) + y(/ sin coct + Q cos coct)則相位旋轉(zhuǎn)后的I、Q信號為:爲(wèi)=dP(J) cos(© + ©)f = lin cos covt - Qin siii coetQ<na = d(f) p(t) sin(0 + ©)/ = Im sin © t + Qm cos col由上而兩式可以看出，相位旋轉(zhuǎn)法不僅將I、變頻簡化為簡單的四則運(yùn)算，而且還沒仃引入其他頻率分杲。2.4.3碼跟蹤環(huán)當(dāng)捕獲到仃用信號后，即收發(fā)PN碼相位差在半個(gè)時(shí)片以內(nèi)時(shí)，同步系統(tǒng)轉(zhuǎn)入保

24、持同步 階段，仃時(shí)也稱為細(xì)同步或跟蹤狀態(tài)，也就是無論什么外界岡索引起收發(fā)兩端PN碼的頻率 或相位偏移，同步系統(tǒng)總能使接收端PN碼跟蹤發(fā)端PN碼的變化。顯然，跟蹤的作用和過 程都是閉環(huán)運(yùn)行的，當(dāng)兩端相位發(fā)生差別后，環(huán)路能根據(jù)謀差人小進(jìn)行口動(dòng)調(diào)整以減小誤差。傳統(tǒng)的碼跟蹤環(huán)人多采用延遲鎖定環(huán)，延遲鎖定環(huán)采用兩個(gè)獨(dú)立的相關(guān)器，結(jié)構(gòu)如圖 2-6 W示。來自我波跟蹤環(huán)的我波對捕獲信兮進(jìn)行我波剝離，然后將我波剝離后的信號送入 偽碼跟蹤環(huán)，即延遲鎖定環(huán)。#上海宇志IGNSS R&D Platform manual - Rev 2.0.1, 16 Oct 201 0輸入 信號延遲鎖定環(huán)圖26延遲鎖立環(huán)結(jié)

25、構(gòu)圖假設(shè)圖2-6中的延遲鎖定環(huán)工作在零中頻的BPSK調(diào)制IF相干DS擴(kuò)頻信兮卜。輸入信號 中的PN碼分別與本地產(chǎn)生的兩個(gè)提詢與滯后1/2個(gè)比特的PN碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，按照PN碼 和關(guān)特性，輸入倍號與木地PN碼的相關(guān)特性應(yīng)為三角波，但11JJ兩個(gè)相關(guān)支路本地PN碼相差1比特，則兩個(gè)三角波的絳值也相差1個(gè)比特，為個(gè)三角波經(jīng)相加器反相介成以后成為一個(gè)S形曲線，即鎖相環(huán)的鑒相特性。圖27為這些曲線構(gòu)成情況，S曲線衣明，如果收到的信號與木地PN碼相差仃提前或 延后，則加法器輸出為正的或負(fù)的電樂。此電壓經(jīng)環(huán)路濾波器后去控制本地壓控振蕩器 VC0,它再去調(diào)整PN碼蝕發(fā)生器，使PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的PN碼的頻率與相

26、位跟蹤外來PN 碼信巧的變化。這就足延遲鎖定環(huán)的茲本工作原理。與第一代相比，第二代高性能GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)開發(fā)驗(yàn)證平臺在傳統(tǒng)的二階延遲鎖 定環(huán)基礎(chǔ)上加入了窄相關(guān)及多點(diǎn)相關(guān)值擬介調(diào)廿等技術(shù)，提衙接收機(jī)抗多徑能力。244載波跟蹤環(huán)栽波跟蹤環(huán)主耍通過鎖頻環(huán)和鎖相環(huán)橋確跟蹤上載;波的頻率和相位值，常見的鎖頻環(huán)主 要有四相環(huán)和義積環(huán)，鎖相壞主耍以科斯塔斯環(huán)(Costas)壞為主。(1)鎖頻環(huán)(四相)碼片范刖內(nèi)，則R£(k)>0,|I(k)|-|Q(k)|的符號與n=|cos(pk|-|sin<pk|的符號相同,可將載波相位(頻率)誤差分割成4個(gè)區(qū)間，設(shè)校正晟為卩，則何Jsgn/伙

