一種基于FPGA＋DSP的北斗兼容型高精度接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡艷輝，胡 銳，程鵬飛，楊云春，王 權(quán)

（1.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830；2.北京耐威科技股份有限公司，北京 100029）

1 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)深入到各國(guó)軍事、安全、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的方方面面，無(wú)論在中國(guó)還是全球，已經(jīng)培育出了一個(gè)新型衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)。目前，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，預(yù)計(jì)2015年產(chǎn)值將超過(guò)2250億元［1］，成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)重要的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用主要分消費(fèi)類和專業(yè)類，消費(fèi)類主要是應(yīng)用于車載或個(gè)人娛樂(lè)消費(fèi)上，產(chǎn)品均以模塊形式提供，功耗要求極低（幾百毫瓦）、尺寸很?。?cm～3cm長(zhǎng)寬），精度上要求并不高，一般10m左右。目前這類產(chǎn)品主要以國(guó)外的Ublox和SiRF占據(jù)壟斷地位，國(guó)內(nèi)廠家也在逐步推出自主產(chǎn)品；專業(yè)類主要應(yīng)用于高精度導(dǎo)航、精密測(cè)量、對(duì)地觀測(cè)等對(duì)精度要求較高領(lǐng)域，要求功耗低、體積小、集成度高、定位精度高，這方面國(guó)外品牌有Trimble、Leica和NovAtel等都擁有自己的核心技術(shù)。國(guó)內(nèi)廠家基本上都沒(méi)有自己的核心技術(shù)，產(chǎn)品也都是基于國(guó)外廠家的核心技術(shù)，屬于產(chǎn)業(yè)的末端。

盡管中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）已經(jīng)正式提供定位服務(wù)，并形成了亞太地區(qū)覆蓋能力，但是目前還仍處于初步應(yīng)用階段。另一方面，BDS衛(wèi)星導(dǎo)航電文還未完全公開(kāi)，而目前能夠兼容BDS的高精度接收機(jī)還不是很多。因此開(kāi)發(fā)具有兼容BDS衛(wèi)星信號(hào)的GNSS接收機(jī)系統(tǒng)極具戰(zhàn)略意義。本文詳細(xì)介紹了一種基于DSP＋FPGA的模塊化的低功耗、小體積BDS兼容接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在保證GNSS信號(hào)處理實(shí)時(shí)性的同時(shí)提高了系統(tǒng)的集成度、穩(wěn)定性。

2 兼容型BDS高精度接收機(jī)系統(tǒng)組成

2.1 兼容型BDS高精度接收機(jī)整體框架

衛(wèi)星導(dǎo)航定位接收機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主要由天線、接收機(jī)主體及后續(xù)用戶接口顯示部分三大部分組成。天線接收衛(wèi)星信號(hào)并將其從無(wú)線電微波轉(zhuǎn)換成射頻電信號(hào)（通常天線中還帶有低噪聲增益放大器），然后由接收機(jī)主體部分完成對(duì)射頻信號(hào)的下變頻、AD轉(zhuǎn)換、基帶信號(hào)處理、導(dǎo)航定位解算及高精度定位解算直至獲得所要的載體高精度位置、速度和時(shí)間信息，最后通過(guò)串口、USB、網(wǎng)口等通信方式交給用戶接口顯示部分完成與用戶的交互，具體組成形式如圖1所示。

圖1 高精度接收機(jī)系統(tǒng)組成示意圖

高精度接收機(jī)系統(tǒng)中最終的部分即為GNSS接收機(jī)，它是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，接收由天線送來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)濾波、增益放大、下變頻、AD轉(zhuǎn)換、信號(hào)解調(diào)解擴(kuò)、導(dǎo)航解算、精密定位處理后通過(guò)通訊口送給下游的用戶顯示。目前市場(chǎng)上通用的GNSS接收機(jī)都只能接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，本文提出了一種具有兼容BDS衛(wèi)星信號(hào)的GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。

