北斗導(dǎo)航定位接收機(jī)的原理及硬件實(shí)現(xiàn)

　　絕大多數(shù)動(dòng)態(tài)信息的取得都離不開(kāi)時(shí)間和位置參數(shù)，而衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)正是獲取信息最強(qiáng)有力的工具。這項(xiàng)技術(shù)最早源于外層空間的爭(zhēng)奪戰(zhàn)，當(dāng)時(shí)是作為一個(gè)功能強(qiáng)大的軍事傳感器來(lái)使用的。它的出現(xiàn)帶來(lái)了一場(chǎng)新的軍事變革，可以說(shuō)一個(gè)國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展程度直接決定著這個(gè)國(guó)家在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的優(yōu)劣地位。同樣，該技術(shù)在民用中也帶來(lái)了巨大經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有著重要的地位，是建設(shè)國(guó)家信息體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是直接關(guān)系到國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)。

　　1總體結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，考慮到導(dǎo)航定位的精度，這里給出一種北斗接收機(jī)的設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)中GPS信號(hào)和GNSS信號(hào)的接收和處理采用成品模塊來(lái)完成，可直接輸出GPS或GNSS的定位和導(dǎo)航信息。硬件設(shè)計(jì)主要完成對(duì)GPS信號(hào)的處理。首先，北斗模塊的中頻信號(hào)經(jīng)中頻放大后直接進(jìn)行高速采樣，然后系統(tǒng)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶處理，再對(duì)解算出的信息進(jìn)行定位及導(dǎo)航計(jì)算，最后將所算結(jié)果傳送給ARM控制器，并經(jīng)處理后顯示輸出。系統(tǒng)中的擴(kuò)展數(shù)據(jù)接口可以進(jìn)行擴(kuò)展，如擴(kuò)展無(wú)線電導(dǎo)航接口等。圖2所示是系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

　　該系統(tǒng)主要用到以下器件：

　　(1)一片ARM9200微處理器、一片ARM程序FLASH和一片高速SDRAM，它們主要完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制；

　　(2)STRATIX II高性能FPGA，該FPGA內(nèi)含DSP處理模塊和6個(gè)PLL，主要負(fù)責(zé)對(duì)采樣數(shù)據(jù)的解擴(kuò)解調(diào)；

　　(3)一片TIGERSHARC系列DSP-PS101和一片DSP程序FLASH，它們主要負(fù)責(zé)定位及導(dǎo)航信息的計(jì)算。

　　(4)系統(tǒng)還可以通過(guò)FPGA外掛一片數(shù)據(jù)FLASH、擴(kuò)展一個(gè)429接口、四個(gè)RS232接口以及LCD顯示器。

　　2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 基帶處理

　　由于北斗信號(hào)為OQPSK信號(hào)，且3顆星發(fā)射信號(hào)的擴(kuò)頻偽碼不同，因此系統(tǒng)需采用CDMA方式來(lái)工作。系統(tǒng)首先對(duì)北斗射頻信號(hào)直接進(jìn)行中頻放大和高速采樣，然后經(jīng)數(shù)字下變頻致零中頻，再經(jīng)低通濾波，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴(kuò)和解調(diào)處理，輸出信息流。該過(guò)程稱為基帶處理過(guò)程。其中的關(guān)鍵技術(shù)是載波和PN碼的捕獲與跟蹤，下面著重說(shuō)明。

　　(1)載波跟蹤

　　由于本系統(tǒng)的收發(fā)時(shí)鐘不同源，同時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)存在多譜勒頻移，因此，收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的頻差，并且頻差會(huì)隨著時(shí)間變化。對(duì)于OQPSK調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)，這種頻差不僅會(huì)引起信噪比下降，而且還可引起信號(hào)畸變，后果很?chē)?yán)重，因此需要引入載波跟蹤系統(tǒng)。另外還需考慮到OQPSK信號(hào)90°相位不確定性的問(wèn)題，圖3給出了這種載波捕獲和跟蹤電路原理圖。