摘 要： 提出了一種基于FPGA+DSP結(jié)構(gòu)的北斗一代三星無源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。介紹了三星無源定位的原理，給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件功能劃分以及功能調(diào)度方法，實(shí)際測試表明該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
關(guān)鍵詞： FPGA；DSP；北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)；無源定位
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北斗雙星定位系統(tǒng)是我國自主開發(fā)研制的一種全天候、高精度、區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)定位、通信和定時(shí)授時(shí)三大功能，其中通信是GSP、Glonass等其他定位系統(tǒng)所不能提供的。該系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面控制中心站、標(biāo)校站和用戶機(jī)四部分組成。空間部分由三顆地球同步軌道衛(wèi)星(CEO)組成，東星、西星和一顆在軌備份星。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航采用應(yīng)答式體制：中心站發(fā)出詢問信號，用戶機(jī)響應(yīng)詢問信號向中心站發(fā)出定位申請，中心根據(jù)時(shí)延解算出用戶位置并發(fā)射出去。該系統(tǒng)存在三大局限性：(1)所有用戶的定位處理均在地面控制中心內(nèi)完成，故對中心控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力要求相當(dāng)高，同時(shí)也導(dǎo)致了定位數(shù)據(jù)有較大的滯后誤差。假如中心控制系統(tǒng)被毀壞，則整個(gè)系統(tǒng)癱瘓；(2)系統(tǒng)工作在有源方式，由于用戶需要向衛(wèi)星發(fā)射定位申請信號，用戶容易暴露目標(biāo)；(3)用戶數(shù)量有限，限制了定位信息的更新頻度，不能滿足高動態(tài)用戶的需要?；谝陨系脑颍捅仨氀芯坑脩糇灾鲗?dǎo)航定位方法，利用現(xiàn)有的“北斗一號”的三顆衛(wèi)星資源，外加高程信息，可以實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備的無源定位。
北斗無源定位需要同時(shí)對三顆衛(wèi)星六個(gè)波束信號進(jìn)行處理，處理數(shù)據(jù)量巨大，單純靠通用計(jì)算機(jī)很難達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。隨著數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可編程門陣列器件（FPGA）的發(fā)展，采用DSP＋FPGA架構(gòu)的數(shù)字硬件系統(tǒng)顯示出其優(yōu)越性。FPGA適用于運(yùn)算量大、算法相對簡單的場合，而DSP適合于算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但涉及的數(shù)據(jù)量較小的場合。本系統(tǒng)采用了FPGA＋DSP架構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)方案，通過算法的合理分配充分地利用兩種器件的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了北斗衛(wèi)星信號的實(shí)時(shí)處理。
1 無源定位系統(tǒng)的組成
1.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成
該系統(tǒng)由三部分組成，如圖1所示。系統(tǒng)的信號處理流程見圖2所示。天線接收的北斗一號衛(wèi)星信號經(jīng)過射頻前端放大、變頻處理轉(zhuǎn)換為中頻信號，經(jīng)AD采樣變?yōu)閿?shù)字信號后送入到由FPGA和DSP組成的數(shù)字信號處理單元，在其中完成捕獲、跟蹤、解調(diào)、幀同步以及定位結(jié)算等功能。北斗衛(wèi)星定位方式采用擴(kuò)頻通信體制，每顆衛(wèi)星都分配不同的擴(kuò)頻碼來區(qū)別。由于衛(wèi)星和用戶之間存在相對運(yùn)動，所以用戶接收信號的載波和擴(kuò)頻碼都存在多普勒頻移。捕獲就是通過將本地復(fù)制衛(wèi)星信號同接收信號在偽碼域和頻率域進(jìn)行二維搜索，從而達(dá)到兩者粗略同步，跟蹤就是在捕獲結(jié)果的基礎(chǔ)上利用延遲鎖定環(huán)（DLL）和鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)偽碼和載波的精確同步，根據(jù)偽碼NCO和載波NCO提取衛(wèi)星和用戶之間的距離。對精確同步后的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼、幀同步提取描述衛(wèi)星位置的導(dǎo)航電文，利用導(dǎo)航電文計(jì)算三顆衛(wèi)星的位置，有了衛(wèi)星位置和距離就可在DSP中利用迭代算法解出用戶的位置以及用戶時(shí)鐘同北斗時(shí)間的差值，最后通過串口將定位結(jié)果傳送到PC上，信號處理部分還可以輸出基于北斗時(shí)間秒脈沖（1pps）用于其他設(shè)備時(shí)間同步。
