基于SoC的多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)研究

麻軍偉，田宇，王宇飛，時(shí)永剛

（1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068；2 中國(guó)人民解放軍91663部隊(duì)，青島 266012）

0　引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的位置、速度與時(shí)間(PVT)信息，主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo和中國(guó)的北斗（BDS）系統(tǒng)。2017年11月5日，隨著北斗三號(hào)第一、二顆組網(wǎng)衛(wèi)星的成功發(fā)射，中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開啟了全球組網(wǎng)的新進(jìn)程[1]。目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已相繼公開了 B1I、B3I、B1C、B2a等導(dǎo)航信號(hào)接口控制文件（ICD文件），新的導(dǎo)航信號(hào)B1C和B2a將與GPS、Galileo實(shí)現(xiàn)兼容與互操作，為多系統(tǒng)多頻點(diǎn)高精度導(dǎo)航定位提供了有利條件。

隨著全球各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展和完善，各領(lǐng)域?qū)Χ嘞到y(tǒng)、高精度、多元融合導(dǎo)航定位設(shè)備的需求也更加迫切。多系統(tǒng)高精度導(dǎo)航信號(hào)處理設(shè)備可同時(shí)接收多種（BDS、GPS、GLONASS和Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多頻點(diǎn)信號(hào)，在相同的用戶視場(chǎng)內(nèi)，可接收更多的可視衛(wèi)星，有效拓寬系統(tǒng)的可用范圍，擺脫對(duì)單一特定導(dǎo)航星座的依賴；可聯(lián)合多系統(tǒng)多頻信號(hào)測(cè)距，有效提高測(cè)量定位精度，增強(qiáng)定位結(jié)果的正確性和可靠性，提高測(cè)量效率。

多系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)處理設(shè)備所接收的信號(hào)頻帶寬、信號(hào)種類多，處理實(shí)時(shí)性要求較高，其硬件平臺(tái)對(duì)體積、功耗、性能等指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求較為苛刻。傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)主要有兩種：一種是基于多OEM 板卡集成設(shè)計(jì)，單板卡用于處理特定頻點(diǎn)信號(hào)，各板卡以總線背板形勢(shì)互聯(lián)通信，這種設(shè)計(jì)方案具有較好的裁剪性，方式靈活性較強(qiáng)，但一般體積和功耗較大，成本較高；另一種是采用ASIC集成芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)ASIC芯片的不同集成程度，有單射頻、單基帶及一體化集成處理芯片，這種設(shè)計(jì)方法相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于低成本商業(yè)接收機(jī)，但其功能受限，可擴(kuò)展性不好，不易于升級(jí)更新。

隨著集成芯片工藝水平的發(fā)展，集可編程邏輯器件與嵌入式處理器于一體的片上系統(tǒng)（SoC）級(jí)芯片應(yīng)運(yùn)而生，大大提升了設(shè)備集成度，有效地降低電子信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。目前可編程的 SoC芯片主要有 Intel公司推出的28nm Cylone V和Arria V FPGA產(chǎn)品、Xilinx公司推出的Zynq系列FPGA，這兩種SoC芯片都采用了雙核800MHz ARM Cortex-A9 MPCore處理器，具有 NEON媒體處理引擎、單精度/雙精度浮點(diǎn)單元、L1和L2高速緩存，集成的收發(fā)器最高速率都在10Gbps左右，并具有可編程的DSP。

基于以上背景，本文通過對(duì)多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理特性分析，研究設(shè)計(jì)了一種以射頻模塊、SoC芯片為構(gòu)架的多系統(tǒng)高精度導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)。設(shè)計(jì)充分利用不同導(dǎo)航系統(tǒng)互操作信號(hào)的兼容特性，通過共用天線、射頻，復(fù)用捕獲與跟蹤通道，降低接收機(jī)的復(fù)雜度，并達(dá)到性能提升、功耗降低、成本降低的目的，以更好地為用戶提供更精確、更安全的導(dǎo)航定位服務(wù)。

1　多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)兼容接收分析

1.1　系統(tǒng)工作原理

多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)，可同時(shí)接收處理GPS、Galileo、GLONASS、BDS等多系統(tǒng)多頻點(diǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位和授時(shí)等功能。按照信號(hào)處理流程可分為射頻信號(hào)處理、中頻信號(hào)處理和基帶信號(hào)處理三個(gè)階段，其信號(hào)處理流程如圖1所示。

