北斗三号GNSS多频接收机的研究与设计

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随着航天航空信息技术的蓬勃发展,由我国自主研制的北斗卫星导航系统已经进入到了其“三步走”战略中的全球化的进程中。截止2018年末,北斗三号系统已经开始在全球范围播发信号,开始了全球服务。但是由于北斗三号系统在设计时采用了新的信号体制以及在载波频点的选择上进行了部分调整,导致当前能够支持北斗三号的卫星接收机还很少。基于此,本文以“射频前端+FPGA+ARM”为基础硬件架构,设计了一款能够支持北斗三号且兼容北斗二号及GPS系统的多频GNSS射频接收机。全文围绕以下几个主要内容进行阐述:根据GPS系统的L1信号与北斗三号系统的B1C信号构成特点,对比两大系统的卫星信号结构组成,提出了多频接收机射频前端的混合式架构方案,推导出了接收机所需达到的灵敏度及噪声系数指标要求。重点针对前级低噪声放大器的设计,利用仿真工具对静态工作点、最佳噪声系数与最佳回波损耗之间的权衡等关键参数进行仿真设计,并对后续的下变频器、中频放大器和中频滤波器等电路进行了分析和设计。分析了多频接收机的数字基带信号的处理流程,具体包括信号通道的选择、信号跟踪锁定过程、相关器中实现的伪码剥离过程以及位置速度时间(Position Velocity Time,PVT)解算。给出了基于FPGA+ARM的基带信号处理系统的实现方案,并就其中具体的载波跟踪单元、伪码跟踪单元,进行详细的设计和实现。根据多频接收机的工作特点,给出了接收机电源的总体设计方案,并对其中所涉及到的电源网络、开关电源及线性稳压器的关键参数进行了详细的设计。针对接收机接口稳定性的特殊要求,进行了缓启动电源接口、防反接电路以及数据USB接口电路的详细设计等。搭建了系统测试环境,分别对接收机射频通道性能指标、电源稳定性、基带模块功能以及整机定位功能进行了验证和测试,并对测试结果进行了分析。
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