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北斗/GPS双模定位模块设计与实现

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北斗/GPS双模定位模块设计与实现
2021-03-01 10:48:47 阅读: 发布人:纵横智控

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。

图片关键词

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

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