北斗二代接收模块预研报告
背景
“北斗一代”卫星定位系统由两颗地球静止卫星(800e和1400e)、一颗在轨备份卫星(110.50e)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星i和卫星ii同时发送询问信号，径卫星转发器项服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，径卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。
“北斗一代”是双向通讯，而且还要和地面控制中心交换信息，用户数受限，民用并不广泛。
如今卫星导航主要是美国的GPS，在当前卫星导航定位市场上，GPS的占有率高达95%以上。我国正在实施北斗二代卫星导航系统建设，根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。
北斗二代卫星定位原理和GPS一样，接收终端可以兼容设计同时跟踪北斗卫星和GPS卫星，国内运营商已有要求支持北斗授时需求，而且北斗二代是国家战略，北斗卫星定位终端的市场前景也很广阔。
目前国外GPS方案
Ublox和SIRF是国外GPS芯片两大巨头，占到市场的九成，他们最近的芯片方案如下：
Ublox的方案：
SIRF的方案：
他们的处理器都采用ARM。
国内北斗接收机研发情况了解
北京北斗星通和和芯星通都在宣传UM220模块，指标如下：
• 尺寸小（仅40 x 30 x 4mm）。
• 超低功耗（仅350mW）。
• 单芯片支持BD2/GPS功能，无需外接CPU即可直接输出NMEA数据。
• 先进的多路径抑制技术。
• 支持单系统独立定位和多系统联合定位。
• 支持UART，SPI，1PPS，I2C等多种接口。
• SMD表面贴装封装方式，方便客户生产。
内部芯片Nebulas是他们自己的基带芯片，他们没有射频芯片，电话联系了解，他们还不能提供模块样品。
北京东方联星在宣传CC50-BG模块，指标如下：
u 超强信号灵敏度、出众的多路径抑制能力及抗干扰/防欺骗能力；
u 支持多频点、多种升级配置超越主流高端产品；
u 完全自主知识产权；
u 从基带芯片到导航解算完全自主研发，技术支持、产品维护、软件升级、非标定制等均有保障；
u 体积小、功耗低、性能可靠，适于各类载体，如静止、高速运动、高速旋转等载体；
u SMD表面贴装封装方式，方便客户生产。
他们用的芯片Otrack-32也是他们自己设计的基带芯片，射频部分也是和其他厂家合作，正在和他们索取资料，一直还没反馈。
南京博纳雨田是做北斗前端射频芯片设计的，交流多次，正式的芯片还没出来。
从了解来看，国内做北斗导航产品的公司，前期都做一代产品，支持北斗二代还都在起步阶段。
GPS和北斗的比较
目前GPS民用模块只支持L1频点，北斗民用频点是B1。到下列网站下载ICD文件，对比这两个文件可以看出这两个系统的详细差别。
GPS: http://www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/icd200/default.htm
北斗：http://www.beidou.gov.cn
ICD文件包括4部分内容：
1）卫星导航射频信号；
2）扩频测距码；
3）导航电文结构；
4）导航电文参数和算法。
为了保护我国北斗导航产业，北斗的ICD文件只公布了测试版，还没有导航电文的内容，预计2012年底才会陆续完全公布，中国企业可以向总装北斗办申请。
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北斗（B1） |
GPS（L1） |
坐标系 |
中国大地坐标系（CGCS2000） |
世界大地坐标系（WGS-84） |
时间系统零时刻 |
UTC2006年1月1日0时0分0秒 |
UTC1980年1月6日0时0分0秒 |
卫星多址方式 |
CDMA |
CDMA |
工作频点 |
1561.098MHz |
1575.42MHz |
调制方式 |
QPSK |
BPSK |
测距码速率 |
2.046Mcps |
1.023Mcps |
