Es wird eine Beidou/GPS-Ortungsmodul-Lösung mit unabhängigen Chips mit geistigen Eigentumsrechten als Kern vorgeschlagen. Es verwendet einen hochintegrierten Funkfrequenzchip und einen stromsparenden Navigations-Basisbandprozessor. Es kann Beidou- und GPS-Signale gleichzeitig empfangen, um eine hochpräzise Positionierung, Geschwindigkeitsmessung und Zeitmessung zu erreichen, die vollständig mit GPS-Modulen kompatibel ist und sich sehr gut für zivile Navigationsanwendungen eignet.
Am 27. Dezember 2021 kündigte die chinesische Regierung an, dass das Beidou-Navigationssatellitensystem (BDS) von nun an offiziell und kostenlos hochwertige Allwetter-Navigations-, Ortungs-, Zeit- und Geschwindigkeitsmessdienste für den asiatisch-pazifischen Raum bereitstellen wird [1]. Das Beidou-System ist ein unabhängig entwickeltes und unabhängig betriebenes globales Satellitennavigationssystem, das in meinem Land eingeführt wird. Es soll im Jahr 2020 vollständig fertiggestellt sein. Es wird mit dem Global Positioning System (GPS ) der Vereinigten Staaten, dem russischen GLONASS und dem europäischen Satellitennavigationssystem Galileo zusammenarbeiten. (Galileo) wurde vom Internationalen Komitee für globale Satellitennavigationssysteme (ICG) als die vier wichtigsten Satellitennavigationssysteme der Welt bezeichnet.
Unser Land beschleunigt den Aufbau des Beidou-Satellitennavigationssystems und geht allmählich zu einem Dienstleistungssystem über, bei dem die Beidou-Satellitennavigation mit anderen Satellitennavigationssystemen für wichtige Branchen und Bereiche der Volkswirtschaft und der öffentlichen Sicherheit kompatibel ist. Ausländische Unternehmen nutzen ihre kumulierten Vorteile bei Technologie, Produkten und Marken im Bereich GPS, um auf dem chinesischen Markt zu konkurrieren [2]. Um die Förderung und Anwendung von Beidou im Bereich der nationalen wirtschaftlichen Sicherheit und die rasche Förderung auf dem Massenmarkt in einem relativ kurzen Zeitraum zu vervollständigen, ist der erste Schritt, um einen Empfänger-Chip mit Kern unabhängigen Rechte an geistigem Eigentum zu entwerfen [3]; der zweite Schritt ist, um schnell zu starten Pin-Größe kompatibel, Die Beidou-Modul mit kompatiblen Schnittstellenprotokoll, vergleichbaren Stromverbrauch und erschwinglichen Preis kann das GPS-Modul in situ zu ersetzen.
1. Überblick über die Entwicklung von ausländischen GPS-Chips
GPS-Module sind mit der Entwicklung von GPS-Chips gewachsen. Der Chip ist einer der wichtigsten Bestandteile des GPS-Moduls. Die Qualität des Chips bestimmt zu einem großen Teil die Leistung des GPS-Produkts. Das Blockdiagramm eines typischen GPS-Moduls [ 4] ist in Abbildung 1 dargestellt.
LNA erkennt und verarbeitet GPS-Funkfrequenzsignale, und das RF-Front-End wandelt das GHz-Satellitensignal in eine Zwischenfrequenz um, die von digitalen Schaltungen verarbeitet werden kann; die GPS-Engine wird zur Verarbeitung von GPS-Zwischenfrequenzsignalen verwendet, und ROM und Flash speichern das eingebettete GPS. Der Softwarecode arbeitet mit der GPS-Engine zusammen, um das GPS-Satellitensignal zu suchen und zu verfolgen, die CPU löst die Benutzerkoordinaten und die Geschwindigkeit.
Das GPS-Modul kann in drei Teile unterteilt werden: RF-Einheit, Motoreinheit und CPU-Verarbeitungseinheit. Die Entwicklung von GPS-Chips ist der Prozess der Integration dieser drei Einheiten.
