基于FPGA与DSP的北斗GPS兼容型接收机设计与试验

摘要I摘 要目前，GNSS（Global Navigation Satellite System）卫星导航定位技术正在快速发展，其在测绘、导航、天文、通讯等多个领域的应用也正在推广，许多国家地区都在积极的开发和应用GNSS接收机。国外的一些公司和研究机构已拥有很成熟的GNSS接收机研制技术；而我国大部分GNSS的应用设计还需要依赖国外OEM产品。正逢北斗卫星导航系统建设部署之际，为了实现导航接收机自主创新和对北斗导航系统的支持，研制适合北斗系统并兼容其他导航系统的自主高性能GNSS接收机已成为必然。本文以原公司有关GNSS接收机的研发设计为研究背景，在对接收机设计整体把握的基础上，实现了基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）和高速数字信号处理器（DSP）嵌入式北斗/GPS兼容型接收机的设计，选择TMS320C6747作为平台进行系统开发，通过基带环路的改进设计，并选择使用最为广泛的最小二乘算法为导航算法，提高接收机的捕获、跟踪性能和导航解算速度。主要进行了基带部分的设计与程序移值，并在系统设计完成后进行了射频、基带部分的测试以及整机静态、动态和耐高低温、抗冲击振动试验，经过试验和充分的数据分析比对，证实本文设计的接收机已达到了商用接收机的性能要求，具有尺寸小、精度高、动态性能好、耐高低温和抗冲击等特点。 论文主要工作包括以下几方面内容：1.研究GNSS卫星导航定位的基本原理及定位信息的解算过程，针对本课题所设计系统选取适合的导航算法，并对接收机的捕获、跟踪环路进行研究和改进设计。2.研究北斗/GPS双模接收机的整体结构，掌握各个模块的功能及实现方法；掌握嵌入式系统开发的基本方法，根据系统对DSP芯片的性能要求，选出适合本系统的DSP芯片并进行接收机基带部分程序移植。3.在一款基于DSP的开发板上搭建嵌入式系统平台：包括微处理器及外围电路、存储器、RS232串口等硬件调试平台的建立。4.在硬件设计的基础上，对系统软件进行设计，包括DSP应用软件的开发、基于DSP/BIOS的多任务设计、中断服务子程序的设计等，并在上述平台上进行验证。5.分别对所设计系统的射频前端、基带环路进行测试，并对系统整体进行动、静态和高低温、抗冲击测试试验。最后对试验数据分析并进行性能比较，得出结论。本文立足于接收机系统的实时性、高效性、可靠性，提出并完成基于 FPGA 与 DSP 嵌入式北斗/GPS 兼容型接收机设计，期待能够为以后的北斗/GPS 双模接收机技术研究提供可以借鉴的研究方法和实现过程。关键词 GNSS 接收机；FPGA；DSP；北斗/GPS 兼容；测试试验；AbstractIIIAbstractAt present, the GNSS satellite navigation and positioning technology is rapidly developing, being applied broadly in mapping, navigation, astronomy and communication, many countries are actively developing and applying GNSS receiver. Some overseas companies and research institutes have been equipped with mature GNSS receiver development technology, however, most of our countrys application of GNSS still rely on foreign countries OEM products. Coming across the deployment of the construction of Beidou satellite navigation system, in order to realize the innovation and of the navigation receiver and support the Beidou satellite navigation system, it is inevitable to develop the independent innovative and high-performance GNSS receiver which is suitable to the Beidou satellite navigation system and compatible with other navigation system.This thesis is unfolded against the background of the research and design of GNSS. Based on the whole master of the receiver design, it realizes the Beidou/GPS bimodal receiver design in view of the live FPGA and DSP, it chooses the TMSC6747 as the platform for systematic exploitation with the high speed parallel FPGA as the baseband loop partial management. Through the improved design of the baseband loop, choosing the most popular two multiplication algorithm of Navigation algorithms, improving the function of capture, monitor