魏文龍

基于ZYNQ芯片實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)跟蹤軟件化

魏文龍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展，各導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)逐漸增加，衛(wèi)星接收機(jī)的通道數(shù)不足成為一個(gè)普遍問(wèn)題。以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例，為解決衛(wèi)星接收機(jī)通道數(shù)不足的問(wèn)題，對(duì)原有的衛(wèi)星接收機(jī)軟件架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，基于ZYNQ芯片實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的跟蹤軟件化。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；衛(wèi)星接收機(jī)；跟蹤軟件化

0 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，各導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)也在不斷增加。以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為例，隨著北斗三號(hào)的建成運(yùn)行，其信號(hào)包括了B1I、B1C、B2a、B2b、B3I公開(kāi)服務(wù)信號(hào)以及授權(quán)信號(hào)。北斗二號(hào)衛(wèi)星接收機(jī)在接收B1I和B3I的基礎(chǔ)上一般會(huì)兼容GPS系統(tǒng)L1頻點(diǎn)和GLONASS衛(wèi)星信號(hào)。對(duì)于北斗三號(hào)衛(wèi)星接收機(jī)而言，需要在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加北斗系統(tǒng)的新信號(hào)B1C、B2a和B2b[1]，由于北斗三號(hào)衛(wèi)星也在播發(fā)B1I和B3I信號(hào)導(dǎo)致的二代信號(hào)可視衛(wèi)星數(shù)增加也需要考慮。

衛(wèi)星接收機(jī)通道數(shù)的增加必然導(dǎo)致FPGA硬件資源使用率提高，但是北斗二號(hào)衛(wèi)星接收機(jī)硬件資源使用情況表明在原有接收機(jī)架構(gòu)下通道數(shù)無(wú)法滿足新的需求。在硬件資源一定的情況下，要想滿足北斗三號(hào)衛(wèi)星接收通道數(shù)的要求就必須減少每個(gè)通道使用的硬件資源量。原有衛(wèi)星接收機(jī)采用DSP+FPGA架構(gòu)，F(xiàn)PGA完成信號(hào)捕獲、信號(hào)跟蹤、位同步、幀同步和電文提取等功能[2]，可從信號(hào)跟蹤開(kāi)始將原來(lái)FPGA中后續(xù)功能分離到軟件當(dāng)中實(shí)現(xiàn)，來(lái)減少接收機(jī)通道對(duì)FPGA硬件資源的需要[2]。

衛(wèi)星接收機(jī)接收信號(hào)的增加導(dǎo)致軟件運(yùn)算量增加，如果再增加，原來(lái)在FPGA實(shí)現(xiàn)的功能可能會(huì)導(dǎo)致軟件處理能力不足。如果基于Xilink的ZYNQ 7000系列芯片設(shè)計(jì)衛(wèi)星接收機(jī)，可以使用PL完成信號(hào)捕獲、信號(hào)跟蹤部分功能，使用雙核ARM中的一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)原來(lái)FPGA中的信號(hào)跟蹤部分功能、位同步、幀同步、電文提取，再加上原來(lái)DSP軟件中的捕獲調(diào)度、捕獲結(jié)果處理等部分功能完成衛(wèi)星信號(hào)的捕獲、跟蹤、同步、電文提取。

1 衛(wèi)星接收機(jī)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星接收機(jī)架構(gòu)調(diào)整之后由兩個(gè)軟件加一個(gè)FPGA組成，其中跟蹤軟件和FPGA配合完成衛(wèi)星信號(hào)的捕獲跟蹤[3]，跟蹤軟件單獨(dú)完成位同步和幀同步，而定位結(jié)算軟件完成衛(wèi)星接收機(jī)定位、測(cè)速、授時(shí)等功能，本文主要對(duì)跟蹤軟件實(shí)現(xiàn)中的信號(hào)跟蹤模塊、信號(hào)同步模塊、電文提取模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。衛(wèi)星接收機(jī)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星接收機(jī)架構(gòu)圖

