劉善武 李偉偉 計 旭 楊啟源 張 偉

上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201109

0 引言

近年來，隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)航定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用在智慧城市、智慧物流、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，是交通、通信、電力以及基礎(chǔ)科研等領(lǐng)域必不可少的元素[1-2]。GNSS系統(tǒng)由空間星座、地面監(jiān)控和用戶設(shè)備3部分組成?？臻g星座即環(huán)繞在地球周圍的人造衛(wèi)星，這些衛(wèi)星不間斷地向地面發(fā)射信號，地面監(jiān)控通過接收這些信號，計算出衛(wèi)星的位置信息，并將此信息發(fā)射回衛(wèi)星，衛(wèi)星再轉(zhuǎn)發(fā)包含位置信息的信號給用戶設(shè)備，用戶設(shè)備以接收機(jī)作為載體，通過捕獲、跟蹤和解算衛(wèi)星信號，以此來確定用戶所在的位置和速度[3-5]。

GNSS系統(tǒng)中的空間星座和地面監(jiān)控大多是由政府控制的，因此用戶設(shè)備也就是接收機(jī)是其中最具有活力的一部分。目前主流的接收機(jī)架構(gòu)由以下幾個部分組成：1)用于接收衛(wèi)星信號的射頻前端；2)用于對衛(wèi)星信號進(jìn)行捕獲和跟蹤的基帶處理；3)用于定位的數(shù)據(jù)解算單元[6-7]。傳統(tǒng)的接收機(jī)定位解算任務(wù)多由專用集成電路完成，其優(yōu)點在于強(qiáng)大、高速的運(yùn)算能力，但是它沒有可編程性，缺乏靈活性。一旦設(shè)計、生產(chǎn)完成后，其功能也就基本上被固化下來，如果電路中有地方需要改進(jìn)，那么就必須重新進(jìn)行設(shè)計，也就會導(dǎo)致研發(fā)成本的升高和研發(fā)周期的增長。

隨著現(xiàn)代全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)的迅速發(fā)展，設(shè)計并實現(xiàn)能靈活充分利用所有導(dǎo)航衛(wèi)星信號的下一代 GNSS 接收機(jī)成為一項極具挑戰(zhàn)性的工程[8]。特別是北斗導(dǎo)航技術(shù)的日新月異，對GNSS接收機(jī)提出了能夠靈活兼容不同的中頻數(shù)字信號處理算法的要求，因此目前的接收機(jī)難以滿足日益增長的GNSS 接收機(jī)擴(kuò)展性需求。而基于軟件無線電思想的GNSS 軟件接收機(jī)與傳統(tǒng)的 GNSS 接收機(jī)相比，系統(tǒng)設(shè)計簡潔，開發(fā)速度快，成本更低，且有高度可配置性，更具方便性和靈活性，對新一代導(dǎo)航接收機(jī)的開發(fā)有著重要意義[8-9]。

基于此考慮，文章提出了一種以可編程門陣列(FPGA)和數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎(chǔ)的GNSS接收機(jī)架構(gòu)，使得加載不同的數(shù)字信號算法程序成為可能，在保證低成本的同時極大地提高了接收機(jī)的靈活性。同時為了解決衛(wèi)星定位原理造成的高程定位精度較差的問題，將高精度大氣壓強(qiáng)傳感器引入接收機(jī)，對高度信息進(jìn)行補(bǔ)償與校正，可以有效抑制高度誤差和野值的出現(xiàn)，提高垂直方向的定位精度[10]。

1 硬件方案設(shè)計

1.1 整體方案設(shè)計

接收機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括射頻前端、基帶處理、定位解算和高度換算幾個單元。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

