一款北斗/GPS双模定位模块设计与实现

2014-08-21潘未庄陈石平牛明超

全球定位系统 2014年2期

潘未庄，陈石平，牛明超

(广州海格通信集团股份有限公司，广东广州 510656)

0 引言

2012年12月27日中国政府向全球宣布，北斗卫星导航系统(BDS)即日起正式向亚太地区免费提供高质量全天候的导航、定位、授时和测速服务[1]。北斗系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，计划2020年全面建成，和美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、欧洲的伽利略卫星导航系统(Galileo)被全球卫星导航系统国际委员会(ICG)确定为全球四大卫星导航系统。

我国正加快北斗卫星导航系统的建设，对于涉及国家经济、公共安全的重要行业领域采用逐步过渡到北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制。国外企业利用其在GPS领域中积累的技术、产品和品牌等优势，竞相抢夺中国市场[2]。要在较短时间内完成北斗在国家经济安全领域的推广应用和在大众市场的迅速推广，首要是设计出拥有核心自主知识产权的接收机芯片[3]；其次是快速推出管脚尺寸兼容、接口协议兼容、功耗相当、价格适中的北斗模块，原位替换GPS模块。

1 国外GPS芯片发展概况

GPS模块是伴随GPS芯片的发展而壮大起来的。芯片是GPS模块的关键部分之一，芯片的优劣在很大程度上决定了GPS产品的性能。典型的GPS模块[4]框图如图1所示。

图1 GPS模块硬件框图

LNA检测和处理GPS射频信号，RF前端将GHz的卫星信号下变频到数字电路能处理的中频；GPS引擎用于处理GPS中频信号，ROM和Flash存放嵌入式GPS软件代码，与GPS引擎配合搜索和跟踪GPS卫星信号，CPU由此求解出用户坐标和速度。

GPS模块可划分为RF单元、引擎单元和CPU处理单元三个部分，GPS芯片发展就是这三个单元融合的过程。

第一代：20世纪90年代，3段式设计，集成度低，三部分电路都是分立芯片，如图1所示中各个模块所示；

第二代：20世纪末，2段式设计，LNA、滤波器、混频器、频率合成器及振荡器等整合在一块RF芯片；基带处理则整合了引擎、CPU、内存、电源管理及时钟等[5]；如图1所示中虚线所示。

第三代：21世纪初，SOC设计，从RF到数字基带处理都集成到单个芯片[6]上，仅需要简单的外围器件就能完成GPS模块设计，并整合了更多功能，如图1所示。

目前国外正在研发第四代GPS芯片，向小尺寸、高灵敏度、低功耗、多模(兼容Galileo等导航系统)、A-GPS方向发展，与多种应用高度整合，如图1外框所示；软件处理正朝弱信号捕获、高动态、室内定位等方向发展，终端产品体积日趋轻薄短小。

北斗模块专用芯片，主要包括射频和基带信号处理芯片，构成了北斗模块的核心部件。目前中国大陆约10家企业具备北斗芯片和模块设计研发能力。

国内定位模块经历三个主要发展阶段：全部进口，逐步实现部分自主设计，最终达到整机自主集成设计。国产北斗芯片架构也经历伴随这三个主要发展阶段：

第一阶段：国外商业射频芯片+FPGA+通用处理器；芯片设计处于原型样机阶段，北斗模块体积、功耗和成本奇高，只能用于特定的行业用户，无法大规模商用[7]；

第二阶段：国产射频芯片+国产引擎+通用处理器；与GPS第二代芯片类似[8]；

第三阶段：国产射频芯片+国产基带处理器；与GPS第三代芯片类似。

北斗最大的优势在于自主产权。国外企业无法获得北斗导航定位的关键算法和技术参数，客观上构成了对外资企业的技术壁垒，期望国外能提供相关的核心芯片，既不现实也相当于把核心技术主导权拱手相让。因此北斗核心技术如芯片以及核心算法只能自主研发。

目前国内有几家企业已涉足北斗射频芯片的研发，如广州润芯、西安华讯、北京广嘉等。商业化规模应用做得较好是广州润芯、西安华讯和西南集成等。北斗基带芯片主要厂商有海格通信、和芯星通、西安华讯、东莞泰斗、东方联星等几家公司。我国北斗元器件的技术水平已经实现了自主集成设计。目前国内北斗多模解决方案仍主要基于射频+基带+应用处理器的解决方案，已经出现基带内集成处理器的ASIC方案。伴随北斗系统逐步完善，国内企业、研究机构的芯片在性能上与国外产品有差距逐渐缩小。合众思壮的UGB-2PT模块虽然灵敏度差些，但199元的价格已经和GPS模块相当；中国台湾企业采用联发科的MT3332/3333芯片也设计出北斗/GPS模块。

