0 引言

    衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)對一個國家的軍事以及國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義,，而跟蹤環(huán)路的設(shè)計是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度和穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵性作用,。同時,，跟蹤環(huán)路的參數(shù)設(shè)計復(fù)雜，特別是在高動態(tài)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,，跟蹤環(huán)路的設(shè)計,、驗證、實現(xiàn)成為了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán),。

    硬件在環(huán)(Hardware-in-the-Loop,，HIL)是一種半實物實時仿真技術(shù)，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的半實物實時仿真測試,，可以方便快速地實現(xiàn)設(shè)計方案的驗證與優(yōu)化,，縮短開發(fā)周期，降低研發(fā)成本,。HIL先后在航天航空、軍事,、汽車等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用^[1],，目前GPS接收機(jī)的設(shè)計流程都是先采用MATLAB進(jìn)行算法設(shè)計、驗證,，然后再采用Verilog或者VHDL進(jìn)行算法實現(xiàn)^[2-4],，該過程反復(fù)迭代,、費(fèi)時。由此將HIL運(yùn)用于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)跟蹤環(huán)路的設(shè)計,，將MATLAB/Simulink設(shè)計的算法模型通過以太網(wǎng)與FPGA聯(lián)合起來進(jìn)行在線調(diào)試,，對驗證與優(yōu)化跟蹤環(huán)路的設(shè)計、縮短開發(fā)周期,、降低研發(fā)成本具有重要意義,。

    本系統(tǒng)將FPGA設(shè)計的GPS基帶處理單元與Simulink設(shè)計的跟蹤環(huán)路進(jìn)行聯(lián)合^[5]，將基帶信號處理模塊集成到FPGA上,，在Simulink上完成鎖相環(huán)路,、鎖頻環(huán)路和延遲鎖定環(huán)路設(shè)計，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)FPGA與Simulink之間的通信,，完成一個實時的硬件在環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計,，通過Simulink設(shè)計能夠方便快速地設(shè)計鎖相環(huán)路、鎖頻環(huán)路和延遲鎖定環(huán)路,，同時能夠方便及時地調(diào)整鎖相環(huán)路,、鎖頻環(huán)路和延遲鎖定環(huán)路的參數(shù)，實時調(diào)整跟蹤環(huán)路參數(shù),，加快跟蹤環(huán)路設(shè)計,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    系統(tǒng)整體設(shè)計原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要分為4個單元：MAX2769B射頻單元,、基帶信號處理單元,、以太網(wǎng)通信單元、PC端Simulink,。MAX2769B射頻單元用于完成衛(wèi)星信號的濾波,、下變頻以及模數(shù)轉(zhuǎn)換；基帶信號處理單元用于低中頻衛(wèi)星信號的捕獲,、跟蹤,，其中LEON3處理器用于完成數(shù)據(jù)運(yùn)算、控制捕獲和跟蹤模塊的運(yùn)行,、中斷,，以及接收捕獲和跟蹤模塊的信息；以太網(wǎng)通信單元用于PC端Simulink跟蹤環(huán)路模塊與衛(wèi)星信號基帶處理單元之間的通信,；PC端Simulink用于接收基帶信號處理單元的I/Q支路的相關(guān)積分結(jié)果,，并輸入鎖相環(huán)路、鎖頻環(huán)路和延遲鎖定環(huán)路,，得到環(huán)路處理結(jié)果,，再通過以太網(wǎng)反饋到基帶信號處理單元。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 衛(wèi)星信號捕獲模塊設(shè)計與實現(xiàn)

    衛(wèi)星信號捕獲模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示,，采用Verilog^[6]語言進(jìn)行設(shè)計,，嵌入AHB總線的從設(shè)備接口掛載到AHB總線上,，實現(xiàn)與LEON3處理器的數(shù)據(jù)交互。該模塊采用雙口RAM作為數(shù)據(jù)緩存RAM,，用于緩存AHB總線與捕獲模塊的交互數(shù)據(jù),，實現(xiàn)跨時鐘域處理，解決時鐘不一致的問題,。在捕獲控制模塊的控制下,，將緩存之后低中頻數(shù)據(jù)與載波發(fā)生器相乘進(jìn)行下變頻，再經(jīng)過一個CIC（Cascade Integrator Comb）陷波器進(jìn)行干擾檢測和干擾抵消,，然后通過分段匹配濾波器進(jìn)行相關(guān)積分并緩存到RAM中供FFT處理,，處理完成后進(jìn)行門限判斷，并將捕獲結(jié)果緩存至雙口RAM,，同時申請捕獲中斷,，通知LENON3處理器進(jìn)行讀取。

