趙德功，魏小豐

(1 中國人民解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066004； 2 中國電子科技集團(tuán)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(jī)設(shè)計(jì)及測試

趙德功1，魏小豐2

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

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

GPS接收機(jī)；星載；微弱信號(hào)；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(huì)，高軌衛(wèi)星在通信、導(dǎo)航、氣象、預(yù)警等方面發(fā)揮著越來越重要的作用，高軌自主導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為我國迫切需要發(fā)展的航天新技術(shù)之一，在高軌航天器上使用導(dǎo)航接收機(jī)成為各類工程應(yīng)用的熱點(diǎn)。

但是星載GNSS接收機(jī)載體在空中運(yùn)行時(shí)的速度很大，可達(dá)每秒幾公里，產(chǎn)生的信號(hào)多普勒頻移將近100kHz，而且星載GNSS接收機(jī)在工作時(shí)也會(huì)不停地抖動(dòng)，這些因素決定了星載GNSS接收機(jī)必須要且備高動(dòng)態(tài)信號(hào)的跟蹤與鎖定功能，以保證接收機(jī)能夠持續(xù)的跟蹤到衛(wèi)星信號(hào)。

正因?yàn)樾禽d接收機(jī)的廣闊應(yīng)用前景，國外諸多科研機(jī)構(gòu)都進(jìn)行了研究和產(chǎn)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(duì)GPS接收機(jī)用于高軌衛(wèi)星自主導(dǎo)航進(jìn)行了探測性試驗(yàn)[1-2]。實(shí)驗(yàn)中采用2個(gè)Trimble接收機(jī)，在航天器近地側(cè)安裝4個(gè)普通GPS天線，在航天器遠(yuǎn)地側(cè)安裝了4個(gè)高增益GPS天線(最高增益9.2dBi)，此次飛行試驗(yàn)獲得了大量的GPS導(dǎo)航信號(hào)多普勒、載噪比、觀測星數(shù)等數(shù)據(jù)。

2001年，NASA戈達(dá)德空間中心GSFC(GoddardSpaceFlightCenter)開發(fā)了PiVoTGPS接收機(jī)[3]，PiVoT最初為LEO低軌應(yīng)用設(shè)計(jì)，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(jī)具有更快的信號(hào)捕獲能力和對(duì)微弱信號(hào)的跟蹤能力。

本文就基于ABFCM的異構(gòu)多平臺(tái)混雜系統(tǒng)有限干預(yù)式協(xié)同決策機(jī)制課題支持下進(jìn)行自主研發(fā)的星載GPS接收機(jī)進(jìn)行介紹，包括系統(tǒng)架構(gòu)、導(dǎo)航處理等，并給出了測試結(jié)果。

1　接收機(jī)架構(gòu)

1.1硬件架構(gòu)

GPS接收機(jī)硬件架構(gòu)如圖1所示，其主要包括時(shí)頻、供電以及核心的前端模塊和計(jì)算模塊。

圖1　接收機(jī)硬件架構(gòu)

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

計(jì)算模塊主要由捕獲跟蹤FPGA和跟蹤相關(guān)器、導(dǎo)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(dǎo)航解算輸出位置、速度、時(shí)間(PVT)信息給接口。為提高接收機(jī)的微弱信號(hào)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(jī)處于惡劣條件下，通過速度、多普勒等信息的輔助進(jìn)行信號(hào)的快速重捕，提高靈敏度。

1.2軟件結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的導(dǎo)航定位面臨的難點(diǎn)主要是高動(dòng)態(tài)載體接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào)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(jī)動(dòng)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(hào)失鎖。當(dāng)多普勒頻移足夠大時(shí)，會(huì)造成更新周期內(nèi)的相位差大于360°，這時(shí)鎖相環(huán)得到的相位誤差雖然在忍受范圍之內(nèi)，但其實(shí)已經(jīng)發(fā)生錯(cuò)誤，不能正確定位。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)[4-6]跟蹤環(huán)路中不同信號(hào)的高動(dòng)態(tài)性能是不同的。由于載波頻率為1 575．42MHz，對(duì)應(yīng)的載波波長約為19cm，載波環(huán)路能帶來精確的定位結(jié)果的同時(shí)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下也非常脆弱。偽碼碼片對(duì)應(yīng)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(dòng)態(tài)性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)算出相位誤差。所以，解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的導(dǎo)航定位問題的關(guān)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(dǎo)航技術(shù)理論上可以通過慣導(dǎo)系統(tǒng)輔助衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)跟蹤環(huán)路的方法來實(shí)現(xiàn)載波環(huán)路的穩(wěn)定運(yùn)行。超緊組合技術(shù)采用慣導(dǎo)系統(tǒng)輔助衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)跟蹤環(huán)路，補(bǔ)償高動(dòng)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(hào)跟蹤帶來的影響，保持衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)解算的穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)通過估計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差并及時(shí)進(jìn)行校正使慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差收斂[7]。在超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，慣導(dǎo)系統(tǒng)利用其1kHz的高頻輸出校正衛(wèi)星信號(hào)跟蹤環(huán)路，提高系統(tǒng)整體的高動(dòng)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(guān)器輸出I、Q數(shù)據(jù)作為衛(wèi)星信號(hào)的觀測量，消除了誤差相關(guān)性給導(dǎo)航解算帶來的誤差，同時(shí)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(shí)系統(tǒng)仍可用當(dāng)前可視衛(wèi)星與慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

