GNSS接收機(jī)在FPGA上的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉善武 李偉偉 計(jì) 旭 楊啟源 張 偉

上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109

0 引言

近年來(lái)，隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)航定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用在智慧城市、智慧物流、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，是交通、通信、電力以及基礎(chǔ)科研等領(lǐng)域必不可少的元素[1-2]。GNSS系統(tǒng)由空間星座、地面監(jiān)控和用戶設(shè)備3部分組成。空間星座即環(huán)繞在地球周?chē)娜嗽煨l(wèi)星，這些衛(wèi)星不間斷地向地面發(fā)射信號(hào)，地面監(jiān)控通過(guò)接收這些信號(hào)，計(jì)算出衛(wèi)星的位置信息，并將此信息發(fā)射回衛(wèi)星，衛(wèi)星再轉(zhuǎn)發(fā)包含位置信息的信號(hào)給用戶設(shè)備，用戶設(shè)備以接收機(jī)作為載體，通過(guò)捕獲、跟蹤和解算衛(wèi)星信號(hào)，以此來(lái)確定用戶所在的位置和速度[3-5]。

GNSS系統(tǒng)中的空間星座和地面監(jiān)控大多是由政府控制的，因此用戶設(shè)備也就是接收機(jī)是其中最具有活力的一部分。目前主流的接收機(jī)架構(gòu)由以下幾個(gè)部分組成：1)用于接收衛(wèi)星信號(hào)的射頻前端；2)用于對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行捕獲和跟蹤的基帶處理；3)用于定位的數(shù)據(jù)解算單元[6-7]。傳統(tǒng)的接收機(jī)定位解算任務(wù)多由專(zhuān)用集成電路完成，其優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)大、高速的運(yùn)算能力，但是它沒(méi)有可編程性，缺乏靈活性。一旦設(shè)計(jì)、生產(chǎn)完成后，其功能也就基本上被固化下來(lái)，如果電路中有地方需要改進(jìn)，那么就必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就會(huì)導(dǎo)致研發(fā)成本的升高和研發(fā)周期的增長(zhǎng)。

隨著現(xiàn)代全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)的迅速發(fā)展，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)能靈活充分利用所有導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的下一代 GNSS 接收機(jī)成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工程[8]。特別是北斗導(dǎo)航技術(shù)的日新月異，對(duì)GNSS接收機(jī)提出了能夠靈活兼容不同的中頻數(shù)字信號(hào)處理算法的要求，因此目前的接收機(jī)難以滿足日益增長(zhǎng)的GNSS 接收機(jī)擴(kuò)展性需求。而基于軟件無(wú)線電思想的GNSS 軟件接收機(jī)與傳統(tǒng)的 GNSS 接收機(jī)相比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，開(kāi)發(fā)速度快，成本更低，且有高度可配置性，更具方便性和靈活性，對(duì)新一代導(dǎo)航接收機(jī)的開(kāi)發(fā)有著重要意義[8-9]。

基于此考慮，文章提出了一種以可編程門(mén)陣列(FPGA)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為基礎(chǔ)的GNSS接收機(jī)架構(gòu)，使得加載不同的數(shù)字信號(hào)算法程序成為可能，在保證低成本的同時(shí)極大地提高了接收機(jī)的靈活性。同時(shí)為了解決衛(wèi)星定位原理造成的高程定位精度較差的問(wèn)題，將高精度大氣壓強(qiáng)傳感器引入接收機(jī)，對(duì)高度信息進(jìn)行補(bǔ)償與校正，可以有效抑制高度誤差和野值的出現(xiàn)，提高垂直方向的定位精度[10]。

1 硬件方案設(shè)計(jì)

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

接收機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括射頻前端、基帶處理、定位解算和高度換算幾個(gè)單元。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

射頻電路位于接收天線和基帶數(shù)字信號(hào)處理模塊之間，主要實(shí)現(xiàn)把電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐?shù)字信號(hào)處理模塊易于處理的中頻信號(hào)；基帶數(shù)字信號(hào)處理功能主要在FPGA芯片中完成，F(xiàn)PGA在本地時(shí)鐘的控制下對(duì)射頻電路送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行采樣和量化，同時(shí)產(chǎn)生本地載波實(shí)現(xiàn)載波剝離，產(chǎn)生本地偽碼實(shí)現(xiàn)偽碼剝離，最終解調(diào)出導(dǎo)航電文；定位解算單元選用的DSP芯片有著強(qiáng)大的運(yùn)算能力，在接收到FPGA送來(lái)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行解算，解調(diào)出導(dǎo)航電文中的星歷信息，并計(jì)算出可視衛(wèi)星的位置和速度，最終解算出用戶的三維位置和三維速度，提供定位導(dǎo)航服務(wù)；高級(jí)指令集微處理器(Advanced RISC Machine，ARM)芯片承擔(dān)了大氣原始數(shù)據(jù)的補(bǔ)償和大氣高度的轉(zhuǎn)換工作，該芯片在負(fù)責(zé)接收傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)，也要接收GNSS接收機(jī)最終解算出的定位信息，以判斷當(dāng)前的定位質(zhì)量，從而完成對(duì)海拔高度的初始校準(zhǔn)，提高測(cè)量精度。