27、)必。"J-sgn0 伙)|/伙)|糾0伙)|A/ = /(k)-/伙-1)卩伙)|糾°(幼其中,AQ = Q(R)_Q(k-D(4)然后，對卩進(jìn)行歸一化，則有力川)2 +如.(2) 科斯塔斯環(huán)(Costas)科斯塔斯環(huán)法又稱為同相正交環(huán)法，它的原理框圖如圖212所示，在此環(huán)路屮,壓控振蕩器(VCO)提供兩路互為正交的我波.與輸入接收信號相乘后送入鑒相器中進(jìn)彳亍鑒相，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與相位羞仃關(guān)的控制壓控，從而準(zhǔn)確地對壓控扳蕩器進(jìn)圖2-12科斯塔斯環(huán)原理圖=atan(Q* /I)就是壓控振蕩器輸出信匕與輸入信號間的相位臣此相位簽經(jīng)過環(huán)路濾波器后輸入到載波NC0中，調(diào)整壓控

28、振蕩器輸出信兮的相位，最后就可以使穩(wěn)態(tài)相位誤基&減小到很小的數(shù)值。這樣床控振蕩器的輸出頻率就是所需耍提収的疲波頻率。壓控振蕩器屮/°=K與，K為頻率控制字，/；為抽樣率39M, N位相位累加器位數(shù)2“上海宇志 IGNSS R&D Platform manual - Rev 2.0.1, 16 Oct 201 039*10632, K=1時(shí)，£ =q32= 0.00908/fc ,這是最小的輸出頻率，也即頻率分辨率。最人輸出頻率為厶，K的最人值為2JV-1.2Costas鎖相環(huán)和?V通鎖相環(huán)一樣，対動(dòng)態(tài)應(yīng)力是玻感的，然而它們能產(chǎn)生最粘確的速度 測吊值。対給定的

29、信號功率電平，Costas鎖相環(huán)與用鎖頻環(huán)的方案相比頁提供差錯(cuò)最少的 數(shù)據(jù)解調(diào)。因此，這是接收機(jī)載波跟蹤環(huán)所希里的穏態(tài)跟蹤模式。內(nèi)此，個(gè)良好設(shè)計(jì)的接 收機(jī)菠波跟蹤環(huán)將用工作在寬頻帶的對動(dòng)態(tài)更為牢固的鎖頻環(huán)環(huán)路閉合起來。然后，將逐漸 減少載波跟蹤環(huán)的帶寬，并過渡到寬帶鎖相環(huán)作方式。最后，將把鎖相環(huán)的帶寬變窄到穩(wěn) 態(tài)工作模式。如果動(dòng)態(tài)應(yīng)力造成鎖相環(huán)失鎖，接收機(jī)將用靈敏的相位鎖定檢測器檢測出這種 情況，并返冋到鎖頻壞。然后，匝復(fù)鎖相環(huán)閉介過程。圖2-11給出了載波跟蹤環(huán)濾波器（由2階FLL輔助的3階PLL濾波器）的方框圖。該濾波器中PLL的謀差輸入被置為0那么濾波器變?yōu)榧僃LL一類似地，如果FLL的

