北斗多模多頻導(dǎo)航SoC芯片技術(shù)研究

馬文佳

（北京東方聯(lián)星科技有限公司，北京 100085）

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國(guó)家重大空間基礎(chǔ)和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全、國(guó)土安全和公共安全的重大技術(shù)支撐系統(tǒng)和基礎(chǔ)資源。衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)是國(guó)家的戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。促進(jìn)以衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用為主導(dǎo)的航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有利于國(guó)家安全的需要，也是今后較長(zhǎng)一段時(shí)期我國(guó)建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家，推進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的重要途徑。

衛(wèi)星導(dǎo)航在測(cè)繪、探空、勘探、航海、航空、交通、大眾化應(yīng)用等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用已深入到經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)方面，成為直接影響國(guó)計(jì)民生的重要技術(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航芯片是衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)，處于衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，衛(wèi)星導(dǎo)航芯片技術(shù)發(fā)展水平將直接影響到衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。

由北京東方聯(lián)星科技有限公司自主研制的OTrack-128芯片專門為北斗導(dǎo)航應(yīng)用而生，其四模十頻點(diǎn)的多模多頻兼容特性滿足了絕大部分的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用需求，對(duì)北斗衛(wèi)星在航天、航空、精確制導(dǎo)等國(guó)防領(lǐng)域的應(yīng)用起到了良好的促進(jìn)作用。

1 OTrack-128簡(jiǎn)介

OTrack-128芯片采取SoC設(shè)計(jì)架構(gòu)，在一個(gè)芯片內(nèi)集成主處理器ARM、導(dǎo)航基帶處理器、存儲(chǔ)器及其他接口電路，實(shí)現(xiàn)單芯片多模多頻導(dǎo)航定位功能。芯片包含多種對(duì)外接口，接口類型囊括了最常見(jiàn)的SDRAM/FLASH接口、串行FLASH接口、SPI接口、UART接口、USB接口、PRM芯片接口、SCI7816接口（與I2C接口復(fù)用）等，能滿足衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的各類交互通信的需要。

圖1 OTrack-128芯片實(shí)物圖Fig.1 OTrack-128 chip photos

OTrack-128芯片中集成有16KB I-Cache、16KB D-Cache、256KB SRAM以及8KB ROM。此外，芯片還集成了EMI（External Memory Interface，外部存儲(chǔ)器接口），支持外部SDRAM/SRAM/Nor Flash擴(kuò)展。

芯片采用65nm CMOS工藝，支持SIP（System In a Package，系統(tǒng)級(jí)封裝），可以將不同芯片，如射頻芯片，與其并排或疊加封裝，以提高集成度，縮小芯片組面積。此外，芯片還支持陶瓷封裝，能夠滿足GJB597B質(zhì)量等級(jí)B級(jí)芯片的要求。

2 主要功能及技術(shù)指標(biāo)

1）具有Beidou B1/B2/B3 I/Q支路，GPS L1 C/A碼、L2C碼、L5民碼，GLONASS F1、F2民碼，Galileo E1/E5民碼處理能力，共四系統(tǒng)十頻率；

2）支持GPS區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS、EGNOS、QZSS和GAGAN信號(hào)處理；

3）32個(gè)捕獲通道、192個(gè)跟蹤通道；

4）具有抗窄帶干擾功能：每路最多抗8個(gè)窄帶干擾，可抗窄帶干擾信號(hào)功率≥-60dBm；

5）支持A-GNSS功能；

6）可接收北斗增強(qiáng)網(wǎng)服務(wù)數(shù)據(jù)，能進(jìn)行高精度差分定位；

7）支持Beidou RDSS（短報(bào)文）業(yè)務(wù)功能；

8）支持偽距差分、RTK功能；

9）支持慣導(dǎo)信息輸入與組合導(dǎo)航功能；

10）支持NMEA標(biāo)準(zhǔn)格式輸出、專用二進(jìn)制格式輸出、支持觀測(cè)量輸出；

11）256引腳BGA封裝：尺寸12mm×12mm；

12）工作溫度：-40°C～ +85°C。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical performance parameters

3 原理框圖

圖2 OTrack-128芯片框圖Fig.2 OTrack-128 chip blocks

OTrack-128芯片集成16KB D-cache和16KB I-cache以及高性能ARM CPU，以及外部Nor Flash和SDRAM/SRAM存儲(chǔ)控制器，DMA控制器，USB1.1設(shè)備和其他相關(guān)IO外圍設(shè)備；內(nèi)置完全自主研發(fā)的高性能Beidou/GPS/Glonass/Galileo多模多頻導(dǎo)航基帶模塊，該導(dǎo)航基帶模塊采用自主創(chuàng)新的“捕獲+跟蹤”處理結(jié)構(gòu)，內(nèi)部構(gòu)造了32個(gè)獨(dú)立的RNSS捕獲通道、192個(gè)獨(dú)立的RNSS跟蹤通道和10個(gè)獨(dú)立的RDSS處理通道。

導(dǎo)航基帶基帶模塊支持任意6個(gè)頻點(diǎn)的GNSS信號(hào)的并行處理，工作頻點(diǎn)及工作通道數(shù)可靈活配置；增強(qiáng)抗窄帶干擾能力，支持3路抗窄帶干擾，每路最多抗抗8個(gè)窄帶干擾，可抗窄帶干擾信號(hào)功率≥-60dBm；具備RDSS信號(hào)接口，可提供RDSS業(yè)務(wù)；支持NH碼輔助捕獲、比特輔助、A-GNSS處理。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 導(dǎo)航基帶處理器設(shè)計(jì)