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1.2 處理器芯片
AD芯片采用AD公司生產(chǎn)的一種高速、高性能、低功耗8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該芯片內(nèi)部集成了高性能采樣和保持放大器，輸入信號可以采用單輸入或差分輸入；處理輸入電壓峰峰在0～1V之間的模擬信號；采用單＋3V模擬電源和單＋3V數(shù)字電源；片內(nèi)提供＋1.2V～1.3V的參考電壓；最高采樣率可達(dá)100Mb/s；在100Mb/s采樣下功耗只有90mW；最大模擬輸入帶寬高達(dá)475MHz；在100Mb/s采樣下信噪比（SNR）為46.5dB。
FPGA芯片采用Altera公司近期推出的采用65nm工藝的Cyclone III 系列的EP3C120，該系列芯片是目前為止工藝最先進(jìn)、低功耗、低成本的平臺級可編程邏輯器件。EP3C120芯片內(nèi)部具有120K邏輯單元（LE）和530個(gè)用戶I/O引腳，還具有4Mbit嵌入式存儲器、288個(gè)嵌入式18×18乘法器、專用外部存儲器接口電路、4個(gè)鎖相環(huán)以及高速差分I/O等，特別適合對功耗和價(jià)格敏感的大批量應(yīng)用。
DSP采用TI公司推出的目前最為先進(jìn)的浮點(diǎn)DSP芯片TMS3206713。該芯片最高時(shí)鐘頻率達(dá)225MHz，內(nèi)部有8個(gè)并行處理單元，分為兩組。其體系結(jié)構(gòu)采用超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，指令長32位，8個(gè)指令組成一個(gè)指令包，總共字長為256位。芯片內(nèi)部設(shè)置了專門的指令分配模塊，可以將每個(gè)指令包同時(shí)分配到8個(gè)處理單元運(yùn)行。TMS3206713的存儲器尋址空間為32位，芯片內(nèi)部集成了7Mbit片內(nèi)SRAM。該芯片利用32位的外部存儲器接口可以配置不同速度、不同容量和存儲器。TMS3206713還包含豐富的片上外設(shè)，包括16通道增強(qiáng)型直接存儲器存取協(xié)處理器，用于控制數(shù)據(jù)的EDMA傳輸；16位主機(jī)端接口，可以將該芯片配置為主機(jī)的DSP加速器；兩個(gè)32通用定時(shí)器；兩個(gè)多通道音頻串行口以及用于芯片開發(fā)和調(diào)試的邊界掃描接口。
2 數(shù)字信號處理模塊設(shè)計(jì)
數(shù)字信號處理模塊相互間的接口關(guān)系如圖1所示。信號處理板上的晶振提供10MHz時(shí)鐘輸入到FPGA中，經(jīng)過FPGA的鎖相環(huán)（PLL）分頻后作為FPGA的工作時(shí)鐘和A/D采樣時(shí)鐘。板上A/D將8位的采樣數(shù)據(jù)送到FPGA，F(xiàn)PGA對其進(jìn)行截?cái)嗪笏腿霐?shù)字接收通道進(jìn)行處理。在FPGA的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了FPGA和DSP的讀寫接口電路， DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互是以32位數(shù)據(jù)總線的形式設(shè)計(jì)的，F(xiàn)PGA內(nèi)部寄存器組連接到DSP的EMIF接口的CE2空間，這樣DSP就把 FPGA當(dāng)做一塊異步SRAM來讀寫訪問。DSP的10根地址線連接到FPGA上，因而DSP 最多可以訪問FPGA內(nèi)部1 024個(gè)32位的寄存器。在FPGA內(nèi)部，通過對高5位地址線的譯碼邏輯，將1 024個(gè)地址分成32個(gè)地址段，每個(gè)地址段包括32個(gè)32位的寄存器，每個(gè)地址段分配給不同的通道，用以存儲累積值載波NCO、偽碼NCO以及各個(gè)信號處理模塊的狀態(tài)等。FPGA的數(shù)據(jù)上報(bào)申請是通過DSP的兩個(gè)中斷管腳實(shí)現(xiàn)的。其中DSP_EINT5用于指示有新的相關(guān)累積值需要上報(bào)，中斷周期為31.25μs（一個(gè)偽碼周期為16kHz，由于各個(gè)通道的計(jì)算不一致，所以采用1/32K的中斷），而DSP_EINT6用于指示有新的基本觀測量需要上報(bào)，中斷周期為31.25ms(一幀信息的長度為31.25ms)。
3 無源點(diǎn)位算法與實(shí)現(xiàn)
3.1 三星無源定位的原理及算法
北斗一號星座包括兩顆同步衛(wèi)星、一顆備份星，分別位于東經(jīng)80°、東經(jīng)140°和東經(jīng)110.5°。同GPS定位方式一樣，如果同時(shí)利用天上的三顆衛(wèi)星同用戶之間的距離可以聯(lián)立三個(gè)方程，但是如果需要同時(shí)求解用戶的三維位置及用戶鐘和北斗時(shí)之間的時(shí)鐘差的話，必須再建立一個(gè)方程。用戶的坐標(biāo)滿足橢球方程，因此可以通過氣壓測高的方式得到用戶的海拔高度來建立第四個(gè)方程，由于聯(lián)立的四個(gè)方程是非線性的，可以通過迭代的方式求解。
