引言
卫星导航定位系统是目前使用最为广泛的导航和定位系统，大量应用在民用和军事作战领域，在民用主要是静态和低速的场景，然而在军事领域，尤其是在精密制导导弹中主要是高动态场景为主。与静态和低速环境下相比，高动态环境对接收机可靠接收信号带来了巨大的技术挑战，高动态环境给接收机接收信号带来了许多问题。
本文主要从高动态接收机的整体设计和针对开放式设计做了设计和研究，重点研究了高动态接收机开放式设计，为高动态的研究提供一种新的方法和思路。
卫星导航定位原理
卫星导航定位系统的定位原理和过程可以简述如下：在一个立体直角坐标系中，任何一个点的位置都可以通过三个坐标数据X、Y、Z来确定。如果能测得某未知点与其他三点(A、B、C)的距离，并确知A、B、C三点的坐标，就可以建立起一个三元方程组，解出该未知点的坐标数据，从而得到该点的确切位置[2]。然而要实现三维定位，在实际中至少需要四颗可见卫星，这是由于接收机、卫星、GPS时间系统三者之间的实际中不可能实现完全同步，他们之间总存在着一个随机的误差。
在卫星导航系统为了确定用户的位置(x,y,z)，需要对多颗卫星进行伪距测量。在进行伪距测量时，可以根据多种方法来获得伪距测量值。根据观测量性质的不同，可以分为测码伪距定位和测相伪距定位，即伪距测量定位和载波相位定位。在实际应用中由于载波相位存在模糊周问题，因此主要是应用伪距测量来实现定位。假设卫星到接收机的伪距为
，天空中卫星在ECEF坐标系中的坐标向量
，接收机在ECEF坐标系中的坐标向量
，则可以建立如下的四元方程组：
在方程组中
是随机事件误差，通过用最小二乘法求解的方式可以求出接收机的坐标。
高动态接收机面临的问题
高动态一般定义为定位目标具有较高的速度，加速度和加加速度。高动态环境使得载波产生较大的多普勒频移和频率变化率，如果使用一般的锁相环进行载波的锁定，会导致载波多普勒频移经常超出锁相环的锁定，超出锁相环的捕获带，无法保证对载波的可靠捕获和跟踪，为此必须增加环路带宽。但是，带宽的增加会引入宽带噪声，使载波跟踪环路失锁，无法解调数据。另一方面，高动态环境下伪码也会产生动态延时和频移，使得接收机的码跟踪环路很难跟踪上相位地变化，容易失锁不利于伪距的测量。而且码相位的偏移会使捕获的时间变长，这样一来接收机的导航将变得困难。
针对高动态的这些问题，已提出了一些解决方案：一种是给高动态接收机提供惯性导航系统的辅助信息，使接收机的环路更容易跟踪上卫星信号，接收机得以可靠工作。另一种方案是研究适合高动态环境下扩频信号跟踪的频率估计算法，以适应各种高动态环境下的信号跟踪。
接收机软硬件设计
在接收机分成两大部分：模拟射频前端和数字基带处理。其中，模拟射频前端部分由射频模块和A/D模块两部分构成;数字基带由捕获、跟踪、PVT解算、卡尔曼滤波等模块构成;具体结构如图1。
大体上讲，射频模块接收卫星信号后，将信号转成中频，经过A/D变化为数字中频信号，然后基带部分将完成数字下变频、信号预处理、数据提取、数据解算等任务。
硬件电路设计
如图2所示，北斗/GPS开放式高动态接收机硬件架构，射频前端采用兼容有源天线，单路高频信号输入，射频前端信号处理一体式设计，兼容GPS的L1频点和北斗系统的B1频点，射频输出为两路数字中频直连基带部分。数字基带芯片MXT3013是北京微电子技术研究所自主研发的一款多模导航SOC芯片，其内部包括有一个直接捕获模块、32个RNSS/GPS跟踪通道、10个RDSS直接捕获模块和跟踪通道、ARM9、VFP9、存储单元、2个UART、1个I2C、1个IC卡接口、通用I/O接口、看门狗、定时器等各部分。捕获模块采用改进FFT算法实现信号的快速捕获，多路并行高速通道可以实现多星座卫星同时稳定跟踪，高性能ARM9 CPU内含浮点单元和二级CACHE，提供嵌入式高速运算性能。外围配以电源管理单元、外部数据接口。数据流程为：高频信号从双模天线进入射频前端进行滤波、变频与数模转换，分离出卫星两路数字中频信号，进入数字基带后经过捕获单元对卫星进行捕获，之后将捕获到的GPS/北斗卫星数字信号转入并行跟踪通道实现稳定跟踪，提取原始观测数据与导航电文，通过基带内部数据资源进行运算实现导航数据处理，最终得到定位信息并实输入输出控制。BM3013基带芯片基于高速ARM9处理控制单元，通过软件设计实现对系统硬件各个单元的有效控制与数据操作。
