高动态GNSS双模接收机的设计与实现

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目前我国以及世界其他各国主要使用的导航接收机大多数都依赖于美国的GPS卫星导航系统。与此同时,我国也在致力于北斗卫星导航系统的研制与发展,北斗系统是我国独立自主研发的卫星导航系统。随着北斗卫星导航系统发展,北斗系统已经成为我国救援、导航、军事等领域强有力的后盾与支持,相应的军事型号也要求导航定位必须使用北斗系统。鉴于GPS和北斗2是GNSS的典型系统,并且GLONASS、Galileo的发展目标均是与GPS系统兼容,因此,本课题选取最具代表性的GPS与北斗导航系统双模组合的GNSS接收机进行研究,以北斗系统为主,GPS为辅,研究在高动态的情况下能连续有效的提供准确定位的双模接收机。本文主要包括射频前端处理和数字中频信号处理以及软件PVT解算三部分。其中射频电路部分主要完成了对接收卫星信号的滤波、放大和下变频以及AD转换。对于双模接收机来说,射频电路的前端设计是一样的,都是通过天线,将卫星信号接收过来,经过低噪声放大器对信号的放大后,再用声表面波滤波器进行滤波,这时得到的卫星信号噪声会减少很多,然后通过功分器,将接收到的卫星信号分成GPS和北斗两部分,对两部分不同信号进行单独处理。数字中频信号处理由FPGA和DSP来具体实现,主要包括对GPS信号的捕获、跟踪与数据解调,目的是得到GPS信号中的导航电文数据和C/A码相位及多普勒频率等观测量,从导航数据结构中得出接收机的位置、速度和时间。为了跟踪和解码GPS信号,首先要捕获到可见GPS信号,将捕获到的GPS卫星信号必要参数传递给跟踪环路,通过跟踪过程解调出卫星的导航电文。捕获就是针对某个特定的卫星信号,通过在可能的多普勒频移范围和C/A码相位域里进行搜索,得到输入信号的C/A码起始点和载波频率,跟踪就可以在比较小的范围对输入信号进行跟踪锁定,得到更精确的载波频率和C/A码相位,连续解调出导航电文。捕获为跟踪提供载波频率和C/A码相位。软件解算部分主要包括根据导航数据中的星历参数对接收机各种可能存在的误差的计算及校正,并根据校正后的结果对接收机进行PVT(位置、速度、时间)的解算,并且对各个精度因子进行实时计算和监测,以据此确定定位解的精度是否满足要求。在此基础上,对软件算法进行了优化,并且设计了一款可以查看导航数据,跟踪卫星和定位使用卫星,卫星载噪比,历史轨迹等信息,支持数据记录和回放已记录数据的功能的GNSS观测软件,来对结果进行观测与分析。同时考虑软件的灵活性,以适应各种GNSS系统。完成高动态接收机的研制以后,进一步优化低功耗、小体积、高可靠、高性能等特点。在应用中不断学习,在学习中也不断的进行应用验证,接下来的工作将致力于小型化与更高动态的研究。
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