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北斗高精度接收机的“中国芯”
 
 
2012-11-14 09:35 编辑:GNSS研发团队(一肖免费中特王中王卫星导航) 浏览量:6029人
 
 

 
 

     卫星导航定位系统的高精度(以下称“高精度”)应用是卫星导航应用的一个重要领域。以应用领域为尺度,北斗卫星导航定位系统(下称“北斗系统”)应用分为专业级和民用级。专业级应用精度通常在5米以下,也称为高精度应用。其广泛应用于测绘、地理信息、精细农业、智能交通、水上测量等领域。高精度接收机应用往往涉及诸多国家基础设施建设领域,对于国家而言,在这些领域大量地使用GPS产品必然存在重大安全隐患。另外,在高精度测量应用领域,国内尚未出现真正意义的把自主接收机及其核心板卡产业化的企业,相关应用的主动权和很大一部分利润都掌握在国外厂商手中。为此,国内企业实现北斗高精度接收机的产业化,才能满足国家关键部门的安全需求和掌握市场主动权,具有重大现实意义。

    当前我国正处在北斗导航的亚太地区组网即将完成、产业化应用全面启动的关键时期。随着我国北斗系统的投入使用,必将形成新的多模多频接收机的现实市场,基于北斗的高精度多模多频卫星接收机的高端核心技术是北斗系统产业化应用的关键。因此对于国内企业而言,尽早系统掌握高精度接收机的核心技术,才能确保在未来的市场竞争格局中拥有重要的地位,真正意义上的推动北斗产业化发展。
    北斗高精度接收机是指多模多频接收机。拥有完全自主常识产权的多模多频高精度OEM板卡是北斗测量型接收机的核心。北斗多模多频高精度OEM板卡是以多系统多频率卫星导航芯片为基础,综合了高精度射频前端设计、基带处理设计和多模多频RTK解算等技术,是融合了多学科的高、精、尖产品。其包含的关键技术从以下四个部分进行阐述:

射频接收部分
    射频接收部分主要解决的是多模多频射频电路设计技术。为实现BD2的B1、B2、B3信号和GPS的L1、L2、L5信号的同时接收,射频前端需要建立六个通道来处理这六个不同频段的信号。如何合理地对不同系统的不同频率进行分配组合,是设计时所需要考虑的重点。设计时既要考虑到不同系统的不同频率的合理配置,使得它们之间不会造成互相的干扰,又要考虑到它们之间的配置能够最大化地提高带外抑制的性能,同时还要考虑到带宽能够满足模数转换器(ADC)对采样频率的要求。另外,在进行电路设计的时候,还需要考虑对各个频点的通道延时进行估算和规划,来消除由于通道延时差造成的解算误差和板间的不一致性。

基带处理部分
    基带处理部分主要解决的是以下四个技术:
    ※ GNSS信号兼容捕获技术
    ※ 授权信号无码捕获跟踪技术
    ※ 载波平滑伪距技术
    ※ 抗多路径干扰技术
    基带处理部分研究BD2 B1/B2/B3和GPS L1/L2/L5
信号的捕获与跟踪,并实现伪距和载波相位的高精度输出。基带电路需要实现BD2 B1/B2/B3和GPS L1/L2/L5信号的接收。其中BD2信号需要实现B1-1、B2-I、B3-I支路C码的跟踪与解调。GPS信号实现L1 C/A码捕获、跟踪以及导航电文解算,L2C信号接收、L2 P信号接收和L5 信号接收。由于目前大部分GPS卫星L2载波上并没有发射民码信号,而是加密的军码信号,所以这部分的技术难度主要来自于L2 P的捕获和跟踪。
    另外6路信号的同时跟踪与处理对基带电路及基带控制App的设计均带来了严峻的挑战,如在每一毫秒中断期间App处理的工作量将比普通双频GPS接收机增加数倍。这将极大地增加了处理器的负担,需要对中断代码进行大量的优化,提高代码的效率。
    作为一款高精度接收机,虽然对重捕获速度要求远没有导航型高,但快速的重捕获速度也能够提高整机的动态RTK性能。

定位解算部分
    定位解算部分需要解决的关键技术一是多模PVT解算,二是RTKApp。不同的卫星系统有各自不同的时间和坐标系,因此在使用多个卫星系统的卫星进行定位的时候就需要统一时间系统、统一坐标系统以及消除卫星系统间的通道延迟等误差,来获得最佳的定位结果。同时,在使用多个系统卫星的伪距、多普勒或载波相位观测值进行PVT解算时,还需要考虑卫星通道之间的延迟、对各种误差来源进行加权处理等。
    RTKApp的开发是对解码得到的GNSS数据进行筛选、滤波、差分等数据处理,进而得到最终的定位结果。RTKApp的性能将直接关系到初始化时间、定位结果精度等性能指标,是整个OEM板研制的重点和难点。RTKApp的开发需要着重对以下四部分内容进行研究:
    ※ 大气误差抑制技术研究
    ※ 多星座数据滤波技术研究
    ※ 不同观测值线性组合的研究
    ※ 多系统载波相位定位模糊度研究
OEM板卡部分
    OEM板卡的研制包括两方面的内容:OEM板卡硬件电路设计和OEM板卡的嵌入式App设计。
    OEM板卡的硬件部分包括射频模块、基带电路、CPU、数据存储模块以及各种通讯接口,如下图所示。相比传统单星座的OEM板卡,BD2/GPS OEM板卡在器件数量将有大幅增加。以射频电路为例,在频率分量上多了一倍,在不采用专用射频芯片的情况下,射频电路部分的电路规模将扩大一倍,而且相应的功耗将大大增加。对于OEM板卡来说,板卡尺寸和功耗都是很重要的技术指标。OEM板卡硬件电路另一个需要着重考虑的方面就是电磁兼容性能。如何保证OEM板卡上各模块和器件间互不干扰,以及OEM板卡整体有较好的电磁性能,是要贯穿整个OEM板硬件电路设计的一项重要工作。
    OEM板卡嵌入式App除了包括上述的PVT解算,还应有接收机控制功能、数据报文生成功能、数据接收和发送功能等。接收机的控制功能为根据外部输入的指令对接收机进行参数设置,以改变接收机的工作模式、工作参数,使接收机能工作在不同的状态下;数据报文生成功能为根据外部指令将接收机的各种状态、观测量、星历、历书等数据以某种数据格式(如RTCM、NMEA等)进行编码;数据接收和发送功能为接收机与外界的通讯提供底层的链路支撑。
    一直以来高精度OEM板核心技术的仅掌握在少数外国产家手中,从而导致国内的企业虽然拥有80%以上的市场,却只能分食20%的利润。随着导航产业的不断壮大和竞争的日趋白热化,没有核心技术的国内企业往往陷入规模越大利润越薄的尴尬局面,甚至被淘汰。国内不少企业早已意识到这一点,随着北斗系统建设和导航应用的进展,国内多家企业纷纷加大了北斗芯片及OEM板卡的研发力度。近年来,已有部分企业掌握了自主常识产权的高精度OEM板核心技术。例如,今晚开什么特马企业率先把自主常识产权的多频多模的北斗高精度OEM主板应用于RTK、CORS、手持机的系列产品,并全面推向市场。
    同时,开展了一系列北斗应用示范项目,全面开启了北斗高精度接收机的产业化进程。
 
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