劉 成，彭 思，林選鋒

（電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610036）

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的成熟，接收機(jī)可以不依靠于地面站而直接測量出低軌道（LEO）衛(wèi)星的軌道信息，具有覆蓋率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、自主導(dǎo)航、低成本的特點(diǎn)[1-4]，成為LEO 衛(wèi)星軌道位置測量的主要手段之一。GPS 衛(wèi)星運(yùn)行在20 200 km 的高軌道上，可以為LEO 衛(wèi)星提供連續(xù)、高精度的自主導(dǎo)航、姿態(tài)測定和時(shí)間同步等功能[6-9]。使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星自主定軌，既能減少LEO 衛(wèi)星對地面站測控的依賴，也能大幅度降低測控成本[10]。

傳統(tǒng)硬件接收機(jī)通常采用專用芯片（ASIC）對數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行處理，主要過程包括捕獲、跟蹤以及數(shù)據(jù)解調(diào)等[2]。ASIC 處理的優(yōu)點(diǎn)是功耗低、速度快和設(shè)計(jì)密度大，缺點(diǎn)是開發(fā)周期長、研發(fā)成本高和設(shè)計(jì)不靈活[11-12]。隨著接收機(jī)技術(shù)的逐漸成熟，研發(fā)出各種各樣包含多種功能的接收機(jī)[5]。因此，需要接收機(jī)可以靈活地適應(yīng)不同的處理算法，基于ASIC 的接收機(jī)不具有靈活性[3]。為了解決接收機(jī)靈活性問題，可以采用軟件無線電思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，即在硬件架構(gòu)上采用通用、開放性的可編程平臺(tái)，通過加載不同的算法程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，將具有這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的接收機(jī)稱為軟件接收機(jī)[8,11]。

1 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)測量原理

接收機(jī)的定位是利用到達(dá)時(shí)間（TOA）測距原理實(shí)現(xiàn)的[9]。TOA 測距原理需要獲得衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離，可通過傳播時(shí)間乘以光速得出。如果獲得了幾個(gè)位置信息已知的衛(wèi)星信號(hào)傳遞時(shí)間，接收機(jī)經(jīng)過計(jì)算可求解出自身的位置信息[13]。

通過測量信號(hào)中的特定測距碼，就可以求出接收機(jī)與衛(wèi)星之間的距離[14-16]。如圖1 所示，由衛(wèi)星在t1時(shí)刻生成測距碼相位，在t2時(shí)刻到達(dá)接收機(jī)，傳播時(shí)間為Δt=t2-t1。在接收機(jī)中，在相同時(shí)間同時(shí)生成和它一樣的信號(hào)，二者在時(shí)間軸上相互移動(dòng)并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，當(dāng)發(fā)生最大相關(guān)時(shí)刻所移動(dòng)的時(shí)間就是傳播時(shí)間[14]。假如接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星時(shí)鐘絕對相同，說明這個(gè)相關(guān)過程將獲得真正的傳播時(shí)間。將這個(gè)真正的時(shí)間與傳播速度相乘，就可以計(jì)算得到接收機(jī)與衛(wèi)星的真正距離[15-20]。

圖1 衛(wèi)星碼的發(fā)送時(shí)間確定

其中，測距碼是由衛(wèi)星按照特定規(guī)則生成的，在每個(gè)碼的相同周期對應(yīng)著某個(gè)特定時(shí)間。通過判斷每個(gè)碼的形狀特征，就可求出時(shí)延τ。由于時(shí)延τ以及各種誤差的影響，測量得到的距離（偽距）ρ＇與衛(wèi)星到接收機(jī)天線的真實(shí)距離ρ之間存在著偏差Δρ，可以表示為：

考慮到存在接收機(jī)鐘差c·δtj、衛(wèi)星鐘差c·δtk、大氣對流層延遲δp2以及電離層延遲δp1，則偽距觀測量可表示為：

其中，j表示衛(wèi)星編號(hào)，j=1,2,3,…；(xj,yj,zj)表示某顆衛(wèi)星某時(shí)刻的位置坐標(biāo)；(xp,yp,zp)表示測站點(diǎn)P點(diǎn)的位置坐標(biāo)。通過對式（2）進(jìn)行線性化，并按最小二乘平差求解該方程組，就可計(jì)算出定位點(diǎn)的位置坐標(biāo)(XP,YP,ZP)。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 射頻前端實(shí)現(xiàn)

