1 引言

GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)有多種多樣的類(lèi)別，依據(jù)不同的分類(lèi)方法，可以分為： C/A碼與 P碼，單頻與雙頻，導(dǎo)航與定位，授時(shí)與測(cè)量，手持、車(chē)載、機(jī)載、彈載與星載等。根據(jù) GPS接收機(jī)硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的不同，又可以分為硬件接收機(jī)和軟件接收機(jī)。GPS接收機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)不同的使用目標(biāo)選擇不同的設(shè)計(jì)方案，GPS軟件接收機(jī)的解決方案具有可配置性，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境配置不同的解決算法。本文對(duì)基于FPGA-DSP平臺(tái)的C/A碼單頻GPS軟件接收機(jī)的算法設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2 GPS軟件接收機(jī)

傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)的核心部件通常包括天線與相關(guān)的前置放大器，射頻前端（模擬）部分，基帶數(shù)字（ASIC）處理部分，微處理器及其外圍（存儲(chǔ)器與接口電路）。ASIC完成基帶信號(hào)處理（捕獲和跟蹤的相關(guān)運(yùn)算），微處理器從 ASIC輸出的相關(guān)輸出結(jié)果譯出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，從而可以得到衛(wèi)星星歷及偽距，星歷可用來(lái)得到衛(wèi)星位置，并最終可由衛(wèi)星位置及偽距解算出用戶(hù)位置等信息。

軟件 GPS接收機(jī)如圖 2.1所示，其構(gòu)架主要是 GPS天線接收到的衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)，通過(guò)射頻（RF）前端，輸入信號(hào)被放大及下變頻到合適的頻率。而后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化采樣。天線、RF前端及 ADC均有硬件完成，信號(hào)被數(shù)字化后，所有的處理運(yùn)算任務(wù)均由運(yùn)行于通用數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)的軟件來(lái)完成。

GPS軟件接收機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于：軟件接收機(jī)整個(gè)數(shù)字部分均采用通用處理芯片，包含了較少的硬件，可編程性及靈活性均強(qiáng)于硬件接收機(jī)，而且無(wú)需升級(jí)硬件僅加載不同的算法軟件即可實(shí)現(xiàn) GPS接收機(jī)的升級(jí)或改型 3 軟件 GPS算法與架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思想

GPS接收機(jī)必須復(fù)現(xiàn)那顆將由接收機(jī)捕獲的衛(wèi)星所發(fā)射的 PRN碼，然后移動(dòng)這個(gè)復(fù)現(xiàn)碼的相位，直到與衛(wèi)星的 PRN碼發(fā)生相關(guān)為止。發(fā)射的 PRN碼和復(fù)現(xiàn)碼之間的相關(guān)過(guò)程與給定的 PRN碼數(shù)學(xué)的自相關(guān)過(guò)程有著相同的特性。當(dāng)復(fù)現(xiàn)碼與接收衛(wèi)星碼有相匹配時(shí)有最大的相關(guān)值，這是 GPS接收機(jī)在跟蹤或捕獲衛(wèi)星信號(hào)時(shí)在碼相位域內(nèi)檢測(cè)衛(wèi)星信號(hào)的方式。信號(hào)的捕獲算法有多種，主要是基于 FFT算法改進(jìn)得到，計(jì)算量較大。由于多普勒頻移的存在，在實(shí)際捕獲過(guò)程中需要多通道同時(shí)進(jìn)行從不同的頻移處開(kāi)始計(jì)算相關(guān)。對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行判決，得到當(dāng)前相關(guān)器的偏移，以控制碼和載波數(shù)控振蕩器。

GPS接收系統(tǒng)中用于數(shù)字中頻信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤及解調(diào)的典型的專(zhuān)用芯片 GP4020，其主要有 12通道的相關(guān)器和 ARM7微處理器內(nèi)核構(gòu)成，相關(guān)器由片上硬件單元組成，可滿(mǎn)足快速并行的計(jì)算要求，相關(guān)結(jié)果通過(guò)微處理器編程控制，并根據(jù)相關(guān)結(jié)果配置相關(guān)器寄存器。