1.2 射頻電路

射頻前端的最終目的是把模擬的高頻電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻的數(shù)字信號(hào)，因?yàn)閷?duì)于電子器件來(lái)說(shuō)，低頻的信號(hào)處理起來(lái)更為容易，并且數(shù)字信號(hào)比模擬信號(hào)處理起來(lái)更加有優(yōu)勢(shì)，傳統(tǒng)的射頻電路由分立的半導(dǎo)體器件構(gòu)成，而現(xiàn)在用于處理射頻信號(hào)的電子器件一般都集成在一個(gè)專(zhuān)用的集成電路中，即射頻集成電路(Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC)，用來(lái)完成如圖2所示的功能。

圖2 射頻電路工作流程

射頻芯片選用MAX2769B，除了支持GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)外，也支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。芯片采用Maxim先進(jìn)的低功耗SiGe BiCMOS工藝，能夠以較低的成本提供業(yè)界最高的性能和集成度。MAX2769B提供了2種的配置方式，3線制SPI和8種典型配置選擇，設(shè)計(jì)中采用SPI的方式進(jìn)行通信，通過(guò)FPGA設(shè)計(jì)的SPI接口向MAX2769寫(xiě)入控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)MAX2769B的配置，與后者相比，該方式具有較強(qiáng)的靈活性。

1.3 基帶處理

相關(guān)器作為接收機(jī)的心臟，接收信號(hào)與復(fù)制C/A碼的相關(guān)運(yùn)算均在這里完成，該功能主要在FPGA芯片EP4CE115F23I7N及相關(guān)外圍電路中完成。

設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)同樣設(shè)計(jì)的射頻單元分別處理不同的衛(wèi)星信號(hào)。FPGA與射頻的通信主要分為2部分，一是通過(guò)SPI接口對(duì)射頻芯片進(jìn)行配置;二是通過(guò)其他接口將I、Q兩路的中頻信號(hào)送至基帶進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)中射頻1用來(lái)處理GPS信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)為GPSCLK1；射頻2用來(lái)處理北斗信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)為BDCLK2。配置芯片選用同為Altera公司研制的EPCS64SI16N，與同類(lèi)芯片相比，該芯片售價(jià)較低，同時(shí)擁有FLASH存儲(chǔ)器訪問(wèn)接口、系統(tǒng)可編程、小外形集成電路封裝等特點(diǎn)。該芯片為16引腳SOIC封裝，設(shè)計(jì)中只需用到片選信號(hào)nCS、串行時(shí)鐘DCLK、串行數(shù)據(jù)輸出DATA、AS數(shù)據(jù)輸入ASDI、電源VCC和地GND幾個(gè)引腳，配置相對(duì)簡(jiǎn)單。

1.4 定位解算

FPGA的DSP的物理連接方式主要通過(guò)EMIF接口。其中DSP的地址和數(shù)據(jù)接口分別與對(duì)應(yīng)的FPGA的接口相連接，數(shù)據(jù)總線長(zhǎng)度16位，地址總線長(zhǎng)度12位。

通道的選擇由地址寄存器中高5位負(fù)責(zé)，而低6位則儲(chǔ)存著每個(gè)通道內(nèi)寄存器的偏移地址。DSP與FPGA之間的控制總線包括片選、使能、寫(xiě)、時(shí)鐘以及中斷信號(hào)線[12]。來(lái)自DSP的指令通過(guò)EMIF總線進(jìn)行傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶信號(hào)處理單元的控制，同時(shí)FPGA又將鎖存的信號(hào)發(fā)送給DSP，以供后續(xù)的導(dǎo)航解算使用，通信原理如圖3所示。