本文中的接收机硬件设计，采用了自主研发的具有高动态定位功能的MXTOS2-200接收机模块，电路的射频前端和基带数字处理电路都是具有高性能和高可靠性的电路，这为接收机高动态定位算法研究提供了可靠的硬件电路支持。图3为我所自主研发的接收机模块实物图。
嵌入式软件及算法设计
导航算法和软件程序是接收机硬件平台的灵魂。高效可靠的软件算法是系统能够有效运行的核心支柱。嵌入式软件程序设计采用基于算法的面向对象的软件设计方法，实现嵌入式环境中无操作系统软件架构，如图4所示。软件设计分为驱动层、数据层、应用层、管理层。驱动层为软件对射频与基带硬件的配置控制，其中包括对射频参数的调整、数据流动的控制、对基带捕获模块及跟踪通道的管理使用，对外围存储、I/O口等设备的驱动管理。管理层控制程序的整体结构，包括软件运行、软件及硬件中断控制响应、应用层协调运行流程调用、运行监控、输入输出控制、异常处理等的运行。数据层为程序运行过程所有数据流的管理与交互，包括数据存储区、内部数据传递、外部数据流入流出等，实现大量导航数据的合理管理与快速通信，提高程序的运行效率节省存储空间。
基于自主研发的MXTOS2-200硬件平台进行了高效可靠的软件算法设计，同时还进行了开放式有效合理设计。基于MXTOS2-200开放式高动态平台设计的软件算法设计主要包括捕获算法设计、跟踪环路算法设计、导航定位算法设计、开放式算法设计等四大部分算法的设计。其设计流程图如图5所示。
高动态接收机开放式设计思想
随着科学技术的发展，特别是电子技术的发展，导航定位系统中单纯的卫星定位已不足以满足定位的需求和发展，各种组合的导航定位系统使得导航定位的精度和动态范围得到了巨大的提高。以卫星定位为主的组合导航定位系统，差分定位系统，卫星定位和通信结合的系统，正在快速发展，使得卫星系统的功能更多样化，应用也更加的广泛。开放式的高动态接收机正是为满足这种需求而设计和开发的。
开放式的高动态接收机根据其开放的程度，我们将其分为两种形式的开放式接收机：浅开放式接收机和深开放式接收机。浅开放式接收机主要指开放其输出数据的格式和速率。我们可以通过PC机等上位机为接收机，配置其输出定位协议提供给其他系统做组合应用，比如常用的NMEA协议和满足需求二进制协议。同时我们也可以配置其输出不同速率的定位信息以满足不同的需求，数据更新率一般可以从1Hz~50Hz，这样能极大地丰富接收机的用途和灵活性。深开放式接收机主要指将其内部的部分信息开放，使得其应用更加的深入和广泛。在深开放式接收机中我们可以通过配置其环路和捕获方式，以特定的方式开放给用户，使得用做特定的组合开发和配置其适应不同的场景。常见的有我们用于组合导航的开放用环路控制和捕获辅助。
针对上述提出的技术方案，我们已开发出来具有可配置不同输出协议，不同输出速率，不同环路参数和不同捕获策略的接收机，并成功地用于组合导航的开发应用中。
结束语
本文通过硬件平台搭建和算法研究，能够在高动态环境中实现快速的卫星信号捕获和超低捕获灵敏度，实现对-145dbmW能量强度下的捕获功能，并且拥有多模兼容和多星座兼容的功能。目前MXTOS2-200接收机模块已实现常规导航的高性能指标，定位精度小于10米，冷启动时间小于34秒，重捕获时间小于1秒。
本文在针对卫星导航定位基本工作原理的研究上，提出适应于高动态特殊环境的开放式开发方法，并提出了适用于解决不同系统之间组合的方法和思想，从而为进一步研究高动态接收机的实现奠定好的基础。
参考文献:
[1梁丹丹，张一，张中兆. 高动态直扩接收机载波跟踪技术研究.电子技术应用[J].2005(9):51-53
[2]刘春德; 彭剑书. 一种新的GPS高动态接收机的研究[J],电子技术 2007/Z3
[3]张骞丹，田红心.GPS系统多普勒频移估算的研究[J],无线电工程，2007年4期，21～23
[4]James Bao—Yen Tsui，Fundamentals of Global Positioning System Receivers A Software Approach[M](Second Edition). Publishing House of Electronics Industry, Beijing,2005