該文射頻前端實(shí)現(xiàn)是應(yīng)用于FPGA+DSP 硬件平臺(tái)構(gòu)架下的軟件接收機(jī)，將接收到的射頻模擬信號(hào)變成頻率較低而且包含有信號(hào)的數(shù)字中頻信號(hào)。該射頻前端的實(shí)現(xiàn)方案如圖2 所示。射頻前端處理模塊通過接收機(jī)天線接收所有的可見衛(wèi)星所發(fā)射的信號(hào)；由前置濾波放大器處理之后，和本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行混頻；通過下變頻為中頻（IF）信號(hào)后，經(jīng)過ADC 完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。電路結(jié)構(gòu)主要由MAX2769芯片外加外圍電路實(shí)現(xiàn)，MAX2769 與后續(xù)基帶處理FPGA存在接口關(guān)系，MAX2769 為FPGA 提供2 bit的信號(hào)采樣參考時(shí)鐘及數(shù)字中頻信號(hào)，F(xiàn)PGA 則通過MAX2769 串口完成對其參數(shù)的配置。

圖2 射頻前端實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

基于MAX2769 的射頻前端設(shè)計(jì)主要包括外圍電路、前端參數(shù)設(shè)計(jì)以及芯片寄存器配置和功能實(shí)現(xiàn)。其中，系統(tǒng)采樣率為31 MHz；低中頻頻率為4.092 MHz；中頻信號(hào)輸出量化為2 bit。

由于接收機(jī)接收到的干擾信號(hào)強(qiáng)度會(huì)比地面更強(qiáng)，所以為了避免天線所接收到信號(hào)中可能含有強(qiáng)干擾，被放大后會(huì)讓電路達(dá)到飽和，因此，與天線相鄰的首級器件應(yīng)選擇低噪聲指數(shù)的前置帶通濾波器，使得除了信號(hào)波段外的射頻干擾和噪聲前先被濾除。

多普勒頻率是由于接收機(jī)與導(dǎo)航星徑向連線上產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)引起的，對于軟件接收機(jī)來說，多普勒搜索范圍約為50 kHz。在不考慮多普勒頻移的情況下，衛(wèi)星信號(hào)頻譜是以1 575.42 MHz 為中心頻率的sinc2函數(shù)，主峰頻寬為2.046 MHz?？紤]到接收機(jī)的多普勒高動(dòng)態(tài)范圍，防止C/A 碼信號(hào)發(fā)生畸變，信號(hào)中心頻率附近至少2.1 MHz 的C/A 碼信號(hào)頻譜必須完全通過各個(gè)濾波器，并且2.1 MHz 寬的濾波通帶響應(yīng)必須平穩(wěn)。

2.2 FPGA設(shè)計(jì)

FPGA 主要完成基帶信號(hào)處理，開發(fā)環(huán)境是ISE14.6，采用Verilog語言編程，仿真工具為ModelSim 10.1。接收機(jī)信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。FPGA與DSP 之間采用EMIF 接口交換數(shù)據(jù)。

圖3 信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)

2.2.1 捕獲處理模塊

為了大幅度降低捕獲時(shí)間，可以考慮同時(shí)搜索全部的碼相位，即通過連續(xù)平移本地產(chǎn)生的偽碼相位，并與接收到的偽碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，如果產(chǎn)生最大相關(guān)峰值時(shí)，說明偽碼相位已經(jīng)對齊。捕獲處理的算法流程圖如圖4 所示。

圖4 FFT快捕算法流程圖

利用射頻前端輸出的數(shù)字中頻信號(hào)在Matlab 中進(jìn)行捕獲仿真，捕獲結(jié)果如圖5 所示。多普勒頻移搜索范圍為50 kHz，步頻為1 kHz。從圖5 中能清楚地看到衛(wèi)星捕獲產(chǎn)生的相關(guān)峰值，說明捕獲成功。