衛(wèi)星接收機(jī)中跟蹤軟件調(diào)度FPGA中的捕獲模塊完成衛(wèi)星信號(hào)捕獲，同時(shí)根據(jù)捕獲結(jié)果調(diào)整捕獲通道和衛(wèi)星號(hào)；如果捕獲成功，F(xiàn)PGA開(kāi)始轉(zhuǎn)跟蹤，F(xiàn)PGA中的信號(hào)跟蹤模塊只負(fù)責(zé)衛(wèi)星信號(hào)與本地碼的相關(guān)計(jì)算，軟件中的信號(hào)跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)路濾波以及跟蹤狀態(tài)判斷[4]；當(dāng)跟蹤軟件判定信號(hào)捕獲轉(zhuǎn)跟蹤成功后進(jìn)入信號(hào)同步，信號(hào)同步首先進(jìn)行位同步，位同步成功之后再進(jìn)行幀同步；當(dāng)跟蹤軟件完成同步之后對(duì)衛(wèi)星電文進(jìn)行提取并發(fā)送給定位解算軟件。

1.1 跟蹤軟件中信號(hào)跟蹤模塊設(shè)計(jì)

跟蹤軟件以FPGA中斷信號(hào)為觸發(fā)條件進(jìn)行信號(hào)跟蹤處理，F(xiàn)PGA完成相關(guān)運(yùn)算之后產(chǎn)生到軟件的中斷信號(hào)。跟蹤軟件收到中斷信號(hào)之后從FPGA中斷讀取I、Q支路的即時(shí)、超前、滯后信號(hào)相關(guān)值，將信號(hào)相關(guān)值經(jīng)過(guò)相應(yīng)的積分—清除器之后的值送給鑒別器，由鑒別器估算出本地信號(hào)和輸入信號(hào)的相位差異，并經(jīng)環(huán)路濾波器的濾波后作為數(shù)控振蕩器的輸入由軟件回寫給FPGA。FPGA根據(jù)軟件輸入的調(diào)整參數(shù)不斷調(diào)整本地信號(hào)的產(chǎn)生。

跟蹤軟件回寫完載波、碼NCO之后對(duì)環(huán)路鎖定狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。跟蹤環(huán)路存在跟蹤門限或者以載噪比C/0來(lái)衡量接收機(jī)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤情況。若載噪比大于某個(gè)門限值，則鎖定檢測(cè)器認(rèn)為信號(hào)跟蹤情況良好，否則認(rèn)為信號(hào)失鎖。信號(hào)跟蹤模塊工作流程圖如圖2所示。

1.2 信號(hào)同步模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)同步模塊分為位同步和幀同步。如果載波環(huán)相干積分時(shí)間為1 ms，隨著載波運(yùn)行將輸出一串碼率為1000 Hz的數(shù)據(jù)流，當(dāng)信號(hào)比特位寬為20 ms時(shí)位同步過(guò)程就是將1 000 Hz的數(shù)據(jù)流變成正常的50 Hz，也就是將每20個(gè)1 ms寬的數(shù)據(jù)合并起來(lái)組成一個(gè)正常的20 ms寬的正常數(shù)據(jù)比特。

本文位同步方法選擇直方圖統(tǒng)計(jì)法，首先將載波環(huán)輸出的1ms寬數(shù)據(jù)比特流用1～20循環(huán)編號(hào)，其中編號(hào)為1的首個(gè)數(shù)據(jù)比特是任意選定；然后逐個(gè)統(tǒng)計(jì)相鄰兩個(gè)毫秒之間的數(shù)據(jù)跳變情況。如果第個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)生了跳變，則第+1個(gè)直方的計(jì)數(shù)器值加1，否則計(jì)數(shù)器值保持不變。在統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間之后對(duì)直方統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行查看，如有一個(gè)直方的計(jì)數(shù)值達(dá)到門限1，則認(rèn)為位同步已經(jīng)成功，如圖3所示。圖3表明比特邊沿偏差為3 ms，第1～2 ms屬于一個(gè)比特，第3～20 ms加上后面相鄰的第1～2 ms組成一個(gè)完成比特。如果最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果至少有兩個(gè)計(jì)數(shù)器值達(dá)到門限2或者所有計(jì)數(shù)器沒(méi)有超過(guò)門限2，說(shuō)明信號(hào)太弱或者環(huán)路失鎖需要重新進(jìn)行位同步。