and navigating. After the design of baseband loop, we have the test of RF, baseband loop and action, static state, temperature, and impact resistance tests, and at last a conclusion will be drawn through the analysis and compassion of the data, which has approved that our receiver has meet the need of commercial function, consisting the properties of smaller size, high accuracy, better motivity, anti-high temperature and anti-shock.This thesis mainly includes the following contents:1. To study the fundamental principle of GNSS satellite navigation, positioning, and the decoding process of positioning. Based on the systems designed in this task, the appropriate navigation algorithms will be chosen. What is more, the capture and tracking loop of the receiver will also be studied and improved. 2. By studying the integral structure of Beidou/GPS bimodal receiver, the thesis aims to master the functions and implementation methods of each module, the basic method of embedded system exploiting. What is more, based on performance requirements for DSP chip, the appropriate chip will be chosen out and the transplanting of Receivers baseband AbstractIVparts will be simultaneously performed 3. To set up an embedded system platform for on one kind of development board which is based on DSP, and the platform includes the establishment of hardware debugging platform (hardware includes microprocessor, peripheral circuit, memorizer and RS232 serial port). 4. Except for the hardware design, the system software design is also performed, including the exploitation of DSP application software, multitask design on the basis of DSP/BIOS, design of GISP and so on. Meanwhile, the design is also checked in the above platform.5. To test the RF front-end and baseband loop of the design system respectively, and the test on the whole system will also be unfolded, such as action, static state, temperature, and impact resistance tests, and at last a conclusion will be drawn through the analysis and compassion of the data Based on the instantaneity, high efficiency and reliability of the receiver system, this paper proposes and finishes the design of compatible-type receiver, hoping to provide a study method and realization process for the later Beidou /GPS bimodal receiver study. Key Words GNSS receiver; FPGA; DSP; Beidou/GPS bimodal; Static test;目 录V目 录摘摘 要要.IABSTRACT.II第第 1 1 章章 绪论绪论.11.1 GNSS 系统的国内外发展现状.11.1.1 GPS 卫星导航系统 .11.1.2 GLONASS 卫星定位系统.21.1.3 Galileo 卫星导航系统.31.1.4 北斗卫星导航系统.31.2 GNSS 接收机的发展现状.41.2.1 国外发展现状.51.2.2 国内发展现状.51.3 