北斗GPS雙系統(tǒng)應用技術研究

陳偉強

（福建福大北斗通信科技有限公司，福建 福州 350100）

隨著科技的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導航定位技術的運用也越來越廣泛。所謂衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，就是一種利用衛(wèi)星為參考源的無線導航系統(tǒng)[1，2]。為了能夠實現(xiàn)精確、穩(wěn)定的導航定位功能，需要研究不同衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的信息并加以相互融合，利用GPS成熟的空間星座來補充北斗空間星座目前的缺陷[3，4]。要實現(xiàn)上述功能，必需使衛(wèi)星導航定位終端具備北斗和GPS兩大系統(tǒng)信息的接收功能，采用雙系統(tǒng)一體化組合結構，將北斗和GPS兩個通道獲取的數(shù)據(jù)同時作為定位解算模塊的輸入，來求解出位置等信息[5，6]。

1 系統(tǒng)設計方案

雙系統(tǒng)信息聯(lián)合處理系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，可劃分為射頻模塊、跟蹤通道、通道控制、PVT解算、串口輸出等功能模塊。

圖1 雙系統(tǒng)信號處理框圖

射頻模塊將天線接收到的衛(wèi)星信號下變頻到中頻信號，北斗B1頻點載波頻率1561.098MHz，GPS L1頻點載波頻率1575.42MHz,兩個頻點相差14.322MHz，對于一般導航接收機天線而言，兩系統(tǒng)的信號頻點均包含在其帶內，然而在下變頻電路中，該頻點差異將使信號落在帶外而抑制，因此需要將射頻信號分兩路下變頻到中頻[7]。該系統(tǒng)中采用MAX2769方案，支持1550MHz至1610MHz的射頻信號輸入，中頻輸出中心頻率4.092MHz的2比特二進制偏移量，分別代表符號和幅值。

系統(tǒng)采用多通道并行的設計，保證對雙系統(tǒng)多顆衛(wèi)星的實時跟蹤，每個通道中包含本地載波振蕩器、測距碼發(fā)生器、混頻器、積分器等功能模塊[8，9]，結合ARM部分的通道控制模塊，實現(xiàn)雙系統(tǒng)衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤，并糾錯解碼得到導航電文，記錄各歷元時刻下各通道的觀測值[10]。

PVT解算模塊利用各歷元的觀測值，按一定的權重比例組合得到一組觀測方程并輸入到位置解算模塊得到接收機的三維坐標和鐘差參數(shù)，隨后按照NMEA協(xié)議，從串口輸出定位結果[11]。

2 基帶信號處理

當射頻模塊輸出經(jīng)數(shù)字化后的帶載波的數(shù)字中頻信號后，還需經(jīng)過QPSK解調、偽碼剝離等操作才能獲取導航電文。該部分在FPGA中實現(xiàn)，以獨立、并行通道的形式進行設計，各處理通道根據(jù)控制模塊的指令獨立地對北斗或GPS中頻數(shù)字信號進行剝離載波、剝離偽碼和相干積分操作[12]。其中單通道結構框圖如圖2所示。

圖2 單通道數(shù)字基帶信號處理通道框圖

為了實現(xiàn)雙系統(tǒng)信息的聯(lián)合處理，接收機必須能夠同時處理北斗和GPS的數(shù)字基帶信號。為實現(xiàn)該目的，接收機可為北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)分別設計一定數(shù)量的專用數(shù)字基帶信號處理通道，但考慮到資源消耗和通道及各功能模塊的資源利用率，本文提出了雙系統(tǒng)接收機通道。與傳統(tǒng)的GPS通道相比，雙系統(tǒng)接收機通道從結構上僅增加了一個中頻信號選擇器，其余各功能模塊都由接收機配置可支持雙系統(tǒng)信號處理的要求。

