开源的GNSS研究接收机--Namuru

开源的GNSS研究接收机--NamuruPeterJMumford,KevinParkinson,AndrewGDempster新南威尔士州大学简介PeterMumford是澳大利亚新南威尔士大学测量及空间信息系统研究学院的一名研究员。目前，他正在做关于GNSS接收机设计以及INS/GNSS集成的工作。Peter拥有一个测量方向的工程学位以及一个数学的学术学位，擅长FPGA、嵌入式软件以及GNSS领域的电子设计。KevinParkinson完成工程学位学习之后就一直从事于电子设计工作。目前他正在新南威尔士大学卫星导航与定位团队里攻读工程硕士学位。他感兴趣的研究方向包括GPS系统、FPGA设计、嵌入式系统、低功耗射频设计以及信号处理。AndrewDempster教授是2004年新南威尔士州大学测量与空间信息系统学院的特约研究指导。他的研究内容是GPS接收机信号处理、软件分支以及新的定位技术。不仅如此，在Auspace有限公司，他是参与澳大利亚第一代GPS接收机开发的项目经理及系统工程师。摘要Namuru是新南威尔士州大学开发的开放式GNSS接收机研究平台的名称。本文讲述了最新的设计细节、结果以及Namuru项目团队所获得的成果。该平台包含三个方面：定制电路板，基带处理器（相关单元）逻辑设计以及应用固件.电路板以及基带处理器设计都是开放的。定制电路板包含一个L1GPS射频前端以及Altera或Cyclone公司的FPGA芯片、三轴加速度传感器及各种各样的IO口和存储单元。电路板已经过精心设计以保证射频前端周围的噪声尽可能的低。电路板设计的细节及性能在本文中也有介绍。该固件在FPGA芯片中运行的是NiosII软核处理器。基于GPS框架的几个版本的固件都有二进制或其他备用的开源GNSS项目固件所适合的格式。这款基带处理器设计的简洁直接以使之尽可能广地满足GNSS相关的研究人员的开发需要。研究人员可以修改或添加FPGA中的VHDL或Verilog代码对原有功能进行提高或加强。Namuru平台支持各种领域的研究，如研究新信号、多径效应、微弱信号、信号干扰、定时应用、多传感器信息融合、捕获策略以及可重复配置设计。Altera公司的设计工具Quartus和NiosIIIDE分别用来开发逻辑单元和固件。Altera是最好的FPGA芯片生产商之一，其开发工具非常易于开发，受到大家的广泛好评。Namuru平台上的L1频段GPS接收机参考设计拥有可与大多数基于ASIC标准、用于一般市场上的接收机相比拟的性能。测试表明，在一定的动态范围内，GPS仿真器产生的信号与真实信号差不多。测试的结果以及改进方法都已给出。介绍Namuru接收机项目自2004年开始至今，目前已开发出包括一块高性能开发板、VHDL和Verilog基带设计以及使用Altera公司NiosII软核处理器的MitelGPS结构的固件。测试结果表明它拥有SignavMG5001接收机类似的性能[1]。更加详细的内容参见参考文献2、3。从数据以及动态测试得出的讨论及结果会在一个简单的关于敏感性研究的过程中得以介绍。另外，我们对接收机中使用到的跟踪环路的轮廓进行了描述，还对将来的研究方向进行了展望。NAMURU电路板电路板如图1所示。靠近中间位置的是Altera公司的CycloneIIFPGA，它有35,000个逻辑单元。在右边屏幕盒下面是射频前端。一块Zarlink2015芯片与各种滤波器电路、低噪声滤波器和一个温度补偿晶振一起使用。图2显示了射频前端的放大细节。FPGA芯片的左边是一个三轴加速度计，上面是存储芯片(SRAM和Flash)。左边有电源、实时时钟以及非易失性存储电路。在电路板底层，从左到右依次是两个串行端口、一个网口、JTag口、两个SMA时钟输入端及一个天线SMA输入端。顶层右边有两排通用IO口插槽。图1.Namuru电路板V1图2.射频前端细节射频前端的低噪声性能是电路板设计的一个关键问题。