论文的研究目的及意义.61.3.1 论文研究的必要性.61.3.2 论文研究目的意义.71.4 论文研究内容与组织结构.71.4.1 研究内容.71.4.2 组织结构.8第第 2 2 章章 兼容型接收机的定位原理兼容型接收机的定位原理.92.1 GNSS 定位系统概述.92.2 GNSS 接收机的组成及功能.102.3 GNSS 卫星信号的组成.112.3.1 载波.122.3.2 测距码.122.3.3 导航电文.132.4 GNSS 接收机定位原理.152.4.1 定位原理.152.4.2 原始观测量的获取.152.4.3 电文解调.162.4.4 卫星位置与速度计算.182.5 GNSS 定位误差主要来源.192.6 本章小结.21第第 3 3 章章 GNSSGNSS 接收机捕获跟踪环路设计接收机捕获跟踪环路设计.233.1 GNSS 接收机捕获技术研究.233.1.1 卫星信号捕获基本原理.233.1.2 常用捕获方法及改进.243.1.3 捕获技术的性能分析.27目录VI3.2 GNSS 信号跟踪技术研究.293.2.1 载波跟踪环设计.293.2.2 测距码跟踪环路设计.313.2.3 接收机跟踪性能分析.323.3 本章小结.35第第 4 4 章章 GNSSGNSS 接收机系统设计接收机系统设计.374.1 总体设计及芯片选型.374.2 射频前端设计.384.3 基带与导航解算模块设计.394.3.1 FPGA 的设计 .394.3.2 DSP 模块设计 .404.3.3 导航算法与软件设计.444.4 电源模块与时钟设计.484.4.1 电源设计.484.4.2 时钟设计.504.5 本章小结.51第第 5 5 章章 GNSSGNSS 接收机的调试与试验接收机的调试与试验.535.1 接收机射频与基带环路调试.535.1.1 RF 射频前端性能测试.535.1.2 接收机基带环路测试.545.2 接收机整体测试试验.595.2.1 接收机静态定位试验.605.2.2 接收机动态定位试验.625.2.3 接收机环境试验.655.3 本章小结.70第第 6 6 章章 论文总结论文总结.716.1 本文工作总结.716.2 设计不足及改进.71参考文献参考文献.73攻读硕士学位期间发表的学术论文攻读硕士学位期间发表的学术论文.77致致 谢谢.79ContentsVIIContentsAbstract(Chinese).IAbstract(English).IIChapter 1 Introduction.11.1 Domestic and foreign development situation of GNSS system .11.1.1 GPS satellite navigation system.11.1.2 GLONASS satellite positioning system.21.1.3 Galileo satellite navigation system .31.1.4 Bei dou satellite navigation system.31.2 Development situation of GNSS receiver .41.2.1 Foreign development situation.51.2.2 Domestic development situation.51.3 Research purpose and significance.61.3.1 Research necessity .61.3.2 Research significance.71.4 Research contents and organization structure .71.4.1Research contents.71.4.2 Organization structure.8Chapter 2 Positioning postulate of GNSS receive.92.1 Brief introduction of GNSS positioning system.92.2 Composition and function of GNSS receiver.102.3 Composition of GNSS signal .112.3.1 Carrier wave.122.3.2 Ranging code.122.3.3 Navigation teletext.132.4 Positioning postulate of GNSS receiver.152.4.1 Positioning postulate.152.4.2 Acquirement of raw observation.152.4.3 Teletext demodulation.162.4.4 Calculation OF satellite Position and speed.182.5 Main sources of GNSS Positioning errors.192.6 Summary.21Chapter 3 Capture and track Loop design of GNSS receiver .233.1 Study of GNSS receiver capture technology.233.1.1 Postulate of signal capture technology.233.1.2Common ways and improvement .243.1.3 Performance analysis of capture technology .273.2 Study of signal track technology.29ContentsVIII3.2.1 Design of carrier tracking ring.293.2.2 Design of ranging code tracking ring.313.2.3 Performance analysis of