多体制卫星导航终端设备硬件设计与研究

华中科技大学硕士学位论文多体制卫星导航终端设备硬件设计与研究姓名：邹晖申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：杨灵20080531I摘要硬件平台是多体制卫星导航终端设备的一个重要组成部分，为基带处理和解算软件提供了运行环境和最底层的硬件支持。本文针对接收机需求和结构特点进行了硬件选择和相关模块的设计，详细论述了作者在多体制导航终端设备的研制过程中进行硬件设计的思路和具体所作的一些硬件设计要点。文中首先介绍了卫星定位的基本原理，描述了接收机的结构。然后根据接收机需求对现行基带和处理器硬件实现技术进行了对比和分析，比较了FPGA、DSP、ASIC的特点，比较了ARM、PowerPC、X86的特点，根据硬件设计的要求选择了FPGA+ARM的实现路径。接着设计了以FPGA+ARM为核心的硬件平台结构，根据需求选择了S3C2440和EP3C120。对S3C2440以及外接FLASH、SDRAM、实时时钟等做了详细设计；对EP3C120及FPGA配置下载电路和外接SDRAM、FLASH做了详细设计；设计了串行接口、USB接口、FPGA与ARM通信接口、LCD显示接口、键盘扫描电路等。最后，对每个模块的功耗进行了分析，设计了电源。文章的重点在于设计思路。对数字接收机结构和功能的分析引出了硬件实现技术方案的讨论结果。根据技术方案设计的硬件平台结构和需求，决定了核心器件及外围器件。由核心器件的特点设计了FPGA与处理器之间的接口。依据功耗估计给出了电源的选择准则。关键词：北斗导航定位系统GPSS3C2440EP3C120IIAbstractThisissueresearchanddevelopmentonintegratedsatellitenavigationequipment,witchintegratedthefirst-generationofBeidou,thesecond-generationofBeidouandGPS,withpositioning,communicationsandmeasuringdistancefunctions.Thesystemhardwareplatformisanimportantcomponentoftheradio,supportsbasebandprocessorandsoftwareoperatingenvironment.Thispaperisbasedonneedsandstructuralcharacteristics,whichchoiceshardwareanddesignsrelatedmodules,anddiscussestheauthor’shardwaredesignideasandsomespecifichardwaredesignfeatures.Thispaperhasintroducedthebasicprinciplesofsatellitepositioninganddescribedthestructureoftheradiofirst.Hascomparedandanalyzedtheexistinghardwaretechnologiesofbasebandandprocessoraccordingtothedemandssecond,comparedoftheFPGA,DSP,ASIC,comparedARM,PowerPC,X86,thendecidedtouseFPGA+ARM.HasdesignedthehardwarestructureisbasedonEP3C120andS3C2440.HasdesignedFLASH、SDRAM、RTC,hasdesignedFPGAconfigurationcircuitsandSDRAM、FLASH,hasdesignedserialport、USBinterface、FPGA&ARMinterface、LCDinterface、keyscancircuits.Hasanalysisanddesignedthepowersupplyfinally.Thearticlefocusedondesignideas.Analysistothedigitalreceiver’sstructureandfunctionleadstoaresultofhardwareimplementationtechnicaldiscussions.Structureofthehardwareplatformandthedemanddeterminethecoredevices’andperipheraldevices’selection.ThecoredevicesdecidetheinterfacebetweentheFPGAandprocessor.Powerselectioncriteriaarebasedonthepowerestimates.Keywords：BeiDouNavigation&PositioningSystemGPSS3C2440EP3C120独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日11绪论1.1课题背景美国的GPS是最早的卫星定位系统，在相当长的一段时间内，它垄断了全球军用和民用卫星导航市场。美国不仅经济上收获颇丰，而且军事上优势巨大。在海湾战争中GPS首次得到实战应用。随后，在科索沃战争、阿富汗战争和伊拉克战争中大显身手。更为严重的是，长期以来美国对本国军方提供的是精确定位信号，对其他用户提供的则是加了干扰的低精度信号。这意味着地球上任何一个目标的准确位置，只有美国人一清二楚，而其他国家只能知道个大概。