北斗導航定位接收機的原理及硬件實現

　　絕大多數動態信息的取得都離不開時間和位置參數，而衛星定位導航技術正是獲取信息最強有力的工具。這項技術最早源于外層空間的爭奪戰，當時是作為一個功能強大的軍事傳感器來使用的。它的出現帶來了一場新的軍事變革，可以說一個國家衛星導航定位系統發展程度直接決定著這個國家在未來戰場上的優劣地位。同樣，該技術在民用中也帶來了巨大經濟效益。我國的衛星定位導航系統在國民經濟建設中占有著重要的地位，是建設國家信息體系的重要基礎設施，是直接關系到國家安全、經濟發展的關鍵性系統技術平臺。

　　1總體結構

　　根據當前衛星導航定位系統發展的趨勢，考慮到導航定位的精度，這里給出一種北斗接收機的設計，其系統原理圖如圖1所示。

　　系統中GPS信號和GNSS信號的接收和處理采用成品模塊來完成，可直接輸出GPS或GNSS的定位和導航信息。硬件設計主要完成對GPS信號的處理。首先，北斗模塊的中頻信號經中頻放大后直接進行高速采樣，然后系統對采樣數據進行基帶處理，再對解算出的信息進行定位及導航計算，最后將所算結果傳送給ARM控制器，并經處理后顯示輸出。系統中的擴展數據接口可以進行擴展，如擴展無線電導航接口等。圖2所示是系統的硬件結構圖。

　　該系統主要用到以下器件：

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

　　(2)STRATIX II高性能FPGA，該FPGA內含DSP處理模塊和6個PLL，主要負責對采樣數據的解擴解調；

　　(3)一片TIGERSHARC系列DSP-PS101和一片DSP程序FLASH，它們主要負責定位及導航信息的計算。

　　(4)系統還可以通過FPGA外掛一片數據FLASH、擴展一個429接口、四個RS232接口以及LCD顯示器。

　　2硬件設計

　　2.1 基帶處理

　　由于北斗信號為OQPSK信號，且3顆星發射信號的擴頻偽碼不同，因此系統需采用CDMA方式來工作。系統首先對北斗射頻信號直接進行中頻放大和高速采樣，然后經數字下變頻致零中頻，再經低通濾波，并對采樣數據進行解擴和解調處理，輸出信息流。該過程稱為基帶處理過程。其中的關鍵技術是載波和PN碼的捕獲與跟蹤，下面著重說明。

　　(1)載波跟蹤

　　由于本系統的收發時鐘不同源，同時，系統也會存在多譜勒頻移，因此，收發數據時會出現一定的頻差，并且頻差會隨著時間變化。對于OQPSK調制信號來說，這種頻差不僅會引起信噪比下降，而且還可引起信號畸變，后果很嚴重，因此需要引入載波跟蹤系統。另外還需考慮到OQPSK信號90°相位不確定性的問題，圖3給出了這種載波捕獲和跟蹤電路原理圖。