結(jié)合 CA碼信號(hào)的捕獲與跟蹤的算法特性和 GP4020的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)硬件向軟件的轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)出符合 FPGA（ Xilinx XC2V1000）和 DSP（TI TMS320C6416）的性能特點(diǎn)的，且信號(hào)的捕獲、跟蹤、解調(diào)完全有由軟件實(shí)現(xiàn)的 GPS軟件接收系統(tǒng)。

3.2 FPGA與DSP的功能劃分

多路同步運(yùn)算是 FPGA的優(yōu)勢(shì)，事件中斷響應(yīng)以及與用戶(hù)接口的配合更適合于 DSP。 FPGA以中斷的方式向 DSP提交相關(guān)器運(yùn)算結(jié)果，DSP為 FPGA提供碼 NCO偏差和載波輔助。

于是在 FPGA中實(shí)現(xiàn)如下功能：

L1采樣信號(hào)的載波剝離； CA碼發(fā)生器；L1本地載波發(fā)生器（ NCO）；CA碼發(fā)生器的 NCO ； CA碼相關(guān)器；DSP中斷信號(hào)的產(chǎn)生，向 DSP電路發(fā)送相關(guān)器相關(guān)結(jié)果。

在 DSP中實(shí)現(xiàn)如下功能：

CA碼跟蹤誤差鑒別器； L1相位誤差鑒別器； CA碼跟蹤環(huán)路濾波器；L1相位環(huán)路濾

波器；對(duì) FPGA中碼 NCO和載波 NCO的控制；寬帶功率值和窄帶功率值的提??；載波相位的提取；偽距的提??；輸出信息的打包以及與用戶(hù)接口通訊。

3.3 FPGA與DSP的之間的數(shù)據(jù)信息流

如圖 3.1所示， GPS軟件接收機(jī)中內(nèi)部信息流主要由運(yùn)行于 FPGA上的可編程邏輯模塊與運(yùn)行于 DSP上的應(yīng)用軟件模塊之間的信息流組成，包括：

1）FPGA向 DSP發(fā)送的 I/Q支路相關(guān)結(jié)果，用于實(shí)現(xiàn)載波跟蹤與碼跟蹤。

2）DSP向 FPGA發(fā)送的環(huán)路濾波器輸出值，用于控制 FPGA內(nèi)部的載波 NCO與碼 NCO。

圖 3.1 FPGA與 DSP之間信息流

3.4 FPGA內(nèi)的數(shù)據(jù)信息流

FPGA內(nèi)部的信息流框圖如圖 3.2所示，L1采樣數(shù)據(jù)以 50MHz/Byte的速率送往FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)載波剝離合和碼相關(guān)器計(jì)算，將相關(guān)器結(jié)果送往DSP，并從 DSP中獲取 CA碼和載波 NCO偏差，以對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤、捕獲。

3.5 DSP內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息流

DSP內(nèi)部的信息流和處理如圖 3.3所示，1KHzCA碼 I/Q支路相關(guān)結(jié)果來(lái)自于FPGA，DSP在內(nèi)部經(jīng)過(guò) CA碼跟蹤環(huán)誤差鑒別器和 L1載波跟蹤環(huán)誤差鑒別器后，去往FPGA，控制 FPGA中碼 NCO和載波 NCO。

圖3.3 DSP 內(nèi)部的信息流

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖 4.1為系統(tǒng)在地面仿真時(shí)從用戶(hù)接口輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于采用 FPGA-DSP平臺(tái)，設(shè)計(jì)出可以工作于高動(dòng)態(tài)、弱信號(hào)的環(huán)境下單頻 GPS接收機(jī)軟件。實(shí)現(xiàn)GPS的 C/A碼偽距、L1載波相位、位置速度以及窄帶功率的輸出，為后續(xù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。完成單頻 GPS接收機(jī)軟件的工程化。雖然單頻 GPS接收機(jī)技術(shù)在理論上已經(jīng)非常成熟，但基于 FPGA-DSP平臺(tái)的性能優(yōu)良且滿(mǎn)足工程化要求的 GPS接收軟件并不多見(jiàn)。

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