周航帆，王雪嬌，吳小鷗，劉 昊，王佳環(huán)

（國網(wǎng)思極神往位置服務(wù)（北京）有限公司，北京 100085）

1 引言

面向北斗區(qū)域系統(tǒng)信號和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航規(guī)模化應(yīng)用需求，研制性能指標(biāo)滿足實際應(yīng)用需求的北斗芯片級模塊化組件，為北斗系統(tǒng)在各領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)產(chǎn)品；同時形成北斗芯片級模塊化組件的技術(shù)要求和測試方法規(guī)范，為各行業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航裝備的互通互用打下基礎(chǔ)。

基于本方案設(shè)計的北斗芯片級模塊化組件具有以下特點：小型化、低功耗、具備抗干擾能力、接口統(tǒng)一；提供基本定位與通信功能，支持碼差分、廣域差分和原始觀測量輸出以兼顧低端高精度和組合導(dǎo)航應(yīng)用，滿足北斗向嵌入式、集成式方向發(fā)展的要求。

2 基本原理

北斗芯片級模塊化組件基于OTrack-128基帶芯片開發(fā)，由硬件和軟件兩部分組成。輸入的射頻信號先經(jīng)過功分器分別送至RDSS、GPS、F1、B1 和B3射頻通路，再由OTrack-128并行處理RNSS和RDSS基帶信號。

2.1 RNSS工作原理

衛(wèi)星導(dǎo)航定位的基本原理是距離交會，即通過測量接收機(jī)（天線）到各顆衛(wèi)星的距離，來求得接收機(jī)（天線）的位置坐標(biāo)。如圖1所示：

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理圖

設(shè)接收機(jī)（天線）的位置坐標(biāo)為（x，y，z），衛(wèi)星Sn的位置坐標(biāo) 為（x（n），y（n），z（n））， 衛(wèi) 星Sn到 接 收 機(jī)（ 天 線 ）R的 偽距測量值經(jīng)電離層、對流層等延遲校正及衛(wèi)星鐘差修正后的 值 為ρc（n）， 可 得 方 程 ：ρc（n）=r（n）+δtu+ερ（n）（1） 式 中，為接收機(jī)（天線）到衛(wèi)星的實際距離；δtu為接收機(jī)鐘差與光速的乘積；ερ（n）為其他誤差項。忽略其他誤差項的影響，上述方程共有x、y、z、δtu四個未知數(shù)，因此，需要同時觀測至少4顆衛(wèi)星，以建立至少4個方程，才可解出接收機(jī)（天線）R的位置坐標(biāo)值。在求解上述方程時，常用算法是對方程根據(jù)泰勒展式進(jìn)行線性化并在牛頓迭代中用最小二乘法求解線性化后的矩陣方程。如果用k表示當(dāng)前歷元正在進(jìn)行的牛頓迭代次數(shù)，那么對式（1）在[xk-1，yk-1，zk-1，δtu，k-1]T處進(jìn)行線性化可得下式。

式中，r（n）（Xk-1）表示衛(wèi)星Sn與接收機(jī)在k-1次迭代后求得的距離。上式用矩陣表示如下：

其最小二乘法解為

在求解出Δx等參數(shù)之后，可以根據(jù)式（4）更新接收機(jī)位置坐標(biāo)和鐘差并進(jìn)行下一次迭代。

2.2 RDSS工作原理

（1）經(jīng)過功分器的RDSS射頻信號，RDSS射頻通道，輸出模擬中頻。再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)入基帶OTrack-128芯片?；鶐Track-128對RDSS信號先做窄帶干擾監(jiān)測和IIR窄帶干擾濾波，然后再進(jìn)入基帶處理單元，進(jìn)行RDSS信號的捕獲跟蹤和電文解析。

（2）OTrack-128具有10個并行處理的RDSS 捕獲通道，可以同時對10個波速RDSS信號進(jìn)行二維搜索。通過軟件設(shè)置每個捕獲通道的積分時間、頻率范圍、衛(wèi)星號等，靈活多變的捕獲靈敏度設(shè)置，自動調(diào)整衛(wèi)星的捕獲靈敏度和捕獲速度，滿足不同場合下啟動時間、捕獲靈敏度和不同動態(tài)下的快速捕獲。

（3）RDSS捕獲模塊捕獲到信號后，經(jīng)過確認(rèn)過程再轉(zhuǎn)入跟蹤通道，開始精確跟蹤RDSS信號碼相位和載波。OTrack-128具有10個并行處理的跟蹤通道，能同時跟蹤10個波速的RDSS信號。對跟蹤上的RDSS信號，再做電文解析，獲得調(diào)制的電文。

