北斗多模多频导航SoC芯片技术研究

马文佳

（北京东方联星科技有限公司，北京 100085）

0 引言

卫星导航系统是国家重大空间基础和信息化基础设施，是国家经济安全、国防安全、国土安全和公共安全的重大技术支撑系统和基础资源。卫星导航应用产业是国家的战略性高技术产业。促进以卫星导航应用为主导的航天产业发展，有利于国家安全的需要，也是今后较长一段时期我国建设创新型国家，推进经济和社会协调发展的重要途径。

卫星导航在测绘、探空、勘探、航海、航空、交通、大众化应用等领域广泛应用，卫星导航应用已深入到经济生活的各个方面，成为直接影响国计民生的重要技术。卫星导航芯片是卫星导航应用产业的核心和基础，处于卫星导航产业链的最上游，卫星导航芯片技术发展水平将直接影响到卫星导航技术的发展和推广应用。

由北京东方联星科技有限公司自主研制的OTrack-128芯片专门为北斗导航应用而生，其四模十频点的多模多频兼容特性满足了绝大部分的卫星导航应用需求，对北斗卫星在航天、航空、精确制导等国防领域的应用起到了良好的促进作用。

1 OTrack-128简介

OTrack-128芯片采取SoC设计架构，在一个芯片内集成主处理器ARM、导航基带处理器、存储器及其他接口电路，实现单芯片多模多频导航定位功能。芯片包含多种对外接口，接口类型囊括了最常见的SDRAM/FLASH接口、串行FLASH接口、SPI接口、UART接口、USB接口、PRM芯片接口、SCI7816接口（与I2C接口复用）等，能满足卫星导航接收机的各类交互通信的需要。

图1 OTrack-128芯片实物图Fig.1 OTrack-128 chip photos

OTrack-128芯片中集成有16KB I-Cache、16KB D-Cache、256KB SRAM以及8KB ROM。此外，芯片还集成了EMI（External Memory Interface，外部存储器接口），支持外部SDRAM/SRAM/Nor Flash扩展。

芯片采用65nm CMOS工艺，支持SIP（System In a Package，系统级封装），可以将不同芯片，如射频芯片，与其并排或叠加封装，以提高集成度，缩小芯片组面积。此外，芯片还支持陶瓷封装，能够满足GJB597B质量等级B级芯片的要求。

2 主要功能及技术指标

1）具有Beidou B1/B2/B3 I/Q支路，GPS L1 C/A码、L2C码、L5民码，GLONASS F1、F2民码，Galileo E1/E5民码处理能力，共四系统十频率；

2）支持GPS区域增强系统WAAS、EGNOS、QZSS和GAGAN信号处理；

3）32个捕获通道、192个跟踪通道；

4）具有抗窄带干扰功能：每路最多抗8个窄带干扰，可抗窄带干扰信号功率≥-60dBm；

5）支持A-GNSS功能；

6）可接收北斗增强网服务数据，能进行高精度差分定位；

7）支持Beidou RDSS（短报文）业务功能；

8）支持伪距差分、RTK功能；

9）支持惯导信息输入与组合导航功能；

10）支持NMEA标准格式输出、专用二进制格式输出、支持观测量输出；

11）256引脚BGA封装：尺寸12mm×12mm；

12）工作温度：-40°C～ +85°C。

表1 主要技术指标Tab.1 Main technical performance parameters

3 原理框图

图2 OTrack-128芯片框图Fig.2 OTrack-128 chip blocks

OTrack-128芯片集成16KB D-cache和16KB I-cache以及高性能ARM CPU，以及外部Nor Flash和SDRAM/SRAM存储控制器，DMA控制器，USB1.1设备和其他相关IO外围设备；内置完全自主研发的高性能Beidou/GPS/Glonass/Galileo多模多频导航基带模块，该导航基带模块采用自主创新的“捕获+跟踪”处理结构，内部构造了32个独立的RNSS捕获通道、192个独立的RNSS跟踪通道和10个独立的RDSS处理通道。