射頻電路位于接收天線和基帶數(shù)字信號處理模塊之間，主要實現(xiàn)把電磁波信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐?shù)字信號處理模塊易于處理的中頻信號；基帶數(shù)字信號處理功能主要在FPGA芯片中完成，F(xiàn)PGA在本地時鐘的控制下對射頻電路送來的信號進(jìn)行采樣和量化，同時產(chǎn)生本地載波實現(xiàn)載波剝離，產(chǎn)生本地偽碼實現(xiàn)偽碼剝離，最終解調(diào)出導(dǎo)航電文；定位解算單元選用的DSP芯片有著強(qiáng)大的運(yùn)算能力，在接收到FPGA送來的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后對其進(jìn)行解算，解調(diào)出導(dǎo)航電文中的星歷信息，并計算出可視衛(wèi)星的位置和速度，最終解算出用戶的三維位置和三維速度，提供定位導(dǎo)航服務(wù)；高級指令集微處理器(Advanced RISC Machine，ARM)芯片承擔(dān)了大氣原始數(shù)據(jù)的補(bǔ)償和大氣高度的轉(zhuǎn)換工作，該芯片在負(fù)責(zé)接收傳感器量測數(shù)據(jù)的同時，也要接收GNSS接收機(jī)最終解算出的定位信息，以判斷當(dāng)前的定位質(zhì)量，從而完成對海拔高度的初始校準(zhǔn)，提高測量精度。

1.2 射頻電路

射頻前端的最終目的是把模擬的高頻電磁波信號轉(zhuǎn)換為低頻的數(shù)字信號，因為對于電子器件來說，低頻的信號處理起來更為容易，并且數(shù)字信號比模擬信號處理起來更加有優(yōu)勢，傳統(tǒng)的射頻電路由分立的半導(dǎo)體器件構(gòu)成，而現(xiàn)在用于處理射頻信號的電子器件一般都集成在一個專用的集成電路中，即射頻集成電路(Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC)，用來完成如圖2所示的功能。

圖2 射頻電路工作流程

射頻芯片選用MAX2769B，除了支持GPS、GLONASS和Galileo系統(tǒng)外，也支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。芯片采用Maxim先進(jìn)的低功耗SiGe BiCMOS工藝，能夠以較低的成本提供業(yè)界最高的性能和集成度。MAX2769B提供了2種的配置方式，3線制SPI和8種典型配置選擇，設(shè)計中采用SPI的方式進(jìn)行通信，通過FPGA設(shè)計的SPI接口向MAX2769寫入控制字來實現(xiàn)MAX2769B的配置，與后者相比，該方式具有較強(qiáng)的靈活性。

1.3 基帶處理

相關(guān)器作為接收機(jī)的心臟，接收信號與復(fù)制C/A碼的相關(guān)運(yùn)算均在這里完成，該功能主要在FPGA芯片EP4CE115F23I7N及相關(guān)外圍電路中完成。

設(shè)計中采用兩個同樣設(shè)計的射頻單元分別處理不同的衛(wèi)星信號。FPGA與射頻的通信主要分為2部分，一是通過SPI接口對射頻芯片進(jìn)行配置;二是通過其他接口將I、Q兩路的中頻信號送至基帶進(jìn)行處理。設(shè)計中射頻1用來處理GPS信號，時鐘信號為GPSCLK1；射頻2用來處理北斗信號，時鐘信號為BDCLK2。配置芯片選用同為Altera公司研制的EPCS64SI16N，與同類芯片相比，該芯片售價較低，同時擁有FLASH存儲器訪問接口、系統(tǒng)可編程、小外形集成電路封裝等特點。該芯片為16引腳SOIC封裝，設(shè)計中只需用到片選信號nCS、串行時鐘DCLK、串行數(shù)據(jù)輸出DATA、AS數(shù)據(jù)輸入ASDI、電源VCC和地GND幾個引腳，配置相對簡單。

1.4 定位解算

FPGA的DSP的物理連接方式主要通過EMIF接口。其中DSP的地址和數(shù)據(jù)接口分別與對應(yīng)的FPGA的接口相連接，數(shù)據(jù)總線長度16位，地址總線長度12位。

通道的選擇由地址寄存器中高5位負(fù)責(zé)，而低6位則儲存著每個通道內(nèi)寄存器的偏移地址。DSP與FPGA之間的控制總線包括片選、使能、寫、時鐘以及中斷信號線[12]。來自DSP的指令通過EMIF總線進(jìn)行傳輸，以實現(xiàn)對基帶信號處理單元的控制，同時FPGA又將鎖存的信號發(fā)送給DSP，以供后續(xù)的導(dǎo)航解算使用，通信原理如圖3所示。

