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摘 要： 摘要:設計開發了BDS/GPS雙系統五頻點高精度接收機，其能為用戶提供水平定位精度2cm的位置服務，可廣泛應用于林區規劃、巡護、資源調查、火災監測等領域。本方案的基帶處理器和導航信息處理器采用內置雙核ARM的FPGA相對傳統的DSP+FPGA設計方案，可大大節省硬
摘要:設計開發了BDS/GPS雙系統五頻點高精度接收機，其能為用戶提供水平定位精度2cm的位置服務，可廣泛應用于林區規劃、巡護、資源調查、火災監測等領域。本方案的基帶處理器和導航信息處理器采用內置雙核ARM的FPGA相對傳統的DSP+FPGA設計方案，可大大節省硬件面積，降低功耗。經實驗驗證，該接收機能夠穩定地提供厘米級的位置信息服務。
關鍵詞:北斗;高精度接收機;位置信息;林區;硬件方案設計
北斗衛星導航系統是我國考慮國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施[1]。目前，正在運行的北斗二號系統已免費向亞太地區提供公開服務。隨著北斗系統的建設和服務能力的提升，其相關產品已廣泛應用于很多行業，并向著更小、更準、更節能的方向發展。
本研究設計了一種優于傳統方案的高精度接收機硬件方案，其摒棄了以FPGA作為基帶處理器，而是以DSP或ARM作為導航信息處理器的方法。以雙核FPGA為基礎架構，將基帶處理單元、導航信息處理單元和RTK解算單元集成在一個芯片上，通過與接收機軟件聯機測試，達到了預期的性能指標。
1北斗高精度接收機總體方案設計
北斗高精度接收機(以下簡稱接收機)，通過天線接收BDS(BeiDouNavigationSatelliteSystem)B1、B2、B3頻點和GPS(GlobalPositioningSystem)L1、L2頻點的衛星信號，再應用射頻模塊分別對各個頻點進行放大、變頻及濾波處理，最終輸出數字中頻和采樣時鐘到解調模塊。解調模塊內置雙核ARM處理器的FPGA芯片，包含基帶信號處理、導航信息處理及RTK(Real-timekinematic)解算三個單元。
基帶信號處理單元完成對中頻信號的捕獲、載波和碼相位高精度跟蹤[2];導航信息處理單元完成對觀測量的提取、導航電文解析和單點位置解算;RTK解算單元使用偽距和載波完成實時載波相位差分運算。最終通過外部接口將位置、速度、時間等信息發送到用戶端。硬件設計方案及硬件實物分別如圖1、圖2所示。
2射頻模塊設計射頻模塊需要完成對BDS的B1、B2、B3頻點和GPS的L1、L2頻點五路信號的下變頻，本方案選用MAX2769B芯片。MAX2769B芯片為新一代單芯片全球導航衛星系統(GNSS)接收機射頻芯片，用于GPS、GLONASS、伽利略以及北斗導航衛星系統。因為B2、B3、L2頻點不在MAX2769B的頻率牽入范圍，因此這三個頻點需要經過混頻器后再通過射頻芯片進行下變頻處理。整個設計方案的頻率規劃見表1。
3解調模塊設計解調模塊設計如圖3所示。
傳統接收機的基帶信息處理單元主控芯片一般選用FPGA，導航信息處理單元和RTK處理單元主控芯片一般選用DSP或者雙浮點的ARM[3-4]。本次設計解調模塊的三個處理單元使用一片內置雙核ARM的FPGA作為主控芯片，其為Xilinx公司的ZYNQ-7020芯片。
3.1基帶信息處理單元
基帶信息處理單元的信號捕獲是在片上的可編程邏輯單元上完成，通過AXIEMC總線與CPU0進行數據交互。接收機基帶處理單元的時鐘輸入為經過射頻模塊鎖相處理的10M低相噪時鐘，可編程邏輯單元內部鎖相環可將10M時鐘分別進行倍頻、分頻處理[5-8]，以滿足AD采樣及各個子單元對時鐘的需求。
3.2導航信息處理單元
導航信息處理單元在片上的內核CPU0上運行，由外部40M時鐘驅動，通過AXIEMC總線與可編程邏輯單元交互，外接高速的DDR3，通過AMP模式與CPU1進行交互。具有豐富的外部接口，包括2個UART、1個CAN、1個SPI、1個I2C等，并且有大量的IO可供使用，使用時可任意配置成上述接口。
3.3RTK解算單元RTK解算單元
在片上的內核CPU1上運行，通過AMP模式與CPU0交互。運行主頻最高可達到866MHz，并且支持雙浮點運算。完全可以滿足實時載波相位差分大數據量運算的需求，經實測，主頻360MHz即可達到10Hz的解算速度。
4實驗測試與驗證
為驗證本方案的可行性及軟硬件設計的正確性，需要對接收機的觀測量、靜態定位、動態定位進行性能測試[9]。
4.1觀測量精度測試
觀測量精度如圖4所示，接收機的載波測量精度優于2cm，滿足載波相位差分的需求。
4.2靜態短基線測試
在由北京測繪局標定的3個標準點上進行試驗，基線長度為10m，每隔30min啟動一次測量(第3min上電，27min后測試設備斷電)，人工記錄每次上電27min定位結果、PDOP值和有效標志等。統計了10次測量的水平和高程定位精度，水平定位精度優于2cm，高程定位精度優于3cm。靜態定位精度見表2。
4.3動態長基線測試
使用測試車輛進行動態跑車試驗，試驗環境如圖5所示。將NovatelDLV3基準站天線放置在標準點，接收天線架于測試車頂通過功分器輸出兩路信號，一路接被測接收機，另外一路接NovatelDLV3流動站。跑車路線為北京市北清路西段及周邊路段。定位精度評估時以NovatelDLV3載波相位差分的定位結果為基準。
統計一天當中5個時段的動態定位結果，水平定位精度優于3cm，高程定位精度優于4cm。動態跑車、接收機在運動過程中會受到建筑物、樹木遮擋等影響，導致被測機與參考機相對定位精度比靜態測量時偏差大，但接收機仍能滿足厘米級定位精度。動態定位精度見表3。
試驗表明，開發的北斗高精度接收機硬件不但可以完成對衛星信號的捕捉、跟蹤，還可以提供高質量的載波觀測量，實時載波相位差分別達到了水平3cm、高程4cm的定位精度。
5小結
本設計提出了采用單一通用芯片作為基帶、導航和RTK處理器的北斗高精度接收機方案，并完成了硬件設計、制作，以及測試軟件的開發。試驗結果表明，本設計方案可以滿足載波相位差分的定位精度，能夠達到預期的設計指標，在林區規劃、巡護、資源調查、火災監測等方面具有廣闊的應用前景。
參考文獻:
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