Erste Generation: 1990er Jahre, 3-stufiges Design, geringe Integration, die drei Teile der Schaltung sind diskrete Chips, wie in jedem Modul in Abbildung 1 gezeigt;
Zweite Generation: Ende des 20. Jahrhunderts, zweistufiges Design, LNA, Filter, Mischer, Frequenzsynthesizer und Oszillator sind in einem HF-Chip integriert; die Basisbandverarbeitung integriert Motor, CPU, Speicher, Energieverwaltung und Taktgeber usw. [5]; in Abbildung 1 als gestrichelte Linie dargestellt.Dritte Generation: Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wird das SOC-Design, von der HF- bis zur digitalen Basisbandverarbeitung, in einen einzigen Chip integriert [6], der nur noch einfache Peripheriegeräte benötigt.
Das Design des GPS-Moduls kann mit Hilfe von Software vervollständigt werden, und es werden mehr Funktionen integriert, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Derzeit wird im Ausland die vierte Generation von GPS-Chips entwickelt, die sich in Richtung geringer Größe, hoher Empfindlichkeit, geringem Stromverbrauch, Multimodus (kompatibel mit Navigationssystemen wie Galileo) und A-GPS entwickeln und in hohem Maße in eine Vielzahl von Anwendungen integriert sind, wie im äußeren Rahmen von Abbildung 1 gezeigt wird. Der dedizierte Chip des Beidou-Moduls umfasst hauptsächlich Chips für die Funkfrequenz- und Basisband-Signalverarbeitung, die das Kernstück des Beidou-Moduls bilden. Derzeit verfügen etwa 10 Unternehmen auf dem chinesischen Festland über Kapazitäten für die Entwicklung und Forschung von Beidou-Chips und -Modulen.
Die inländischen Ortungsmodule haben drei Hauptentwicklungsphasen durchlaufen: alle wurden importiert, dann wurde schrittweise ein teilweise unabhängiges Design entwickelt und schließlich ein unabhängiges integriertes Design der gesamten Maschine. Die inländische Beidou-Chip-Architektur hat ebenfalls diese drei Hauptentwicklungsphasen durchlaufen:
Die erste Stufe: ausländische kommerzielle RF-Chip FPGA allgemeinen Prozessor; der Chip-Design ist in der Prototyp-Phase. Das Beidou-Modul hat ein extrem hohes Volumen, einen hohen Stromverbrauch und hohe Kosten. Es kann nur für bestimmte Industriekunden verwendet werden und kann nicht in großem Maßstab kommerzialisiert werden[7];
Die zweite Stufe: inländische Radiofrequenz-Chip inländischen Motor allgemeinen Prozessor; ähnlich wie die zweite Generation GPS-Chip [8];
Die dritte Stufe: inländische Radiofrequenz-Chip inländischen Basisband-Prozessor; ähnlich wie die dritte Generation GPS-Chip.
Der größte Vorteil von Beidou liegt in seinen unabhängigen Eigentumsrechten. Ausländische Unternehmen sind nicht in der Lage, die Schlüsselalgorithmen und technischen Parameter der Beidou-Navigation und -Ortung zu erhalten, was objektiv ein technisches Hindernis für Unternehmen mit ausländischen Investitionen darstellt. Es ist unrealistisch und kommt einer Aufgabe der technologischen Vorherrschaft gleich, vom Ausland zu erwarten, dass es entsprechende Kernchips bereitstellt. Daher können die Kerntechnologien von Beidou wie Chips und Kernalgorithmen nur unabhängig entwickelt werden.
Derzeit sind mehrere inländische Unternehmen an der Forschung und Entwicklung von Beidou-HF-Chips beteiligt, darunter Guangzhou Runxin, Xi'an Huaxun, Beijing Guangjia usw. Guangzhou Runxin, Xi'an Huaxun und Southwest Integration haben bei kommerziellen Anwendungen gute Ergebnisse erzielt. Zu den wichtigsten Herstellern von Beidou-Basisbandchips gehören Higer Communications, Hexinxingtong, Xi'an Huaxun, Dongguan Taidou, Dongguan United Star und andere Unternehmen. Das technische Niveau der Beidou-Komponenten in meinem Land hat ein unabhängiges integriertes Design erreicht. Gegenwärtig basieren die inländischen Beidou-Multimode-Lösungen noch immer hauptsächlich auf Funkfrequenz-Basisband-Anwendungsprozessorlösungen, und es sind ASIC-Lösungen mit integrierten Prozessoren im Basisband entstanden. Da sich das Beidou-System allmählich verbessert, wird die Leistungslücke zwischen den von inländischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen hergestellten Chips und den ausländischen Produkten immer kleiner. Obwohl das UGB-2PT-Modul von HeZhongStrong weniger empfindlich ist, ist sein Preis von 199 Yuan bereits mit dem eines GPS-Moduls vergleichbar. Auch taiwanesische Unternehmen haben Beidou/GPS-Module auf der Basis der MT3332/3333-Chips von MediaTek entwickelt.
