多模增强型卫星导航接收机芯片的机遇与挑战

《多模增强型卫星导航接收机芯片的机遇与挑战》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多模增强型卫星导航接收机芯片的机遇与挑战（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、多模增强型卫星导航接收机芯片 机遇与挑战 多模增强型卫星导航接收机芯片 机遇与挑战 曹阳1,2，朱小虎1 （1.武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430079； 2. 武汉大学 软件工程国家重点实验室，湖北 武汉 430072） 摘摘 要要：本文介绍了全球卫星导航系统研究现状和发展趋势，分析了全球卫星导航系统的市场需求和应用前景，并指出卫星导航接收机向多模增强型方向发展的必然趋势，最后详细阐述了多模增强型卫星导航接收机芯片技术的架构和解决方案。 关键词：关键词：全球卫星导航系统、接收机、多模增强型、接收机芯片组 1研究现状 1963 年 12 月第一颗美国导航卫星入轨运行，开创了卫星无线电导

2、航的新时代。1994年 3 月，美国第二代卫星导航系统 - GPS 卫星全球定位系统（24 颗工作卫星）建成，并发展成为当代跨学科、跨行业、广用途、高效益的综合性高新技术。与此同时，前苏联也在1996 年建立了自已的全球卫星导航系统 - GLONASS。 然而，GPS 和 GLONASS 尚存在以下不足和问题：1）定位精度较低；2）缺乏完好性；3）缺乏服务的可用性和连续性；4）国际上的民用组织对其无法控制。 欧盟出于政治、军事、经济方面的考虑，于 1990 年提出了发展全球卫星导航系统的设想，1999 年 2 月正式公布拟实施的伽利略计划（GALILEO） 。伽利略计划将于 2010 年前在三

3、个轨道面上部署 30 颗卫星，其服务功能有：1）公开服务（OS） ：向全球免费提供优于 GPS现行民用精度的导航、定位和授时服务；2）生命安全服务（SOLS） ：具有完好性保障、能对系统故障、卫星和信号的健康状况向用户及时报警；3）商业服务（GS） ：是一种收费的增值服务；4）公共事业服务（PRS） ：是一种高安全性、高完好性和高保障性的专门服务。5）搜救服务 （SAR） ： 即将遇难者的求救信号和精确位置集成到 GALILEO 卫星的导航数据中转发给现有的国际卫星紧急搜救系统中心（COSPAS-SARSAT） 。 2003 年 10 月，中欧正式签署伽利略计划合作协定。目前，中欧已成功启动了

4、涵盖伽利略系统的空间段、地面段和应用段领域的 11 个项目的技术谈判，其中 7 个项目已签合作协议，包括渔业应用、基于位置服务的标准研究、电离层研究、上行站前端、搜救转发器、激光后向反射器、中国伽利略测试认证环境等。 卫星导航系统由卫星、 地面控制站和用户设备 3 部分组成， 用户设备指的是卫星导航接收机，它是所有应用的基础。接收机由主机板及外围设备组成，而主机板的核心是 IC 芯片。所以，芯片是卫星导航应用产业化的核心基础，要推动我国卫星导航应用产业的发展，就必须拥有自主知识产权的卫星导航接收机芯片组。 2市场需求 卫星导航市场无论是从规模还是业务类型来说都非常巨大。据统计，全球 GPS 用

5、户已超过 400 万，相关产品和相关服务年产值达 80 亿美元；而据欧盟预计，在 20052025 年这20 年间， 欧洲卫星导航用户设备市场规模可望达到 880 亿欧元， 业务市场可达 1120 亿欧元，由伽利略计划带来的欧洲卫星导航设备出口市场估计约有 700 亿欧元。 就我国而言，截止到“十五”末期，我国卫星导航应用市场总产值达到 70 多亿元人民币，导航定位运营服务产值超过 30 亿元人民币（表 1 显示了 2000 到 2005 年间我国卫星导航应用市场现状） 。 表 1. 20002005 年间中国卫星导航应用市场现状（单位：亿元） 应用 2000 2001 2002 2003 2

6、004 2005 车辆监控 0.8 1.5 5.0 12.0 23.0 42.0 车辆导航 0 0.1 0.3 3.0 8.5 16.0 通 信 0 0 0 0.2 0.5 3.0 军 用 0.8 2.0 5.0 7.5 12.0 21.0 测 绘 1.4 2.1 2.8 3.2 3.5 3.8 船 舶 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 2.8 个人跟踪 0 0 0 0.1 0.7 2.2 娱乐消费 0.5 0.9 1.5 2.0 3.5 4.8 时 间 0.2 0.5 2.0 4.5 6.0 7.0 信息服务 0.2 0.5 3.0 5.0 10.0 19.0 总 计 4.4 8.6

7、21.1 39.5 70.2 121.6 我国卫星导航应用领域广阔， 传统的测绘应用和军工应用比重逐年下降， 正在从专业化走向大众化。在应用领域中，车载应用的比重最大，约占总量的 50%左右。据有关部门预测， 未来几年内每年将有10万辆以上的汽车装备卫星导航系统， 每年的相关产值将增长710亿元。 3发展趋势 3.1 多模兼容是必然方向 提高定位精度、 改善用户体验不仅是目前主流导航服务的持续要求， 也是将卫星导航定位服务推广到多样化的消费电子产品领域的重要技术保障。但目前单一依靠 GPS 系统的技术还难以满足全方位的应用需求。 随着伽利略系统投入使用，卫星导航将从 GPS 时代向 GNSS（

