一种星载GPS接收机设计及测试

赵德功，魏小丰

(1 中国人民解放军91404部队，河北 秦皇岛 066004； 2 中国电子科技集团公司第20研究所 总体部，陕西 西安 710068)



一种星载GPS接收机设计及测试

赵德功1，魏小丰2

(1 中国人民解放军91404部队，河北 秦皇岛 066004； 2 中国电子科技集团公司第20研究所 总体部，陕西 西安 710068)

为解决星载GNSS接收机具备高动态信号的跟踪与锁定功能，基于自行研发的星载GPS导航接收机，通过软件升级使其能够工作在LEO、GEO和更高轨道高度上，实现更快的信号捕获能力和对微弱信号的跟踪能力。文中给出了接收机的软硬件架构及功能描述，以及低轨道高动态条件下的模拟器测试结果，通过测试表明，文中给出的接收机具有高动态、微弱GNSS信号的捕获跟踪性能，具备星载搭载条件。

GPS接收机；星载；微弱信号；捕获跟踪

地球高轨道(High-AltitudeOrbit)包括地球静止轨道(GeostationaryOrbit，GEO)和大椭圆轨道(HighlyEccentricOrbit，HEO)等，其轨道最大高度一般高于20 000km。现代社会，高轨卫星在通信、导航、气象、预警等方面发挥着越来越重要的作用，高轨自主导航技术已经成为我国迫切需要发展的航天新技术之一，在高轨航天器上使用导航接收机成为各类工程应用的热点。

但是星载GNSS接收机载体在空中运行时的速度很大，可达每秒几公里，产生的信号多普勒频移将近100kHz，而且星载GNSS接收机在工作时也会不停地抖动，这些因素决定了星载GNSS接收机必须要且备高动态信号的跟踪与锁定功能，以保证接收机能够持续的跟踪到卫星信号。

正因为星载接收机的广阔应用前景，国外诸多科研机构都进行了研究和产品开发。2001年，美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA)发射了AMSAT-OSCAR- 40 (AO-40)卫星，并在在1 000～58 800km大椭圆轨道上，利用这颗卫星对GPS接收机用于高轨卫星自主导航进行了探测性试验[1-2]。实验中采用2个Trimble接收机，在航天器近地侧安装4个普通GPS天线，在航天器远地侧安装了4个高增益GPS天线(最高增益9.2dBi)，此次飞行试验获得了大量的GPS导航信号多普勒、载噪比、观测星数等数据。

2001年，NASA戈达德空间中心GSFC(GoddardSpaceFlightCenter)开发了PiVoTGPS接收机[3]，PiVoT最初为LEO低轨应用设计，通过修改软件使其能够工作在LEO、GEO和更高轨道高度上，此款接收机具有更快的信号捕获能力和对微弱信号的跟踪能力。

本文就基于ABFCM的异构多平台混杂系统有限干预式协同决策机制课题支持下进行自主研发的星载GPS接收机进行介绍，包括系统架构、导航处理等，并给出了测试结果。

1　接收机架构

1.1硬件架构

GPS接收机硬件架构如图1所示，其主要包括时频、供电以及核心的前端模块和计算模块。

图1　接收机硬件架构

采集自天线的射频信号经过前置低噪声放大器(LNA)后，下变频到中频信号，之后通过A/D采样进入计算模块。

计算模块主要由捕获跟踪FPGA和跟踪相关器、导航解算DSP，惯性器件组成，经过捕获跟踪处理过的GNSS伪距、载波、多普勒测量信息经过导航解算输出位置、速度、时间(PVT)信息给接口。为提高接收机的微弱信号捕获跟踪性能，惯性器件提供了良好的辅助信息，能够在接收机处于恶劣条件下，通过速度、多普勒等信息的辅助进行信号的快速重捕，提高灵敏度。

1.2软件结构

卫星在高动态环境下的导航定位面临的难点主要是高动态载体接收到的GPS卫星信号存在巨大的多普勒频移以及多普勒频移率，这是由载体与卫星之间的视线距离的高机动造成的。多普勒频移以及多普勒频移率造成的码相位误差过大、并且变化速度快，这超出传统跟踪环路鉴相器容忍范围，造成信号失锁。当多普勒频移足够大时，会造成更新周期内的相位差大于360°，这时锁相环得到的相位误差虽然在忍受范围之内，但其实已经发生错误，不能正确定位。

卫星导航接收机[4-6]跟踪环路中不同信号的高动态性能是不同的。由于载波频率为1 575．42MHz，对应的载波波长约为19cm，载波环路能带来精确的定位结果的同时高动态环境下也非常脆弱。伪码码片对应的距离为293m，而码环的鉴相器承受范围为 ，这就决定了同样条件下伪码跟踪环的高动态性能要远远优于载波跟踪环路。另外，在载波环路跟踪足够精确的条件下，伪码跟踪环通过延迟锁定环路(DLL)可以精确的计算出相位误差。所以，解决高动态环境下的导航定位问题的关键是解决载波环路的稳定跟踪问题。

采用GPS/INS超紧组合导航技术理论上可以通过惯导系统辅助卫星导航接收机跟踪环路的方法来实现载波环路的稳定运行。超紧组合技术采用惯导系统辅助卫星导航系统信号跟踪环路，补偿高动态环境下多普勒频移以及多普勒频移率给卫星信号跟踪带来的影响，保持卫星导航接收机解算的稳定运行；同时，卫星导航接收机通过估计惯导系统的误差并及时进行校正使惯导系统误差收敛[7]。在超紧组合导航系统中，惯导系统利用其1kHz的高频输出校正卫星信号跟踪环路，提高系统整体的高动态性能。区别于松组合、紧组合模式，在超紧组合系统中，选取相关器输出I、Q数据作为卫星信号的观测量，消除了误差相关性给导航解算带来的误差，同时也提高了系统的鲁棒性，在可视卫星数目少于4颗时系统仍可用当前可视卫星与惯导系统进行数据融合。

