北斗/GPS双模定位模块设计与实现

提出一款以自主知识产权芯片为核心的北斗／ＧＰＳ定位模块方案，采用高集成度 的射频芯片和低功耗的导航基带处理器，能同时接收北斗和 ＧＰＳ信号，实现高精度定位、测速 和授时，全面兼容 ＧＰＳ模块，非常适合民用导航应用环境。

2021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（Ｇａｌｉ－ ｌｅｏ）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。

一、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。

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。

二、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

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０．１３μｍ 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 ２０ｍＡ，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 ０．１３μｍ 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 －１４３ｄＢｍ 和 －１５７ｄＢｍ，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。

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。ＨＧ－ ＢＤ１０２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

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。

３ 结 论 本设计的北斗模块在物理尺寸、管脚封装和接 口协议等方面兼容主流的 ＧＰＳ模块，功能、定位精 度、测速精度等关键指标接近主流 ＧＰＳ模块水平， 已成功应用到某交通运输项目中［１０］。

本文作者：潘未庄 本文关键词：定位模块