2.1 中頻載波剝離

為剝離中頻信號中的載波分量，首先要由本機載波NCO生成與中頻信號同頻同相的本機復制載波，再由混頻器將兩者相乘實現(xiàn)中頻載波的剝離。因為輸入信號是經(jīng)過ADC后的2比特偏移二進制信號，幅值位代表偏移量；符號位的1代表符號為負，0代表為正。本機復制的載波也采取這種形式，分別用一個符號位和一個幅值位來代表一個載波。載波NCO輸出一個階梯形周期信號，然后通過正弦余弦函數(shù)查詢表分別將載波NCO中累加器輸出階梯信號的高三位轉換成數(shù)字正弦信號和數(shù)字余弦信號，如圖3所示。

圖3 正弦余弦函數(shù)值表

NCO的工作過程可以簡單地認為是一個N位累加器在輸入時鐘fclk的觸發(fā)下不斷以步進M進行累加，相當于將時鐘信號fclk進行2N次分頻，在控制每次累加的數(shù)值M實現(xiàn)M次倍頻，得到階梯周期信號頻率為fc等于：

式（1）表明，只需要輸入一個合理的M值，即可近似于或者等于我們所需的頻率，使其通過查表就可以輸出數(shù)字正弦信號和數(shù)字余弦信號了。所以設計時首先定義一個N位累加器將時鐘頻率進行2N分頻，而每次累加的數(shù)值M由外部電路寫入，實現(xiàn)M倍頻。

2.2 測距碼

相關接收利用了偽隨機序列的自相關特性，如圖4所示，τ代表兩個序列的相位偏差大小，ρ為序列長度，R（τ）是相關函數(shù)輸出值，即當兩個序列偏差在一個碼元內時，隨著兩個碼元偏差量的減小相關函數(shù)值將急劇增大，當偏差大于一個碼元時相關函數(shù)輸出一個很小的值。

圖4 偽隨機序列自相關函數(shù)

為了實現(xiàn)本機測距碼相位與衛(wèi)星信號測距碼實時對齊，測距碼發(fā)生器將生成相位相差1/2碼片的測距碼，分別為超前碼（E）、即時碼（P）和滯后碼（L）。超前碼比即時碼超前1/2個碼元，滯后碼比即時碼滯后1/2個碼元。

G2移位寄存器的兩抽頭取值范圍∈[0，10]，可采用兩個4比特二進制數(shù)表示，同時增加1bit系統(tǒng)選擇位，在通道初始化時微處理器給測距碼生成器一個9bit配置參數(shù)PRN[8:0]，其中PRN[8]為系統(tǒng)標識位，當值為0時代表該通道處理北斗數(shù)字基帶信號，并賦初值01010101010，G2序列輸出抽頭序號分別為PRN[7:4]和PRN[3:0]；當值為1時代表該通道處理GPS數(shù)字基帶信號，G1、G2處理器進行配置，并賦初值1111111111，G2序列輸出抽頭序號分別為PRN[7:4]和PRN[3:0]。

2.3 總線控制

FPGA與ARM之間采用STM32自帶的FSMC總線協(xié)議通信，由地址（A）、片選（NCS）、讀使能（NOE）、寫使能（NWE）信號控制數(shù)據(jù)的傳遞。

（1）片選信號NCS

該信號為高時，相關器不對外進行任何數(shù)據(jù)傳遞，僅外部中斷持續(xù)輸出。當需要對相關器讀寫時，該信號應提前拉低。

（2）地址選擇

對相關器的不同模塊和不同類型的操作是通過地址A來區(qū)分的，在讀寫使能未觸發(fā)時先設置好地址A，在讀寫過程中應保持A不變。

（3）讀時序（如圖5所示）

圖5 總線讀數(shù)據(jù)時序

在讀取相關器信息時刻，NOE由高電平向低電平跳變，當FPGA檢測到該跳變時，將對應數(shù)據(jù)送入輸入輸出端口。

（4）寫時序（如圖6所示）

圖6 總線寫數(shù)據(jù)時序

在向相關器寫入數(shù)據(jù)時刻，NWE由高電平向低電平跳變，并保持一段時間返回高電平，當FPGA檢測到返回高電平的上升沿時，將數(shù)據(jù)從輸入輸出端口寫入對應寄存器。

