[发明专利]一种星载高动态GNSS接收机及其导航方法

权利要求书

1.一种星载高动态GNSS接收机，其特征在于，该接收机基于ARM+FPGA，包括顺次相连的射频前端处理模块、基带信号数字处理模块和定位解算模块：

射频前端处理模块，对卫星信号进行放大、变频、滤波和模数转换，最终得到数字中频信号；

基带信号数字处理模块，对数字中频信号进行捕获、跟踪、位同步和帧同步处理，得到导航测量值和导航电文；

定位解算模块，利用导航测量值和导航电文进行定位解算，最终得到用户的卫星信息，获取定位观测值。

2.根据权利要求1所述的星载高动态GNSS接收机，其特征在于，所述射频前端处理模块采用型号为MAX2769的GNSS接收机芯片。

3.根据权利要求1所述的星载高动态GNSS接收机，其特征在于，所述基带信号数字处理模块采用Altera公司的FPGA芯片EP3C55F484CBN。

4.根据权利要求1所述的星载高动态GNSS接收机，其特征在于，所述定位解算模块采用ARM芯片STM32F407VET6，主频168MHz，内存192KB，Cortex-M4F核带硬件除法和浮点计算。

5.一种基于权利要求1所述星载高动态GNSS接收机的导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，射频前端处理模块对卫星信号进行放大、变频、滤波和模数转换，最终得到数字中频信号；

步骤2，基带信号数字处理模块对数字中频信号进行捕获、跟踪、位同步和帧同步处理，得到导航测量值和导航电文；

步骤3，定位解算模块利用导航测量值和导航电文进行定位解算，最终得到用户的卫星信息，获取定位观测值。

6.根据权利要求5所述的星载高动态GNSS接收机的导航方法，其特征在于，步骤1所述射频前端处理模块对卫星信号进行放大、变频、滤波和模数转换，最终得到数字中频信号，具体为：射频前端处理模块接收可见卫星的信号，将该信号经过放大后，再与射频模块中的振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频信号，对该中频信号进行滤波放大，最后由AD芯片采样，将中频信号离散化成数字中频信号。

7.根据权利要求5所述的星载高动态GNSS接收机的导航方法，其特征在于，步骤2所述基带信号数字处理模块对数字中频信号进行捕获、跟踪、位同步和帧同步处理，得到导航测量值和导航电文，具体为：

(2.1)基带信号数字处理模块对数字中频信号进行捕获

采用三维搜索，具体如下：先锁定一颗卫星的编号和载波频点，对该卫星的伪码的各个码相位进行遍历，然后再更新载波频点，在新的频点下对码相位进行遍历，如此反复，直到遍历完所有的载波频点后再更新卫星的编号；

采用的捕获判定方法如下：在每一次频点下进行一次捕获判定，读取不同半码相位的2046*2个相关值，并计算得到2046个非相干积分幅值，找出该组非相干积分幅值的最大值并计算该组非相干积分幅值的平均值，算出峰均比，若大于门限值则认为捕获成功，否则更新频点重新进行搜索，其中门限值V_t计算公式为：

Vt=σn-2lnPfa]]>

式中，V_t为门限值，σ_n为给定噪声信号功率，P_fa为虚警率；

(2.2)跟踪处理

(2.2.1)码跟踪环

采用的鉴相器为非相干超前减滞后幅值法：

δcp=12E-LE+L]]>

式中，δ_cp为码相位差异，E、L分别为超前、滞后支路上的相关值幅值；

然后将鉴相结果进行滤波，码跟踪环使用2阶环路数字滤波器，传递函数F(s)为：

F(s)=1K(a2ωn+ωn2s)]]>

式中，K为环路增益，a₂为滤波参数，ω_n为特征频率；

则码跟踪环的系统函数为

H(s)=KF(s)s+KF(s)=a2ωns+ωn2s2+a2ωns+ωn2]]>

(2.2.2)载波跟踪环

(a)锁相环：本发明采用的载波跟踪环路锁相环的鉴相器的鉴相公式为：

φe=tan-1(QI)]]>

式中，φ_e为鉴相器输出误差，Q、I分别为Q、I路信号；

(b)锁频环：本发明采用的载波跟踪环路锁频环的鉴频器的鉴频公式为：

φe(n)=arctan2(Pcross,Pdot)t(n)-t(n-1)]]>

式中，P_dot＝I(n-1)I(n)+Q(n-1)Q(n)，P_cross＝I(n-1)Q(n)+Q(n-1)I(n)，φ_e(n)为鉴频器输出误差，t为采样时间；

本发明中载波跟踪环使用二阶锁频环辅助三阶锁相环的结构，其中二阶锁频环的传递函数为：

F(s)=1K(a2ωn+ωn2s)]]>

式中，K为环路增益，a₂为滤波参数，ω_n为特征频率；

三阶锁相环的传递函数为：

F(s)=1K(b3ωn+a3ωn2s+ωn3s2)]]>

式中，K为环路增益，a₃、b₃为滤波参数，ω_n为特征频率；

(2.3)位同步处理

本发明采用的位同步算法如下：将跟踪环的输出结果进行循环编号，以T为周期，T为正整数，并建立T个计数器存储两个相邻跟踪结果的跳变次数，设立2个门限值N₁和N₂，其中N₁＞N₂，当T个计数器中有一个的值到达N₁时，检查其他T-1个计数器：若值全部都小于N₂，则认定为位同步成功，值为N₁的计数器所代表的跳变边界就是导航比特的跳变边界；否则认定同步失败，清零所有计数器重新进行位同步；

(2.4)帧同步处理

(2.4.1)将导航比特与子帧的同步码做相关运算，当相关结果为8或-8时，认为找到帧同步码的起始位置，进入步骤(2.4.2)；

(2.4.2)按步骤(2.4.1)中得到的起始位置将导航比特流进行划分，每30比特组成一个字，并对每个字进行奇偶校验，若正确，则进入步骤(2.4.3)，否则返回步骤(2.4.1)；

(2.4.3)提取导航数据中的周内时、子帧号与上一次操作在该步骤中获得的对应值比较，正确则进入步骤(2.4.4)，否则返回步骤(2.4.1)；

(2.4.4)对步骤(2.4.1)中找到的起始位置的后一个子帧的前8个比特进行判断，如果依然为子帧同步头则重复步骤(2.4.2)～(2.4.4)，否则重返回步骤(2.4.1)。