北斗二代B1频点导航接收机的研究与实现(iii)

Abstract: The current COMPASS navigation system has been successfully launched nine satellites, and can be used for positioning services for the Asia-Pacific region. This article mainly discusses the implementation of the COMPASS navigation software receiver (B1 frequency) based on FPGA+DSP architecture. It uses second-order FLL assisted third-order PLL filter to improve the dynamic performance, and uses carrier phase smoothing technique to improve the stability and accuracy of the single-point positioning. Given the current insufficient number of satellites, three-satellites positioning algorithm is integrated, when there has only three satellites, it still can make position. After verified by a COMPASS signal simulator, the positioning accuracy is better than 2m RMS, speed of 0.15m/s RMS. So this paper has some reference value for the study about COMPASS navigation receiver. Keywords: COMPASS (BD2); FPGA+DSP; Navigation Receiver; Carrier Phase Smoothing; Three-Satellite Positioning
I ui (t ) cos ot A(t ) cos IF t
Q ui (t ) sin ot A(t ) sin IF t
北斗二代B1频点导航接收机的研究与实现
费攀 1，宋鹏 2，齐建中 3
1．北方工业大学信息工程学院，北京，中国，100144 2．北方工业大学信息工程学院，北京，中国，100144 3．北方工业大学信息工程学院，北京，中国，100144 1. feipan_fly@126.com, 2. songpeng_ncut@hotmail.com, 3. qijianzhong_cas@hotmail.com
【摘要】当前北斗二代系统已经成功发射9颗卫星，可以用于对亚太地区的定位服务。本文主要介绍了 基于FPGA+DSP架构下的北斗二代（B1频点）软件接收机的实现。环路采用2阶FLL辅助3阶PLL滤波 器，提高了接收机的动态性能；伪距采用载波相位平滑技术，提高了单点定位的稳定度和精度；并且 鉴于当前北斗系统卫星数量不足的情况，融合了三星定位功能，当卫星只有三颗时依旧可以定位。经 对模拟源测试，定位精度优于2m RMS，速度0.15m/s RMS。本论文对于研究北斗二代导航接收机，具 有一定的参考价值。 【关键词】北斗二代；FPGA+DSP；导航接收机；载波相位平滑；三星定位
BCH校验、 解星历 导航电文 读取 计算卫星 位置和速 度 计算卫星 发射时刻
计算接收机 位置和速度
获取BD2 系统时
串口输出
Figure 4 The navigation solution module 图 4.导航解算模块
3 捕获跟踪
北斗二代B1频点普通测距码是码长为2046码片 的戈尔德码。由两个11级m序列G1(t)和G2(t)模二加产
交信号分量不存在其他频率分量，与传统的正交下变 频相比，可以省去低通滤波器，减少对信号的延迟和 衰减。 3.1.2 基于FFT的循环相关算法 考虑到FPGA的运算速度和资源使用情况，并且 北斗二代B1频点C码的伪码速率为2.046Mbps，采用 4096点的FFT。 首先39MHz采样过来的数字下变频信号 I out 和
1 引言
北 斗 卫 星 导 航 系 统 （ BeiDou （ COMPASS ） Navigation Satellite System）是中国正在实施的自主研 发、独立运行的全球卫星导航系统。按照规划，北斗 卫星导航系统将由5颗静止轨道（GEO）卫星、3颗倾 斜同步轨道（IGSO）卫星和27颗中轨道（MEO）卫 星组成。其信号包括B1、B2、B3 三个频点的信号， 每个频点信号都由I、Q两个支路的“测距码+导航电 文” 正交调制在载波上。 测距码分I支路普通测距码 （C 码）和Q支路精密测距码（P码）。由于GPS发展的比 较早，也相对比较成熟，所以目前大多数的研究都是 针对GPS的，我们急需研制自己的北斗导航接收机。
基带码NCO控制 载波跟踪 环路鉴别器 载波环路 滤波器 载波 相位计数
AM1201 低噪放
1561± 20MHz 滤波器
SI4133 1561MHz本振
混频器
AD9288 采样
Figure 2. The RF module 图 2.射频模块
500us中断 读取IQ超 前、滞后、 即时相关值
C码跟踪 环路鉴别器
DSP读取伪距
同步信号
源自文库
射频 模块
控制信号
基带 信号 处理
地址线
导航 解算 模块
I路AD采样
控制信号
数字 下变频
sin cos
即时路符号输出
码相关 模块
滞后 即时
Q路AD采样
DSP读取3 路相关值 超前
同步 模块