通過導(dǎo)航電文可以知道3顆衛(wèi)星的位置坐標(biāo)(xi，yi，zi)，i=1，2，3和衛(wèi)星信號的發(fā)射時(shí)間tTj，根據(jù)用戶的接收時(shí)間tR，可以得到衛(wèi)星到用戶的偽距ρj=(tR-tTj)×c，j=1，2，3。設(shè)用戶的三維位置(xu，yu，zu)和偏移量tu，產(chǎn)生3個(gè)方程，組成如下方程組：
??? 如果近似知道接收機(jī)的位置，則可以將真位置(xu，yu，zu)和近似位置(
)之間的偏離用位移(Δxu，Δyu，Δzu)來標(biāo)記。將式(1)～(4)按泰勒級數(shù)繞近似位置展開，則可以將位置偏移(Δxu，Δyu，Δzu)表示為已知坐標(biāo)點(diǎn)和偽距測量值的線性函數(shù)。這個(gè)過程如下：
一旦算出了未知量，便可以算出用戶的坐標(biāo)(xu，yu，zu)和接收機(jī)時(shí)鐘偏移tu。只要位移(Δxu，Δyu，Δzu)是在線性化點(diǎn)的附近，這種線性化方法便是可行的?？梢越邮盏奈灰迫Q于用戶的精度要求。如果位移的確超過可接受的值，便重新迭代上述過程，即以算出的點(diǎn)坐標(biāo)(xu，yu，zu)作為新的估計(jì)值，重新迭代過程。
3.2 無源定位算法的軟件實(shí)現(xiàn)
整個(gè)無源定位算法的實(shí)現(xiàn)分為FPGA處理單元和DPS處理單元兩個(gè)部分，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)六路并行的數(shù)字接收通道（北斗一號有三顆衛(wèi)星六個(gè)波束）完成載波剝離、接擴(kuò)、積分累加以及偽距、載波相位等基本觀測量的提取等。DSP主要完成偽碼捕獲、載波和偽碼跟蹤環(huán)路的濾波以及數(shù)據(jù)解調(diào)、位同步、幀同步等算法和整個(gè)軟硬件的協(xié)調(diào)功能。為了使如此之多的模塊能夠順利運(yùn)行，在DSP的主程序中采用了任務(wù)調(diào)度的機(jī)制，以兩個(gè)中斷時(shí)間間隔為基準(zhǔn)，根據(jù)信號處理的流程在不同時(shí)刻拋出各種不同的優(yōu)先級的任務(wù)，主程序不停地查詢?nèi)蝿?wù)隊(duì)列，如果隊(duì)列中有多個(gè)任務(wù)等待處理，則取出優(yōu)先級高的進(jìn)行處理。整個(gè)信號處理的流程如圖3。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行DSP和FPGA的初時(shí)化，然后對一顆衛(wèi)星某個(gè)波束進(jìn)行處理通道分配，DSP程序進(jìn)入任務(wù)調(diào)度狀態(tài)，F(xiàn)PGA根據(jù)設(shè)置的載波NCO參數(shù)、偽碼NCO參數(shù)產(chǎn)生本地復(fù)制的衛(wèi)星信號，將該復(fù)制信號同實(shí)際信號進(jìn)行相關(guān)累積運(yùn)算，31.25μs后產(chǎn)生5號中斷通知DSP某一通道中存在新的累積值，同時(shí)FPGA重新開始下一個(gè)相關(guān)累積運(yùn)算，DSP得到新的累積值后開始順序進(jìn)行捕獲、跟蹤和定位解算，同時(shí)拋出Viterbi譯碼、串口通信、組建導(dǎo)航信息和提取命令四個(gè)任務(wù)；31.25ms后產(chǎn)生6號中斷通知DSP讀取偽距、載波相位等觀測量，同時(shí)拋出分配通道、定位解算和發(fā)送消息任務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)在DSP的調(diào)度下循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。
??? FPGA算法設(shè)計(jì)采用VHDL在Altera公司的Quartus.II.v6.0集成開發(fā)環(huán)境下成功實(shí)現(xiàn)；DSP算法設(shè)計(jì)采用C語言在TI公司的CCS3.1集成開發(fā)環(huán)境下成功實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。
系統(tǒng)基于軟件無線電的概念設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的硬件平臺，只要修改相應(yīng)的算法就可以實(shí)現(xiàn)利用GPS信號定位。軟件上采用任務(wù)調(diào)度的方式，利用累積值中斷和測量值中斷拋出不同的任務(wù)。如果需要增加新的功能，只需要添加一個(gè)新的任務(wù)即可。該系統(tǒng)在實(shí)際的測試中，冷啟動首捕時(shí)間≤2s，失鎖重捕時(shí)間≤1s，定位精度小于100m，測速精度小于2m，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
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