基于FPGA 的衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張洪革， 張 穎 ， 龐春雷， 張 豪

（1.空軍電磁頻譜管理中心，北京 100843；2.空軍93936部隊(duì)銀川場(chǎng)站，甘肅 銀川 750070；3.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西 西安 710077）

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System，GNSS）應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為一個(gè)全球性的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，無(wú)論是軍用還是民用，都產(chǎn)生了顯著的效益。隨著北斗衛(wèi)星組網(wǎng)的不斷完善，基于北斗的雙模甚至多模接收機(jī)也在加緊進(jìn)行研發(fā)，高精度多模接收機(jī)的研制過(guò)程中，環(huán)路部分和定位部分調(diào)試非常重要，直接關(guān)系到接收機(jī)性能的好壞[1]，而多模多頻牽涉到較多的信號(hào)通道和環(huán)路參數(shù)，利用傳統(tǒng)的示波器和邏輯分析儀進(jìn)行調(diào)試所觀測(cè)的數(shù)據(jù)有限，而且對(duì)于出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)不能及時(shí)進(jìn)行抓捕和分析。FPGA內(nèi)嵌的SignalTap II或Chipscope邏輯分析儀占用其內(nèi)在資源，深度有限，且每次都需要重新編譯，占用時(shí)間較長(zhǎng)[2-3]，因此如何解決多通道的環(huán)路和定位調(diào)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)問(wèn)題也成為研制衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的關(guān)鍵。

論文針對(duì)此問(wèn)題基于FPGA和DSP設(shè)計(jì)了GNSS接收機(jī)（雙模四頻，L1，L2，B1，B2）及調(diào)試監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)。 首先對(duì)系統(tǒng)總體進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后設(shè)計(jì)了L2載波接收、多徑效應(yīng)抑制和環(huán)路三部分，從而完成了高精度接收機(jī)的設(shè)計(jì)，其次對(duì)調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后對(duì)整個(gè)高精度定位系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括高精度接收機(jī)和數(shù)據(jù)調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分。高精度接收機(jī)為COMPASS/GPS雙模四頻接收機(jī)，其每個(gè)頻點(diǎn)采用了12個(gè)通道，共48個(gè)通道。該接收機(jī)使用了FPGA和DSP芯片相結(jié)合的方法，型號(hào)分別為Xillinx公司的Spartan6-150和Ti公司的TMS320C6713。總體框圖及其單通道框圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 接收機(jī)總體框圖Fig.1 Total frame of GNSS receiver

圖2 接收機(jī)單通道原理及調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.2 Frame of single cannel principle and testing&inspecting system

接收機(jī)主要由射頻、基帶和定位三大部分組成[4]，F(xiàn)PGA完成信號(hào)的捕獲和跟蹤，DSP完成導(dǎo)航電文的提取、載波環(huán)和碼環(huán)的鑒相與濾波，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)雙向數(shù)據(jù)總線傳送給FPGA，調(diào)整碼NCO和載波NCO。主要工作流程為：天線收到的射頻信號(hào)經(jīng)模擬下變頻成為中頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)A/D采樣后送至FPGA處理。經(jīng)過(guò)加權(quán)自適應(yīng)量化后，數(shù)字信號(hào)與本地復(fù)現(xiàn)的正交載波相乘后分成同相（I）和正交（Q）兩路數(shù)據(jù)，I、Q兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波抽取以后送至相關(guān)累加器，與本地復(fù)現(xiàn)的超前、即時(shí)和滯后三路C/A碼進(jìn)行相關(guān)累加。六路相關(guān)累加值送至DSP，DSP處理之后產(chǎn)生控制信號(hào)控制C/A碼的產(chǎn)生和載波NCO的相位字和頻率字。同時(shí)將環(huán)路數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送到計(jì)算機(jī)上，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輔助調(diào)試和監(jiān)測(cè)功能。

2 高精度接收機(jī)設(shè)計(jì)