2.2 衛(wèi)星信號跟蹤模塊設(shè)計與實現(xiàn)

    衛(wèi)星信號跟蹤模塊中嵌入AHB從設(shè)備接口,，并掛載在AHB總線上,，如圖3所示。將捕獲模塊中經(jīng)過干擾抵消后的信號作為跟蹤模塊的輸入信號,，載波發(fā)生器模塊對輸入信號進(jìn)行第一級下變頻,，再進(jìn)行半帶濾波處理。由于衛(wèi)星處于運(yùn)動之中,，衛(wèi)星相對本地接收機(jī)頻偏也是在不斷地變化,，需要通過載波發(fā)生器模塊對信號的頻偏進(jìn)行跟蹤，實現(xiàn)第二級精準(zhǔn)變頻,；然后與本地C/A碼發(fā)生器產(chǎn)生的超前碼,、即時碼、延遲碼進(jìn)行相關(guān)累加,，并將結(jié)果發(fā)送到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)緩存FIFO中,；再通過以太網(wǎng)傳送到Simulink中，經(jīng)過載波環(huán)和碼環(huán)的計算,，再把載波頻率控制字以及C/A碼生成控制字反饋到各通道的載波發(fā)生器和本地C/A碼發(fā)生器,，實現(xiàn)對信號的跟蹤鎖定。

2.3 以太網(wǎng)通信單元設(shè)計與實現(xiàn)

    以太網(wǎng)通信單元采用100 MHz的通信速率實現(xiàn)基帶信號處理單元與PC端Simulink之間的高速通信,。如圖4所示,，基帶處理單元將相關(guān)累加結(jié)果通過以太網(wǎng)從設(shè)備接口傳送到接收模塊中，在接收緩存后PC端Simulink通過以太網(wǎng)主設(shè)備接口讀取相關(guān)累加結(jié)果,，并進(jìn)行載波環(huán)和碼環(huán)的計算,，然后再通過主設(shè)備接口將計算得出的載波頻率控制字以及C/A碼生成控制字發(fā)送到發(fā)送緩存，最后由衛(wèi)星信號基帶處理單元進(jìn)行讀取,。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 衛(wèi)星信號捕獲模塊程序設(shè)計

    衛(wèi)星信號捕獲程序流程如圖5所示,。系統(tǒng)上電后，開啟捕獲中斷,，將CIC濾波器參數(shù)發(fā)送到捕獲數(shù)據(jù)緩存RAM,，配置硬件CIC濾波器模塊并回讀反饋參數(shù)，然后判斷CIC濾波器反饋參數(shù)是否大于門限值,。如果大于門限值,，則重新計算CIC濾波器參數(shù)，否則等待捕獲中斷,。捕獲中斷響應(yīng)后,，讀取捕獲的成功標(biāo)志位，如果捕獲成功,，則讀取捕獲緩存RAM中的捕獲衛(wèi)星號,、碼相位、相關(guān)值最大值及其對應(yīng)行列值,，求出衛(wèi)星多普勒頻率,，并將結(jié)果送到跟蹤數(shù)據(jù)緩存RAM；如果捕獲不成功則首先判斷該衛(wèi)星所有頻點是否搜索完畢,，如果沒搜索完畢則搜索下一個頻點,。在捕獲到一個衛(wèi)星或者搜索完成某一衛(wèi)星的所有頻點后，統(tǒng)計已捕獲,、未捕獲,、需要重捕的衛(wèi)星數(shù)，將捕獲信息發(fā)送到捕獲緩存RAM,，進(jìn)行下一個衛(wèi)星的捕獲,。

3.2 衛(wèi)星信號跟蹤模塊程序設(shè)計

    衛(wèi)星信號跟蹤程序主要負(fù)責(zé)跟蹤通道狀態(tài)的控制，讀取PC端Simulink通過以太網(wǎng)傳送過來的載波環(huán)以及碼環(huán)參數(shù),，并將環(huán)路參數(shù)反饋到各個跟蹤通道,，其流程如圖6所示。