2. Entwurf und Implementierung eines Beidou/GPS-Ortungsmoduls
Wenn Beidou in den zivilen Bereich vordringen und mit GPS konkurrieren will, wird es zwangsläufig mit GPS kompatibel sein. Die Verwendung des Beidou-Moduls als Ersatz für das ursprüngliche GPS-Modul darf die Nutzererfahrung nicht beeinträchtigen und die ursprünglichen Nutzungsgewohnheiten nicht verändern, d. h. die Aufrüstung und der Austausch des Ortungsmoduls müssen für die Nutzer transparent sein. Dies setzt voraus, dass das Beidou-Modul in Bezug auf Größe, Schnittstellenprotokoll usw. mit dem GPS-Modul kompatibel ist und dass sein Stromverbrauch und seine Kosten mit denen des GPS-Moduls vergleichbar sind, um wettbewerbsfähig zu sein. Nach Prüfung des technischen Niveaus und der Liefersituation der wichtigsten Anbieter von Beidou-Chips wurde festgestellt, dass das Beidou-Modul eine zweistufige Architektur aufweist. Der detaillierte Entwurf sieht wie folgt aus.
1) Blockschaltbild des Beidou-Moduls
Das Beidou-Modul besteht hauptsächlich aus einem Beidou (B1)/GPS (L1)-Funkfrequenz-Front-End-Chip und einem Basisband-Verarbeitungschip. Das Satellitensignal wird durch den LNA in der aktiven B1L1-Antenne verstärkt, und das Satellitensignal wird in ein Zwischenfrequenzsignal umgewandelt, das für die AD-Abtastung durch das B1L1-Funkfrequenz-Frontend geeignet ist; die interne AD-Abtasteinheit des RF-Frontends gibt das analoge Zwischenfrequenzsignal digital an den Basisband-Chip aus. Der Basisband-Chip führt die Erfassung des Satellitensignals, die Schleifenverfolgung, die Bitsynchronisierung, die Rahmensynchronisierung, die Messung, die Nachrichtenextraktion, die Positionsberechnung usw. durch und gibt schließlich die Positionsdaten aus. Das Beidou-Modul wählt hochintegrierte, vollständig SMD-gefertigte Komponenten mit einer sehr geringen Anzahl von Chips, was die Anforderungen an das Hardware-Design reduziert.
2) RF-Front-End-Design B1L1 Der ausgewählte RF-Front-End-Chip ist der RF-Front-End-Chip RX3007 der Firma Runxin, der den B1L1-Frequenzpunkt integriert [9]. Der RX3007 verwendet die 0,13μm RFCMOS-Technologie, eine einmalige Umwandlung mit einer Low-IF-Empfangsarchitektur, eine parallele Zweikanal-Frequenzumwandlungsverarbeitung, eine hohe Integration und wenige periphere Schaltungskomponenten. Das RF-Frontend vieler Beidou-Module ist mit zwei max2769-Chips aufgebaut. Jeder max2769 verbraucht 20 mA Strom und Leistung, so dass die beiden Chips zusammen 40 mA verbrauchen. Der RX3007 verbraucht jedoch nur 28 mA, was den Stromverbrauch erheblich senkt und die Modulgröße und die Kosten erheblich reduzieren kann.
3) Entwurf der Basisbandverarbeitung. Der Basisband-Chip verwendet das digitale Beidou/GPS-Basisbandsystem von Haiger.
Chip auf Systemebene HGBD102. HBD102 nimmt 0,13μm CMOS-Prozess, integrierte Beidou/GPS Dual-Mode-Erfassung Motor und Tracking-Kanal, 2-stellige digitale IF-Schnittstelle, nahtlos mit Mainstream-RF-Frontend-Chips; die Erfassung und Tracking-Empfindlichkeiten sind -143dBm bzw. -157dBm, und die Leistung erreicht GPS Nr. Dritte Generation Chip-Ebene; die Ausgangsdaten sind kompatibel mit dem NMEA0183-Protokoll. Der eingebettete Prozessor kann die Verwaltung des Systemstatus, die Verwaltung und Steuerung von Kanälen und zugehörigen Ressourcen, die Verarbeitung des empfangenen Signals und die Berechnung von Messungen durchführen. Die standardisierte Navigationsberechnungssoftware wird für die Suche und Verfolgung von Satellitensignalen verwendet. Sie kann die Koordinaten und die Geschwindigkeit des Benutzers ermitteln und berechnen. Die Software wurde auf dem Flash-Chip verankert und erfordert keine weitere Entwicklung und Fehlersuche. Das Modul verfügt über eine Schnittstelle für Software-Upgrades, um Programm-Updates zu erleichtern.