高精度GNSS接收機(jī)由RF射頻前端、基帶數(shù)字信號(hào)處理、輸入輸出接口、接收機(jī)控制、導(dǎo)航解算、精密定位六個(gè)模塊組成。射頻前端接收RF射頻信號(hào)輸入，然后進(jìn)行下變頻、濾波、增益控制，將高頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧闹蓄l信號(hào)；基帶數(shù)字信號(hào)處理首先通過(guò)AD轉(zhuǎn)換并進(jìn)行采樣，獲得基帶數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)各基帶通道完成對(duì)各個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的解擴(kuò)、解調(diào)，完成偽距、時(shí)間等原始觀測(cè)信息的提?。惠斎胼敵鼋涌谪?fù)責(zé)整個(gè)接收機(jī)的數(shù)據(jù)流傳遞與交互；接收機(jī)控制負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)監(jiān)控各模塊間的工作，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性；導(dǎo)航定位解算對(duì)原始觀測(cè)信息進(jìn)行初步解算處理，為接收機(jī)提供初步的單點(diǎn)定位結(jié)果；精密定位則根據(jù)輔助觀測(cè)信息或外部差分輸入信息通過(guò)解算獲得進(jìn)一步獲取高精度的定位結(jié)果。GNSS接收機(jī)各模塊間的關(guān)系如圖2所示。

2.2 RF射頻前端設(shè)計(jì)

GNSS接收機(jī)采用的是星基無(wú)線電擴(kuò)頻調(diào)制通訊體制，由距離地球表面2萬(wàn)多公里的衛(wèi)星天線發(fā)射，傳播過(guò)程衰減加上路徑上的其他干擾，到達(dá)地面功率只有－130dBm，深埋于熱噪聲電平之下（－110dBm），故只有經(jīng)過(guò)增益放大和解擴(kuò)處理后才能得到有用信號(hào)［3－4］。目前市場(chǎng)上有多家公司提供射頻芯片，如Zalink公司的 GP2015［5－6］、美信公司的MAX2769等，但是這些芯片都只支持L1頻率的下變頻，而對(duì)于高精度接收機(jī)而言，需要同時(shí)能接收L2頻率上的導(dǎo)航信號(hào)。本文采取了利用分離元器件自行設(shè)計(jì)的射頻電路的方式來(lái)搭建高精度接收機(jī)射頻前端，如圖3所示。

在整個(gè)射頻電路設(shè)計(jì)過(guò)程中要保證信號(hào)到達(dá)ADC模塊時(shí)的功率保持在0dBm±1dB附近，故L1通道的增益需要保持在110dB左右，考慮到實(shí)際的電路設(shè)計(jì)以及工藝水平的影響，在總體增益設(shè)計(jì)時(shí)保持一定的冗余度，整個(gè)通道的整體增益為115dB。同理L2通道增益需要達(dá)到105dB。射頻下變頻到中頻的信號(hào)經(jīng)過(guò)AD采樣后，變?yōu)榛鶐?shù)字信號(hào)供后續(xù)處理。

2.3 基帶數(shù)字信號(hào)處理

圖2 GNSS接收機(jī)模塊組成框圖

圖3 BDS兼容型高精度接收機(jī)射頻電路組成框圖

基帶數(shù)字信號(hào)處理是整個(gè)接收機(jī)的最核心部分，承擔(dān)著承上啟下的作用，它從基帶數(shù)字信號(hào)中完成對(duì)調(diào)制信息解擴(kuò)解調(diào)，提取出原始的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的精度質(zhì)量好壞是接收機(jī)最終定位結(jié)果好壞的一個(gè)最大決定因素。為了兼容BDS信號(hào)，需要在原來(lái)跟蹤GPS通道基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)容，以便建立更多的跟蹤通道完成對(duì)BDS衛(wèi)星信號(hào)的捕獲與跟蹤。而在信號(hào)解擴(kuò)解調(diào)過(guò)程中需要大量的相關(guān)運(yùn)算，為保證接收機(jī)的實(shí)時(shí)性，選用FPGA芯片搭建128個(gè)相關(guān)運(yùn)算通道以保證基帶最多能同時(shí)跟蹤32顆衛(wèi)星的全部信號(hào)。同時(shí)利用DSP形成基帶環(huán)路的跟蹤控制邏輯，并實(shí)現(xiàn)基帶原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的提取。