receiver tracking ability.323.3 Summary.35Chapter 4 Design of GNSS receiver system.374.1 Overall design and chip selection.374.2 Design of RF front-end.384.3 Design of Baseband and navigation decoding module.394.3.1 Design of FPGA.394.3.2 Design of DSP.404.3.3 Design of navigation algorithms and software .444.4 Design of power modules and clock.484.4.1 Design of power modules .484.4.2 Design of clock .504.5 Summary.51Chapter 5 Debugging and test of GNSS receiver.535.1 Debugging of receiver radio frequency and baseband loop.535.1.1 Performance test of RF front-end.535.1.2 Test of baseband loop .545.2 Holistic test of receiver.595.2.1Static positioning test of receiver.605.2.2 Dynamic positioning test of receiver.625.2.3 Circumstance test of receiver.655.3 Summary.70Chapter 6 Summary.716.1 Work summary.716.2 Limitations of the design and improvements .71References.73Research paper published during graduate study.77Acknowledgements.79第 1 章 绪 论1第 1 章 绪论1.1 GNSS 系统的国内外发展现状全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System）是一种基于人造卫星的无线电导航定位系统1。它兴起于二战以后以苏联与美国为主的太空竞赛，苏联在1976年启动了Glonass卫星导航系统项目，正式组网比美国的GPS还早；因苏联解体受到很大影响，正常运行卫星数量大减，后来美国的GPS卫星导航系统居上2。相对其他导航系统（如惯性导航、天文导航和地基无线电导航系统）而言， GNSS技术具有的全天候、高精度和实时连续导航等特点，可为全球范围内的用户提供全天候连续、实时和高精度的三维位置、速度和时间等信息3。作为一种先进的定位导航手段，在经济建设、国防建设和社会发展的各个领域将会拥有广阔的应用市场，所以许多国家和地区都积极进行这方面的科研和投入。目前，世界上已经建成和正在建设的共有4大卫星导航系统，分别为美国GPS卫星导航系统、俄罗斯Glonass卫星导航系统、中国的北斗卫星导航系统和欧盟的伽利略卫星导航系统4。其中美国的GPS与俄罗斯的Glonass已建成并投入使用；中国的北斗与欧洲的伽利略仍处于建设阶段。1.1.1 GPS 卫星导航系统GPS 全球定位系统（Global Positioning System）是一种通过中距离圆形轨道卫星进行定时和测距的空间交会定点的导航系统；它可为全球范围内的用户提供全天候连续、实时、高精度的三维位置、速度和时间等导航信息5。作为一种新的生产力，这种先进的导航定位手段已经融入到世界各国经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域，主要应用在车辆、船只和飞机导航，工程测量、地质勘探、导弹制导等方面。美国军方于 1958 年研制的一种由 5 到 6 颗卫星组成子午仪定位系统（Transit） ，该系统无法提供高度信息，并且定位精度也不尽人意。为了能给陆海空三军提供实时、全天候和全球性的精确定位导航服务，20 世纪 70 年代，美国军方研制了新一代卫星导航定位系统GPS 全球定位系统。该系统由 GPS 星座、地面监控系统和 GPS 接收机三部分组成，GPS 的空间部分是由 24 颗卫星组成，它位于距地表 20200km 的上空，均匀分布在 6 个轨道面上（每个轨道面 4 颗） 。经过 20 余年的研究试验，耗资 300 亿美元，全球覆盖率高达 98%的 24 颗 GPS 卫星星座己于 1994 年 3 月布设完江苏科技大学工学硕士学位论文2成并投入使用57。GPS 全球定位系统是目前世界上技术最成熟、最完善，应用最广泛的卫星定位系统。从海湾战争到科索沃战争，美军越来越依赖于 GPS 定位系统，在行军定位、导弹制导和空中打击等方面展现了优越的性能；到伊拉克战争时，几乎100%的美军和北约盟军装备了 GPS 制导武器和定位设备。GPS 定位设备在民用方面也快速的发展， 其中汽车导航系统就是一个非常广阔的市场。GPS 卫星信号上调制两组伪码, 一组称为 C/ A 码（Coarse/ Acquisition Code） ，一组称为 P 码（Precise Code） 。P 码因速率高、抗干扰、高精度等特点受美国军方管制, 主要为美国军方和授权用户服务，属于军用的精确定位服务（PPS，Precise Positioning Service） 。C/ A 码人为地加入误差（即 SA 政策，Selective Availability）以降低其精确度后,主要开放给民间使用，属于民用的标准定位服务（SPS，Standard Positioning Service） 。