北斗芯片级模块化组件设计方案

周航帆，王雪娇，吴小鸥，刘 昊，王佳环

（国网思极神往位置服务（北京）有限公司，北京 100085）

1 引言

面向北斗区域系统信号和北斗卫星导航规模化应用需求，研制性能指标满足实际应用需求的北斗芯片级模块化组件，为北斗系统在各领域大规模推广应用提供基础产品；同时形成北斗芯片级模块化组件的技术要求和测试方法规范，为各行业卫星导航装备的互通互用打下基础。

基于本方案设计的北斗芯片级模块化组件具有以下特点：小型化、低功耗、具备抗干扰能力、接口统一；提供基本定位与通信功能，支持码差分、广域差分和原始观测量输出以兼顾低端高精度和组合导航应用，满足北斗向嵌入式、集成式方向发展的要求。

2 基本原理

北斗芯片级模块化组件基于OTrack-128基带芯片开发，由硬件和软件两部分组成。输入的射频信号先经过功分器分别送至RDSS、GPS、F1、B1 和B3射频通路，再由OTrack-128并行处理RNSS和RDSS基带信号。

2.1 RNSS工作原理

卫星导航定位的基本原理是距离交会，即通过测量接收机（天线）到各颗卫星的距离，来求得接收机（天线）的位置坐标。如图1所示：

图1 卫星导航定位原理图

设接收机（天线）的位置坐标为（x，y，z），卫星Sn的位置坐标 为（x（n），y（n），z（n））， 卫 星Sn到 接 收 机（ 天 线 ）R的 伪距测量值经电离层、对流层等延迟校正及卫星钟差修正后的 值 为ρc（n）， 可 得 方 程 ：ρc（n）=r（n）+δtu+ερ（n）（1） 式 中，为接收机（天线）到卫星的实际距离；δtu为接收机钟差与光速的乘积；ερ（n）为其他误差项。忽略其他误差项的影响，上述方程共有x、y、z、δtu四个未知数，因此，需要同时观测至少4颗卫星，以建立至少4个方程，才可解出接收机（天线）R的位置坐标值。在求解上述方程时，常用算法是对方程根据泰勒展式进行线性化并在牛顿迭代中用最小二乘法求解线性化后的矩阵方程。如果用k表示当前历元正在进行的牛顿迭代次数，那么对式（1）在[xk-1，yk-1，zk-1，δtu，k-1]T处进行线性化可得下式。

式中，r（n）（Xk-1）表示卫星Sn与接收机在k-1次迭代后求得的距离。上式用矩阵表示如下：

其最小二乘法解为

在求解出Δx等参数之后，可以根据式（4）更新接收机位置坐标和钟差并进行下一次迭代。

2.2 RDSS工作原理

（1）经过功分器的RDSS射频信号，RDSS射频通道，输出模拟中频。再经过AD转换后进入基带OTrack-128芯片。基带OTrack-128对RDSS信号先做窄带干扰监测和IIR窄带干扰滤波，然后再进入基带处理单元，进行RDSS信号的捕获跟踪和电文解析。

（2）OTrack-128具有10个并行处理的RDSS 捕获通道，可以同时对10个波速RDSS信号进行二维搜索。通过软件设置每个捕获通道的积分时间、频率范围、卫星号等，灵活多变的捕获灵敏度设置，自动调整卫星的捕获灵敏度和捕获速度，满足不同场合下启动时间、捕获灵敏度和不同动态下的快速捕获。

（3）RDSS捕获模块捕获到信号后，经过确认过程再转入跟踪通道，开始精确跟踪RDSS信号码相位和载波。OTrack-128具有10个并行处理的跟踪通道，能同时跟踪10个波速的RDSS信号。对跟踪上的RDSS信号，再做电文解析，获得调制的电文。

（4）基带每处理完一次RDSS数据，触发中断，通知软件读出处理的电文，由基带进行调制，再通过RDSS射频芯片完成上变频，并发射出去。天线部分由BDS/GPS接收天线、前置放大器和结构部分组成，接收天线作用是将BDS/GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流，前置放大器作用是将信号电流予以放大，经放大和滤波后，通过射频电缆将信号送给接收机板连接。结合天线载体的高旋转、高速度的特点，天线双馈的圆极化设计，两个线极化的相位差通过馈电电桥得到保证，从而容易取得较宽的带宽和更好的轴比。

3 方案设计

3.1 天线硬件设计

3.2 接收机硬件设计

接收机的硬件部分：射频模块、OTrack-128基带处理模块、输入输出接口模块、电源模块和时钟部分等组成。

射频模块将导航卫星信号进行放大、下变频、滤波、模数转换，最后输出数字信号。经过下变频和模数转换后的信号再送给OTrack-128基带处理模块部分，经过伪码延时锁定环路与载波锁定环路，对信号进行解扩与解调，获得基带信号，OTrack-128中CPU处理器从基带信号中提取相关数据、从伪码延时锁定环路获得的伪距、从载波环路获得的与多普勒频移相应的伪距变化率以及一些初始数据进行导航解算，确定载体的PVT（位置、速度及时间）参数，最后通过输入输出接口模块对外输出导航信息。

3.3 控制设计

北斗芯片级模块化组件的控制部分，采用多线程架构开发，根据功能划分模块，不同模块由不同线程实现。软件模块层次清晰，层次分明，操作系统统一调度各个任务，软件稳定可靠。

初始化与总控制模块首先负责基带、串口、射频参数等硬件的基本配置，以及系统多线程产生和分配等功能；然后进入控制状态，负责同外界控制相联系，接收外界输入命令，控制着定位解算模块、差分辅助模块的工作。定位解算模块中，解算结果的输出频率、观测量的输出频率等都由控制模块配置。

串口通讯模块主要负责5个串口通讯处理，负责数据的接收和发送；中断处理模块主要负责与基带芯片的数据交互，当数据处理完成后，基带芯片发出中断信号，中断处理模块会响应中断，清除中断标志，读取处理结果，配置基带芯片工作参数等；RDSS中断处理模块主要负责RDSS软件模块与基带芯片的数据交互，当RDSS数据处理完成后，基带芯片发出RDSS中断信号，RDSS中断处理模块会响应中断，清除中断标志，读取处理结果；RDSS数据处理模块是RDSS功能的核心模块，主要负责通讯协议的解析和组包，负责将数据写入到基带缓冲区并发射出去；抗干扰模块在信号带宽内搜索窄带干扰信号，在检测到干扰后，配置芯片内的抗干扰模块消除干扰。

捕获跟踪模块根据基带的处理结果，先进行信号捕获，实现对载波频率和码相位的粗同步，使残留载波的数值和码相位差的数值都落入后续码跟踪和载波跟踪的收敛范围内，然后转入跟踪处理，准确复制信号，提取观测量信息。根据估计信息，生成基带芯片各通道工作参数控制字，传递给中断处理模块。

定位解算模块依据观测量信息进行定位解算，获取用户位置、速度、时间等信息。同时向用户提供观测量输出和结算结果输出；差分辅助模块接收外界提供的北斗广域和局域差分辅助信息，这些辅助信息会提供给定位结算模块，提高定位解算的性能。

4 结束语

本文对卫星定位与通信的基本原理进行了介绍，并阐述了北斗卫星定位与通信一体化的北斗芯片级模块化组件，并为小型化、低功耗、定位与通信一体化终端产品的研制提供技术方案，可广泛适用于电力、农林业、交通运输、大众消费等行业。■