圖3 FPGA通信示意圖

1.5 高度校正

氣壓高度與溫度的轉(zhuǎn)換是在ARM處理器中完成的，該芯片選用意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的STM32F103ZET6，為增強(qiáng)型32位基于ARM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器。最高工作頻率72MHz。傳感器選用博世(Bosch)公司推出的一種絕對(duì)氣壓傳感器BMP280。該傳感器測(cè)量范圍300～1100hPa，絕對(duì)精度±1hPa，相對(duì)精度±0.12hPa，產(chǎn)品不僅有著較高準(zhǔn)確度和線性度，同時(shí)也具有較強(qiáng)的魯棒性和電磁兼容性。

氣壓高度作為一種輔助信息源，所以ARM與DSP之間不需要通過(guò)總線連接，兩者只通過(guò)串口進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)收發(fā)，ARM接收DSP解算的位置信息用于初始校正，DSP接收ARM校正后的信息用于輸出校正。

2 軟件設(shè)計(jì)

GNSS接收機(jī)軟件負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的工作時(shí)序比如射頻、FPGA、DSP的時(shí)鐘控制、不同模塊之間數(shù)據(jù)交換，從而最終實(shí)現(xiàn)定位、定速結(jié)果在上位機(jī)的輸出。軟件功能主要分為以下幾個(gè)部分：系統(tǒng)初始化、衛(wèi)星信號(hào)的捕獲與跟蹤、導(dǎo)航電文的解算，高度信息融合和導(dǎo)航結(jié)果的輸出。

1)系統(tǒng)初始化的主要功能是完成MAX2769B芯片的配置、DSP芯片的配置，變量、參數(shù)初始化等工作，同時(shí)還要完成FPGA與DSP之間通信接口的測(cè)試工作；

2)捕獲與跟蹤衛(wèi)星模塊負(fù)責(zé)控制接收機(jī)各個(gè)通道對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲并對(duì)環(huán)路實(shí)現(xiàn)緊密跟蹤；

3)導(dǎo)航電文的解算主要依靠從FPGA環(huán)路中提取的測(cè)量參數(shù)，從播發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航電文中提取衛(wèi)星參數(shù)等導(dǎo)航信息，聯(lián)立方程組計(jì)算載體位置、速度、收星數(shù)和DOP值等信息；

4)高度信息校正部分主要是將傳感器送來(lái)的高度信息進(jìn)行換算并送至DSP與原始高度進(jìn)行組合；

5)導(dǎo)航結(jié)果的輸出主要是將組合后的導(dǎo)航信息輸出至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

圖4 軟件工作流程

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試主要通過(guò)跑車(chē)試驗(yàn)完成。地面跑車(chē)試驗(yàn)可以驗(yàn)證接收機(jī)在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)存在的問(wèn)題。在試驗(yàn)中，采用國(guó)外高精度Ublox衛(wèi)星接收機(jī)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，測(cè)試本系統(tǒng)定位、測(cè)速性能，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)時(shí)觀測(cè)保存數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)時(shí)選擇路面較為寬廣的路段，四周遮擋較少可以達(dá)到良好的收星效果，試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)速為0～60km/h，試驗(yàn)結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 接收機(jī)位置變化

圖6 接收機(jī)位置誤差

圖7 接收機(jī)速度變化

圖8 接收機(jī)速度誤差

計(jì)算得到1σ的均方根誤差結(jié)果與基準(zhǔn)軌跡相比，緯度誤差2.029m，經(jīng)度誤差1.928m，高度誤差7.913m，東北天速誤差分別為0.088、0.085和0.089m/s。

在此基礎(chǔ)上，將氣壓傳感器的輸出接入DSP的RS232通信串口，得到使用氣壓數(shù)據(jù)融合前和融合后的高度輸出對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 高度變化

從圖9可以看出，采用氣壓高度信息校正后的系統(tǒng)輸出的高度數(shù)據(jù)更為精確，與之前相比也更為穩(wěn)定，野值出現(xiàn)的概率較小，其誤差基本在5m左右，1σ誤差僅為1.967m，整體滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)GNSS接收機(jī)靈活性較差的問(wèn)題，本文提出了一種基于FPGA的硬件架構(gòu)，通過(guò)核心器件的選型和通信接口的設(shè)計(jì)，完成了GNSS接收機(jī)模塊的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上完成了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明該接收機(jī)具有良好的性能，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。但是在硬件設(shè)計(jì)方面，為了方便對(duì)高度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在增加了一塊微處理器即ARM芯片的同時(shí)，也增加了系統(tǒng)的體積和干擾風(fēng)險(xiǎn)，因此仍需重新對(duì)軟硬件進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升接收機(jī)的性能。