高精度接收機(jī)與導(dǎo)航型接收機(jī)在硬件上差別較大，其射頻、基帶電路的主要指標(biāo)都高于導(dǎo)航型接收機(jī)。對(duì)基帶信號(hào)處理也有其自身特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)難度較大，主要體現(xiàn)在：1）A/D采樣時(shí)鐘頻率、穩(wěn)定度要求較高；2）碼相位測(cè)距精度高，抗多徑技術(shù)和時(shí)序要求高；3）載波相位的測(cè)距精度高，導(dǎo)致本地載波NCO的碼表很大、位寬較寬，也需要較好的抗多徑抑制；4）高采樣率決定了后續(xù)的下變頻和濾波工作在高速率上，必須合理選取量化位數(shù)和本地載波NCO精度；5）碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)有成熟的理論可供參考，但是必須通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)才能獲得較優(yōu)的參數(shù)。在時(shí)鐘選取上，采用美國(guó)XX型的鐘可以達(dá)到較好的效果，雖然也存在零漂，但其均值和方差可以在開(kāi)機(jī)后統(tǒng)計(jì)出來(lái)，利用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)出每個(gè)區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)的數(shù)目，然后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于高精度接收機(jī)，核心是L1、L2、B1和B2頻點(diǎn)載波相位的高精度測(cè)量，由于L1頻率上調(diào)制有民碼，可以利用C/A碼的相關(guān)測(cè)量L1載波相位，其主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于L2頻率載波相位的測(cè)量，B1、B2頻率為北斗的頻率，測(cè)量方式與L1頻率相似。所有頻率載波相位的精確測(cè)量都需要解決多徑的問(wèn)題[5]。

2.1 L2載波接收技術(shù)設(shè)計(jì)

美國(guó)軍方為了防止對(duì)軍用P碼的欺騙，利用保密的W碼對(duì)L1、L2載波的P碼進(jìn)行調(diào)制，形成具有反欺騙功能的Y碼[6]。由于GPS的L2載波上僅調(diào)制有P碼，且不知道Y碼的結(jié)構(gòu)，只能利用無(wú)碼或半無(wú)碼技術(shù)進(jìn)行L2信號(hào)的測(cè)量。無(wú)碼接收技術(shù)不需要知道Y碼的結(jié)構(gòu)，半無(wú)碼技術(shù)利用了公開(kāi)的P碼，并利用Y碼是P碼和W碼的模2和特點(diǎn)，其中W碼帶寬約為500 kHz。目前，幾大廠商采用的無(wú)碼或半無(wú)碼技術(shù)主要有4種：平方法，交叉相關(guān)法，P碼輔助L2平方和Z跟蹤法。由于平方法存在半波長(zhǎng)的模糊度和平方損（降低30 dB）問(wèn)題，交叉相關(guān)法需要寬帶濾波，信噪比一樣會(huì)損失（約27 dB），P碼輔助L2平方法只能進(jìn)行L2載波的半波長(zhǎng)測(cè)量，因此論文選取Z跟蹤法。

Z跟蹤法綜合了交叉相關(guān)和P碼輔助L2平方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還利用了W碼和P碼之間的碼長(zhǎng)關(guān)系（W碼碼長(zhǎng)約為P碼碼長(zhǎng)的20倍），L1和L2信號(hào)處理后可以得到W碼的估計(jì)，原理如圖3所示。

圖3 Z跟蹤法原理圖Fig.3 Principle frame of Z tracking algorithm

L1、L2信號(hào)與本地產(chǎn)生的P碼進(jìn)行相關(guān)，當(dāng)相關(guān)器輸出的信號(hào)包絡(luò)最大時(shí)，認(rèn)為本地P碼與接收的P碼對(duì)齊。P碼相關(guān)后的L1、L2載波調(diào)制有W碼，帶寬約為1 MHz。對(duì)于L1載波，L1-W帶通濾波器的輸出與從C/A碼恢復(fù)的L1載波混頻，然后經(jīng)低通濾波器后進(jìn)行積分累加，積分時(shí)間為W碼的碼長(zhǎng)，積分時(shí)刻由P碼以及P碼和W的碼長(zhǎng)關(guān)系確定。積分累加后輸出信號(hào)的正負(fù)可以作為W碼極性的估計(jì)。對(duì)L2信號(hào)進(jìn)行同樣的處理，由于P2碼受電離層影響產(chǎn)生的延遲大于P1碼延遲，可以認(rèn)為P2碼是P1碼經(jīng)延遲后所得，因此，可以用一個(gè)具有可變延遲的P碼生成器實(shí)現(xiàn)圖3中兩個(gè)P碼生成器的功能。

L2-Y碼信號(hào)與本地P碼相關(guān)后，與L2鎖相環(huán)中NCO產(chǎn)生的本地L2載波混頻。混頻后的信號(hào)經(jīng)低通濾波器后根據(jù)L2-P碼確定的時(shí)刻進(jìn)行積分累加。L2信號(hào)的積分累加輸出與時(shí)間鎖存中從L1信號(hào)估計(jì)得到的相應(yīng)L1-W碼估計(jì)進(jìn)行相關(guān)，當(dāng)時(shí)間同步時(shí)，L2積分累加后輸出中的W碼將被移去，鎖相環(huán)可以對(duì)L2載波進(jìn)行全波長(zhǎng)跟蹤測(cè)量，而不需要很精確地知道W碼的碼長(zhǎng)。由于L1信號(hào)較L2信號(hào)強(qiáng)3dB，并且在W碼確定以前已經(jīng)與本地P碼相關(guān)去掉了L1、L2載波上的P碼，使得信號(hào)帶寬從20 MHz縮小到1 MHz，所以其平方損較小（約為13 dB），有效地提高了測(cè)量中的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.2 多徑效應(yīng)抑制設(shè)計(jì)