GPS 计划的实施共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从 1978年1979 年，一共发射了 4 颗 BLOCK I 试验卫星。这一阶段主要研制了 GPS 接收机并建立地面控制跟踪网，结果令人满意。第二阶段是全面试验和研制阶段，从 1979年至 1984 年，美国陆续成功发射过 7 颗被称为 BLOCK I 的试验卫星，并研制多种功能的接收机。该阶段试验的 GPS 卫星定位精度完全符合设计要求，利用粗码定位，其精度就可达 14m。第三阶段是组网阶段，于 1989 年 2 月 4 日成功发射了第一颗GPS 工作卫星，这一阶段的卫星称为 BLOCK 和 BLOCK A。1993 年底 GPS 星座已经建成，之后将使用 BLOCKR 和 BLOCKRM 卫星陆续对失效卫星进行更换。GPS-2RM 卫星是第 1 个经现代化改进的 GPS 卫星，到 2011 年，卫星星座基本由第二个现代化改进卫星 GPS-2F 组成，GPS-2F 增加了 L5 频段的民用信号，导航定位精度达到 3m。目前美军已开始研制性能更加优越的 GPS-3 导航卫星系统，它由分布在 3 个地球同步轨道平面的 33 颗卫星组成。GPS-3 卫星代表着 GPS 系统现代化最高水平，它是美国 GPS 系统现代化的最后一种型号8。GPS-3 将增大抗干扰能力，提高安全性，提高导航定位和授时等服务精度，并在 L1 频段增加第 4 个定位导航信号，按计划，第 1 颗 GPS-3 卫星将于 2013 年完成发射，计划整个星座于 2017 年或 2018年完成部署并使用。1.1.2 GLONASS 卫星定位系统格洛纳斯（GLONASS）卫星定位系统，是苏联在 1976 年启动的项目，正式组网比 GPS 还早，因苏联的解体受到很大影响，正常运行卫星数量大减。后由俄罗斯继续该计划，1993 年开始独自建设该卫星导航系统。1995 年俄罗斯耗资 30 多亿美元，完成了 GLONASS 导航卫星星座的组网工作。第 1 章 绪 论3GLONASS 卫星平均在轨道上的寿命较短，且由于经济困难无力补网。直到 21 世纪初随着俄罗斯经济的好转，推出了格洛纳斯-M 和更现代化的格洛纳斯-K 卫星更新星座，对以前的卫星系统进行修复和技术改进。该系统于 2007 年年底已开始正式运营，并开放了俄罗斯境内卫星定位导航服务。到 2009 年年底前，其服务范围已经拓展到全球。目前该系统在轨卫星总数为 26 颗，其中 20 颗正常工作，4 颗正接受技术维护，另有 2 颗处于备用状态。GLONASS 在定位、测速及定时精度上优于施加选择可用性（SA）的 GPS， GLONASS 的公开化，打破了美国对卫星导航独家经营的局面，降低了美国利用 GPS施以主权威慑给用户带来的后顾之忧。它也可为民间用户提供高精度的导航定位服务，由于 GLONASS 较适用于高纬度用户，结合适宜中低纬度定位的 GPS 定位系统可以向用户定位提供更好的卫星几何精度因子。1.1.3 Galileo 卫星导航系统随着欧洲经济实力的壮大和欧盟独立意识的增强，为打破美国 GPS 卫星导航系统的垄断地位，减少对美国军事技术的依赖，欧洲发展了伽利略卫星定位系统（Galileo Positioning System） 。它计划耗资 30 亿欧元，包括中国、韩国、日本、阿根廷、澳大利亚、俄罗斯等国也在参与该计划。伽利略卫星导航系统是一种卫星高度为 24126 公里的中高度圆轨道卫星定位系统。该系统由空间段、地面段、用户三部分组成。空间段由 3 个 56 度倾角的轨道面每个轨道面上有 10 颗卫星，9 颗正常工作，1 颗运行备用。地面段包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持管理机构。用户端主要是用户接收机。它提供的基本服务有导航定位、授时，特殊服务有搜索救援，飞机导航和着陆、铁路安全运行、海上运输系统、陆地车辆导航、精准农业等方面1015。伽利略系统是一个基于民用的全球导航定位卫星系统，在投入使用后，全球用户将可以使用多模兼容型接收机接受更多定位导航卫星信号，这将极大地增强接收机定位导航性能和精度。与美国的 GPS 相比，伽利略导航系统更先进，也更可靠。在伽利略系统建成后，它将为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海洋运输提供精度为 1 米的定位导航服务。由于技术资金等问题，伽利略卫星导航系统正式运营时间一再推迟。在 2005 年和 2008 年发射的两颗试验卫星，直到 2011 年 10 月 17 日，才成功发射了具备完整功能的两颗卫星。预计 2014 年完成具有导航能力的 14 颗卫星的卫星网络，到 2019 年达到实现全球覆盖的 30 颗卫星。1.1.4 北斗卫星导航系统中国是一个领土和海域广阔、人口众多的国家，随着 21 世纪经济的飞速发展，江苏科技大学工学硕士学位论文4中国将成为世界上最大的导航定位的应用市场。为摆脱对 GPS 导航系统的依赖，防止将来美国对我国关闭 GPS 导航服务或加大民用误码率等。所以我们必须未雨绸缪，发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统-北斗卫星导航系统16.17。北斗卫星导航系统Compass Navigation Satellite System是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星导航定位与通信系统（CNSS） 。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。在性能方面，北斗二代卫星导航系统将采用无源被动定位方式，可以同时为无数用户提供定位服务，并且具有北斗一代的短报文通信功能。