8、全球卫星导航系统）时代转变，形成 GPS+Galileo（伽利略系统）+其它系统（如 GLONASS、北斗）的多系统并存的局面。GNSS 在可用性、连续性和完好性方面的保障将远比单一 GPS 好。伽利略系统与 GPS 配合使用可大幅提高导航卫星的可用性，使单一的 GPS 市区可用性从 55%提高到GPS/Galileo 共用时的 95%。由于伽利略系统的初始设计已充分考虑了与 GPS 的融合，这就将形成 GPS/Galileo 组合的 GNSS 多模兼容接收机应用的批量市场，多模接收机在性价比上将大大超过单一系统的接收机。因此，多模兼容是卫星导航接收机发展的必然方向。 3.2 高精度增强型是目

9、标 高精度是卫星导航系统及其接收机追求的目标。卫星导航系统的精度一直受到电离层、对流层、多径效应和电磁干扰等一系列问题的影响。为了提高 GPS 的定位精度，新一代的GPS 卫星将发射 L5 频率，同时在 L2、L5 频率上增发 C/A 码和新的 PRN 码，民用用户可利用双频消除电离层影响，增加定位精度。因此，新一代的卫星导航接收机必需拥有接收 L波段增强信号的能力（如表 2 所示） 。 表 2 全球三大卫星导航系统性能比较 系统名称系统名称 组成组成 用途用途 精度精度 进展进展 美国 GPS 包括 24 颗卫星，于1993 年全部建成 军民 两用 约为 10 米 正在试验第二代卫星系统，计

10、划发射20 颗卫星，定位精度将达到 1 毫米 俄罗斯 GLONASS 包括 24 颗卫星 军民 两用 约为 1 米 目前有 17 颗卫星在轨道上运行， 计划2008 年全部部署到位 欧洲 GALILEO 包括 30 颗卫星 主要 为民用 不超过 1 米 30 颗卫星于 2006 年至 2010 年间分批发射进入太空，定位服务最早于2008 年开始展开 3.3 与移动通信融合是客观需求 卫星导航与移动通信的融合， 将使卫星导航如虎添翼。 通过接收移动运营商提供的广域和区域精密差分定位信号， 可以为用户提供米级到厘米级的定位服务； 通过接收移动运营商提供的增值服务信息，可以为用户提供实时交通、天气

11、预报、卫星广播和移动电视等增值服务和多媒体娱乐信息。近年来，定位手机和车载移动定位产品销售的大幅增长说明，与移动通信融合是卫星导航应用市场的客观需求和发展方向。 4多模增强型接收机芯片技术 传统的卫星导航接收机主要由天线、前置低噪声放大器、射频前端芯片和基带处理芯片组成，接收机的各个部分均使用专用集成电路（ASIC）对信号进行处理，运算速度快，但设计定型后难以改变（如图 1 所示） 。 图 1 卫星导航接收机结构框图 随着卫星导航接收机向多模兼容的方向发展， 这种以硬件为基础的传统解决方案将面临系统开发时间长、开发费用上升、不易升级等问题。因此，多模增强型接收机必然采用基于软件的解决方案，接收

12、机芯片对信号的处理过程软件应可编程。 多模增强型接收机的硬件部分由 5 部分组成：多功能接收天线、多模射频接收芯片、差分信息及多媒体信息接收芯片、基带处理芯片和显示终端（如图 2 所示） 。 低噪声放大器带通滤波器RF前端芯片基带处理器ROM代码晶振晶振LC带通滤波器Flash EPROM (可选)EEPROM (可选)天线USART接口USB接口GPIO接口SPI接口图 2 多模增强型卫星导航接收机的主要组成框图 多功能天线能够接收 L 波段的导航卫星信号和差分及多媒体信息流，带前置放大，对选定的频率有很好的响应灵敏度。根据接收机功能要求的不同，天线带宽有所差异。 多模射频接收芯片，用来接收

13、多模的（如 GPS/Galileo）卫星定位信号。它的架构基于软件， 只需通过简单的软件升级便能灵活地支持多种模式的接收。 它集成片上高增益低噪声放大器、线性自动增益控制和数字中频模数转换器，采样操作可利用软件配置。它的数字中频滤波器是软件可编程的，能同时支持 GPS 和伽利略运作，也可单独支持 GPS 运作。 差分信息和多媒体接收芯片，用于接收卫星或地面的差分信息和多媒体信息流，为导航模块提供差分信息，以解算高精度定位数据，提高系统定位精度；同时为用户提供增值服务和多媒体娱乐信息。 基带处理芯片采用 ARM 架构，对接收到的卫星信号进行实时处理。它运行相应的导航数据处理算法和系统软件，解码差

14、分信息和多媒体信息，对接收机前端和外设进行控制。 显示模块是人机交互界面，它显示电子地图和多媒体内容。定位信息通过电子地图为用户提供导航服务，多媒体数据流通过屏幕为用户提供娱乐功能。 基于软件的多模增强型接收机芯片的工作模式和接收频段完全可编程， 通过更换接收芯片的程序来适应多频段和多模的工作方式。 这不但降低了开发费用， 同时也大大缩短了新产品的上市时间。 5结论 芯片组和主机板是卫星导航应用产业化的核心基础，多模增强型接收机是卫星导航从GPS 时代向 GNSS 时代转变的必然选择。我们必须抓住这个机遇，自主研发制造应用于多模接收的芯片组和主机板， 在此基础上进行接收机产品的开发， 促进我国卫星导航应用产业向深度和广度方向发展，并带动其他相关行业的技术升级和创新。 作者简介： 曹 阳,教授,博士生导师。 中国通信学会专用集成电路设计专委会委员、 中国通信学会通信软件专委会委员。主要研究方向为：计算机网络与安全、SoC设计理论与技术。 朱小虎,博士研究生。主要研究方向为：超大规模集成电路设计、验证方法学。