30、謀差 輸入被置為0,則濾波器就變成了純PLL。H-ftM小噪聲的壞路閉合過程是以純FLL的形 式閉介，然后作為FLL輔助的PLL ifuXj來門兩個(gè)鑒別器的誤羞輸入信號同時(shí)加以應(yīng)用，- 育到獲得相位鎖定為止。之后再轉(zhuǎn)換為純PLL, 一直到相位鎖定丟失。然而，如果正確選擇 了環(huán)路噪聲帯寬參數(shù)，當(dāng)兩個(gè)鑒別器持續(xù)I作時(shí)，相対J：理想的載波跟蹤門限性能只有非常圖2-11我波跟蹤壞濾波器位左入 相IM輸2.4.5偽距測量接收機(jī)接收來自衛(wèi)星的孑航定位信匕時(shí)，存在三種時(shí)間系統(tǒng)：各衛(wèi)星的時(shí)間、收機(jī)的時(shí) 間和統(tǒng)一前面兩種時(shí)間的GPS時(shí)間系統(tǒng)。設(shè)偽碼序列從E星到接收機(jī)夭線的傳播時(shí)間為T , 宙J時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)鐘偏羞

31、，則Cxt = P就是因時(shí)鐘偏22而帶仃距離偏羞的站星距離偽 距。那么，要得到偽距數(shù)值，就必須要得到偽碼序列從卩.星到接收機(jī)大線的傳播時(shí)間為r, 因此 偽距測G也就是偽碼序列從衛(wèi)星到接收機(jī)的傳播時(shí)間T的測晟。卅衛(wèi)星發(fā)射機(jī)依據(jù)n己的時(shí)鐘發(fā)出的倉仃測距碼的調(diào)制信號，經(jīng)過了時(shí)間的傳播厲到達(dá) 地面的接收機(jī)，此時(shí)接收機(jī)收到的測距碼為U(t-At),而接收機(jī)的偽隨機(jī)噪聲碼發(fā)牛器乂廣 生了 個(gè)與衛(wèi)星發(fā)播的測距碼結(jié)構(gòu)完全相同的復(fù)制碼U，(tM),并II通過接收機(jī)的時(shí)間延 遲器進(jìn)行移相，對測距碼和復(fù)制碼作相關(guān)處理，半信號之間的自相關(guān)系數(shù)達(dá)到最人，即近J： 1時(shí)，說明在枳分間隔T內(nèi)復(fù)制碼已經(jīng)和測距碼“對齊”，否則

32、繼續(xù)調(diào)整時(shí)間延遲，直至R(t) 二max, 是，就由時(shí)延器測定出兩信號間的時(shí)間延遲。測定門相關(guān)系數(shù)的工作由接收機(jī)鎖 相環(huán)路的相關(guān)器和枳分器來完成，在理想的情況卜，時(shí)延就等尺卩星信號的傳播時(shí)間，此時(shí) 將乘以光速值c,就可以求得衛(wèi)星至接收機(jī)的距離。貝體測員時(shí)，由接收機(jī)時(shí)間可以預(yù)知或假定，因此只耍知道信號的發(fā)射時(shí)間就可以求 得偽距。在GPS的導(dǎo)航電文中，根據(jù)Z計(jì)數(shù)町以知道每一幀開始時(shí)對丿"的GPS時(shí)間。在幀 同步后，我們對數(shù)據(jù)位、碼周期數(shù)、半個(gè)碼片滑動(dòng)整數(shù)及小數(shù)部分分別進(jìn)行技術(shù)就可以得到 測量時(shí)刻信號的發(fā)射時(shí)間.用發(fā)射時(shí)間減去接收時(shí)間就得到傳播延時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)了偽距的測 n.嘰。15上海宇志

33、IGNSS R&D Platform manual - Rev 2.0.1, 16 Oct 201 0附錄1:熱啟動(dòng)時(shí)間序號啟動(dòng)時(shí)間(S)111.140210.535313.65049.500514.510613.47579.58089.925913.3901012.2051113.6551212.8601313.3751410.1651510.0551613.2701711.1451814.745199.5552013.400219.9302212.9502312.695249.250理論計(jì)算值:兩次完整搜捕時(shí)間2*0.55s+環(huán)路穩(wěn)定時(shí)間()5s+位同步時(shí)間0.32S+幀同步時(shí)間