圖1　衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理流程

射頻信號(hào)處理階段的前置濾波器使帶外的射頻干擾減到最小，低噪放大器對(duì)微弱信號(hào)放大，確定接收機(jī)噪聲系數(shù)。中頻信號(hào)處理階段利用頻率合成器與輸入信號(hào)混頻實(shí)現(xiàn)信號(hào)下變頻，降低信號(hào)的載波頻率，一般情況下，通過兩級(jí)下變頻方式提高鏡像干擾抑制能力。基帶信號(hào)處理階段先后進(jìn)行載波和偽碼剝離處理、預(yù)檢測(cè)積分和清零處理、以及捕獲、跟蹤、電文數(shù)據(jù)解調(diào)等，并通過微處理器實(shí)現(xiàn)參數(shù)控制、定位解算和監(jiān)視控制等功能。影響GNSS信號(hào)兼容性的因素主要集中在基帶信號(hào)處理階段的捕獲、載波和碼跟蹤以及電文數(shù)據(jù)解調(diào)環(huán)節(jié)。多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)涉及信號(hào)種類多，且不同信號(hào)頻帶分布、調(diào)制方式、時(shí)間基準(zhǔn)、坐標(biāo)基準(zhǔn)等方面不盡相同，因而在多系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮系統(tǒng)兼容性、多任務(wù)分配等問題，盡可能實(shí)現(xiàn)軟硬件模塊復(fù)用，達(dá)到降低硬件復(fù)雜度、提升性能的目的。

1.2　多系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)處理兼容性分析

（1）時(shí)間基準(zhǔn)的統(tǒng)一

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，時(shí)間量在觀測(cè)量獲取以及衛(wèi)星的幾何觀測(cè)和運(yùn)動(dòng)信息描述上具有重要意義。時(shí)間統(tǒng)一是多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航兼容定位的基礎(chǔ)，擁有高精度的時(shí)間基準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)高精度的導(dǎo)航與定位。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)涉及的時(shí)間系統(tǒng)主要分為本地時(shí)間基準(zhǔn)和衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)間基準(zhǔn)。

本地時(shí)間基準(zhǔn)是進(jìn)行導(dǎo)航信號(hào)觀測(cè)的時(shí)間標(biāo)尺。信號(hào)處理模塊在同一時(shí)刻對(duì)不同衛(wèi)星解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，以還原相應(yīng)時(shí)刻的衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間，為計(jì)算偽距提供根據(jù)。為了獲取高穩(wěn)定、高精度的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，保證定位校時(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性，多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航處理平臺(tái)的本地時(shí)鐘必須具備較好的短穩(wěn)特性，同時(shí)要保證各測(cè)量節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間基準(zhǔn)的一致性，以及各測(cè)量節(jié)點(diǎn)與模數(shù)轉(zhuǎn)換參考時(shí)鐘的相位穩(wěn)定性。

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)發(fā)射時(shí)間以其相應(yīng)的導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)為基準(zhǔn)，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)可溯源到各自本地的世界協(xié)調(diào)時(shí)。GPS系統(tǒng)時(shí) GPST以 UTC(USNO)為時(shí)間基準(zhǔn)，Galileo系統(tǒng)時(shí)GST以UTC（來自 TSP的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)），GLONASS系統(tǒng)時(shí)GLONASST以 UTC（SU）為時(shí)間基準(zhǔn)，BDT以UTC（MCLT，對(duì)外宣稱是NTSC）為時(shí)間基準(zhǔn)[2]。由于各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的時(shí)間基準(zhǔn)各不相同，各基準(zhǔn)之間也存在一定的時(shí)間偏差，因此，需要將各系統(tǒng)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一處理。將各系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)歸一到某個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)后，再將該系統(tǒng)時(shí)轉(zhuǎn)換為世界協(xié)調(diào)時(shí)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間系統(tǒng)的統(tǒng)一。

多系統(tǒng)兼容接收機(jī)在同一本地時(shí)刻獲取不同GNSS系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行定位解算時(shí)，必須考慮進(jìn)行不同系統(tǒng)時(shí)間的轉(zhuǎn)換。多系統(tǒng)兼容接收機(jī)解決不同GNSS的系統(tǒng)時(shí)間偏差問題，存在兩種可能的情況：一種是當(dāng)GNSS系統(tǒng)廣播的導(dǎo)航電文中已經(jīng)包含與其它系統(tǒng)的時(shí)間轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，則可直接利用該類參數(shù)對(duì)本地時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并在偽距計(jì)算時(shí)采用經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的本地“系統(tǒng)時(shí)”。另一種是直接將不同系統(tǒng)間時(shí)間偏差作為待解未知數(shù)進(jìn)行求解，這種情況下要求接收機(jī)的可視衛(wèi)星數(shù)要多于待解未知數(shù)個(gè)數(shù)。