圖2　接收機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

基于以上考慮，GPS接收機(jī)最終設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)如上圖所示。其中超緊組合融合算法是核心部分，負(fù)責(zé)對(duì)輸入的偽距誤差、偽距率誤差以及相位跟蹤誤差進(jìn)行非線性狀態(tài)估計(jì)得出慣導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)鐘誤差、鐘漂[8-14]。經(jīng)矯正過的慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)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(dǎo)系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制的載波NCO和偽碼NCO產(chǎn)生本地信號(hào)和接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算和信號(hào)解擴(kuò)。在接收機(jī)軟件設(shè)計(jì)中，還進(jìn)行了GNSS獨(dú)立/耦合運(yùn)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(yùn)算，系統(tǒng)最終輸出衛(wèi)星的位置、速度、時(shí)鐘信息。

2　仿真測試

為了真正能夠有效驗(yàn)證和測試GPS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)星載條件下的信號(hào)捕獲跟蹤及導(dǎo)航定位功能，這里首先將接收機(jī)切換到GNSS獨(dú)立模式，給出模擬器設(shè)置及測試結(jié)果和分析。

圖3　接收機(jī)模擬器測試圖

仿真場景設(shè)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(shè)置星座類型為GPS，仿真初始?xì)v元為2016年4月8日14：15UTC，仿真時(shí)間6h，步長1s。星歷文件來源IGS網(wǎng)站[5]。接收機(jī)天線假設(shè)指向?yàn)樘祉敺较?，類型為全向天線，經(jīng)過實(shí)時(shí)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(yùn)行方向?yàn)榍跋颍騁PS天頂軌跡眾多，圖中僅給出PRN15號(hào)衛(wèi)星天頂軌跡，并給出了初始?xì)v元下的各顆衛(wèi)星天頂位置。從圖中可以看出，部分時(shí)段PRN15號(hào)衛(wèi)星天頂仰角出現(xiàn)負(fù)值，這是因?yàn)樵谀M器設(shè)置中，接收天線默認(rèn)為全向天線，增益為球形(default_v1-0.ant_pat文件)，造成負(fù)仰角衛(wèi)星信號(hào)的接收，如圖5所示。

在接收機(jī)的定位算法中，實(shí)際上已經(jīng)對(duì)衛(wèi)星的觀測條件進(jìn)行了計(jì)算和排除，對(duì)負(fù)仰角衛(wèi)星都沒有進(jìn)入后續(xù)處理。經(jīng)過最優(yōu)選星和計(jì)算，給出衛(wèi)星觀測顆數(shù)和PDOP值如下。

圖5　接收機(jī)全向天線角度設(shè)置

圖6　觀測PDOP值和可見顆數(shù)

接收機(jī)在整個(gè)測試過程中，對(duì)高動(dòng)態(tài)下的GNSS信號(hào)實(shí)現(xiàn)了快速準(zhǔn)確捕獲，首次定位時(shí)間(TTFF)<60s，適合星載應(yīng)用。

3　結(jié)束語

本文就自行研發(fā)的星載GPS接收機(jī)的設(shè)計(jì)、測試進(jìn)行介紹。給出了接收機(jī)的軟硬件架構(gòu)及功能描述，并最終給出了低軌道高動(dòng)態(tài)條件下的模擬器測試結(jié)果，通過測試表明接收機(jī)具有高動(dòng)態(tài)、微弱GNSS信號(hào)的捕獲跟蹤性能，具備星載搭載條件。

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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(xué)基金資助項(xiàng)目(61305133)

趙德功(1983-)，男，碩士。研究方向：作戰(zhàn)效能分析，導(dǎo)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