在綜合成本、功耗、體積、性能等諸多因素之后，選用Xilinx公司的Spartan 6EFPGA XC6SLX150來(lái)編程實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的基帶相關(guān)器通道，該款芯片擁有高達(dá)14萬(wàn)個(gè)邏輯單元，超大的容量保證了128個(gè)相關(guān)運(yùn)算通道并行運(yùn)算的可實(shí)現(xiàn)性實(shí)現(xiàn)的相關(guān)通道包括：載波數(shù)控晶振（NCO）、碼NCO 碼發(fā)生器、積分清零單元等核心單元以及相應(yīng)的協(xié)調(diào)工作部分，每個(gè)通道都還有一個(gè)載波環(huán)路和一個(gè)碼延遲環(huán)路［2］。基帶數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)并行相關(guān)運(yùn)算處理后得到同相（I）和正交（Q）支路兩路相關(guān)數(shù)據(jù)，由TI公司的DSP TMS320C6747控制的基帶環(huán)路來(lái)完成信號(hào)的捕獲跟蹤及原始觀測(cè)數(shù)據(jù)提取，F(xiàn)PGA和DSP在基帶部分的具體功能構(gòu)成如圖4所示。

圖4 高精度接收機(jī)基帶處理部分結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 導(dǎo)航定位解算及高精度精密定位

接收機(jī)導(dǎo)航定位解算最大需要對(duì)128通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，完成觀測(cè)數(shù)據(jù)提取、星歷校驗(yàn)和解碼，以及位置、速度和時(shí)間等信息的實(shí)時(shí)解算。在對(duì)整個(gè)接收機(jī)所需要的運(yùn)算量進(jìn)行估算后，選擇TI公司的高性能低功耗浮點(diǎn)系列DSP TMS320C6747作為處理單元，該型芯片最高能以456MHz主頻工作，內(nèi)含的8個(gè)功能單元使得每時(shí)鐘周期能并行執(zhí)行8條指令（其中6條為浮點(diǎn)指令），加上TI的獨(dú)特超長(zhǎng)處理VLIW（Very long instruction wide）技術(shù)，最高性能將達(dá)到3648 MIPS（Million instruction per second）／2736 MFLOPS（Million float instruction per second），片內(nèi)還含有64個(gè)通用寄存器及兩個(gè)可配置的32K緩存。因此所選的DSP芯片完全能夠滿足最多128通道基帶原始觀測(cè)數(shù)據(jù)提取和基本的導(dǎo)航定位解算。

為降低接收機(jī)功耗和體積，基于BDS／GPS的差分高精度精密定位解算也由C6747來(lái)完成，在差分模式下，接收機(jī)需要實(shí)時(shí)接收來(lái)自差分站的BDS／GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)本機(jī)的BDS／GPS偽距和載波相位觀測(cè)誤差進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的高精度差分定位。

2.5 接收機(jī)控制及輸入輸出接口

接收機(jī)自身和數(shù)據(jù)流控制是關(guān)系到整個(gè)接收機(jī)是否能正常、穩(wěn)定、可靠工作的關(guān)鍵，由于所選的DSP C6747芯片本身不僅具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，還提供了豐富的外圍接口。首先其擁有兩個(gè)獨(dú)立的外部存儲(chǔ)器接口（EMIF），可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問(wèn)，即可以使用其中一路擴(kuò)展SRAM使用，將另一路配置成高性能并行通信接收，這為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高性能復(fù)雜GNSS導(dǎo)航定位算法提供了硬件條件，同時(shí)也解決了從FPGA中讀取大量通道數(shù)據(jù)的問(wèn)題；其次，該芯片還擁有3個(gè)Uart、2個(gè)SPI和2個(gè)I2C、3個(gè) Mcasp，2個(gè)USB、1個(gè)網(wǎng)口、1個(gè)LCD控制和1個(gè) MMC／SD控制等可復(fù)用功能，這些為處理器與其它器件的無(wú)縫連接提供了十分便利的條件，具體的使用如圖5所示。