（2）多系統(tǒng)信號(hào)兼容接收

多系統(tǒng)GNSS信號(hào)主要分布在L頻段，集中了GPS、Galileo、GLONASS、BDS等四個(gè)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）、歐洲對(duì)地靜止導(dǎo)航服務(wù)（EGNOS）等星基增強(qiáng)系統(tǒng)的多個(gè)導(dǎo)航信號(hào)，各個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)已公開的基本導(dǎo)航信號(hào)的頻率和調(diào)制方式如表1所示。由表1可知，多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)種類較多，但其中心頻率主要集中在兩個(gè)頻段：1164～1300 MHz和1559～1610 MHz，分別稱為Band-I和Band-II。以中心頻點(diǎn)1575.42為例，該頻點(diǎn)調(diào)制了GPS的L1C/A、L1C、BDS的B1C和Galileo的E1信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)信號(hào)的兼容互操作，這種特性使得射頻電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度大大降低。

在射頻信號(hào)下變頻采樣時(shí)，可將頻帶 Band-I和 Band-II分別看成兩個(gè)大帶寬的擴(kuò)頻信號(hào)，其中心頻率分別為1232MHz和1584.5MHz，帶寬分別為136MHz和51MHz，可見這兩個(gè)頻段的信號(hào)帶寬遠(yuǎn)小于中心頻率。根據(jù)帶通采樣定理，當(dāng)一個(gè)中心頻率為fC的連續(xù)信號(hào)分布在一個(gè)有限頻帶(fL,fH)內(nèi)時(shí)，只要采樣頻率fS滿足：

現(xiàn)對(duì)采樣率的限定，以免增加實(shí)現(xiàn)難度和系統(tǒng)成本；此外，采樣時(shí)鐘由時(shí)鐘生成模塊根據(jù)外輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘進(jìn)行鎖相產(chǎn)生，以確保較低的相噪比特性。

同時(shí)，由表1可見，傳統(tǒng)GNSS信號(hào)的調(diào)制方式主要以BPSK-R（n）為主，現(xiàn)代化新體制信號(hào)引入了偏移二進(jìn)制載波調(diào)制（BOC）方式以及復(fù)合二進(jìn)制偏移載波調(diào)制（MBOC）調(diào)制方式。BPSK-R信號(hào)的頻譜集中在中心頻率附近，BOC調(diào)制信號(hào)由于加入了子載波，使信號(hào)功率譜對(duì)稱分布在中心頻點(diǎn)的兩邊，實(shí)現(xiàn)了頻譜的分離。BOC信號(hào)在跟蹤精度、干擾和多徑抑制性能上優(yōu)于BPSK-R信號(hào)。

在信號(hào)接收處理上，BPSK-R用較窄的帶寬即可接收到絕大多數(shù)的信號(hào)能量，相較而言，BOC信號(hào)的頻譜比BPSK-R信號(hào)的頻譜更加擴(kuò)展[3]。更寬的 RMS帶寬帶來了更高的潛在跟蹤精度，多徑性能也得到改善，但為捕獲跟蹤引入了模糊度隱患。GPS L1C所使用的 TMBOC、Galileo E1信號(hào)的CMBOC和BDS最新播發(fā)的B1C QMBOC調(diào)制，這三種MBOC調(diào)制方式則在BOC（1,1）的基礎(chǔ)上增加了更多的高頻分量。對(duì)于高端接收機(jī)，當(dāng)采用寬帶匹配接收方式處理 MBOC信號(hào)時(shí)，可以獲得比 BOC（1,1）更好的跟蹤精度以及抗多徑性能，但同時(shí)也使接收機(jī)的匹配接收處理變得更加復(fù)雜。在一些對(duì)接收機(jī)的復(fù)雜度有苛刻限制的應(yīng)用中，更傾向于使用非匹配接收的方式來處理MBOC信號(hào)，將其近似看作BOC（1,1）信號(hào)，本地使用BOC（1,1）信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行非匹配相關(guān)操作。這樣不僅可以大幅簡(jiǎn)化本地波形的生成電路，而且接收機(jī)還可以使用比匹配接收時(shí)更窄的接收帶寬和更低的采樣率，而且對(duì)不同 MBOC實(shí)現(xiàn)方式的信號(hào)可以采用相似的通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。