北斗导航系统提供 B1、B2、B3 三个工作频点，在 B1、B2 频点上调制了普通测距码（相当于 GPS 的 C/A 码） ，同时三个频点还可以调制精密测距码（相当于 GPS 的P/Y 码） ，为用户提供开放和授权两种服务方式，开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为 10 米，授时精度为 50 纳秒，测速精度 0.2 米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。 从 2000 年 10 月到 2007 年 2 月 3 日，我国共成功发射了四颗北斗一代导航卫星，四颗导航卫星组成了完整的卫星导航定位系统，该系统成功应用于我国区域内的测绘、电信、水利、交通等诸多领域，并带来了不小的社会和经济效益。特别是在 2008 年北京奥运会、汶川抗震救灾中，北斗一代导航系统发挥了重要作用。从 2007 年开始正式组建北斗二代卫星导航系统，从 2007 年 4 月第一颗北斗二号卫星发射成功，到2011 年 7 月 27 日，我国已经成发射了九颗北斗二代卫星，这标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建成完成，并具备向我国大部分地区提供初始服务条件。按计划，到 2020 年将建成由 30 颗卫星组成的覆盖全球的达到国际先进水平的北斗卫星导航系统。目前，GPS 与 GLONASS 在技术和卫星部署方面已遥遥领先，Galileo 因技术、资金问题发展缓慢，日本的准天顶卫星系统和印度的区域导航卫星系统（IRNSS）也在积极的筹建。北斗的发展既有机遇也有挑战，导航卫星的频率资源大部分被美国的GPS 和俄罗斯的 GLONASS 占有，为北斗系统和伽利略系统留下的频率资源非常紧张。另外中国高稳定性、高精度卫星原子钟的设计中跟美国还有一定差距；中国只能在本国区域内布网，而美国可以在全球范围内布控卫星监控网络；更没有美国的GPS 系统已经积累的大量的空间实验数据。总之，中国的北斗系统还处于起步阶段，还需要在摸索中前进。1.2 GNSS 接收机的发展现状随着GNSS系统的发展以及定位应用的推广与普及，GNSS接收机用户的数量正在迅速增加，诱人的经济前景激起了很多国家开发和应用GNSS接收机的热潮，很多第 1 章 绪 论5国家地区正在积极地研制和生产各种类型的GNSS接收机。GNSS接收机种类很多，按其用途，有导航型接收机、精密型接收机和授时型接收机三种接收机；依据其动态性能由高动态接收机、中动态接收机和低动态接收机；依据其接收卫星信号和原始观测值，可分为码伪距接收机、载波相位接收机等18。 1.2.1 国外发展现状 国外在 GNSS 接收机的设计研发和应用要比国内开始的早，还有国外生产工艺比国内的成熟先进，所以，目前国内市场上的 GNSS 定位导航产品大都是国外设计生产。目前，世界上有几十家在 GNSS 导航产品研发设计方面拥有先进技术的公司，产品种类也有上百种。其中，国际上较为知名的生产厂商有美国的 Trimble（天宝）导航公司、Magellan(麦哲伦)公司、SiRF 公司、DataGrid 公司、Navcom 公司、Javad 公司；瑞士的 LeicaGeosystems（徕卡测量系统） 、u-blox 公司；加拿大 NovAtel(诺瓦泰)公司、Hemisphere 公司，日本 TOPCON（拓普康）公司、比利时的 Sepentrio 公司等。这些公司各有所长，它们提供了高性能的 GNSS 导航芯片、模块、OEM 板卡、接收机、应用软件、以及综合的解决方案等，在外形结构、功能选择、定位性能方面都已经取得比较理想的成果，并广泛应用于商用导航领域1921。在模块、芯片级方面，u-blox 公司拥有出色导航性能和优良品质的 GNSS 模块，在全球 GNSS 模块市场上的占有率最高；SiRF 公司提供 GNSS 芯片集以及相应的软件产品，其产量占全球 GNSS 芯片出货量的 70%，是全球最大的 GPS 芯片供应商。在板卡研发方面，NovAtel 公司是目前精密的全球导航卫星系统（GNSS）领域中领先的产品与技术供应商，公司开发高质量的 OEM 产品，包括接收机、板卡、天线等，这些产品都已集成到全世界高精度的定位应用中；NavCom 主要在提供 OEM板卡，并提供高性能 RTK、全球分米级 GPS 修正和短基线 GPS 接收机服务和产品等。在接收机方面，Trimble 公司可以提供高性能 GNSS 接收机，并致力于高精度连续运行基准站 GPS 设备的研制工作；徕卡测量系统研制了全球首款第 3 代测量型GNSS 系统接收机，不仅能够支持 GPS、GLONASS、北斗卫星系统，更为 Galileo 卫星系统做好了准备；Topcon 公司提供了设计更先进，抗干扰能力更强，定位速度更快，精度更高的世界上第一台三系统（GPS+GLONASS+GALIEO）GNSS 大地测量型接收机；美国 JAVAD 公司 2008 年推出了可以跟踪目前所有的导航定位卫星信号的 216 通道高精度 GNSS 导航定位接收机，也是目前世界上技术最先进的接收机。1.2.2 国内发展现状目前我国在 GNSS 卫星定位系统的产品开发与应用方面，仍处于初级阶段。国内江苏科技大学工学硕士学位论文6大部分 GNSS 的应用项目还需要依赖国外 OEM 产品，在国外核心模块的基础上进行开发和设计。在全国仅仅有几家专业从事于研发设计 GNSS 设备的公司，包括广州南方测绘仪器、中海达测绘仪、上海华测导航、北京合众思壮、北斗星通、北京东方联星、华力创通、北京耐威科技、成都国腾电子等。一些高校如清华大学、武汉大学、上海交大、北京航空航天以及 503 所、704 所等研究所，也正在开展这方面的应用研究，他们从事的主要是导航型或高精度毫米级接收机的研究与开发，但是他们设计的导航 GNSS 接收机技术还不够成熟，没有达到商用接收机的性能要求。其中：南方测绘自行研制了中国第一台电子经纬仪、全站仪，并研发生产了静态GPS、实时差分 RTD GPS 接收机、动态单频 RTK GPS 接收机、双频 RTK GPS 接收机，陆续实现了全站仪、GPS 等系列测绘仪器的国产化，产品出口到世界六大洲 40多个国家和地区。