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

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為一個全球性的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，無論是軍用還是民用，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，而多模多頻牽涉到較多的信號通道和環(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)試所觀測的數(shù)據(jù)有限，而且對于出現(xiàn)錯誤的數(shù)據(jù)不能及時進(jìn)行抓捕和分析。FPGA內(nèi)嵌的Sign alTap 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，占用時間較長，因此如何解決多通道的環(huán)路和定位調(diào)試過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測問題也成為研制衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的關(guān)鍵。

論文針對此問題基于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)測軟件系統(tǒng)。首先對系統(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)，其次對調(diào)試監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后對整個高精度定位系統(tǒng)進(jìn)行了測試。

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)，其每個頻點(diǎn)采用了12個通道.共48個通道。該接收機(jī)使用了FPGA和DSP芯片相結(jié)合的方法，型號分別為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。

接收機(jī)主要由射頻、基帶和定位三大部分組成，F(xiàn)PGA完成信號的捕獲和跟蹤，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經(jīng)模擬下變頻成為中頻信號，再經(jīng)過A/D采樣后送至FPGA處理。經(jīng)過加權(quán)自適應(yīng)量化后，數(shù)字信號與本地復(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兩路信號經(jīng)過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)生控制信號控制C/A碼的產(chǎn)生和載波NCO的相位字和頻率字。同時將環(huán)路數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)通過串口傳送到計(jì)算機(jī)上，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輔助調(diào)試和監(jiān)測功能。

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)。對基帶信號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采樣時鐘頻率、穩(wěn)定度要求較高;2)碼相位測距精度高，抗多徑技術(shù)和時序要求高;3)載波相位的測距精度高，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，但是必須通過大量的實(shí)驗(yàn)才能獲得較優(yōu)的參數(shù)。在時鐘選取上，采用美國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機(jī)后統(tǒng)計(jì)出來，利用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)出每個區(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頻率載波相位的測量，B1、B2頻率為北斗的頻率，測量方式與L1頻率相似。所有頻率載波相位的精確測量都需要解決多徑的問題。

2.1 L2載波接收技術(shù)設(shè)計(jì)

美國軍方為了防止對軍用P碼的欺騙，利用保密的W碼對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。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)，只能利用無碼或半無碼技術(shù)進(jìn)行L2信號的測量。無碼接收技術(shù)不需要知道Y碼的結(jié)構(gòu)，半無碼技術(shù)利用了公開的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500kHz。目前，幾大廠商采用的無碼或半無碼技術(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的模糊度和平方損(降低30 dB)問題，交叉相關(guān)法需要寬帶濾波，信噪比一樣會損失(約27 dB)，P碼輔助L2平方法只能進(jìn)行L2載波的半波長測量，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)，同時還利用了W碼和P碼之間的碼長關(guān)系(W碼碼長約為P碼碼長的20倍)，L1和L2信號處理后可以得到W碼的估計(jì)，原理如圖3所示。

L1、L2信號與本地產(chǎn)生的P碼進(jìn)行相關(guān)，當(dāng)相關(guān)器輸出的信號包絡(luò)最大時，認(rèn)為本地P碼與接收的P碼對齊。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，積分時間為W碼的碼長.積分時刻由P碼以及P碼和W的碼長關(guān)系確定。積分累加后輸出信號的正負(fù)可以作為W碼極性的估計(jì)。對L2信號進(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，可以用一個具有可變延遲的P碼生成器實(shí)現(xiàn)圖3中兩個P碼生成器的功能。

L2-Y碼信號與本地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。混頻后的信號經(jīng)低通濾波器后根據(jù)L2-P碼確定的時刻進(jìn)行積分累加。L2信號的積分累加輸出與時間鎖存中從L1信號估計(jì)得到的相應(yīng)L1-W碼估計(jì)進(jìn)行相關(guān)，當(dāng)時間同步時，L2積分累加后輸出中的W碼將被移去，鎖相環(huán)可以對L2載波進(jìn)行全波長跟蹤測量，而不需要很精確地知道W碼的碼長。由于L1信號較L2信號強(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，使得信號帶寬從20 MHz縮小到1MHz，所以其平方損較小(約為13dB)，有效地提高了測量中的數(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個波長誤差。一般是通過抗多徑天線和基帶信號處理兩方面進(jìn)行修正?；鶐幚碇饕抢谜嚓P(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 Aoerture Correlator)以及Strobe等技術(shù)。

對于測量型接收機(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)，如圖4所示，MEDLL采用多個相關(guān)器得到相關(guān)函數(shù)的多個采樣值，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多徑信號。由于所有的多徑信號中只有其中的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)算的過程中，MEDLL將多徑信號考慮在內(nèi)，利用并行通道的窄相關(guān)采樣，估計(jì)出直接信號和多徑信號的幅度、延遲和相位，分析延遲最小的信號為直達(dá)信號，其它較大延遲的信號認(rèn)為是多徑信號分量被消除。

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)。好的動態(tài)性能要求DLL能夠精確跟蹤由系統(tǒng)動態(tài)而引起的碼延遲變化，系統(tǒng)動態(tài)包括時鐘漂移以及用戶和衛(wèi)星運(yùn)動的視線方向分量。這里考慮用來自于PLL或者FLL的速率測量來輔助DLL的方案，進(jìn)而改善其動態(tài)性能，對于接收機(jī)轉(zhuǎn)到高精度定位時，利用延長積分時間的方案提高測量精度。

載波同步也考慮到兩種情況，PLL能夠同時跟蹤載波頻率和相位，測量精度高，但動態(tài)性能差。FLL僅能跟蹤載波的頻率，動態(tài)性能較好，但精度較差，因此設(shè)計(jì)時應(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)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對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，F(xiàn)PGA所有的通道處于復(fù)位狀態(tài)，快捕開始工作，搜索衛(wèi)星，并將1 ms相關(guān)累加結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線傳給DS P。DSP在接收到觸發(fā)中斷信號時，對捕獲到的衛(wèi)星分配通道，復(fù)位和初始化。然后將環(huán)路信息寫入FPGA，進(jìn)行環(huán)路的更新，同時發(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。對于DSP處理的PVT數(shù)據(jù)，則直接通過數(shù)據(jù)總線存儲到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中每個通道和外部的數(shù)據(jù)總線之間的連接最簡單，便于FPGA的布局布線和實(shí)現(xiàn)時的功能更改和擴(kuò)展。

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

4 系統(tǒng)測試與分析

測試時間：2013—2—25下午1點(diǎn)40分;

測試地點(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。

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象是載波相位，通過解算整周模糊度來進(jìn)行RTK驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)時采用雙天線測姿的方法來驗(yàn)證不僅簡便，而且可

靠。具體流程為：首先利用2個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度為2.018 m的兩端，利用其自帶的CDU軟件進(jìn)行長時間解算，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1ms環(huán)路數(shù)據(jù)(5 s)，從載波多普勒頻移可以看出，這段時內(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。

5 結(jié)論

系統(tǒng)針對衛(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)，同時對調(diào)試監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過對設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測試表明，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)測系統(tǒng)達(dá)到了輔助硬件程序調(diào)試和數(shù)據(jù)監(jiān)測的目的。