表1　各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包含的信號(hào)頻率和帶寬

（3）多系統(tǒng)坐標(biāo)基準(zhǔn)及轉(zhuǎn)化

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過衛(wèi)星發(fā)播測(cè)距信號(hào)，提供衛(wèi)星坐標(biāo)、時(shí)間等基準(zhǔn)信息，以提供用戶定位的手段。對(duì)于多系統(tǒng)兼容接收機(jī)來說，由于不同系統(tǒng)所采用的坐標(biāo)基準(zhǔn)不同，必須研究不同系統(tǒng)之間的坐標(biāo)基準(zhǔn)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系。此外，在不同應(yīng)用場(chǎng)合下，接收機(jī)也常需要采用不同坐標(biāo)形式進(jìn)行輸出定位結(jié)果，必須研究不同坐標(biāo)形式及相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。不同系統(tǒng)的坐標(biāo)基準(zhǔn)如表2所示。

由表2可見，WGS84、GTRF和CGS-2000坐標(biāo)系與國(guó)際地球參考框架（ITRF）的一致性較高，約為5cm。對(duì)精度要求不高（精度低于5cm）的用戶來說，可認(rèn)為三者是相互兼容的，無需再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，但對(duì)高精度用戶而言，則必須考慮它們之間的參數(shù)轉(zhuǎn)換。不同的坐標(biāo)系可以通過平移和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。目前，坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型可以采用Bursa Model（ 布爾沙模型） 或者 Molodensky Model（莫洛金斯基模型），可以證明兩種模型具有等價(jià)的轉(zhuǎn)換結(jié)果[4]。通常情況下，地心坐標(biāo)系下采用 BursaModel，而參心坐標(biāo)系下采用Molodensky Model。

表2　不同導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)基準(zhǔn)

2　基于SoC的多系統(tǒng)衛(wèi)導(dǎo)信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1　平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

基于 SoC的多系統(tǒng)兼容導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)需要對(duì)多個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行高速采樣、實(shí)時(shí)處理和聯(lián)合定位，不同的處理模塊對(duì)硬件資源需求有別，在軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)任務(wù)特性合理分配資源。

多系統(tǒng)信號(hào)處理平臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)按照信號(hào)處理順序可分為三大功能模塊，分別是射頻前端處理模塊、對(duì)中頻信號(hào)捕獲跟蹤并完成信號(hào)測(cè)量的基帶信號(hào)處理模塊、以及進(jìn)行信息層面處理的定位解算和授時(shí)模塊。射頻前端處理模塊接收天線傳來的射頻信號(hào)并進(jìn)行下變頻處理，并經(jīng) ADC轉(zhuǎn)化后輸出數(shù)字中頻信號(hào)，硬件主要采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，模塊功能相對(duì)獨(dú)立；基帶信號(hào)處理部分對(duì)前端傳來的高速采樣信號(hào)進(jìn)行并行相關(guān)運(yùn)算，完成捕獲跟蹤及電文解析，按照運(yùn)算規(guī)模及運(yùn)算速度，對(duì)需要大規(guī)模并行相關(guān)運(yùn)算且實(shí)時(shí)性要求較高的基帶信號(hào)處理部分采用SoC的可編程邏輯（Programmable Logic, PL）實(shí)現(xiàn)，將低速率但高精度浮點(diǎn)運(yùn)算的導(dǎo)航定位解算部分采用處理器系統(tǒng)（Processing System, PS）實(shí)現(xiàn)。

信號(hào)處理平臺(tái)外圍部分主要包含電源系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、顯示控制及各種通用接口，為平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。電源系統(tǒng)電源穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換模塊、保護(hù)電路、上電順序控制電路等模塊組成，并預(yù)留鋰電池充電模塊。由于PS、PL等核心器件對(duì)供電順序有嚴(yán)格要求，一般內(nèi)核電壓（VCCINT）先于端口電壓（VCCIO）上電，設(shè)計(jì)中通過阻容電路實(shí)現(xiàn)延遲控制；顯示控制單元用于用戶與平臺(tái)間的交互操作，支持多種工作參數(shù)的配置控制；狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)核心部件的工作溫度、電流等狀態(tài)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)平臺(tái)預(yù)留了UART、SPI等多種通用擴(kuò)展接口，便于調(diào)試、測(cè)試及系統(tǒng)擴(kuò)展?；赟oC多系統(tǒng)導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　基于SoC的導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)