2 北斗/GPS定位模块设计与实现

北斗要扩展到民用领域与GPS全面竞争，不可避免要兼容GPS。采用北斗模块代替原来GPS模块，必须不影响用户体验，不改变原来的使用习惯，即定位模块的升级替换对用户而言是透明的。这要求北斗模块在物理尺寸、接口协议等方面必须兼容GPS模块，功耗和成本也要和GPS模块相当才能具备竞争力。在考察北斗芯片主要供应商的技术水平、供货情况后，确定北斗模块采用2段式架构，详细设计如下。

1)北斗模块框图

图2 北斗模块框图

北斗模块主要由北斗(B1)/GPS(L1)射频前端芯片和基带处理芯片组成，卫星信号经由B1L1有源天线内部LNA放大，通过B1L1射频前端将卫星信号变换至适合于AD采样的中频信号；射频前端内部AD采样单元将模拟中频信号数字化输出到基带芯片,基带芯片完成卫星信号捕获、环路跟踪、位同步、帧同步、测量、电文提取、定位解算等，最终输出定位信息。北斗模块选择高集成度全贴片的元器件，芯片数量极少，降低了硬件设计要求。

2)射频前端设计

B1L1射频前端芯片选用润芯公司集成了B1L1频点的射频前端芯片RX3007[9].RX3007采用0.13 μm RFCMOS工艺，一次变频低中频接收架构，并行双通道变频处理，集成度高,外围电路元器件很少。很多北斗模块的射频前端采用2片max2769芯片进行设计，每片max2769电流功耗20 mA，两片共计40 mA，而RX3007功耗仅28 mA，大大节省了功耗，并显著地减少模块体积、并且可以大大降低成本。

3)基带处理设计

基带芯片选用海格的北斗/GPS数字基带系统级芯片HGBD102.HGBD102采用0.13 μm CMOS工艺，内置北斗/GPS双模捕获引擎和跟踪通道，2位数字中频接口，无缝匹配主流的射频前端芯片；捕获跟踪灵敏度分别为-143 dBm和-157 dBm，性能达到GPS第三代芯片水平；输出数据兼容NMEA0183协议，内嵌处理器可完成系统状态管理、通道及相关资源管理与控制、接收信号处理与测量解算，标准化的导航解算软件用于搜索和跟踪卫星信号，并求解用户坐标和速度。软件已经固化到Flash芯片上，不需要进行二次开发和调试。模块预留软件升级接口，方便更新程序。

4)组合导航软件设计

组合导航软件完成北斗模块软件系统的控制和数据融合解算。图3示出了数据处理流程。

图3 北斗模块软件流程图

模块上电后，由初始化单元根据上次定位情况，确定进入热启动、温启动还是冷启动的选星模式；卫星信号捕获单元根据设置参数，对北斗/GPS卫星同时进行失锁重捕或再捕；捕获成功后就进入信号跟踪流程，其中主要任务有环路控制、位同步、帧同步以及电文接收；GPS和北斗是两个独立的全球卫星导航定位系统，系统之间存在着坐标、时间、星历、伪距观测等差异，因此，数据融合单元完成时间转换、格式转换、坐标转换、伪距组合、自主完备性监测(RAIM)等处理；最后导航解算单元完成位置、速度、时间等信息的解算和输出。

组合导航软件的各个单元模块作为实时操作系统(RTOS)的子任务，由RTOS统一进行管理。

5)时钟管理

时钟选择16.368 MHz的温度补偿晶体振荡器(TCXO)，提供给射频前端和基带芯片。HGBD102本身集成实时时钟(RTC)需要的32.678 kHz晶体，因此外部使用超级电容作为备份电源来保存关键数据，实现热启动功能。

6)性能对比测试

静态测试和跑车测试图形数据如图4、图5所示。

图4 两次跑车路测定位结果地图上的轨迹

图5 GPS模块高程和水平误差

在相同的条件下，以GPS模块为参考基准，对北斗模块在定位精度、测速精度、捕获和跟踪灵敏度、热启动时间、冷启动时间和功耗等方面进行测试。从图中可以看到，高程精度和GPS的误差可以忽略不计，水平精度与GPS误差在8 m范围。目前北斗系统还在逐步建设完善阶段，北斗卫星数量少于GPS，单北斗定位模式在某些条件下比GPS模块性能稍差，但在组合定位模式下，性能与GPS模块相当。