[发明专利]一种星载高动态GNSS接收机及其导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别是一种基于ARM+FPGA的星载高动态GNSS接收机及其导航方法。

背景技术

GNSS全球卫星导航系统具有全球、全天候、连续三维定位和导航能力的系统。GNSS系统虽然主要为地面应用而设计，但也给航天应用带来了显著的便利。一台低成本星载GNSS接收机可以提供许多关键航天传感器的功能，包括定轨、姿态和姿态变化率测量以及精密授时。采用GNSS技术的航天器比现有同等性能的系统在价格、功率、质量和可靠性上有显著改善。GNSS的航天应用对星载GNSS接收机的动态性要求很高，同时由于宇宙中的恶劣环境，使得GNSS接收机在太空中的应用于地面和航空等的应用不一样，因此在设计星载GNSS接收机要考虑很多特点。

卫星在发射和升空阶段要经历很高的动态，加速度会超过10g，卫星在轨运行时速度将超过7km/s，现有GNSS接收机未充分考虑高动态对GNSS信号的捕获和跟踪的影响，且存在结构复杂、兼容性差、成本高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够为低轨卫星提供高精度导航定位以及精确授时的星载高动态GNSS接收机及其导航方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种星载高动态GNSS接收机，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。

一种基于所述星载高动态GNSS接收机的导航方法，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。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)采用ARM+FPGA结构设计，成本较低，并且能很方便的对算法进行改进和更新，适合工程上使用；(2)为通用型GNSS接收机，可以兼容GPS信号与北斗信号，兼容性好；(3)采用合适的器件，在体积、功耗、性能之间取得最佳平衡，搭建符合实际应用要求的样机，适合微纳卫星上使用。

附图说明

图1是本发明星载高动态GNSS接收机及其导航方法的信号处理流程图。

图2是本发明星载高动态GNSS接收机的系统硬件结构图。

图3是本发明星载高动态GNSS接收机的射频前端处理模块的结构图。

图4是本发明星载高动态GNSS接收机及其导航方法的捕获电路框图。

图5是本发明星载高动态GNSS接收机及其导航方法的跟踪环路框图。

图6是本发明星载高动态GNSS接收机及其导航方法的二阶环路数字滤波器方框图。

图7是本发明星载高动态GNSS接收机及其导航方法的由二阶锁频环辅助的三阶锁相环的滤波器方框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

结合图1～3，本发明星载高动态GNSS接收机，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。

优选地，所述射频前端处理模块采用型号为MAX2769的GNSS接收机芯片。所述基带信号数字处理模块采用Altera公司的FPGA芯片EP3C55F484CBN。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。如图2所示，具体硬件说明如下：