图2　接收机软件结构

基于以上考虑，GPS接收机最终设计软件架构如上图所示。其中超紧组合融合算法是核心部分，负责对输入的伪距误差、伪距率误差以及相位跟踪误差进行非线性状态估计得出惯导系统的位置、速度、姿态、角速度、加速度等误差的校正量和卫星导航系统的时钟误差、钟漂[8-14]。经矫正过的惯导系统结合星历数据控制跟踪环路中的载波NCO和伪码NCO，被惯导系统调节和控制的载波NCO和伪码NCO产生本地信号和接收到的卫星信号进行相关运算和信号解扩。在接收机软件设计中，还进行了GNSS独立/耦合运行模式切换功能，方便在不同条件下使用。经过软件部分运算，系统最终输出卫星的位置、速度、时钟信息。

2　仿真测试

为了真正能够有效验证和测试GPS接收机在高动态星载条件下的信号捕获跟踪及导航定位功能，这里首先将接收机切换到GNSS独立模式，给出模拟器设置及测试结果和分析。

图3　接收机模拟器测试图

仿真场景设置为典型的低轨卫星，轨道参考CHAMP卫星[4]，如表1所示。

表1　CHAMP卫星轨道参数

仿真中设置星座类型为GPS，仿真初始历元为2016年4月8日14：15UTC，仿真时间6h，步长1s。星历文件来源IGS网站[5]。接收机天线假设指向为天顶方向，类型为全向天线，经过实时数据采集和事后处理，得到卫星天线天顶图如图4所示。

图4　HiSGR天线天顶图

图中以卫星运行方向为前向，因GPS天顶轨迹众多，图中仅给出PRN15号卫星天顶轨迹，并给出了初始历元下的各颗卫星天顶位置。从图中可以看出，部分时段PRN15号卫星天顶仰角出现负值，这是因为在模拟器设置中，接收天线默认为全向天线，增益为球形(default_v1-0.ant_pat文件)，造成负仰角卫星信号的接收，如图5所示。

在接收机的定位算法中，实际上已经对卫星的观测条件进行了计算和排除，对负仰角卫星都没有进入后续处理。经过最优选星和计算，给出卫星观测颗数和PDOP值如下。

图5　接收机全向天线角度设置

图6　观测PDOP值和可见颗数

接收机在整个测试过程中，对高动态下的GNSS信号实现了快速准确捕获，首次定位时间(TTFF)<60s，适合星载应用。

3　结束语

本文就自行研发的星载GPS接收机的设计、测试进行介绍。给出了接收机的软硬件架构及功能描述，并最终给出了低轨道高动态条件下的模拟器测试结果，通过测试表明接收机具有高动态、微弱GNSS信号的捕获跟踪性能，具备星载搭载条件。

[1]MichaelCMoreau,EdwardPDavis,JRussellCarpenter,etal.PreliminaryresultsfromtheGPSflightexperimentontheHEOorbit[C].Breckenridge,CO:25thAnnualAASGuidanceandControlConference,2002.

[2]GeorgeDavisMichaelMoreau,RussellCarpenter,FrankBauer.GPS-BasednavigationandorbitdeterminationfortheAMSATAO-40Satellite[C].Britan:AIAA,2003.

[3]MoreauMC,AxelradP,GarrisonJL,etal.GPSreceiverarchitectureandexpectedperformanceforautonomousnavigationinhigh-altitudeorbits[J].JournalofTheInstituteofNavigation, 2000,47(3):191-204.

[4]OliverMontenbruck,RemcoKroes.In-flightperformanceanalysisoftheCHAMPBlackJackGPSreceiver[J].GPSSolutions,2003(7):74-86.

[5]温增葵,高晓光,魏小丰.基于VxWorks的机载火控仿真系统设计与实现[J].火力与指挥控制,2012,37(7):174-178.

[6]吴海晴,苏湛,沈昱明.非线性系统的自适应模糊控制器设计[J].电子科技,2016,29(7):36-38.

[7]相瑞,王力.基于小波变换的图像去噪方法[J].电子科技,2016,29 (7):82-83.

[8]吴周洁,鲍其莲.电子罗盘在捷联惯导初始对准中的应用[J].电子测量技术,2009(1):89-92.

[9]薛琳,高雷.SINS/DGPS组合导航系统[J].电脑知识与技术,2006(29):75-78.

[10]佟盛.AUV导航系统及技术发展[C].天津:2006年船舶通讯导航学术会议论文集,2006.

[11]乐洋,何秀凤.区间自适应Kalman滤波算法在GPS/INS组合导航中的应用[J].大地测量与地球动力学,2010(2):174-178.

[12]王潜心.机载GPS动态定位定速与定姿理论研究及软件开发[D].长沙:中南大学,2011.

[13]张俊根.粒子滤波及其在目标跟踪中的应用研究[D].西安:西安电子科技大学,2011.

[14]田隽.基于粒子滤波的视频目标跟踪算法的研究[D].北京:中国矿业大学,2010.

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

国家自然科学基金资助项目(61305133)

赵德功(1983-)，男，硕士。研究方向：作战效能分析，导航定位等。魏小丰(1977-)，男，硕士。研究方向：作战效能分析等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.044

TN967

A

1007-7820(2016)09-158-04