4) Integrierte Software für die Navigation
Die integrierte Navigationssoftware vervollständigt die Kontroll- und Datenfusionsberechnung des Softwaresystems des Beidou-Moduls. Abbildung 3 zeigt den Ablauf der Datenverarbeitung.
Nach dem Einschalten des Moduls wird die Initialisierungseinheit
Die Satellitensignal-Erfassungseinheit führt gleichzeitig die Wiedererfassung oder Neu-Erfassung der Beidou/GPS-Satelliten gemäß den eingestellten Parametern durch; nach erfolgreicher Erfassung tritt sie in den Signalverfolgungsprozess ein, zu dessen Hauptaufgaben die Schleifensteuerung, die Bitsynchronisierung, die Rahmensynchronisierung und der Nachrichtenempfang gehören; GPS und Beidou sind zwei unabhängige globale Satellitennavigations- und Ortungssysteme. Es gibt Unterschiede zwischen den Systemen in Bezug auf Koordinaten, Zeit, Ephemeriden, Pseudo-Entfernungsmessung usw. Daher führt die Datenfusionseinheit die Zeitkonvertierung, die Formatkonvertierung, die Koordinatenkonvertierung, die Kombination von Pseudobereichen, die autonome Integritätsüberwachung (RAIM) und andere Verarbeitungen durch; schließlich führt die Navigationsberechnungseinheit die Berechnung und Ausgabe von Position, Geschwindigkeit, Zeit und anderen Informationen durch.
Jedes Einheitsmodul der integrierten Navigationssoftware ist eine Unteraufgabe des Echtzeitbetriebssystems (RTOS) und wird einheitlich vom RTOS verwaltet.
5) Verwaltung der Uhr
Der Taktgeber wählt einen temperaturkompensierten 16,368-MHz-Quarzoszillator (TCXO) aus, der den RF-Front-End- und Basisband-Chips zur Verfügung gestellt wird. Da der HG-BD102 selbst den für die Echtzeituhr (RTC) erforderlichen 32,678-kHz-Quarz integriert hat, wird ein externer Superkondensator als Backup-Stromversorgung verwendet, um wichtige Daten zu speichern und die Hot-Start-Funktion zu realisieren.
6) Die grafischen Daten des Leistungsvergleichstests, des statischen Tests und des Sportwagentests sind in Abbildung 4 und Abbildung 5 dargestellt.
Unter den gleichen Bedingungen und unter Verwendung des GPS-Moduls als Referenz wurde das Beidou-Modul in Bezug auf die Positionierungsgenauigkeit, die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung, die Erfassungs- und Verfolgungsempfindlichkeit, die Warmstartzeit, die Kaltstartzeit und den Stromverbrauch getestet. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist der Fehler zwischen der Höhengenauigkeit und GPS vernachlässigbar, und der Fehler zwischen der horizontalen Genauigkeit und GPS liegt im Bereich von 8 m. Derzeit befindet sich das Beidou-System noch in der Phase der schrittweisen Entwicklung und Verbesserung. Die Anzahl der Beidou-Satelliten ist geringer als die des GPS. Der einzelne Beidou-Ortungsmodus hat unter bestimmten Bedingungen eine etwas schlechtere Leistung als das GPS-Modul, aber im kombinierten Ortungsmodus ist die Leistung gleichwertig mit der des GPS-Moduls.
3 Schlussfolgerung Das in diesem Entwurf entworfene Beidou-Modul ist in Bezug auf die physische Größe, das Pin-Packaging und das Schnittstellenprotokoll mit herkömmlichen GPS-Modulen kompatibel. Seine Schlüsselindikatoren wie Funktion, Positionierungsgenauigkeit und Geschwindigkeitsmessgenauigkeit liegen nahe am Niveau der gängigen GPS-Module. Es wurde bereits erfolgreich in einem Verkehrsprojekt eingesetzt. [10].
Autor dieses Artikels: Pan Weizhuang Stichworte zu diesem Artikel: Positionierungsmodul