一款北斗/GPS雙模定位模塊設計與實現

潘未莊，陳石平，牛明超

(廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510656)

0 引 言

2012年12月27日中國政府向全球宣布，北斗衛星導航系統(BDS)即日起正式向亞太地區免費提供高質量全天候的導航、定位、授時和測速服務[1]。北斗系統是我國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，計劃2020年全面建成，和美國的全球定位系統(GPS)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)、歐洲的伽利略衛星導航系統(Galileo)被全球衛星導航系統國際委員會(ICG)確定為全球四大衛星導航系統。

我國正加快北斗衛星導航系統的建設，對于涉及國家經濟、公共安全的重要行業領域采用逐步過渡到北斗衛星導航兼容其它衛星導航系統的服務體制。國外企業利用其在GPS領域中積累的技術、產品和品牌等優勢，競相搶奪中國市場[2]。要在較短時間內完成北斗在國家經濟安全領域的推廣應用和在大眾市場的迅速推廣，首要是設計出擁有核心自主知識產權的接收機芯片[3]；其次是快速推出管腳尺寸兼容、接口協議兼容、功耗相當、價格適中的北斗模塊，原位替換GPS模塊。

1 國外GPS芯片發展概況

GPS模塊是伴隨GPS芯片的發展而壯大起來的。芯片是GPS模塊的關鍵部分之一，芯片的優劣在很大程度上決定了GPS產品的性能。典型的GPS模塊[4]框圖如圖1所示。

圖1 GPS模塊硬件框圖

LNA檢測和處理GPS射頻信號，RF前端將GHz的衛星信號下變頻到數字電路能處理的中頻；GPS引擎用于處理GPS中頻信號，ROM和Flash存放嵌入式GPS軟件代碼，與GPS引擎配合搜索和跟蹤GPS衛星信號，CPU由此求解出用戶坐標和速度。

GPS模塊可劃分為RF單元、引擎單元和CPU處理單元三個部分，GPS芯片發展就是這三個單元融合的過程。

第一代：20世紀90年代，3段式設計，集成度低，三部分電路都是分立芯片，如圖1所示中各個模塊所示；

第二代：20世紀末，2段式設計，LNA、濾波器、混頻器、頻率合成器及振蕩器等整合在一塊RF芯片；基帶處理則整合了引擎、CPU、內存、電源管理及時鐘等[5]；如圖1所示中虛線所示。

第三代：21世紀初，SOC設計，從RF到數字基帶處理都集成到單個芯片[6]上，僅需要簡單的外圍器件就能完成GPS模塊設計，并整合了更多功能，如圖1所示。

目前國外正在研發第四代GPS芯片，向小尺寸、高靈敏度、低功耗、多模(兼容Galileo等導航系統)、A-GPS方向發展，與多種應用高度整合，如圖1外框所示；軟件處理正朝弱信號捕獲、高動態、室內定位等方向發展，終端產品體積日趨輕薄短小。

北斗模塊專用芯片，主要包括射頻和基帶信號處理芯片，構成了北斗模塊的核心部件。目前中國大陸約10家企業具備北斗芯片和模塊設計研發能力。

國內定位模塊經歷三個主要發展階段：全部進口，逐步實現部分自主設計，最終達到整機自主集成設計。國產北斗芯片架構也經歷伴隨這三個主要發展階段：

第一階段：國外商業射頻芯片+FPGA+通用處理器；芯片設計處于原型樣機階段，北斗模塊體積、功耗和成本奇高，只能用于特定的行業用戶，無法大規模商用[7]；

第二階段：國產射頻芯片+國產引擎+通用處理器；與GPS第二代芯片類似[8]；

第三階段：國產射頻芯片+國產基帶處理器；與GPS第三代芯片類似。

北斗最大的優勢在于自主產權。國外企業無法獲得北斗導航定位的關鍵算法和技術參數，客觀上構成了對外資企業的技術壁壘，期望國外能提供相關的核心芯片，既不現實也相當于把核心技術主導權拱手相讓。因此北斗核心技術如芯片以及核心算法只能自主研發。

目前國內有幾家企業已涉足北斗射頻芯片的研發，如廣州潤芯、西安華訊、北京廣嘉等。商業化規模應用做得較好是廣州潤芯、西安華訊和西南集成等。北斗基帶芯片主要廠商有海格通信、和芯星通、西安華訊、東莞泰斗、東方聯星等幾家公司。我國北斗元器件的技術水平已經實現了自主集成設計。目前國內北斗多模解決方案仍主要基于射頻+基帶+應用處理器的解決方案，已經出現基帶內集成處理器的ASIC方案。伴隨北斗系統逐步完善，國內企業、研究機構的芯片在性能上與國外產品有差距逐漸縮小。合眾思壯的UGB-2PT模塊雖然靈敏度差些，但199元的價格已經和GPS模塊相當；中國臺灣企業采用聯發科的MT3332/3333芯片也設計出北斗/GPS模塊。

2 北斗/GPS定位模塊設計與實現

北斗要擴展到民用領域與GPS全面競爭，不可避免要兼容GPS。采用北斗模塊代替原來GPS模塊，必須不影響用戶體驗，不改變原來的使用習慣，即定位模塊的升級替換對用戶而言是透明的。這要求北斗模塊在物理尺寸、接口協議等方面必須兼容GPS模塊，功耗和成本也要和GPS模塊相當才能具備競爭力。在考察北斗芯片主要供應商的技術水平、供貨情況后，確定北斗模塊采用2段式架構，詳細設計如下。