多徑效應(yīng)是影響接收機(jī)精度的主要因素之一，可以造成1/4個(gè)波長(zhǎng)誤差。一般是通過(guò)抗多徑天線和基帶信號(hào)處理兩方面進(jìn)行修正。基帶處理主要是利用窄相關(guān)技術(shù)或者以窄相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)而改進(jìn)的如MEDLL（Multipath Estimating Delay Lock Loop）、PAC（Pulse Aperture Correlator）以及 Strobe等技術(shù)。

對(duì)于測(cè)量型接收機(jī)，其周圍環(huán)境較為穩(wěn)定，多徑變化也緩慢，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用了MEDLL技術(shù)。MEDLL是建立在統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上的一種抗多徑技術(shù)[7]，如圖4所示，MEDLL采用多個(gè)相關(guān)器得到相關(guān)函數(shù)的多個(gè)采樣值，然后根據(jù)最大似然準(zhǔn)則進(jìn)行迭代計(jì)算。理論上，如果接收機(jī)受到M路多徑信號(hào)的影響，就需要進(jìn)行M次迭代計(jì)算，但在實(shí)際環(huán)境中，并不知道存在多少個(gè)多徑信號(hào)。由于所有的多徑信號(hào)中只有其中的1-2路占主導(dǎo)作用，因此實(shí)際操作中M值一般選取3或4。在迭代計(jì)算的過(guò)程中，MEDLL將多徑信號(hào)考慮在內(nèi)，利用并行通道的窄相關(guān)采樣，估計(jì)出直接信號(hào)和多徑信號(hào)的幅度、延遲和相位，分析延遲最小的信號(hào)為直達(dá)信號(hào)，其它較大延遲的信號(hào)認(rèn)為是多徑信號(hào)分量被消除。

圖4 MEDLL并行處理通道原理圖Fig.4 Principle frame of MEDLL paralleling cannel

2.3 環(huán)路設(shè)計(jì)

環(huán)路設(shè)計(jì)包括碼環(huán)和載波環(huán)的設(shè)計(jì)，主要難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)用于反饋控制設(shè)備行為的控制系統(tǒng)，包括延遲鎖定環(huán)（DLL）、鎖相環(huán)（PLL）和鎖頻環(huán)（FLL）[8]。好的動(dòng)態(tài)性能要求DLL能夠精確跟蹤由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)而引起的碼延遲變化，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)包括時(shí)鐘漂移以及用戶和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的視線方向分量。這里考慮用來(lái)自于PLL或者FLL的速率測(cè)量來(lái)輔助DLL的方案，進(jìn)而改善其動(dòng)態(tài)性能，對(duì)于接收機(jī)轉(zhuǎn)到高精度定位時(shí)，利用延長(zhǎng)積分時(shí)間的方案提高測(cè)量精度。

載波同步也考慮到兩種情況，PLL能夠同時(shí)跟蹤載波頻率和相位，測(cè)量精度高，但動(dòng)態(tài)性能差。FLL僅能跟蹤載波的頻率，動(dòng)態(tài)性能較好，但精度較差，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)環(huán)境的不同，合理切換為PLL或者FLL。

3 調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于所有需要輸入的環(huán)路數(shù)據(jù)按功能劃分放在一起傳輸。上電時(shí)，F(xiàn)PGA所有的通道處于復(fù)位狀態(tài)，快捕開(kāi)始工作，搜索衛(wèi)星，并將1 ms相關(guān)累加結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳給DSP。DSP在接收到觸發(fā)中斷信號(hào)時(shí)，對(duì)捕獲到的衛(wèi)星分配通道，復(fù)位和初始化。然后將環(huán)路信息寫(xiě)入FPGA，進(jìn)行環(huán)路的更新，同時(shí)發(fā)送通道控制信息，控制相應(yīng)的地址數(shù)據(jù)搬移到串口緩沖區(qū)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)于DSP處理的PVT數(shù)據(jù)，則直接通過(guò)數(shù)據(jù)總線存儲(chǔ)到FPGA的雙口RAM中，然后搬移到串口緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。如圖5所示，這樣FPGA中每個(gè)通道和外部的數(shù)據(jù)總線之間的連接最簡(jiǎn)單，便于FPGA的布局布線和實(shí)現(xiàn)時(shí)的功能更改和擴(kuò)展。