3 通道控制

通道控制功能由微處理器完成，與數(shù)字基帶信號處理器共同實現(xiàn)信號捕獲、同步、跟蹤和電文解碼功能，其處理流程如圖7所示。

圖7 通道控制程序流程圖

當接收機上電后，微處理器首先對各通道初始變化，包括載波NCO設置、測距碼NCO設置、測距碼抽頭設置等。隨后微處理器在轉存器有新值時讀取各積分器數(shù)據(jù)，進行衛(wèi)星捕獲的操作。在確認捕獲衛(wèi)星后，該通道進入跟蹤階段并尋找比特邊緣和數(shù)據(jù)幀頭信息實現(xiàn)信號幀同步，隨后即可根據(jù)不同系統(tǒng)進行解碼得到導航電文。

4 PVT解算

要實現(xiàn)PVT解算，首先，接收機記錄各顆衛(wèi)星導航電文中的星歷信息，隨后在同一個TIC脈沖下記錄各通道的即時狀態(tài)；然后接收機計算出TIC時刻下接收到的信號播發(fā)的衛(wèi)星時間tsv，接收機利用tsv計算出衛(wèi)星的三維坐標；隨后利用式（2）求得接收機與第i顆衛(wèi)星之間的偽距，其中t為系統(tǒng)時，光速c=299792458m/s，此時因注意的是若當前衛(wèi)星是北斗衛(wèi)星，采用北斗系統(tǒng)時計算偽距，若是GPS衛(wèi)星則需采用GPS系統(tǒng)時計算偽距。

如果已經(jīng)存在有效定位點或已設置初始坐標，接收機根據(jù)衛(wèi)星與接收機的相對位置修正偽距及衛(wèi)星tsv時刻三維坐標經(jīng)過地球自轉后在接收機系統(tǒng)時t時刻ECEF坐標系下的坐標值。至此，觀測方程中所需的參數(shù)已經(jīng)求得，開始構建方程組。

圖8 PVT解算流程

5 性能測試

在進行PVT解算測試時，為盡量保證所有測試的公平性，均在相同的測試環(huán)境下采用同一硬件平臺，分別對北斗單系統(tǒng)、GPS單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)聯(lián)合處理進行測試。測試中采用1Hz定位輸出速率，每個系統(tǒng)各測試30分鐘，累計1800個采樣點。

在三種測試條件下記錄空間位置精度因子（PDOP）、水平位置精度因子（HDOP）和高程精度因子（VDOP）如表1。

表1 三種測試條件下的精度因子?

星座分布和可選觀測衛(wèi)星數(shù)量對定位精度影響很大，而北斗系統(tǒng)作為建設中的系統(tǒng)，其空間星座是逐步完善的。通過聯(lián)合北斗與GPS星座，優(yōu)化空間星座分布結構，提升可視衛(wèi)星數(shù)量，增加觀測方程并選用更加合理的選星策略將有效提高接收機定位精度和定位的可靠性。

6 結論

本章首先介紹了系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺的設計思路，提出FPGA系統(tǒng)電路、ARM系統(tǒng)電路及射頻電路分層結構，完成了硬件設計，分別進行單GPS系統(tǒng)、單北斗系統(tǒng)和北斗/GPS雙系統(tǒng)聯(lián)合處理的性能測試。北斗/GPS雙系統(tǒng)聯(lián)合后將增加系統(tǒng)可視衛(wèi)星數(shù)量，使接收機能采用更有效的選星策略，提高觀測方程組的可靠性。此外，雙系統(tǒng)利用GPS成熟的空間星座彌補北斗系統(tǒng)發(fā)展過程中的星座缺陷，提高了定位精度。