圖5 DSP外圍接口連接框圖

通過(guò)這種架構(gòu)使得所設(shè)計(jì)的高精度接收機(jī)可以勝任任一場(chǎng)合要求，在基本不損失處理能力的同時(shí)，自身的功耗和體積都得到很好的控制，這為接收機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)各模塊間的有利控制提供了條件。

3 兼容型接收機(jī)整體調(diào)試

3.1 硬件制版和調(diào)試

根據(jù)接收機(jī)的前端射頻、基帶數(shù)字信號(hào)處理、導(dǎo)航定位解算及高精度精密定位、接收機(jī)控制和輸入輸出的設(shè)計(jì)，制板和芯片焊接后的兼容接收機(jī)板卡如圖6。

圖6 兼容型GNSS接收機(jī)OEM板

接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試主要分為四部分：射頻部分電路測(cè)試、基帶數(shù)字部分測(cè)試、接收機(jī)控制及接口測(cè)試、導(dǎo)航定位解算及精密定位性能測(cè)試。射頻部分的測(cè)試主要是確定溫補(bǔ)晶振和模擬部分的變頻電路是否工作正常，通過(guò)示波器、頻譜儀對(duì)射頻各階段的輸出進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)所產(chǎn)生的信號(hào)頻譜是否符合實(shí)際的要求；基帶數(shù)字部分測(cè)試通過(guò)編寫相應(yīng)的測(cè)試程序，主要測(cè)試相關(guān)器中寄存器和存儲(chǔ)器的讀寫訪問(wèn)是否正常，并采樣量化的數(shù)據(jù)查看噪聲分布是否正常；接收機(jī)控制及接口則是檢查硬件中斷是否能夠按照要求產(chǎn)生，輸入輸出接口操作時(shí)間是否能滿足實(shí)時(shí)性指標(biāo)要求。

3.2 載波相位數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量

兼容型接收機(jī)支持GPS／BDS二代雙頻高精度偽距和載波相位觀測(cè)，圖7顯示GPS L1／L2和BDS B1／B2載波相位定位后的殘差序列。從圖7可以看出，GPS L1的載波相位測(cè)量精度約為2mm，GPS L2的載波相位測(cè)量精度約為3.3mm，BDS B1的載波相位測(cè)量精度約為3.8mm，BDS B2載波相位的測(cè)量精度約為3.8mm。

圖7 兼容型GNSS接收機(jī)OEM板載波相位定位殘差

3.3 RTK定位

為了測(cè)試BDS載波相位RTK的精度，選取了相距3km的兩個(gè)點(diǎn)，一個(gè)設(shè)為基準(zhǔn)站，一個(gè)設(shè)為流動(dòng)站，采用兼容型接收機(jī)進(jìn)行BDS載波相位實(shí)時(shí)差分定位（RTK），定位結(jié)果與已知點(diǎn)進(jìn)行求差，時(shí)間序列如圖8所示。從圖8可以看出，X方向約為2cm，Y方向上約為5cm，Z方向約為4cm。投影到水平方向約為3cm，垂直方向約為6.5cm。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用Xilinx FPGA和TI DSP作為接收機(jī)系統(tǒng)的主要處理芯片，配合自行設(shè)計(jì)的GPS＋BDS四頻接收機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試整板卡功耗僅為3.5W，尺寸為100mm×60mm×20mm，具有體積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試的結(jié)果顯示載波相位觀測(cè)精度達(dá)到2mm，短基線RTK固定良好，定位精度達(dá)到厘米級(jí)，表明該兼容型接收機(jī)設(shè)計(jì)完全能夠滿足專業(yè)類GNSS高精度精密定位應(yīng)用的需求。

圖8 兼容型GNSS接收機(jī)OEM板載北斗載波相位RTK定位結(jié)果

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