從圖2中可看出，基于SoC片上系統(tǒng)的信號(hào)處理器主要由兩部分組成：一部分是處理器系統(tǒng)（PS），一部分是可編程邏輯（PL）。PS部分集成了兩個(gè)雙核ARM Cortex-A9處理器，處理器上有一級(jí)二級(jí)緩存、片上存儲(chǔ)器（OCM）、用于同步的偵聽控制單元（SCU）、協(xié)處理器等，外設(shè)包括UART、SPI、AXI、GPIO、外部存儲(chǔ)器等接口。將基帶信號(hào)處理和定位解算集成到單SoC芯片，不但減少了板級(jí)系統(tǒng)復(fù)雜度，而且通過軟硬件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，在基帶處理中可以靈活使用軟件對(duì)硬件進(jìn)行配置，提高了基帶信號(hào)處理的靈活性，更便于算法的升級(jí)。

2.2　時(shí)間基準(zhǔn)模塊

時(shí)間基準(zhǔn)模塊產(chǎn)生用于信號(hào)測(cè)量的統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，主要包含觀測(cè)數(shù)據(jù)提取鎖存使能信號(hào)TIC、本地時(shí)間基準(zhǔn)秒脈沖信號(hào) PPS和用于授時(shí)功能的1PPS、累加中斷使能信號(hào)IRQ等。時(shí)間基準(zhǔn)模塊的時(shí)鐘源可由板級(jí)晶振產(chǎn)生，也可由外部原子鐘產(chǎn)生，可實(shí)現(xiàn)板級(jí)晶振與外部時(shí)鐘的無縫切換。

信號(hào)處理平臺(tái)的射頻模塊、信號(hào)處理模塊、定位解算模塊都需要時(shí)鐘支持，且必須保證其相對(duì)相位關(guān)系的穩(wěn)定性。雖然本地時(shí)間基準(zhǔn)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)差可以通過定位解算獲取，且并不影響定位結(jié)果，但本地時(shí)間基準(zhǔn)的短時(shí)穩(wěn)定性對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量至關(guān)重要。設(shè)計(jì)中板級(jí)時(shí)鐘源采用性價(jià)比較高的溫補(bǔ)晶振，各模塊采用時(shí)鐘同源設(shè)計(jì)，恒溫晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘源信號(hào)經(jīng)鎖相分路并驅(qū)動(dòng)各處理單元。高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）在-40°C~+85°C溫度范圍內(nèi)提供±3.5PPM精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，用于掉電后的系統(tǒng)時(shí)間保持，為接收機(jī)的快速啟動(dòng)提供時(shí)間參考。

2.3　射頻前端處理

不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間為了實(shí)現(xiàn)更好的兼容互操作特性，衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號(hào)極化方式相同、中心頻點(diǎn)重合、發(fā)射電平基本相同，因而對(duì)于地面接收設(shè)備，可采用同一接收天線、低噪聲放大器及濾波器實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)的兼容性設(shè)計(jì)。

射頻模塊用來將射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻、功率放大，輸出中頻模擬信號(hào)，并為前端天線內(nèi)部低噪聲放大器提供饋電。隨著多年的發(fā)展，各導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制頻點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定，射頻前端的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量選取成熟方案，可根據(jù)頻點(diǎn)及性能、成本需要，選取如射頻通道模組或ASIC芯片。近些年來市場(chǎng)射頻前端產(chǎn)品發(fā)展迅速，隨著北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，已有多系統(tǒng)兼容的芯片可供選擇。目前已出現(xiàn)了兼容BD3 B1、B2、B3和GPS L1、L2等系統(tǒng)頻點(diǎn)的射頻模塊，例如SFP9900MC射頻芯片，可同時(shí)輸出B1、B2、B3、L1等多頻點(diǎn)的中頻信號(hào)。

2.4　基帶信號(hào)處理

基帶信號(hào)處理是衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)的重點(diǎn)，主要任務(wù)包括多系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤、解擴(kuò)、解調(diào)、位同步、幀同步、觀測(cè)量的獲取等[5]。平臺(tái)設(shè)計(jì)通過存儲(chǔ)式偽碼發(fā)生器及可擴(kuò)展相關(guān)通道、基于SoC可編程系統(tǒng)擴(kuò)展環(huán)路控制及后端觀測(cè)量、電文等處理策略實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)信號(hào)處理的兼容。