北斗星通致力于为用户提供基于卫星导航地位技术的解决方案，公司提供包括 BDNAV GNSS 系列板卡、北斗集团用户中心系列设备等多系列产品。北京合众思壮成功开发了一款高性能 GPS/GLONASS/BD 三合一卫星接收机 UGG300。华力创通主要提供机电仿真测试产品、射频仿真测试产品和仿真应用开发服务，半实物仿真系统 HRT-1000 核心技术均为自主研发，实现了进口替代。北京耐威科技主要从事卫星导航、惯性导航以及组合导航产品的研发设计，并已成功研发设计了 NV-G100 北斗/GPS 双模接收机。东方联星是从事高性能 GNSS 卫星导航芯片、GNSS 接收机、GNSS 卫星信号模拟器等核心技术产品设计开发的高新技术企业，北斗/GPS/GLONASS 多模兼容导航芯片 OTrack-32 是其自主设计开发的具有国际先进水平的三系统兼容芯片。成都国腾电子主要从事北斗卫星导航应用关键元器件、北斗卫星导航终端的设计开发，以及北斗卫星导航定位应用系统的开发和建设，总体市场占有率达 40%以上，是国内最大的北斗终端供应商。1.3 论文的研究目的及意义目前，GNSS卫星导航定位技术正在快速发展，其在测绘、导航、天文、通讯等多个领域的应用也正在推广。随着GNSS定位技术的推广与普及，GNSS接收机用户数量正在大幅度增加，于是激起了许多国家开发、应用GNSS接收机的热潮，很多国家忙于研制和生产各种类型的GNSS接收机。它正向小尺寸，重量轻、低能耗、低价格、高性能和多功能等多方向发展。1.3.1 论文研究的必要性国外的一些公司和研究机构在 GNSS 接收机研制方面己拥有很成熟的技术和产品，并已经使产品投入到实际的商业应用中。但是，我国对 GNSS 卫星导航定位应用较晚，第 1 章 绪 论7在 GNSS 卫星定位产品开发与应用方面，目前仍处于初级阶段。国内大部分 GPS 的应用项目还需要依赖国外 OEM 产品。现在市场上出售的大量 GNSS 接收机大多是在国外的 OEM 芯片上进行的开发设计，由于国外的技术垄断，关键技术并没有被我们掌握，我们只能突破创新，开发具有自主知识产权的高性能 GNSS 导航产品。另外，各种进口的 GNSS 接收机、板卡、芯片等价格也相对昂贵。尤其在现代国防战争中，没有自己的导航系统会使局面很被动。为摆脱对美国 GPS 系统的依赖，现在我国正在加速建设自己的卫星导航系统-北斗卫星导航系统。这一切迫使我们要自主开发能满足我们国家军事、民用、商业应用所需的 GNSS 接收机设备。根据经济、社会的发展需求，为了在接收机设计技术的自主创新和对北斗导航系统的支持，我们不能继续依赖于国外的 OEM 产品，研制适合北斗系统并兼容其他导航系统的具有自主知识产权的高性能接收机已经成为必然。1.3.2 论文研究目的意义随着数字信号处理技术（简称 DSP）的发展，GNSS 卫星信号的实时处理越来越趋向于用 DSP 来实现。DSP 芯片因采用了哈佛结构与流水线的技术将大大提高它的运算速度，又因为 DSP 所特有的乘、加指令以及低功耗等特点，使之在实时快速信号处理中的使用越来越多。同时由于微电子技术和工艺的快速发展，可编程逻辑器件技术（简称为 FPGA）也有了快速的发展，由于其具有低成本、低功耗、高可靠性、软件可编程和可重复修改等特点，并能实现复杂的时序和组合逻辑电路功能，适用于高速和高密度的数字电路开发设计，因此在接收机设计开发中得到了大量的使用；通过高速的 DSP 可以完成对其他电路的控制、导航解算和定位输出等功能，DSP 丰富的外围使其可以更好地与其他器件实现无缝互联。 本文立足于原公司有关北斗/GPS 兼容型接收机的研发设计项目，根据接收机系统的实时性、高效性、可靠性，鉴于 DSP 具有精确、灵活、抗干扰、可靠性好、体积小、易于大规模集成等优点，提出 DSP+FPGA 的接收机设计方案，由 FPGA 完成基带环路部分的高速相关设计，以 DSP 芯片为主完成导航解算、接收机定位输出和系统整体控制的设计，最后实现了北斗/GPS 双模接收机的设计，希望能激发起国内对于 GNSS 兼容型接收机的设计热情，并期待能够为今后的北斗/GPS 兼容型接收机技术研究提供可以借鉴的研究方法和实现过程。江苏科技大学工学硕士学位论文81.4 论文研究内容与组织结构1.4.1 研究内容课题主要研究内容即基于 FPGA 与 DSP 的北斗/GPS 双模接收机（以下简称兼容型接收机）的设计与试验，研究过程涉及兼容型接收机技术、整体电路设计、DSP 嵌入式系统开发技术、嵌入式实时操作系统移植技术等众多领域，并基于 DSP 与 FPGA 进行双模接收机的硬件设计和应用软件设计，最终对所设计的接收机进行全面的试验，并进行综合数据分析最后与其他商用接收机性能比对和得出结论。论文涉及以下几方面的研究内容: 1.研究 GNSS 卫星导航定位的基本原理及定位信息的解算过程，针对本课题所设计系统选取适合的导航算法，并对接收机的捕获、跟踪环路进行研究和改进设计。2.研究基于DSP微处理器的嵌入式系统开发，掌握了嵌入式系统开发的基本方法；介绍DSP芯片的性能优势，并选出适合本系统的DSP和FPGA芯片。3.研究兼容型接收机的整体结构，掌握各个模块的功能及实现方法，在基于DSP的开发板上搭建嵌入式系统平台：包括微处理器、外围电路、存储器、RS232串口等硬件调试平台的建立。4.在硬件及嵌入式操作系统平台上对系统软件进行设计，包括DSP应用软件的开发、基于DSP/BIOS的多任务设计、中断服务子程序的设计等，并在上述平台上进行验证；运用选择的导航算法，实现导航电文的提取、导航结算、实时显示等功能。5.分别对所设计系统的射频前端、基带环路进行测试，并对系统整体进行动、静态和高低温、抗冲击测试试验。最后对试验数据分析并进行性能比较，得出结论。1.4.2 组织结构本论文首先分析了 GNSS 导航系统和接收机的发展现状，接着给出了解决问题的基础依据，说明的兼容型接收机的定位原理，并对基带环路进行改进设计并实现接收机的系统设计，最后对接收机进行了调试试验和数据分析并得出结论。