幀同步在位同步成功后開(kāi)始，幀同步的目的是為了確定衛(wèi)星信號(hào)的子幀邊緣，將比特流劃分為正確的子幀。幀同步首先進(jìn)行幀頭匹配，幀頭匹配完成后可以對(duì)后續(xù)子幀號(hào)、周內(nèi)秒等數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判斷，最后根據(jù)電文校驗(yàn)方式進(jìn)行校驗(yàn)。為了保證幀同步的準(zhǔn)確性使用兩幀校驗(yàn)的方法，即第一幀進(jìn)行幀頭、數(shù)據(jù)有效性、校驗(yàn)判斷；第二幀只進(jìn)行幀頭和數(shù)據(jù)有效性判斷，具體過(guò)程如圖4所示。

圖4 幀同步過(guò)程

1.3 電文提取模塊設(shè)計(jì)

電文提取實(shí)際可分為兩部分，一部分是電文翻轉(zhuǎn)判斷，一部分是電文截取。跟蹤軟件完成幀同步之后，每當(dāng)一個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)接收完成后對(duì)已接收的長(zhǎng)度和電文子幀長(zhǎng)度對(duì)比，如果子幀接收完畢進(jìn)行電文翻轉(zhuǎn)判斷，否則計(jì)數(shù)器值加1。電文翻轉(zhuǎn)根據(jù)幀頭是否發(fā)生翻轉(zhuǎn)就可判定，如果電文發(fā)生翻轉(zhuǎn)需要在電文發(fā)送時(shí)將電文翻轉(zhuǎn)后再發(fā)送，同時(shí)將比特計(jì)數(shù)器清零。電文提取過(guò)程如圖5所示。

圖5 電文提取邏輯

2 接收機(jī)改進(jìn)后驗(yàn)證

衛(wèi)星接收機(jī)完成改進(jìn)需要對(duì)功能、性能進(jìn)行驗(yàn)證，以B3I頻點(diǎn)為例對(duì)接收機(jī)定位結(jié)果分析。測(cè)試條件為靜態(tài)測(cè)試，測(cè)試信號(hào)為真實(shí)衛(wèi)星信號(hào)，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)為500，高程定位精度如圖6所示，水平定位精度如圖7所示。從圖6和圖7可以看出接收機(jī)改進(jìn)后高程定位誤差最大為9 m，水平定位誤差最大為6m，接收機(jī)改進(jìn)后定位精度仍然滿足單點(diǎn)定位的精度要求。

3 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)后的接收機(jī)由三部分組成[5]：PL邏輯部分、PS信號(hào)跟蹤部分、PS定位解算部分。從功能劃分來(lái)看更加合理：邏輯部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲和信號(hào)相關(guān)[6]，功能更加單一，不同應(yīng)用場(chǎng)景變動(dòng)比較??；PS信號(hào)跟蹤部分更加靈活，跟蹤階段不同場(chǎng)景下可修改環(huán)路參數(shù)、結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可以動(dòng)態(tài)地改變積分時(shí)間，做到動(dòng)態(tài)和性能之間的兼顧，邏輯規(guī)模減小，接收機(jī)通道上限增加100；PS定位解算部分沿用以前代碼設(shè)計(jì)，變動(dòng)較小，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

[1] 范晶. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中信號(hào)的捕獲與跟蹤實(shí)現(xiàn)[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2017.

[2] 薛濤，趙偉，李榮冰，等．北斗導(dǎo)航接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 航天控制，2015，33（1）：94-98．

[3] 譚雨蒙. 北斗三代B2a頻點(diǎn)軟件接收機(jī)的設(shè)計(jì)[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2019.

[4] 王瑞京. 北斗導(dǎo)航接收機(jī)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[5] 萬(wàn)勇. 基于Zynq的北斗擴(kuò)展系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2018.

[6] 鄭世超. 北斗基帶信號(hào)并行捕獲算法研究及FPGA實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2018.

Realizing Tracking Software of Satellite Navigation Receiver Based on ZYNQ Chip

WEI Wenlong

With the continuous development of satellite navigation system, the signal of each navigation system increase gradually, and the insufficient channel number of satellite receiver becomes a common problem. Taking Beidou navigation satellite system as an example, in order to solve the problem of insufficient channel number of satellite receiver, the original of software architecture of satellite receiver is adjusted and the tracking software of receiver is realized based on ZYNQ chip.

Satellite Navigation System; Satellite Receiver; Tracking Software-Based

TN967

A

1674-7976-(2022)-01-012-04

2021-05-12。

魏文龍（1993.04—），甘肅武山人，碩士，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。