这是由逻辑电路泄漏到前端所产生噪声的可能性决定的，它对微弱GPS型号的捕获要求很高。关于设计的讨论在文献5中。前端的低噪声运行性能可在文献6中得到证实，在那里，没有Zarlink2015芯片的IF输出中发现的特定的噪声。基带处理器基带处理器的参考设计已经有刚开始的VHDL以及后来的Verilog语言开发出来。该设计非常的通用以保证尽可能广地使用范围及方便的修改途径。图3提供了跟踪模块(基带处理器)的综述；在这个实例中有12个通道。图4展现了跟踪通道的详细信息，它拥有三个复合码发生器，每个发生器都被半个C/A芯片隔离开来。图3.跟踪模型概览图4.跟踪通道细节跟踪模块通过Altera公司的Avalon总线连接到Altera公司的NiosII软核CPU并作为外围存储器映射出现在地址空间中。模块的配置和控制通过写相关寄存器来实现，数据采集通过读相关寄存器实现。数据手册(见[7])提供了详细的寄存器操作指令及映射。应用软件ZarlinkGP215射频芯片与两个芯片GP2021和GP4020配合进行基带处理。这些芯片的开发可追溯到1900年通用汽车公司的Plessey和Mitel。可能是为了支持芯片销售，应用代码的开发使用通用汽车公司的GPSBuilder(见[8])及后来Mitel的GPSArchitect(见[9])。GPSArchitect软件是与硬件一起作为开发套件发布的。该套件曾一段时间被南威尔士大学测量学院以及战略信息系统“捕获实验室”用于探索各种各样的GPS研究方向。该软件已用于Signav使用ZarlinkGP2015和GP4020芯片的MG5001接收机。它很显然可用于Namuru平台，我们可以稳定地运行并得到准确的PVT结果。本文中的测试结果是通过在Namuru和SignavMG5001这两个平台上运行Architect变量所获得的。能够在不同平台上运行本质上相同的软件提供了一种便捷的收据数据和性能对比的途径。Architect软件拥有对每个通道进行码相关运算提供一系列搜索策略的工具。相关的能量阈值是根据检测的敏感性和误检测可能性的折中决定的。检测到之前的相关能量公式如下：(1)其中，I是同相相关器的组合，Q是正交相关器的组合。在GP2021/GP4020中拥有两个复合相关器；prompt和tracking分别占用半个芯片。跟踪可被设置成early、late、early-late和dithered这几种模式。在Namuru中，正如之前提到的那样，具有3个复合相关器early、prompt和late，每个相关器都占用半块芯片。对于运行在MG5001上的Architect，prompt和tracking用以产生相关能量，而跟踪设置为early。对已运行在Namuru上的Architect，这三个复合相关器都用于产生码相关运算的能量。对于运行在MG5001上的Architect，在相关峰值成功检测到之前，跟踪转换到early–late模式并且相关能量由以下公式得到：(2)其中IP和QP分别为prompt分支的同步和正交。低通滤波器用来滤除噪声。在Namuru平台上运行的Architect也使用同样的公式来得出之前的检测码相关能量。载波锁相通过使用公式中的prompt分支得出：(3)其中IP-1和QP-1都是之前一个时间点所采集的数值。同样，此处也需要一个低通滤波器来滤除噪声。Architect所使用的跟踪环路是载波跟踪的频率锁相环(FFL)以及一个拥有码跟踪辅助的延时锁相环。为了将不同的数字控制振荡器的数据宽度以及20MHz(GP2021/GP4020为40/7MHz)的累积采样率考虑进去，Namuru所需要的环路软件需要进行一些修改。其中，FFL使用向量积鉴别器。(4)码跟踪换使用dot-product鉴别器，对于MG3001上的Architect，可以用以下公式给出：(5)其中，IT和QT是early–late分支下的同相和正交，IP和QP是prompt分支下的同相和正交。