OTrack-128 SoC芯片中的核心處理模塊為多模多頻導(dǎo)航基帶信號(hào)處理器，主要包含AJ BLOCK（抗干擾模塊）、GNSS模塊和RDSS通信模塊。OTrack-128芯片的基帶處理器實(shí)現(xiàn)了Beidou B1/B/B3頻點(diǎn)I/Q信號(hào)處理、RDSS收發(fā)處理和多模信號(hào)處理功能及軍碼直捕功能。

圖3 OTrack-128芯片基帶處理器Fig.3 OTrack-128 baseband processor

4.2 多模多頻兼容處理架構(gòu)設(shè)計(jì)

多模導(dǎo)航的數(shù)字中頻數(shù)據(jù)送入到數(shù)據(jù)緩存中，通過(guò)CPU配置，確定捕獲通道及各跟蹤通道處理的衛(wèi)星系統(tǒng)，從而可從數(shù)據(jù)緩存中選取適當(dāng)?shù)牟蓸訑?shù)據(jù)，送到捕獲及跟蹤通道，進(jìn)行處理。成功捕獲及跟蹤上多系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)之后，進(jìn)入多模融合定位算法，實(shí)現(xiàn)多模定位。

圖4 多模多頻兼容架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 Multi-mode compatible structure

4.3 軍碼直捕技術(shù)

Beidou Q支路RNSS軍碼序列由于其重復(fù)周期長(zhǎng)、碼速率高，可提供更高的保密抗干擾能力和測(cè)距精度而被軍用裝備廣泛應(yīng)用。實(shí)際環(huán)境中，對(duì)于傾斜軌道衛(wèi)星IGSO和低軌衛(wèi)星MEO而言，由于衛(wèi)星或者用戶的移動(dòng)，使得接收信號(hào)的載波具有很大的多普勒頻移，導(dǎo)致軍碼相關(guān)峰值急劇下降。因此，大多普勒頻移環(huán)境下實(shí)現(xiàn)軍碼的快速捕獲是影響衛(wèi)星導(dǎo)航定位擴(kuò)頻系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

本芯片采用基于FFT對(duì)多普勒頻偏進(jìn)行補(bǔ)償?shù)念l域并行捕獲方法進(jìn)行軍碼直捕。頻域并行搜索方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需劃分頻率通道，捕獲時(shí)間短，捕獲性能較好，為了解決大頻偏條件下的軍碼直捕，還采用了頻域掃描的方法進(jìn)行高動(dòng)態(tài)下的軍碼捕獲。根據(jù)多譜勒頻偏范圍、主瓣頻帶寬度和信噪比參數(shù)，確定頻率調(diào)整步進(jìn)，劃分多個(gè)通道，以某一個(gè)通道頻率進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，利用滑動(dòng)相關(guān)器和匹配濾波搜索整個(gè)碼區(qū)間，并采用門限判決是否捕獲。

4.4 低功耗SoC設(shè)計(jì)技術(shù)

1）門控時(shí)鐘技術(shù)：使用控制信號(hào)關(guān)閉處于空閑狀態(tài)的電路模塊的工作時(shí)鐘；

2）自適應(yīng)時(shí)鐘頻率控制技術(shù)：自動(dòng)改變整個(gè)芯片的時(shí)鐘頻率或某些與應(yīng)用相關(guān)區(qū)域的時(shí)鐘頻率，使用低頻率時(shí)鐘或在深睡眠模式下關(guān)閉所有模塊時(shí)鐘，以減小功耗；

3）多電壓區(qū)域技術(shù)：將芯片內(nèi)核劃分為不同電壓的區(qū)域，隨工作頻率和工作狀態(tài)提高、降低或者關(guān)閉電壓，以降低功耗；

4）65nm CMOS工藝低功耗設(shè)計(jì)，使用更低內(nèi)核電壓和低功耗的電路庫(kù)，降低功耗，降低芯片面積。

5 結(jié)束語(yǔ)OTrack-128導(dǎo)航SoC芯

片是針對(duì)Beidou正式投入運(yùn)營(yíng)后的衛(wèi)星導(dǎo)航專用和民用領(lǐng)域需求設(shè)計(jì)的。Beidou正式運(yùn)營(yíng)后，我國(guó)的軍用和民用導(dǎo)航市場(chǎng)都迫切需要高靈敏度、高性能、以Beidou系統(tǒng)為基礎(chǔ)的多模兼容導(dǎo)航芯片，以提高國(guó)內(nèi)導(dǎo)航產(chǎn)品的性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，彌補(bǔ)Beidou相關(guān)導(dǎo)航市場(chǎng)的空白。OTrack-128芯片為完全獨(dú)立自主研發(fā)，其中的抗干擾、抗多徑技術(shù)，打破了國(guó)外對(duì)導(dǎo)航核心技術(shù)的壟斷，使得我國(guó)在導(dǎo)航核心技術(shù)及其應(yīng)用上掌握了充分自主權(quán)。

[1]寇艷紅,譯.GPS原理與應(yīng)用,第二版[M].電子工業(yè)出版社,2007年.

[2]IEEE Standard VHDL Language Reference Manual[C]//.Std 1076-1987,IEEE,NY,1988.

[3]Parsons,J D.The Mobile Radio Propagation Channel,2nded,New York:John Wiley and Sons,2000.

[4]喬廬峰,王志功,等,譯.VHDL數(shù)字電路設(shè)計(jì)教程[M].電子工業(yè)出版社,2005年.

[5]劉雷波,孟一聰,譯.VHDL教程,第三版[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006年.