刘善武 李伟伟 计 旭 杨启源 张 伟

上海航天控制技术研究所，上海 201109

0 引言

近年来，随着全球导航卫星系统(GNSS)及物联网技术的不断发展，导航定位技术已广泛应用在智慧城市、智慧物流、智慧农业等领域，是交通、通信、电力以及基础科研等领域必不可少的元素[1-2]。GNSS系统由空间星座、地面监控和用户设备3部分组成。空间星座即环绕在地球周围的人造卫星，这些卫星不间断地向地面发射信号，地面监控通过接收这些信号，计算出卫星的位置信息，并将此信息发射回卫星，卫星再转发包含位置信息的信号给用户设备，用户设备以接收机作为载体，通过捕获、跟踪和解算卫星信号，以此来确定用户所在的位置和速度[3-5]。

GNSS系统中的空间星座和地面监控大多是由政府控制的，因此用户设备也就是接收机是其中最具有活力的一部分。目前主流的接收机架构由以下几个部分组成：1)用于接收卫星信号的射频前端；2)用于对卫星信号进行捕获和跟踪的基带处理；3)用于定位的数据解算单元[6-7]。传统的接收机定位解算任务多由专用集成电路完成，其优点在于强大、高速的运算能力，但是它没有可编程性，缺乏灵活性。一旦设计、生产完成后，其功能也就基本上被固化下来，如果电路中有地方需要改进，那么就必须重新进行设计，也就会导致研发成本的升高和研发周期的增长。

随着现代全球导航卫星定位系统的迅速发展，设计并实现能灵活充分利用所有导航卫星信号的下一代 GNSS 接收机成为一项极具挑战性的工程[8]。特别是北斗导航技术的日新月异，对GNSS接收机提出了能够灵活兼容不同的中频数字信号处理算法的要求，因此目前的接收机难以满足日益增长的GNSS 接收机扩展性需求。而基于软件无线电思想的GNSS 软件接收机与传统的 GNSS 接收机相比，系统设计简洁，开发速度快，成本更低，且有高度可配置性，更具方便性和灵活性，对新一代导航接收机的开发有着重要意义[8-9]。

基于此考虑，文章提出了一种以可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)为基础的GNSS接收机架构，使得加载不同的数字信号算法程序成为可能，在保证低成本的同时极大地提高了接收机的灵活性。同时为了解决卫星定位原理造成的高程定位精度较差的问题，将高精度大气压强传感器引入接收机，对高度信息进行补偿与校正，可以有效抑制高度误差和野值的出现，提高垂直方向的定位精度[10]。

1 硬件方案设计

1.1 整体方案设计

接收机整体结构如图1所示，包括射频前端、基带处理、定位解算和高度换算几个单元。

图1 结构框图

射频电路位于接收天线和基带数字信号处理模块之间，主要实现把电磁波信号转变为基带数字信号处理模块易于处理的中频信号；基带数字信号处理功能主要在FPGA芯片中完成，FPGA在本地时钟的控制下对射频电路送来的信号进行采样和量化，同时产生本地载波实现载波剥离，产生本地伪码实现伪码剥离，最终解调出导航电文；定位解算单元选用的DSP芯片有着强大的运算能力，在接收到FPGA送来的导航数据后对其进行解算，解调出导航电文中的星历信息，并计算出可视卫星的位置和速度，最终解算出用户的三维位置和三维速度，提供定位导航服务；高级指令集微处理器(Advanced RISC Machine，ARM)芯片承担了大气原始数据的补偿和大气高度的转换工作，该芯片在负责接收传感器量测数据的同时，也要接收GNSS接收机最终解算出的定位信息，以判断当前的定位质量，从而完成对海拔高度的初始校准，提高测量精度。

1.2 射频电路

射频前端的最终目的是把模拟的高频电磁波信号转换为低频的数字信号，因为对于电子器件来说，低频的信号处理起来更为容易，并且数字信号比模拟信号处理起来更加有优势，传统的射频电路由分立的半导体器件构成，而现在用于处理射频信号的电子器件一般都集成在一个专用的集成电路中，即射频集成电路(Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC)，用来完成如图2所示的功能。

图2 射频电路工作流程

射频芯片选用MAX2769B，除了支持GPS、GLONASS和Galileo系统外，也支持北斗卫星导航系统。芯片采用Maxim先进的低功耗SiGe BiCMOS工艺，能够以较低的成本提供业界最高的性能和集成度。MAX2769B提供了2种的配置方式，3线制SPI和8种典型配置选择，设计中采用SPI的方式进行通信，通过FPGA设计的SPI接口向MAX2769写入控制字来实现MAX2769B的配置，与后者相比，该方式具有较强的灵活性。