对于运行在Namuru平台上的Architect，dot-product鉴别器通过以下公式给出：(6)基于以上原因，有必要对软件进行一些修改。在这里，区分先后两个版本就取决于一个芯片，即比较分隔半个芯片的GP2021/GP4020。芯片分隔会影响跟踪性能，在一定程度上，越近性能越好(参见[10]375页)。跟踪环滤波参数的调整可以提高特定应用下的跟踪性能，比如，环路参数可被调谐成已知交通工具的动态性能。相关能量的阈值同样可以被调谐以选择一个能满足特定应用的敏感性和误锁定的的折中数值。本文接下来将会对载波及码跟踪环路进行讨论。静态测试Namuru和SignavMG5001接收器通过分路器连接到位于新南威尔士州大学电气工程楼顶的天线上。两个接收器都运行Architect软件的一个变量。经过一系列尝试之后将数据采集到，采集的结果见[4]。表1中为其中一项测试的总结结果。图5和图7为水平散布图。从这些测试中得到的主要结论是这两种接收机的静态测试性能几乎没有差别。另外，我们可以看到Namuru接收机在进行大部分基本位置计算时都能够正确地运行。表1静态测试结果(17小时)图5Namuru水平误差（17小时）图6实验设置图7MG5001水平误差（17小时）动态测试在动态情况下的测试是在使用斯伯伦公司的GSS6560多通道GPS仿真器提供射频信号下进行的。Namuru和SignavMG5001接收机通过分路器连接到斯伯伦的输出端，并且对这两个变量分别运行Architect软件。设置步骤参见图6。我们为测试创建了两种情境。第一种情境是一辆车沿着直线轨道以变化的加速度运动的仿真。第二种是一架飞机在固定的高度上以恒定速度作圆周运动，向心加速度不变的仿真。这两种情境都非常便于计算水平和高度误差。我们采集了许多数据集，并介绍了每种情境下有代表性的一个数据集。图8图9MG5001的高度误差表2直线情况下的动态测试结果(3518epochs)直线情境下是以几分钟的地址速度开始的以保证接收器能都在数据采集之前获得PVT数据。然后沿着轨道加速度可加至20ms-2(~2G)。圆周运动情况下提供固定的向心加速度16ms-2(~1.6G)。接收机在记录数据之前根据给定的时间启动。该测试运行时间为1小时。从图12和图15中可见，这两个接收机均可提供看起来可以接受的轨迹图，没有严重误差。表格3和图13、图14、图16、图17表明Namuru的跟踪效果不如MG5001。图10Namuru直线情况下的水平误差图11Namuru直线情况下的水平误差这两项动态测试表明Mamuru的跟踪性能并不如MG5001。一个原因是Namuru的环路参数并没有设置准确，在Architect团建中的跟踪环路并没有根据Namuru的NCO的宽度以及加速度采样率的不同作相应的修改。这个问题目前还没有得到解决并且值得Namuru的性能接近MG5001的工作还在进行中。下面会对Architect中实行的跟踪环路作一番讨论。图12MG5001圆周运动情况下图13MG5001圆周运动情况下的水平误差图14MG5001圆周运动情况下的垂直误差表3圆周运动情况下的测试结果(3518epochs)图15Namuru圆周运动情况图16Namuru圆周运动情况下的水平误差图17Namuru圆周运动情况下的垂直误差ARCHITECT中的跟踪环Architect软件包含能够进行倍乘和除法的移位单元一降低处理器的负担，以及数据的缩放以保持载波和码跟踪软件的精度。如果缺少注释，将很难仅仅从源代码理解这些环路。在这个部分，载波和码跟踪环路将得到测试。图18关于I和Q的复平面Architect使用一个FFL进行载波跟踪。使用了向量积鉴别器(公式4)并且环路滤波器是一个二阶的带宽为1Hz的Jaffe-Rechtin滤波器(见[1112])。载波环路关闭后，相位的变化(Δφ,见图18)将被鉴相器检测出来并反馈至环路滤波器并产生载波NCO的一个修正值出现在另一端。以下两个公式代表环路滤波器；其中，ω是载