    首先中斷開始后讀取各個跟蹤通道的相干積分值,、多普勒頻率以及碼相位信息,，根據(jù)當(dāng)前支路的 I、Q積分值計算出通道的載噪比進(jìn)行通道失鎖檢測,。如果跟蹤通道失鎖,，則釋放跟蹤通道并對該衛(wèi)星重新進(jìn)行捕獲，否則將讀取Simulink通過以太網(wǎng)傳送過來的載波環(huán)以及碼環(huán)參數(shù)并更新到跟蹤緩存 RAM 中,，鎖存各個跟蹤通道的數(shù)據(jù),，退出中斷。

3.3 基于Simulink的跟蹤環(huán)路設(shè)計

    采用Simulink設(shè)計跟蹤環(huán)路,，其中載波環(huán)路采用一階鎖頻環(huán)路輔助二階鎖相環(huán)路結(jié)構(gòu)進(jìn)行載波鑒相,、鑒頻以及環(huán)路濾波,，碼環(huán)采用一階延遲鎖定環(huán)路進(jìn)行鑒相以及環(huán)路濾波，如圖7所示,。

    在捕獲成功后,，F(xiàn)PGA通過以太網(wǎng)向Simulink發(fā)送開始信號和I/Q相關(guān)值，然后相關(guān)值采樣模塊將I/Q支路即時碼相關(guān)值送入鑒頻器和鑒相器進(jìn)行鑒頻和鑒相處理,，最后鎖相環(huán)路濾波器將鑒相結(jié)果和鎖頻環(huán)路濾波器的處理結(jié)果進(jìn)行濾波處理,，得到載波頻率控制字。同樣地,，將I/Q支路的延遲,、超前碼相關(guān)值送入碼環(huán)鑒相器進(jìn)行鑒相處理，處理完成后通過碼環(huán)濾波器進(jìn)行濾波,，最后將濾波后輸出的載波頻率控制字和C/A碼產(chǎn)生控制字通過以太網(wǎng)反饋到基帶信號處理單元的跟蹤通道中,。

4 系統(tǒng)的測試與分析

    本系統(tǒng)采用Quartus II 11.0進(jìn)行設(shè)計、綜合,，并將設(shè)計結(jié)果下載到DE2-115開發(fā)板的上進(jìn)行驗證,。通過Simulink軟件自帶的示波器顯示其中兩個跟蹤環(huán)路的I、Q支路波形,，如圖8所示,。同時，將I,、Q支路的輸出的（I,，Q）數(shù)據(jù)對一一標(biāo)記在相量圖中，如圖9所示,，當(dāng)鎖相環(huán)鎖定信號后,，相位差異值就基本上在零附近晃動，I支路信號功率保持最大,，Q支路信號功率接近于0,，即大致有一半的數(shù)據(jù)對集中在正向I軸，而另一半集中在負(fù)向I軸^[7],，由此,，跟蹤環(huán)路完成了對衛(wèi)星信號的跟蹤鎖定。最后將6個通道的導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行定位解算,，得到的經(jīng)緯度為：113.392862,、23.037484，通過谷歌地圖顯示,，得到誤差范圍在5 m之內(nèi),，滿足定位需求。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計了FPGA聯(lián)合Simulink的GPS接收機(jī)基帶處理硬件在環(huán)系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,，借助FPGA的高速并行處理能力實現(xiàn)衛(wèi)星信號的捕獲,，通過以太網(wǎng)完成Simulink設(shè)計的跟蹤環(huán)路與基帶處理單元的實時通信。實驗結(jié)果表明,，該系統(tǒng)能夠完成衛(wèi)星信號的捕獲和跟蹤,，通過Simulink實時在線修改跟蹤環(huán)路參數(shù)，在算法模型以及參數(shù)最終確定后再轉(zhuǎn)換為VHDL/Verilog,，避免了反復(fù)修改算法、參數(shù)而需反復(fù)編譯綜合FPGA,，提高了開發(fā)效率,，方便了后期算法優(yōu)化、升級,。

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