1.3 基带处理

相关器作为接收机的心脏，接收信号与复制C/A码的相关运算均在这里完成，该功能主要在FPGA芯片EP4CE115F23I7N及相关外围电路中完成。

设计中采用两个同样设计的射频单元分别处理不同的卫星信号。FPGA与射频的通信主要分为2部分，一是通过SPI接口对射频芯片进行配置;二是通过其他接口将I、Q两路的中频信号送至基带进行处理。设计中射频1用来处理GPS信号，时钟信号为GPSCLK1；射频2用来处理北斗信号，时钟信号为BDCLK2。配置芯片选用同为Altera公司研制的EPCS64SI16N，与同类芯片相比，该芯片售价较低，同时拥有FLASH存储器访问接口、系统可编程、小外形集成电路封装等特点。该芯片为16引脚SOIC封装，设计中只需用到片选信号nCS、串行时钟DCLK、串行数据输出DATA、AS数据输入ASDI、电源VCC和地GND几个引脚，配置相对简单。

1.4 定位解算

FPGA的DSP的物理连接方式主要通过EMIF接口。其中DSP的地址和数据接口分别与对应的FPGA的接口相连接，数据总线长度16位，地址总线长度12位。

通道的选择由地址寄存器中高5位负责，而低6位则储存着每个通道内寄存器的偏移地址。DSP与FPGA之间的控制总线包括片选、使能、写、时钟以及中断信号线[12]。来自DSP的指令通过EMIF总线进行传输，以实现对基带信号处理单元的控制，同时FPGA又将锁存的信号发送给DSP，以供后续的导航解算使用，通信原理如图3所示。

图3 FPGA通信示意图

1.5 高度校正

气压高度与温度的转换是在ARM处理器中完成的，该芯片选用意法半导体公司开发的STM32F103ZET6，为增强型32位基于ARM核心的带512K字节闪存的微控制器。最高工作频率72MHz。传感器选用博世(Bosch)公司推出的一种绝对气压传感器BMP280。该传感器测量范围300～1100hPa，绝对精度±1hPa，相对精度±0.12hPa，产品不仅有着较高准确度和线性度，同时也具有较强的鲁棒性和电磁兼容性。

气压高度作为一种辅助信息源，所以ARM与DSP之间不需要通过总线连接，两者只通过串口进行必要的数据收发，ARM接收DSP解算的位置信息用于初始校正，DSP接收ARM校正后的信息用于输出校正。

2 软件设计

GNSS接收机软件负责控制系统的工作时序比如射频、FPGA、DSP的时钟控制、不同模块之间数据交换，从而最终实现定位、定速结果在上位机的输出。软件功能主要分为以下几个部分：系统初始化、卫星信号的捕获与跟踪、导航电文的解算，高度信息融合和导航结果的输出。

1)系统初始化的主要功能是完成MAX2769B芯片的配置、DSP芯片的配置，变量、参数初始化等工作，同时还要完成FPGA与DSP之间通信接口的测试工作；

2)捕获与跟踪卫星模块负责控制接收机各个通道对卫星信号的捕获并对环路实现紧密跟踪；

3)导航电文的解算主要依靠从FPGA环路中提取的测量参数，从播发的卫星导航电文中提取卫星参数等导航信息，联立方程组计算载体位置、速度、收星数和DOP值等信息；

4)高度信息校正部分主要是将传感器送来的高度信息进行换算并送至DSP与原始高度进行组合；

5)导航结果的输出主要是将组合后的导航信息输出至上位机监控系统。

图4 软件工作流程

3 实验与结果分析

实验测试主要通过跑车试验完成。地面跑车试验可以验证接收机在真实环境下系统运行的可靠性和稳定性，便于及时发现和解决系统存在的问题。在试验中，采用国外高精度Ublox卫星接收机作为基准数据，测试本系统定位、测速性能，试验过程中通过上位机监测软件实时观测保存数据。

试验时选择路面较为宽广的路段，四周遮挡较少可以达到良好的收星效果，试验过程中车速为0～60km/h，试验结果如图5～8所示。

图5 接收机位置变化

图6 接收机位置误差

图7 接收机速度变化

图8 接收机速度误差

计算得到1σ的均方根误差结果与基准轨迹相比，纬度误差2.029m，经度误差1.928m，高度误差7.913m，东北天速误差分别为0.088、0.085和0.089m/s。

在此基础上，将气压传感器的输出接入DSP的RS232通信串口，得到使用气压数据融合前和融合后的高度输出对比结果如图9所示。

图9 高度变化

从图9可以看出，采用气压高度信息校正后的系统输出的高度数据更为精确，与之前相比也更为稳定，野值出现的概率较小，其误差基本在5m左右，1σ误差仅为1.967m，整体满足设计要求。

4 结束语

针对传统GNSS接收机灵活性较差的问题，本文提出了一种基于FPGA的硬件架构，通过核心器件的选型和通信接口的设计，完成了GNSS接收机模块的硬件设计和软件设计，并在此基础上完成了实验测试，结果表明该接收机具有良好的性能，具有一定的工程应用价值。但是在硬件设计方面，为了方便对高度数据进行处理，在增加了一块微处理器即ARM芯片的同时，也增加了系统的体积和干扰风险，因此仍需重新对软硬件进行优化，进一步提升接收机的性能。