测距码码长 |
2046 chips |
1023 chips |
数据码速率 |
50 bps |
50 bps |
极化方式 |
右旋圆极化（RHCP） |
右旋圆极化（RHCP） |
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原理及方案
方案目标是兼容GPS，模块要能同时利用GPS卫星和北斗卫星进行定位和授时，这也是目前北斗应用推广的主要模式。
通常的GPS模块的原理框图如下，通道部分一般采用专用ASIC实现。
经过调研，射频芯片准备采用博纳雨田的BN630R，BN630R是一款应用于北斗二代卫星导航终端的集成射频芯片，采用一次下变频架构。芯片内部集成了包括LNA，Mixer，集成度相对较高。
主要指标：模拟中频输出Vpp0.8~1V@1KOhm。
接收灵敏度`-110dBm。
62MHz时钟输出。
4位A/D输出。
4个可选工作频段：B1、B2、B3（北斗）和L1（GPS）。
芯片大小7X7mm。
芯片的框图如下，可以有软件或逻辑来配置芯片参数。
数字部分采用Xilinx的Zynq-7020，框图如下。
Xilinx的Zynq-7020芯片中的PS部分包含ARMCortex-A9双核，PL包含220个DSP（乘加器），非常适合基带信号处理，封装小（17X17mm），功耗低（小于1.3W）。
方案的原理框图如下，器件很少。
Z-7020的ARM内部RAM256K，可以外挂RAM，考虑到模块面积，软件建议不要用操作系统，尽量不要外挂RAM，第一版可以外接RAM评估。
如果采用有源天线，图中的LNA可以不用。
逻辑部分功能概述
GPSL1和北斗B1信号强度几乎一样，只是测距码和码长不一样，在逻辑中可以用不同的通道来处理，下图是GPSL1处理通道的实现框图。
C/A码产生的原理如下：
C/A的两个十级m序列的多项式如下：
G1（x）= 1+xE3+xE10
G2（x）= 1+xE2+xE3 +xE6+xE8+xE9+xE10
载波NCO的频率为46.042MHz，C/A码NCO的频率为1.023MHz。
北斗B1通道处理框图如下：
B1频点测距码产生的原理如下：
B1频点测距码的两个十一级m序列的多项式如下：
G1（x）= 1+x+xE7+xE8+xE9+xE10+xE11
G2（x）= 1+x+xE2+xE3+xE4+xE5+ xE8+xE9+xE11
载波NCO的频率为32.098MHz，B1码NCO的频率为2.046MHz。
软件部分功能概述
GPS：
GPS的导航电文格式如下：
共三个数据块，第二个数据块是卫星星历参数，数据有效期是2小时，软件需要根据这些参数计算出任一时刻卫星的位置，并转换成CGCS2000坐标。
每一个子帧中都有一个交换字（HOW），6秒钟循环一次，HOW当中的TOW是周秒计数器，用来计算电文发送时间：
Ts = TOW + （30w + b）X 0.02 + （ c + CP/1023）X0.001 （s）
伪距定义为信号的接收时间和发送时间之间的差值乘以光在真空中的速度c。因为接收机时钟和卫星时钟不同步，所以称为伪距。
下图是TOW在HOW字中的位置：
利用伪距及卫星的空间坐标进行定位计算。
定位的卡尔曼滤波计算。
GPS能同时实现定位和定时，在定位算法求解出接收机钟差Δt后，就可以调整接收机时间和GPS时间一致。
导航电文中的第三个数据块主要是历书参数，给出不同时刻所有卫星位置，只是精度大大降低，不能用来定位计算，有效期半年。如果用户接收机上保存有效历书，并且用户大致知道自己当前位置和时间（RTC），可以计算出各卫星大致的空间位置，确定它们是否可见，可以节省搜索、捕捉卫星的时间。
用户接口，标准NMEA0183数据格式输出，数据刷新率暂为1Hz。
软件的另一个任务就是参与所有通道跟踪环的计算，计算幅值和比较大小，可以单独用一个核来实现。下图中有两个环，一个是载频跟踪环，一个码跟踪环。载波跟踪环要完成二阶（或三阶）环路滤波计算，每个通道分别计算。码环环路要完成鉴别器和滤波的功能。
下图的虚线右边部分需要软件参与。
北斗：
从目前公开资料来看，北斗原理和GPS一样，软件部分的功能一样，详细要参考北斗的ICD文件。