论文的总的组织机构框图如图 1.1 所示。第 1 章 绪 论9第1章 绪论第6章 总结第4章 兼容型接收机系统设计第3章 兼容型接收机捕获、跟踪环路设计第2章 兼容型接收机的定位原理第5章兼容型接收机调试与试验提出问题解决问题依据解决问题验证结果问题总结图 1.1 论文组织结构框图Fig.1.1 The organizational structure of the paper江苏科技大学工学硕士学位论文10第 2 章 兼容型接收机的定位原理为了更好进行兼容型定位接收机的设计和开发，必须首先掌握 GNSS 卫星导航的基本原理。本章首先介绍卫星导航定位的基础，定位系统、接收机及信号的构成和功能，其次详细介绍了接收机定位的原理和导航解算的方法及过程，最后根据信号的在传输过程中所受的干扰分析定位结果中的各种误差。2.1 GNSS 定位系统概述北斗导航定位系统与GPS一般都由空间星座、地面控制和用户设备三部分组成。空间星座主要功能是向用户播放调制了导航电文的电磁波信号，地面监控部分负责对空间星座部分的监测与控制，用户设备部分主要是各种GNSS接收机。1 空间星座部分GPS 系统空间星座是由 24 颗 GPS 卫星组成，其中的三颗是备用卫星。卫星均匀分布在 6 个倾角为 55 度的轨道面上，每个轨道不均匀地分布着 4 颗卫星。卫星在地球表面以上约为 20200 千米轨道上以 11 小时 58 分的周期运行。星座组成的卫星网可使地球上的任何地方至少观测到足够一次有效定位的 4 颗卫星2225。它的功能是接收地面控制部分的导航控制信息，向地面发送实时的导航电文。北斗导航系统也有自己的空间导航星座，目前空间已经有九颗北斗二代卫星，预计到 2020 年将建成由 30颗卫星组成的覆盖全球的达到国际先进水平的北斗卫星导航系统。2 地面控制部分GPS 卫星定位系统的地面控制部分由分布在全球的 1 个主控站，6 个监测站和 4个注入站组成。每个监测站配有 GPS 接收机，监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主站提供观测数据。主控站的主要任务是根据采集到的监测站数据计算每一颗卫星的星历，时钟校正，状态参数，大气校正等信息，并编辑成导航电文传送至注入站2325。而注入站则将主控站传来的卫星星历和时钟参数等信息以 S 波段上行注入到各个卫星。由于没有美国雄厚的经济实力和其他国家难以企及的全球战略资源，目前我国只能在本国内布监测网进行导航卫星的监测和控制。3 用户设备部分用户设备部分主要是各种类型的 GNSS 接收机，它的功能是接收、转化 GNSS卫星信号，经处理获得必要的导航定位信息，最后实现导航定位功能。该部分正是本第 2 章 GNSS 接收机的定位原理11文要设计的部分，它主要接收 GPS 和北斗导航信号，并综合利用两种信号实现定位。2.2 GNSS 接收机的组成及功能GNSS系统的用户设备部分主要是指GNSS接收机，它的功能是首先对所接收到的GNSS信号进行放大、滤波和模数转换获得数字基带信号；其次通过基带环路捕获、跟踪获得伪距、载波相位等原始观测量，并解调得到导航电文；最后利用原始观测量和导航电文中星历参数和时间信息，通过导航解算实时地解算出接收机天线的三维位置、速度和时间信息26。GNSS接收机主要由天线单元、射频前端处理、信号处理单元、导航解算单元组成。其原理图如图2.1所示，本文设计的接收机不包括天线单元，将采用外置天线。低噪声放大器带通滤波器接口电路下变频器输入输出接口增益控制电路频率合成器存储单元数字信号处理器基准振荡天线天线单元射频前端数字信号处理射频信号数字中频A/D转换器导航解算单元图 2.1：GNSS 接收机原理图Fig.2.1 Principle diagram of GNSS receiver1 天线单元天线单元的主要功能是接收来自 GNSS 卫星的电磁波信号，由于接收的 GNSS卫星信号极其微弱(功率约为-160dBW)，所以在将其转化为电信号后必须经过低噪放大。为了保证 GNSS 接收机的灵敏度，应尽量缩短天线输出端到低噪声放大器之间的连线来降低馈线损耗，所以接收机均采用内置了低噪声放大器的有源天线。天线的主要技术要求是能接收来自空中一定仰角卫星的导航信号，包括 GPS L1、L2 信号和北斗 B1、B2 等卫星信号，由于卫星导航信号是右旋圆极化的电磁波，所以最好使用右旋圆极化天线。它的性能要求包括高增益、低噪声、大动态范围、抗干扰与多径效应功能，天线的体积和质量等也影响着天线的性能，其中大尺寸的天线有助于抗多路径效应。天线的种类很多，主要有定向天线、偶极子天线、微带天线、螺旋天线等，其中应用比较广泛的是有源微带天线。江苏科技大学工学硕士学位论文122 射频RF前端射频 RF 前端主要由带通滤波器、下变频器、模数转换器等组成。主要作用是首先对电信号低噪放大并利用带通滤波器滤除带外干扰信号；其次利用混频器将接收到各种导航射频信号与基准振荡产生的正弦信号进行混频，并利用低通滤波器滤波滤除高频分量得到中频模拟信号；最后经过 A/D 模数转换器和自动增益控制(AGC)将模拟中频信号采样和数字化处理，并输出适合数字基带处理的数字中频信号。3 数字信号处理数字信号处理单元是兼容型接收机的核心部分，主要由数字信号处理器和信号跟踪环路组成。它的功能是将射频 RF 前端得到的数字中频信号进行处理，最后输出导航解算所需要的导航电文和 GNSS 测量值（伪距、载波相位等） 。对数字信号进行处理，首先要进行信号搜索并捕获得到各可见卫星粗略的信号码相位和载波频率；其次，在捕获到伪码相位和粗略载波频率的基础上，接着进入跟踪环路，跟踪并得到精确的码相位和载波频率等原始观测量；最后，经过位同步和帧同步等解调出导航解算所用的导航电文数据。4 导航解算单元导航解算单元的功能是根据处理所得到的 GNSS 观测值和导航电文，按照一定的算法进行相应的解算，最终输出 GNSS 接收机的三维位置、速度、时间信息，这也是GNSS 接收机用户所最为关心的信息内容