更有甚者，在海湾战争期间，美国还曾置欧盟各国利益不顾，一度关闭了对欧洲的GPS服务。为了打破美国的垄断，世界主要发达国家都积极投入卫星定位技术的研究，并在导航、定位、通信等领域发展出了许多应用项目。目前国外主要的卫星定位系统有：美国的全球卫星定位系统（GPS）、欧盟的伽利略（Galileo）系统、俄罗斯的全球导航卫星系统（GLONASS），此外日本也有自己的QZSS计划[1]。这些卫星定位系统除了欧盟的伽利略以外，都是由各国军方研制并投入使用的，虽然也有民用能力，但是其核心技术和主导权掌握在政府手中。一旦定位系统的所有国限制我国使用，则我国一系列基于精确定位的应用都会受到影响，因此我国也在建设自己的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力，而且还在定位性能上有所创新；它不仅能使用户知道自己的所在位置，而且还可以告诉别人自己的位置，这是其他几个导航系统科所不具备的[2]。与此同时我国还致力于提高“北斗”卫星导航系统与其他全球卫星导航系统的兼容性，以提高卫星定位、导航和授时服务的性能。在定位能力上，北斗系统和GPS系统还有差距，所以很多应用还是以GPS为主，但是考虑到安全因素，最好又能够同时使用我国自己的北斗系统，因此需要研制集多种卫星导航定位系统于一身的多体制卫星导航接收机，它可以在多个定位系统中切换。当国外定位系统不可用时，可以使用我国自己的北斗系统。21.2卫星导航定位系统1.2.1北斗卫星导航系统北斗导航系统是我国自己的卫星导航系统，最早在1983年提出，它利用地球同步卫星为我国军用和民用用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的全天候、区域性服务。此系统是一个分阶段演进的卫星导航系统，第一阶段的实验系统被称作“北斗一代”，第二阶段的实用系统称作“北斗二代”。“北斗一号”卫星定位系统由两颗地球静止卫星、一颗在轨备份卫星、中心控制系统、标校系统和各类用户机组成，覆盖范围为北纬5°—55°，东经70°—140°；定位精度为水平精度百余米，设立标校站后可精确至数十米；系统能容纳的用户数为每小时数万户[3]。其突出持点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、复杂性主要集中于地面中心处理站。“北斗二号”卫星导航系统是中国拥有自主知识产权的全球卫星导航系统，空间段由5颗静止轨道卫星和7颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式：开放服务和授权服务。开放服务在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为十余米，授时精度为数十纳秒，测速精度高达1米／秒以下；授权服务能向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息[4][5]。中国已于2007年初发射两颗“北斗二号”导航卫星，计划于2010年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。1.2.2全球卫星定位系统全球定位系统(简称GPS)是美国国防部为军事目的建立的，旨在彻底解决海上、空中和陆地运载工具导航和定位的卫星定位系统，前身是1958年底美国海军武器实验室开始实施建立的“海军导航卫星系统（NNSS）”[6]。GPS采纳NNSS的成功经验，采用“多星、高轨、高频、测时—测距”体制，实现了全球覆盖、全天候、高精度、实时导航定位。它能为美国军队提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间；单机定位精度优于10米，采用差分定位时，精度可达厘米和毫米级。GPS经过三个阶段的研制，耗时20年，投资300亿美元，3于1993年6月基本建成[7]。由于电子技术和微处理技术的发展，GPS接收机的集成化程度越来越高，整机尺寸和重量大大减少，价格也在迅速下降，GPS接收机趋向于集成化和小型化。研制、生产高动态、多通道的接收机，对具有很重要的现实意义。高精度的差分GPS接收机可进行实时差分导航定位，以消除定位误差，提高定位精度。目前很多国家在研究将移动通信结合到GPS中去，以实现双向报文通信和定位报道。1.3本文主要任务及内容安排本文立足于卫星定位的基本原理，了解了各种卫星定位系统的特点，从定位终端设备的基本组成结构出发，讨论了卫星定位终端设备的实现技术路径。同时，根据应用和资源需求选择了合适的FPGA和核心处理器，对终端设备硬件平台进行了详细的分析和设计。本文在结构上分为五章：第一章：绪论。介绍了本课题的应用背景以及国内外卫星导航定位系统的发展情况，介绍了本文的主要任务和组织结构。第二章：卫星定位系统实现技术路线。介绍了卫星定位的基本原理和卫星定位终端设备的结构，分析了多体制定位系统的实现路径。第三章：平台硬件设计。主要分析了定位终端设备的资源需求，依此进行芯片选型，同时描述了硬件平台的设计与实现。第四章：系统测试。主要描述了硬件平台各主要模块的调试方法及测试结果，同时提出了一些设计中的问题和改进方案。第五章：总结。论文工作总结42接收机结构及实现技术路线2.1卫星导航定位原理2.1.1到达时间（TOA）测距原理GPS和北斗导航系统都是利用到达时间（TOA）测距原理来确定用户的位置[7]。这种原理需要测量信号从已知的发射源发出至到达用户接收机所经历的时间。将这个信号传播时间乘以信号的速度，便得到从发射源到接收机的距离。接收机通过测量从多个位置已知的发射源所广播的信号的传播时间，利用多球相交于一点的原理便能通过几何计算确定自己的位置。如图2.1所示。卫星3卫星1卫星2R1R2R3A图2.1三球到达时间测距原理在