圖3 FPGA通信示意圖

1.5 高度校正

氣壓高度與溫度的轉(zhuǎn)換是在ARM處理器中完成的，該芯片選用意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的STM32F103ZET6，為增強(qiáng)型32位基于ARM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器。最高工作頻率72MHz。傳感器選用博世(Bosch)公司推出的一種絕對氣壓傳感器BMP280。該傳感器測量范圍300～1100hPa，絕對精度±1hPa，相對精度±0.12hPa，產(chǎn)品不僅有著較高準(zhǔn)確度和線性度，同時也具有較強(qiáng)的魯棒性和電磁兼容性。

氣壓高度作為一種輔助信息源，所以ARM與DSP之間不需要通過總線連接，兩者只通過串口進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)收發(fā)，ARM接收DSP解算的位置信息用于初始校正，DSP接收ARM校正后的信息用于輸出校正。

2 軟件設(shè)計

GNSS接收機(jī)軟件負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)的工作時序比如射頻、FPGA、DSP的時鐘控制、不同模塊之間數(shù)據(jù)交換，從而最終實現(xiàn)定位、定速結(jié)果在上位機(jī)的輸出。軟件功能主要分為以下幾個部分：系統(tǒng)初始化、衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤、導(dǎo)航電文的解算，高度信息融合和導(dǎo)航結(jié)果的輸出。

1)系統(tǒng)初始化的主要功能是完成MAX2769B芯片的配置、DSP芯片的配置，變量、參數(shù)初始化等工作，同時還要完成FPGA與DSP之間通信接口的測試工作；

2)捕獲與跟蹤衛(wèi)星模塊負(fù)責(zé)控制接收機(jī)各個通道對衛(wèi)星信號的捕獲并對環(huán)路實現(xiàn)緊密跟蹤；

3)導(dǎo)航電文的解算主要依靠從FPGA環(huán)路中提取的測量參數(shù)，從播發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航電文中提取衛(wèi)星參數(shù)等導(dǎo)航信息，聯(lián)立方程組計算載體位置、速度、收星數(shù)和DOP值等信息；

4)高度信息校正部分主要是將傳感器送來的高度信息進(jìn)行換算并送至DSP與原始高度進(jìn)行組合；

5)導(dǎo)航結(jié)果的輸出主要是將組合后的導(dǎo)航信息輸出至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

圖4 軟件工作流程

3 實驗與結(jié)果分析

實驗測試主要通過跑車試驗完成。地面跑車試驗可以驗證接收機(jī)在真實環(huán)境下系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，便于及時發(fā)現(xiàn)和解決系統(tǒng)存在的問題。在試驗中，采用國外高精度Ublox衛(wèi)星接收機(jī)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，測試本系統(tǒng)定位、測速性能，試驗過程中通過上位機(jī)監(jiān)測軟件實時觀測保存數(shù)據(jù)。

試驗時選擇路面較為寬廣的路段，四周遮擋較少可以達(dá)到良好的收星效果，試驗過程中車速為0～60km/h，試驗結(jié)果如圖5～8所示。

圖5 接收機(jī)位置變化

圖6 接收機(jī)位置誤差

圖7 接收機(jī)速度變化

圖8 接收機(jī)速度誤差

計算得到1σ的均方根誤差結(jié)果與基準(zhǔn)軌跡相比，緯度誤差2.029m，經(jīng)度誤差1.928m，高度誤差7.913m，東北天速誤差分別為0.088、0.085和0.089m/s。

在此基礎(chǔ)上，將氣壓傳感器的輸出接入DSP的RS232通信串口，得到使用氣壓數(shù)據(jù)融合前和融合后的高度輸出對比結(jié)果如圖9所示。

圖9 高度變化

從圖9可以看出，采用氣壓高度信息校正后的系統(tǒng)輸出的高度數(shù)據(jù)更為精確，與之前相比也更為穩(wěn)定，野值出現(xiàn)的概率較小，其誤差基本在5m左右，1σ誤差僅為1.967m，整體滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)GNSS接收機(jī)靈活性較差的問題，本文提出了一種基于FPGA的硬件架構(gòu)，通過核心器件的選型和通信接口的設(shè)計，完成了GNSS接收機(jī)模塊的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上完成了實驗測試，結(jié)果表明該接收機(jī)具有良好的性能，具有一定的工程應(yīng)用價值。但是在硬件設(shè)計方面，為了方便對高度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在增加了一塊微處理器即ARM芯片的同時，也增加了系統(tǒng)的體積和干擾風(fēng)險，因此仍需重新對軟硬件進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升接收機(jī)的性能。