一種基于FPGA＋DSP的北斗兼容型高精度接收機系統設計

蔡艷輝，胡 銳，程鵬飛，楊云春，王 權

（1.中國測繪科學研究院，北京 100830；2.北京耐威科技股份有限公司，北京 100029）

1 引言

全球衛星導航定位技術經歷了20多年的發展，其應用已經深入到各國軍事、安全、經濟領域的方方面面，無論在中國還是全球，已經培育出了一個新型衛星導航產業。目前，我國衛星導航產業已經進入高速發展時期，預計2015年產值將超過2250億元［1］，成為國民經濟重要的新增長點。

衛星導航應用主要分消費類和專業類，消費類主要是應用于車載或個人娛樂消費上，產品均以模塊形式提供，功耗要求極低（幾百毫瓦）、尺寸很小（2cm～3cm長寬），精度上要求并不高，一般10m左右。目前這類產品主要以國外的Ublox和SiRF占據壟斷地位，國內廠家也在逐步推出自主產品；專業類主要應用于高精度導航、精密測量、對地觀測等對精度要求較高領域，要求功耗低、體積小、集成度高、定位精度高，這方面國外品牌有Trimble、Leica和NovAtel等都擁有自己的核心技術。國內廠家基本上都沒有自己的核心技術，產品也都是基于國外廠家的核心技術，屬于產業的末端。

盡管中國北斗衛星導航系統（BDS）已經正式提供定位服務，并形成了亞太地區覆蓋能力，但是目前還仍處于初步應用階段。另一方面，BDS衛星導航電文還未完全公開，而目前能夠兼容BDS的高精度接收機還不是很多。因此開發具有兼容BDS衛星信號的GNSS接收機系統極具戰略意義。本文詳細介紹了一種基于DSP＋FPGA的模塊化的低功耗、小體積BDS兼容接收機系統設計，在保證GNSS信號處理實時性的同時提高了系統的集成度、穩定性。

2 兼容型BDS高精度接收機系統組成

2.1 兼容型BDS高精度接收機整體框架

衛星導航定位接收機應用系統主要由天線、接收機主體及后續用戶接口顯示部分三大部分組成。天線接收衛星信號并將其從無線電微波轉換成射頻電信號（通常天線中還帶有低噪聲增益放大器），然后由接收機主體部分完成對射頻信號的下變頻、AD轉換、基帶信號處理、導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、速度和時間信息，最后通過串口、USB、網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 高精度接收機系統組成示意圖

高精度接收機系統中最終的部分即為GNSS接收機，它是整個系統的中樞，接收由天線送來的射頻信號經濾波、增益放大、下變頻、AD轉換、信號解調解擴、導航解算、精密定位處理后通過通訊口送給下游的用戶顯示。目前市場上通用的GNSS接收機都只能接收GPS衛星信號，本文提出了一種具有兼容BDS衛星信號的GNSS接收機設計方案。

高精度GNSS接收機由RF射頻前端、基帶數字信號處理、輸入輸出接口、接收機控制、導航解算、精密定位六個模塊組成。射頻前端接收RF射頻信號輸入，然后進行下變頻、濾波、增益控制，將高頻輸入信號轉變為所需的中頻信號；基帶數字信號處理首先通過AD轉換并進行采樣，獲得基帶數字信號，經過各基帶通道完成對各個衛星信號的解擴、解調，完成偽距、時間等原始觀測信息的提取；輸入輸出接口負責整個接收機的數據流傳遞與交互；接收機控制負責協調監控各模塊間的工作，保證系統的實時性、穩定性；導航定位解算對原始觀測信息進行初步解算處理，為接收機提供初步的單點定位結果；精密定位則根據輔助觀測信息或外部差分輸入信息通過解算獲得進一步獲取高精度的定位結果。GNSS接收機各模塊間的關系如圖2所示。

2.2 RF射頻前端設計

GNSS接收機采用的是星基無線電擴頻調制通訊體制，由距離地球表面2萬多公里的衛星天線發射，傳播過程衰減加上路徑上的其他干擾，到達地面功率只有－130dBm，深埋于熱噪聲電平之下（－110dBm），故只有經過增益放大和解擴處理后才能得到有用信號［3－4］。目前市場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，而對于高精度接收機而言，需要同時能接收L2頻率上的導航信號。本文采取了利用分離元器件自行設計的射頻電路的方式來搭建高精度接收機射頻前端，如圖3所示。

在整個射頻電路設計過程中要保證信號到達ADC模塊時的功率保持在0dBm±1dB附近，故L1通道的增益需要保持在110dB左右，考慮到實際的電路設計以及工藝水平的影響，在總體增益設計時保持一定的冗余度，整個通道的整體增益為115dB。同理L2通道增益需要達到105dB。射頻下變頻到中頻的信號經過AD采樣后，變為基帶數字信號供后續處理。

2.3 基帶數字信號處理

圖2 GNSS接收機模塊組成框圖

圖3 BDS兼容型高精度接收機射頻電路組成框圖

基帶數字信號處理是整個接收機的最核心部分，承擔著承上啟下的作用，它從基帶數字信號中完成對調制信息解擴解調，提取出原始的觀測數據，這些數據的精度質量好壞是接收機最終定位結果好壞的一個最大決定因素。為了兼容BDS信號，需要在原來跟蹤GPS通道基礎上進行擴容，以便建立更多的跟蹤通道完成對BDS衛星信號的捕獲與跟蹤。而在信號解擴解調過程中需要大量的相關運算，為保證接收機的實時性，選用FPGA芯片搭建128個相關運算通道以保證基帶最多能同時跟蹤32顆衛星的全部信號。同時利用DSP形成基帶環路的跟蹤控制邏輯，并實現基帶原始觀測數據的提取。