（4）基帶每處理完一次RDSS數(shù)據(jù)，觸發(fā)中斷，通知軟件讀出處理的電文，由基帶進(jìn)行調(diào)制，再通過RDSS射頻芯片完成上變頻，并發(fā)射出去。天線部分由BDS/GPS接收天線、前置放大器和結(jié)構(gòu)部分組成，接收天線作用是將BDS/GPS衛(wèi)星信號的極微弱的電磁波能轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，前置放大器作用是將信號電流予以放大，經(jīng)放大和濾波后，通過射頻電纜將信號送給接收機(jī)板連接。結(jié)合天線載體的高旋轉(zhuǎn)、高速度的特點，天線雙饋的圓極化設(shè)計，兩個線極化的相位差通過饋電電橋得到保證，從而容易取得較寬的帶寬和更好的軸比。

3 方案設(shè)計

3.1 天線硬件設(shè)計

3.2 接收機(jī)硬件設(shè)計

接收機(jī)的硬件部分：射頻模塊、OTrack-128基帶處理模塊、輸入輸出接口模塊、電源模塊和時鐘部分等組成。

射頻模塊將導(dǎo)航衛(wèi)星信號進(jìn)行放大、下變頻、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后輸出數(shù)字信號。經(jīng)過下變頻和模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號再送給OTrack-128基帶處理模塊部分，經(jīng)過偽碼延時鎖定環(huán)路與載波鎖定環(huán)路，對信號進(jìn)行解擴(kuò)與解調(diào)，獲得基帶信號，OTrack-128中CPU處理器從基帶信號中提取相關(guān)數(shù)據(jù)、從偽碼延時鎖定環(huán)路獲得的偽距、從載波環(huán)路獲得的與多普勒頻移相應(yīng)的偽距變化率以及一些初始數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航解算，確定載體的PVT（位置、速度及時間）參數(shù)，最后通過輸入輸出接口模塊對外輸出導(dǎo)航信息。

3.3 控制設(shè)計

北斗芯片級模塊化組件的控制部分，采用多線程架構(gòu)開發(fā)，根據(jù)功能劃分模塊，不同模塊由不同線程實現(xiàn)。軟件模塊層次清晰，層次分明，操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度各個任務(wù)，軟件穩(wěn)定可靠。

初始化與總控制模塊首先負(fù)責(zé)基帶、串口、射頻參數(shù)等硬件的基本配置，以及系統(tǒng)多線程產(chǎn)生和分配等功能；然后進(jìn)入控制狀態(tài)，負(fù)責(zé)同外界控制相聯(lián)系，接收外界輸入命令，控制著定位解算模塊、差分輔助模塊的工作。定位解算模塊中，解算結(jié)果的輸出頻率、觀測量的輸出頻率等都由控制模塊配置。

串口通訊模塊主要負(fù)責(zé)5個串口通訊處理，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；中斷處理模塊主要負(fù)責(zé)與基帶芯片的數(shù)據(jù)交互，當(dāng)數(shù)據(jù)處理完成后，基帶芯片發(fā)出中斷信號，中斷處理模塊會響應(yīng)中斷，清除中斷標(biāo)志，讀取處理結(jié)果，配置基帶芯片工作參數(shù)等；RDSS中斷處理模塊主要負(fù)責(zé)RDSS軟件模塊與基帶芯片的數(shù)據(jù)交互，當(dāng)RDSS數(shù)據(jù)處理完成后，基帶芯片發(fā)出RDSS中斷信號，RDSS中斷處理模塊會響應(yīng)中斷，清除中斷標(biāo)志，讀取處理結(jié)果；RDSS數(shù)據(jù)處理模塊是RDSS功能的核心模塊，主要負(fù)責(zé)通訊協(xié)議的解析和組包，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)寫入到基帶緩沖區(qū)并發(fā)射出去；抗干擾模塊在信號帶寬內(nèi)搜索窄帶干擾信號，在檢測到干擾后，配置芯片內(nèi)的抗干擾模塊消除干擾。

捕獲跟蹤模塊根據(jù)基帶的處理結(jié)果，先進(jìn)行信號捕獲，實現(xiàn)對載波頻率和碼相位的粗同步，使殘留載波的數(shù)值和碼相位差的數(shù)值都落入后續(xù)碼跟蹤和載波跟蹤的收斂范圍內(nèi)，然后轉(zhuǎn)入跟蹤處理，準(zhǔn)確復(fù)制信號，提取觀測量信息。根據(jù)估計信息，生成基帶芯片各通道工作參數(shù)控制字，傳遞給中斷處理模塊。

定位解算模塊依據(jù)觀測量信息進(jìn)行定位解算，獲取用戶位置、速度、時間等信息。同時向用戶提供觀測量輸出和結(jié)算結(jié)果輸出；差分輔助模塊接收外界提供的北斗廣域和局域差分輔助信息，這些輔助信息會提供給定位結(jié)算模塊，提高定位解算的性能。

4 結(jié)束語

本文對衛(wèi)星定位與通信的基本原理進(jìn)行了介紹，并闡述了北斗衛(wèi)星定位與通信一體化的北斗芯片級模塊化組件，并為小型化、低功耗、定位與通信一體化終端產(chǎn)品的研制提供技術(shù)方案，可廣泛適用于電力、農(nóng)林業(yè)、交通運輸、大眾消費等行業(yè)。■