基帶信號(hào)處理部分由單個(gè) SoC系統(tǒng)級(jí)芯片實(shí)現(xiàn)，按照運(yùn)算速度和精度要求，采用軟硬件結(jié)合的方案實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理。對(duì)需要完成大量數(shù)據(jù)的乘累加運(yùn)算，需要極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和并行處理能力的任務(wù)，由SoC的可編程邏輯部分（PL）完成；而對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，但對(duì)精度要求高的任務(wù)，采用處理器系統(tǒng)（PS）完成，如導(dǎo)航解算模塊需要對(duì)低速率（1kHz）的數(shù)據(jù)進(jìn)行較高的浮點(diǎn)運(yùn)算，可采用Xilinx ZYNQ的雙核ARM Cortex-A9處理器實(shí)現(xiàn)?；鶐盘?hào)處理各子任務(wù)在 SoC平臺(tái)的任務(wù)分配結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　基帶信號(hào)處理SoC功能分配

由圖3可見，PL部分主要用于實(shí)現(xiàn)與硬件物理通道相關(guān)的子模塊，如本地偽碼發(fā)生器、載波發(fā)生器、捕獲引擎、同步處理模塊等，對(duì)于偽碼、正余弦查找表等均采用存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣既有效利用硬件邏輯資源，又滿足多系統(tǒng)信號(hào)的兼容性要求；各獨(dú)立通道采用參數(shù)化設(shè)計(jì)，用戶只需配置相應(yīng)的寄存器即可實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)的匹配接收。而對(duì)各種捕獲及跟蹤通道的配置、包含鑒相器及定位解算等實(shí)時(shí)性不高但精度要求較高的運(yùn)算模塊，均采用 PS部分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。PS與PL端通過雙向通信總線（1、2）實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置與信息交互，PL端的時(shí)間同步信號(hào)及硬中斷觸發(fā)信號(hào)通過專用通道（3）與PS端互連。

2.5　通信接口及傳輸

多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)接口分為外部接口和內(nèi)部接口，便于調(diào)試、測(cè)試及功能擴(kuò)展升級(jí)。平臺(tái)外部接口主要采用成熟的 UART、SPI、IIC、Ethnet等標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)計(jì)，可滿足各類傳感器監(jiān)測(cè)、設(shè)備調(diào)試測(cè)試、工作數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及設(shè)備升級(jí)需要；內(nèi)部接口主要指SoC處理器的PL與PS端交互通信接口、采樣數(shù)據(jù)傳輸接口等。

SoC處理器的PL與PS端采用AXI通信協(xié)議。AXI協(xié)議是SoC內(nèi)處理器ARM Cortex-A9所采用的一種髙性能、髙帶寬、低延遲的片內(nèi)總線。根據(jù)AXI協(xié)議分類，Zynq中AXI接口共有三種類型：AXI_HP接口、AXI_ACP接口、AXI_GP接口。

其中，AXI_HP接口適用于數(shù)據(jù)量較大的工程，因帶有FIFO緩存使其具有高速高性能的優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是只能和DDR、OCM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，在應(yīng)用時(shí)邏輯設(shè)計(jì)十分復(fù)雜；AXI_ACP接口有著比AXI_HP接口更高的吞吐量，并因其不需要通過互聯(lián)結(jié)構(gòu)可直接訪問片內(nèi)緩存，所以其延時(shí)最低，針對(duì)軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)其存在的缺點(diǎn)也是會(huì)使邏輯設(shè)計(jì)部分復(fù)雜程度增加；AXI_GP接口適用于吞吐量中等，PL和PS之間控制信息傳輸?shù)墓こ?。綜上分析，導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)中SoC內(nèi)部接口選用AXI_GP接口。

3　總結(jié)

本文分析了多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)兼容處理的若干關(guān)鍵問題，對(duì)比了GPS、BDS等多系統(tǒng)在時(shí)間、坐標(biāo)及信號(hào)調(diào)制接收方面的特性，提出了多系統(tǒng)多頻點(diǎn)兼容接收解決方案，設(shè)計(jì)了一種基于SoC的多

系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理平臺(tái)，并對(duì)各關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了分析說明。相較傳統(tǒng)分離式多系統(tǒng)接收機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)，基于SoC的多系統(tǒng)信號(hào)處理平臺(tái)將基帶信號(hào)處理與定位解算于一體，最大程度地實(shí)現(xiàn)了硬件資源共享，降低了硬件體積、功耗和成本。