34、7.2 = 9.12s上海宇志 IGNSS R&D Platform manual - Rev 2.0.1, 16 Oct 201 0冷啟動(dòng)時(shí)間序號啟動(dòng)時(shí)間（S）132.205231.905333.005433.804534.304634.004737.105832.405934.8041035.8041137.6051238.7051334.8041434.4041526.705理論計(jì)算值：兩次完整搜捕時(shí)間2*0.55s+環(huán)路穩(wěn)定時(shí)間05s+位同步時(shí)間0.32S+幀同步時(shí)間 72 + （24 幀時(shí)間）=21.12s33.12s#上海宇志 IGNSS R&D Platform

35、manual - Rev 2.0.1, 16 Oct 201 0附錄2：接收實(shí)際衛(wèi)星測試快捕時(shí)間及捕獲情況測試時(shí)間起點(diǎn):程序初始化完成后，主循環(huán)程序開始前加入測試時(shí)間起點(diǎn)（測試時(shí)間桔度Ims） 測試時(shí)間終點(diǎn)：捕獲完32顆星厲，加lA FPGA計(jì)時(shí)時(shí)間提取代碼，提取32顆星完整捕獲 時(shí)間實(shí)際可見衛(wèi)星號：采緩衛(wèi)星號左度角方"信棗比債貶狀戀GPS18a87324468867961911CPBFGFS21«2420444-24125287698CPBFGPS22拿503165127166748764CPEFGPS25拿281634837335175335CPBFGPS1400382

36、2365348464CPEFGPS15a237644PBFGPS12拿411163921496332899CPBFGPSg拿483543PEF序號捕獲時(shí)長（秒）捕獲衛(wèi)星號10.5529, 18, 22, 2520.5529, 12, 18, 21, 22, 2530.5529, 12, 15, 18, 2240.55112, 15, 18, 2250.5549, 12, 14, 15, 18, 21, 22, 250.55112, 14, 18, 2270.55112, 14, 18, 22 80.55112, 18, 21, 2290.55

37、112, 18, 21, 22100.55212, 18, 21, 22, 25110.55112, 18, 22120.55312, 15, 18, 21, 22, 25130.5539, 12, 18, 21, 22, 25140.55218, 21, 22, 25 150.55212, 18, 21, 22, 25160.5529, 12, 18, 22, 27170.55212, 18, 21, 22180.55212, 18, 21, 22, 25, 27190.55212, 18, 21, 22, 25200.55212, 18, 21, 22, 25接收模擬源衛(wèi)星測試快捕時(shí)間及捕

38、獲情況測試時(shí)間起點(diǎn):程序初始化完成后，主循壞程序開始前加入測試時(shí)間起點(diǎn)（測試時(shí)間精度Ims） 測試時(shí)間終點(diǎn)：捕獲完32顆星后，加入FPGA計(jì)時(shí)時(shí)間提収代碼，捉取32顆星完整捕獲 時(shí)間實(shí)際可見衛(wèi)星號：采統(tǒng)衛(wèi)星號冷度角育"爹普th仇更狀去GPS1»1531344343518160643CPBFGPS2»8513243022035505CPBFGPS3拿362884423020106409CPBFGPS6*205944-54618353033CPBFGPS7拿3824944-164320393280CPBFGPS8*3531344269419663779CPBFGPS4

39、«564844-132121230666CPBFGPS5拿3721344299820250519CPBF序號捕獲時(shí)長（秒）捕獲衛(wèi)星號10.5522, 3, 5, 6, 820.5531, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 830.5521, 2, 3, 4, 5, 640.5531, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 850.5541, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 860.5521, 2, 3, 4, 5, 870.5531, 2, 5, 6, 7, 880.5532, 3, 5, 6, 7, 890.552100.552110.551120.553130.552140.554150.552160.553170.552180.553190.553200.553210.553220.553230.554240.552$ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8 1,3,4,6,81 1,2,5,6,7| 1,2,3,5,6,7, 8| L2,3,5,6,8I 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 81, 3,4,6,8VTTTrr -TT