圖5 Matlab捕獲仿真結(jié)果

2.2.2 跟蹤處理模塊

跟蹤模塊設(shè)計(jì)12 個(gè)相互獨(dú)立的通道，如圖6 所示。每個(gè)通道獨(dú)立輸出一個(gè)衛(wèi)星跟蹤所需要的超前、實(shí)時(shí)、滯后碼的相關(guān)值，偽碼環(huán)和載波環(huán)模塊進(jìn)行時(shí)分復(fù)用以降低FPGA 資源消耗。在不同的時(shí)間段內(nèi)遍歷各個(gè)通道，分別讀取某個(gè)通道超前、實(shí)時(shí)、滯后碼的相關(guān)值進(jìn)行偽碼環(huán)和載波環(huán)的跟蹤。每個(gè)通道的遍歷時(shí)間在5 μs 左右，跟蹤相關(guān)時(shí)間為1 ms，對12 個(gè)通道在1 ms 內(nèi)完全可以遍歷一遍。

圖6 跟蹤模塊框圖

2.3 DSP設(shè)計(jì)

DSP需要完成12個(gè)獨(dú)立跟蹤通道的控制、定位解算和數(shù)據(jù)接口的功能，對DSP 的運(yùn)算能力和速度有較高的要求，根據(jù)需求選擇TI公司的TMS320C6701。它是TI 公司的一款浮點(diǎn)運(yùn)算DSP，適用于需要大量運(yùn)算且實(shí)時(shí)性要求高的場合，如導(dǎo)航解算等。同時(shí)，在TI 公司浮點(diǎn)DSP 芯片中，TMS320C6701 也是一款可應(yīng)用于惡劣環(huán)境（如太空環(huán)境），并具有高可靠性的產(chǎn)品。主控流程主要在DSP 中進(jìn)行，如圖7 所示。

圖7 DSP捕獲跟蹤控制流程

接收機(jī)開始工作時(shí)，系統(tǒng)初始化模塊對DSP、捕獲模塊、跟蹤模塊、TIC 時(shí)鐘模塊進(jìn)行初始化。啟動(dòng)捕獲模塊工作，設(shè)置信道、捕獲衛(wèi)星號(hào)等信息。完成捕獲后匯報(bào)捕獲狀態(tài)（中斷），如成功則FPGA 切換為跟蹤模塊。跟蹤模塊按捕獲衛(wèi)星號(hào)，在給定跟蹤信道進(jìn)行跟蹤，匯報(bào)測量信息、星歷信息（中斷）。

3 測試結(jié)果

該文采用GSS6560 導(dǎo)航星模擬器對接收機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，導(dǎo)航星模擬器可以模擬GPS 星座、低軌衛(wèi)星的空間運(yùn)行以及導(dǎo)航信息，借助該儀器可以較完整地對接收機(jī)進(jìn)行測試。

將GSS6560 導(dǎo)航星模擬器射頻信號(hào)直接注入到接收機(jī)，在不考慮干擾和噪聲等因素的影響下，統(tǒng)計(jì)得到位置均方誤差為6.49 m，速度均方誤差為0.17 m/s。當(dāng)然，在實(shí)際情況中會(huì)受到外界噪聲、接收通道噪聲等信號(hào)的干擾，導(dǎo)致信噪比降低，精度會(huì)受到較大影響。該測試結(jié)果可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性。

4 結(jié)束語

該文介紹了一種接收機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)方案，測試結(jié)果證明了該工程方案的可行性?；谲浖o線電思想而設(shè)計(jì)FPGA+DSP 的處理架構(gòu)，在硬件架構(gòu)上具有通用性、開放性和可重構(gòu)性。在此基礎(chǔ)上，通過加載不同的算法程序而實(shí)現(xiàn)不同的功能，可根據(jù)應(yīng)用需求實(shí)現(xiàn)四大導(dǎo)航系統(tǒng)中任意的導(dǎo)航解決方案，也可以根據(jù)不同課題需求作出靈活調(diào)整。