在PC機(jī)終端軟件設(shè)計(jì)時(shí)，將每個(gè)通道的環(huán)路數(shù)據(jù)按時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)，針對(duì)特定的通道數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和分析調(diào)試。

圖5 調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Configuration frame of testing&Inspecting system

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

測(cè)試時(shí)間：2013-2-25下午1點(diǎn)40分；

測(cè)試地點(diǎn)：空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院科研樓，天線放置于樓頂；

測(cè)試儀器：接收機(jī)板卡、計(jì)算機(jī)、天線、串口傳輸線和直流穩(wěn)壓電源。

圖6 高精度接收機(jī)基線長(zhǎng)度、仰角、方位角及其誤差Fig.6 Baseline length，elevation，azimuth and errors of high-precise GNSS receiver

高精度定位解算實(shí)驗(yàn)條件：由于高精度的定位解算主要處理對(duì)象是載波相位，通過(guò)解算整周模糊度來(lái)進(jìn)行RTK驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用雙天線測(cè)姿的方法來(lái)驗(yàn)證不僅簡(jiǎn)便，而且可靠。具體流程為：首先利用2個(gè)NovAtel接收機(jī)板卡及天線，并將兩天線分別放置于已知基線長(zhǎng)度為2.018 m的兩端，利用其自帶的CDU軟件進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間解算，得到基線仰角為0°，方位角為-85°。然后換成自研的高精度接收機(jī)板卡，進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，將采集的數(shù)據(jù)利用自研的軟件進(jìn)行解算（LAMBDA算法），得到的結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，基線長(zhǎng)度誤差在1 cm范圍內(nèi)，仰角與方位角誤差也在0.6°范圍內(nèi)，滿足精度要求，說(shuō)明研發(fā)的高精度接收機(jī)板卡性能良好。

圖7所示的結(jié)果顯示的為5 000個(gè)1 ms環(huán)路數(shù)據(jù)（5 s），從載波多普勒頻移可以看出，這段時(shí)間內(nèi)載波環(huán)由寬帶跟蹤轉(zhuǎn)到窄帶跟蹤。從其它參量也可以得到跟蹤性能良好的結(jié)論，但在3s左右的時(shí)刻出現(xiàn)了I路相關(guān)累加值增大情況，這是由于進(jìn)入窄帶跟蹤的緣故。

圖7 環(huán)路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.7 Real time inspecting result of loop data

5 結(jié) 論

系統(tǒng)針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航高精度接收機(jī)的L2載波接收、多徑效應(yīng)抑制和環(huán)路三部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)試表明，高精度接收機(jī)性能較好，精度在1 cm范圍內(nèi)；調(diào)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了輔助硬件程序調(diào)試和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的目的。

[1]謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]郭寶峰，韓壯志，何強(qiáng)，等.基于嵌入式邏輯分析儀Signal TapⅡ的系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)研究[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，32（10）:53-57.GUO Bao-feng，HAN Zhuang-zhi，HE Qiang，et al.Research ofsystem debugging tehnology based on embedded logic analyzer signalTapⅡ [J].Microcomputer Applications，2011，32（10）:53-57.

[3]袁火平，盧艷娥，李曉明，等.基于SignalTapⅡ的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（9）:128-129.YUAN Huo-ping，LU Yan-e，LI Xiao-ming，et al.High speed data acquisition system based on signalTapⅡ[J].Microcomputer Applications，2008，24（9）:128-129.

[4]龐春雷，盧艷娥，嚴(yán)玉國(guó)，等.軍民兼容接收機(jī)的基帶處理及定位實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2010，34（1） 124-127.PANG Chun-lei，LU Yan-e，YAN Yu-guo，et al.Baseband cutoff and positioning realization in militaryand civil compatible GNSS receiver[J].Ideo Engineering，2010，34（1）：124-127.

[5]龐春雷，盧艷娥，嚴(yán)玉國(guó)，等.軍民兼容衛(wèi)導(dǎo)終端中FPGA的有效位長(zhǎng)截取和濾波抽取 [C].第一屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010.

[6]呂衛(wèi)國(guó)，沈發(fā)江，徐偉.一種基于FPGA的多DSP數(shù)據(jù)交換方法[J].指揮控制與仿真，2011，33（2）:90-94.LV Wei-guo，SHEN Fa-jing，XU Wei.A method of multiple DSPs signal communication based on FPGA[J].Command Control&Simulation，2011，33（2）:90-94.

[7]江國(guó)強(qiáng).EDA技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[8]蘇明，姚冬蘋.專用異步串口通信電路的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2011（5）：65-67.SU Ming，YAO Dong-ping.FPGA Implementation of special asynchronous serialcommunication interface circuit[J].Internet of Thing Technology，2011（5）：65-67.