Figure 1. The overall framework of the receiver 图 1.接收机整体框架
2 接收机整体框架
完整的导航接收主要由射频模块、基带信号处理 模块和导航解算模块三大部分组成， 如图1所示。 基带 信号处理选用一片Altera的FPGA完成，导航解算选用 TI公司TMS320C6713芯片完成。
码NCO 产生模块
A/D采样 数据线
产生16倍 码速率时钟 16*2.046MHz
伪距 测量模块
北斗二代与GPS相比有共通之处，但也有所区别。我 们可以借鉴研究 GPS 接收机的方法来研究北斗接收 机。FPGA+DSP架构对于实现基带信号处理和导航定 位解算具有很大的灵活性，可以根据不同的应用场景 配置不同的解决算法 [1] 。所以本文正是研究了基于 FPGA+DSP平台的B1频点C码接收机，对于北斗二代 导航接收机实现的关键性问题进行了分析和探索。
Qout 需要经过一个9倍的抽取FIR，然后用4.096MHz 的时钟分别采取1ms本地伪码和 I out 、 Qout 做4096点
FFT，频谱如图5。
3.1 捕获设计
传统的接收机捕获方法有多种，时域搜索法、基 于FFT的循环相关捕获算法、匹配滤波器组结合FFT 的捕获算法等[2]。根据BD2的伪码格式和导航电文格 式，采用4096点FFT循环相关捕获算法进行信号的捕 获。 3.1.1 相位旋转法进行数字下变频 39MHz采样的I、Q两路数据与载波NCO输出进行 数字下变频，尽可能的去掉多普勒频偏。 参考GPS信号[3]，可设BD2_RF连续时间信号为： ui (t ) 2aD(t ) p(t ) cos(it i ) n (1) 其中， D(t ) 代表调制在载波上的数据码， p(t ) 代表 2 伪码， 2a 为幅值， n 为均值为零、方差为 n 的高 斯白噪声。 SI4133产生的1561MHz本振与射频信号进行混 频，滤除高频部分，送入AD采样，输出I、Q两路：
Figure 5. The signal spectrum 图 5.信号频谱
然后，对伪码的FFT结果取共轭，与 I out 、 Qout 的FFT结果相乘，并作4096点IFFT，最后对IFFT的结 果取模，开根号进行门限判决，如果有足够强的尖峰 出现，则说明实现了信号的捕获，尖峰出现的位置对 应于伪码相位，而此时的本地载波频率值就是信号所 在的载波频率；如果没有足够强的尖峰出现，则更换 本地载波，重新捕获。捕获结果如图6。
BD2 B1频点天线
Figure 3. The baseband signal processing 图 3.基带信号处理
2.3 导航解算模块
导航解算模块主要由一片TI的TMS320C6713芯 片完成。该模块处理从基带模块获取的导航电文、伪 距、多普勒、载波相位计数、积分相关值等观测信息， 经过载波环路和码环路鉴别、滤波后调节FPGA中的 载波NCO和码NCO控制字。 导航电文经过BCH（15,11,1）校验译码，求取卫 星的星历参数，获取卫星的发射时刻，求取卫星在 CGS2000坐标系中的坐标以及速度值。最后通过最小 二乘法，利用卫星位置、速度信息和卫星距离接收机 的伪距、多普勒信息，求解接收机在CGS2000坐标系 下的坐标和速度信息。导航解算模块模块如图4所示。
The COMPASS B1 Frequency Navigation Receiver Research and Implementation
Fei Pan1, Song Peng2, Qi Jianzhong3
1. College of Information Engineering, North China University of Technology, Beijing, China 2. College of Information Engineering, North China University of Technology, Beijing, China 3. College of Information Engineering, North China University of Technology, Beijing, China 1. feipan_fly@126.com, 2. songpeng_ncut@hotmail.com. 3. qijianzhong_cas@hotmail.com
生截短产生。导航电文根据速率和结构不同分为D1 （50b/s）导航电文和D2（500b/s）导航电文，在D1码 上调制有二次编码NH码，导航电文速率如表1所示。
Table 1. The navigation data rates of BD2 表 1.BD2导航电文速率
GEO I支路 Q支路 D2（500b/s） D2（500b/s） MEO/IGSO D1（50b/s），二次 编码（1kbps） D2（500b/s）
C码环路 滤波器
C码伪距 计算 基带载波NCO控制
载波 相位 平滑
2.2 基带信号处理模块
基带信号处理模块由一片Altera的FPGA构成，主 要完成BD2 B1频点信号的捕获、跟踪和数据同步。包 括载波NCO产生、 码NCO产生、 数字下变频、 本地BD2 扩频码产生、相关器、时基模块、TIC数据测量、BD2 位同步、帧同步以及帧数据收集等。基带信号处理模 块如图3所示。 DSP解算模块从基带信号处理模块获取超前、即 时、滞后3路相关值，伪距测量信息值，载波计数值， 导航电文等相关信息，用于基带环路的控制和导航定 位的解算。
DSP读取载 波计数
载波NCO 模块
伪码产生模块
DSP读取 导航电文
2.1 射频模块
北斗二代信号的B1频点为1561.098MHz。信号从 天线接收过来后，经过AM1201低噪声放大器和中心 频率为1561MHz的滤波器的处理，然后与从频综过来 的1561MHz本振信号进行混频，输出中心频率为 98KHz的IQ两路正交信号，该信号经过AD9288 39MHz采样，量化为8位数字信号送给FPGA进行基带 处理。射频模块原理如图2所示。