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來編程實現接收機的基帶相關器通道，該款芯片擁有高達14萬個邏輯單元，超大的容量保證了128個相關運算通道并行運算的可實現性實現的相關通道包括：載波數控晶振（NCO）、碼NCO 碼發生器、積分清零單元等核心單元以及相應的協調工作部分，每個通道都還有一個載波環路和一個碼延遲環路［2］。基帶數據在經過并行相關運算處理后得到同相（I）和正交（Q）支路兩路相關數據，由TI公司的DSP TMS320C6747控制的基帶環路來完成信號的捕獲跟蹤及原始觀測數據提取，FPGA和DSP在基帶部分的具體功能構成如圖4所示。

圖4 高精度接收機基帶處理部分結構示意圖

2.4 導航定位解算及高精度精密定位

接收機導航定位解算最大需要對128通道的數據進行處理運算，完成觀測數據提取、星歷校驗和解碼，以及位置、速度和時間等信息的實時解算。在對整個接收機所需要的運算量進行估算后，選擇TI公司的高性能低功耗浮點系列DSP TMS320C6747作為處理單元，該型芯片最高能以456MHz主頻工作，內含的8個功能單元使得每時鐘周期能并行執行8條指令（其中6條為浮點指令），加上TI的獨特超長處理VLIW（Very long instruction wide）技術，最高性能將達到3648 MIPS（Million instruction per second）／2736 MFLOPS（Million float instruction per second），片內還含有64個通用寄存器及兩個可配置的32K緩存。因此所選的DSP芯片完全能夠滿足最多128通道基帶原始觀測數據提取和基本的導航定位解算。

為降低接收機功耗和體積，基于BDS／GPS的差分高精度精密定位解算也由C6747來完成，在差分模式下，接收機需要實時接收來自差分站的BDS／GPS差分數據，通過對本機的BDS／GPS偽距和載波相位觀測誤差進行修正，實現厘米級的高精度差分定位。

2.5 接收機控制及輸入輸出接口

接收機自身和數據流控制是關系到整個接收機是否能正常、穩定、可靠工作的關鍵，由于所選的DSP C6747芯片本身不僅具有強大的運算功能，還提供了豐富的外圍接口。首先其擁有兩個獨立的外部存儲器接口（EMIF），可以同時對兩個存儲器進行訪問，即可以使用其中一路擴展SRAM使用，將另一路配置成高性能并行通信接收，這為實現實時高性能復雜GNSS導航定位算法提供了硬件條件，同時也解決了從FPGA中讀取大量通道數據的問題；其次，該芯片還擁有3個Uart、2個SPI和2個I2C、3個 Mcasp，2個USB、1個網口、1個LCD控制和1個 MMC／SD控制等可復用功能，這些為處理器與其它器件的無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

通過這種架構使得所設計的高精度接收機可以勝任任一場合要求，在基本不損失處理能力的同時，自身的功耗和體積都得到很好的控制，這為接收機內部實現各模塊間的有利控制提供了條件。

3 兼容型接收機整體調試

3.1 硬件制版和調試

根據接收機的前端射頻、基帶數字信號處理、導航定位解算及高精度精密定位、接收機控制和輸入輸出的設計，制板和芯片焊接后的兼容接收機板卡如圖6。

圖6 兼容型GNSS接收機OEM板

接收機系統進行整體調試主要分為四部分：射頻部分電路測試、基帶數字部分測試、接收機控制及接口測試、導航定位解算及精密定位性能測試。射頻部分的測試主要是確定溫補晶振和模擬部分的變頻電路是否工作正常，通過示波器、頻譜儀對射頻各階段的輸出進行測試，檢測所產生的信號頻譜是否符合實際的要求；基帶數字部分測試通過編寫相應的測試程序，主要測試相關器中寄存器和存儲器的讀寫訪問是否正常，并采樣量化的數據查看噪聲分布是否正常；接收機控制及接口則是檢查硬件中斷是否能夠按照要求產生，輸入輸出接口操作時間是否能滿足實時性指標要求。

3.2 載波相位數據觀測質量

兼容型接收機支持GPS／BDS二代雙頻高精度偽距和載波相位觀測，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的載波相位測量精度約為2mm，GPS L2的載波相位測量精度約為3.3mm，BDS B1的載波相位測量精度約為3.8mm，BDS B2載波相位的測量精度約為3.8mm。

圖7 兼容型GNSS接收機OEM板載波相位定位殘差

3.3 RTK定位

為了測試BDS載波相位RTK的精度，選取了相距3km的兩個點，一個設為基準站，一個設為流動站，采用兼容型接收機進行BDS載波相位實時差分定位（RTK），定位結果與已知點進行求差，時間序列如圖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 結束語

本文利用Xilinx FPGA和TI DSP作為接收機系統的主要處理芯片，配合自行設計的GPS＋BDS四頻接收機系統，經過測試整板卡功耗僅為3.5W，尺寸為100mm×60mm×20mm，具有體積小、功耗低的優點，測試的結果顯示載波相位觀測精度達到2mm，短基線RTK固定良好，定位精度達到厘米級，表明該兼容型接收機設計完全能夠滿足專業類GNSS高精度精密定位應用的需求。

圖8 兼容型GNSS接收機OEM板載北斗載波相位RTK定位結果

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