导航基带基带模块支持任意6个频点的GNSS信号的并行处理，工作频点及工作通道数可灵活配置；增强抗窄带干扰能力，支持3路抗窄带干扰，每路最多抗抗8个窄带干扰，可抗窄带干扰信号功率≥-60dBm；具备RDSS信号接口，可提供RDSS业务；支持NH码辅助捕获、比特辅助、A-GNSS处理。

4 关键技术

4.1 导航基带处理器设计

OTrack-128 SoC芯片中的核心处理模块为多模多频导航基带信号处理器，主要包含AJ BLOCK（抗干扰模块）、GNSS模块和RDSS通信模块。OTrack-128芯片的基带处理器实现了Beidou B1/B/B3频点I/Q信号处理、RDSS收发处理和多模信号处理功能及军码直捕功能。

图3 OTrack-128芯片基带处理器Fig.3 OTrack-128 baseband processor

4.2 多模多频兼容处理架构设计

多模导航的数字中频数据送入到数据缓存中，通过CPU配置，确定捕获通道及各跟踪通道处理的卫星系统，从而可从数据缓存中选取适当的采样数据，送到捕获及跟踪通道，进行处理。成功捕获及跟踪上多系统卫星信号之后，进入多模融合定位算法，实现多模定位。

图4 多模多频兼容架构设计Fig.4 Multi-mode compatible structure

4.3 军码直捕技术

Beidou Q支路RNSS军码序列由于其重复周期长、码速率高，可提供更高的保密抗干扰能力和测距精度而被军用装备广泛应用。实际环境中，对于倾斜轨道卫星IGSO和低轨卫星MEO而言，由于卫星或者用户的移动，使得接收信号的载波具有很大的多普勒频移，导致军码相关峰值急剧下降。因此，大多普勒频移环境下实现军码的快速捕获是影响卫星导航定位扩频系统性能的关键。

本芯片采用基于FFT对多普勒频偏进行补偿的频域并行捕获方法进行军码直捕。频域并行搜索方法的优点是无需划分频率通道，捕获时间短，捕获性能较好，为了解决大频偏条件下的军码直捕，还采用了频域扫描的方法进行高动态下的军码捕获。根据多谱勒频偏范围、主瓣频带宽度和信噪比参数，确定频率调整步进，划分多个通道，以某一个通道频率进行频偏补偿，利用滑动相关器和匹配滤波搜索整个码区间，并采用门限判决是否捕获。

4.4 低功耗SoC设计技术

1）门控时钟技术：使用控制信号关闭处于空闲状态的电路模块的工作时钟；

2）自适应时钟频率控制技术：自动改变整个芯片的时钟频率或某些与应用相关区域的时钟频率，使用低频率时钟或在深睡眠模式下关闭所有模块时钟，以减小功耗；

3）多电压区域技术：将芯片内核划分为不同电压的区域，随工作频率和工作状态提高、降低或者关闭电压，以降低功耗；

4）65nm CMOS工艺低功耗设计，使用更低内核电压和低功耗的电路库，降低功耗，降低芯片面积。

5 结束语OTrack-128导航SoC芯

片是针对Beidou正式投入运营后的卫星导航专用和民用领域需求设计的。Beidou正式运营后，我国的军用和民用导航市场都迫切需要高灵敏度、高性能、以Beidou系统为基础的多模兼容导航芯片，以提高国内导航产品的性能和市场竞争力，弥补Beidou相关导航市场的空白。OTrack-128芯片为完全独立自主研发，其中的抗干扰、抗多径技术，打破了国外对导航核心技术的垄断，使得我国在导航核心技术及其应用上掌握了充分自主权。

[1]寇艳红,译.GPS原理与应用,第二版[M].电子工业出版社,2007年.

[2]IEEE Standard VHDL Language Reference Manual[C]//.Std 1076-1987,IEEE,NY,1988.

[3]Parsons,J D.The Mobile Radio Propagation Channel,2nded,New York:John Wiley and Sons,2000.

[4]乔庐峰,王志功,等,译.VHDL数字电路设计教程[M].电子工业出版社,2005年.

[5]刘雷波,孟一聪,译.VHDL教程,第三版[M].机械工业出版社,2006年.