1)北斗模塊框圖

圖2 北斗模塊框圖

北斗模塊主要由北斗(B1)/GPS(L1)射頻前端芯片和基帶處理芯片組成，衛星信號經由B1L1有源天線內部LNA放大，通過B1L1射頻前端將衛星信號變換至適合于AD采樣的中頻信號；射頻前端內部AD采樣單元將模擬中頻信號數字化輸出到基帶芯片,基帶芯片完成衛星信號捕獲、環路跟蹤、位同步、幀同步、測量、電文提取、定位解算等，最終輸出定位信息。北斗模塊選擇高集成度全貼片的元器件，芯片數量極少，降低了硬件設計要求。

2)射頻前端設計

B1L1射頻前端芯片選用潤芯公司集成了B1L1頻點的射頻前端芯片RX3007[9].RX3007采用0.13 μm RFCMOS工藝，一次變頻低中頻接收架構，并行雙通道變頻處理，集成度高,外圍電路元器件很少。很多北斗模塊的射頻前端采用2片max2769芯片進行設計，每片max2769電流功耗20 mA，兩片共計40 mA，而RX3007功耗僅28 mA，大大節省了功耗，并顯著地減少模塊體積、并且可以大大降低成本。

3)基帶處理設計

基帶芯片選用海格的北斗/GPS數字基帶系統級芯片HGBD102.HGBD102采用0.13 μm CMOS工藝，內置北斗/GPS雙模捕獲引擎和跟蹤通道，2位數字中頻接口，無縫匹配主流的射頻前端芯片；捕獲跟蹤靈敏度分別為-143 dBm和-157 dBm，性能達到GPS第三代芯片水平；輸出數據兼容NMEA0183協議，內嵌處理器可完成系統狀態管理、通道及相關資源管理與控制、接收信號處理與測量解算，標準化的導航解算軟件用于搜索和跟蹤衛星信號，并求解用戶坐標和速度。軟件已經固化到Flash芯片上，不需要進行二次開發和調試。模塊預留軟件升級接口，方便更新程序。

4)組合導航軟件設計

組合導航軟件完成北斗模塊軟件系統的控制和數據融合解算。圖3示出了數據處理流程。

圖3 北斗模塊軟件流程圖

模塊上電后，由初始化單元根據上次定位情況，確定進入熱啟動、溫啟動還是冷啟動的選星模式；衛星信號捕獲單元根據設置參數，對北斗/GPS衛星同時進行失鎖重捕或再捕；捕獲成功后就進入信號跟蹤流程，其中主要任務有環路控制、位同步、幀同步以及電文接收；GPS和北斗是兩個獨立的全球衛星導航定位系統，系統之間存在著坐標、時間、星歷、偽距觀測等差異，因此，數據融合單元完成時間轉換、格式轉換、坐標轉換、偽距組合、自主完備性監測(RAIM)等處理；最后導航解算單元完成位置、速度、時間等信息的解算和輸出。

組合導航軟件的各個單元模塊作為實時操作系統(RTOS)的子任務，由RTOS統一進行管理。

5)時鐘管理

時鐘選擇16.368 MHz的溫度補償晶體振蕩器(TCXO)，提供給射頻前端和基帶芯片。HGBD102本身集成實時時鐘(RTC)需要的32.678 kHz晶體，因此外部使用超級電容作為備份電源來保存關鍵數據，實現熱啟動功能。

6)性能對比測試

靜態測試和跑車測試圖形數據如圖4、圖5所示。

圖4 兩次跑車路測定位結果地圖上的軌跡

圖5 GPS模塊高程和水平誤差

在相同的條件下，以GPS模塊為參考基準，對北斗模塊在定位精度、測速精度、捕獲和跟蹤靈敏度、熱啟動時間、冷啟動時間和功耗等方面進行測試。從圖中可以看到，高程精度和GPS的誤差可以忽略不計，水平精度與GPS誤差在8 m范圍。目前北斗系統還在逐步建設完善階段，北斗衛星數量少于GPS，單北斗定位模式在某些條件下比GPS模塊性能稍差，但在組合定位模式下，性能與GPS模塊相當。

3 結 論

本設計的北斗模塊在物理尺寸、管腳封裝和接口協議等方面兼容主流的GPS模塊，功能、定位精度、測速精度等關鍵指標接近主流GPS模塊水平，已成功應用到某交通運輸項目中[10]。

[1]中國衛星導航系統管理辦公室.北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號 B1I(1.0 版)[S].北京:2012.

[2]李 映.GPS芯片：國外廠商加緊圈地 國內廠商攻守有道[N].中國電子報,2008-04-08(1).

[3]章從福.國內第一塊高性能GPS芯片在西安高新區問世[J].半導體信息,2005(5):2-3.

[4]羅清岳.GPS芯片解決方案[N].電子資訊時報,2006-01-23(3).

[5]何文波.基于華迅芯片組的GPS接收機硬件設計實現及驗證[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[6]嚴 全.基于MTK平臺的GPS定位手機研究與軟件設計[D].武漢:武漢理工大學,2012.

[7]孫洪亮.基于FPGA的GPS芯片驗證與實現研究[D].長春:長春理工大學,2009.

[8]張 波.基于ARM的GPS接收系統的設計研究[D].天津:河北工業大學,2011.

[9]廣州潤芯信息技術有限公司.RX3007C產品規格書,北斗 B1、GPS L1雙模雙通道射頻芯片[R].2013.

[10]潘未莊,陳石平.采用北斗模塊的車載監控終端設計與實現[J].電子測試,2013(16):45-47.