采用片上系統(tǒng)技術(shù)的星載微型GNSS接收機的設(shè)計

1、采用片上系統(tǒng)（SoC）技術(shù)的星載微型 GNSS接收機的設(shè)計針對皮納型衛(wèi)星對星載 GNSS 接收機小型化、低功耗以 及低成本的要求，提出采用片上系統(tǒng)（SoC）技術(shù)完成星載微型 GNSS 接收機的設(shè)計。在該設(shè)計中，基帶信號的捕獲、 跟蹤與定位解算等全部在 SoC 內(nèi)完成， 具有集成度高與系統(tǒng) 靈活性高等優(yōu)勢。將設(shè)計的原理樣機與國外幾款星載微型 GNSS 接收機性能參數(shù)進行對比，結(jié)果表明，該星載微型GNSS接收機原理樣機重約 45 g，尺寸100x60 X 10 mm，功 耗約3 W，兼容處理 GPS L1/L2、BDS B1/B2信號能力，可 完成雙模單頻、 單模雙頻、 雙模雙頻等多種模式的靈活配

2、置， 綜合性能要優(yōu)于現(xiàn)有的幾款星載微型 GNSS 接收機。 近年 來，皮納型衛(wèi)星憑借其發(fā)射靈活、成本低、功能密度高、研 制周期短等一系列優(yōu)勢，成為當(dāng)前國際空間技術(shù)研究的熱 點。由于皮納型衛(wèi)星平臺空間有限，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS ）接收機往往成為皮納型衛(wèi)星唯一的測控手段。但 是受限于皮納型衛(wèi)星平臺空間有限、功率有限、成本有限等 條件，相對于傳統(tǒng)星載 GNSS 接收機，對皮納型衛(wèi)星的星載 GNSS 接收機提出小型化、 低功耗、低成本等更高的要求。 商 用現(xiàn)貨（COTS ）器件具有高集成、高密度、功耗低、價格 低、易于采購、設(shè)計靈活、性能好等優(yōu)點。此外 SoC 技術(shù)的 發(fā)展，使得由多個分立器件實

3、現(xiàn)的功能集成到單芯片，具有功耗低、集成度高、系統(tǒng)靈活性高等優(yōu)勢。因此把先進的商 用 SoC 技術(shù)應(yīng)用于星載 GNSS 接收機， 能很好滿足皮納型衛(wèi) 星對星載 GNSS 接收機的應(yīng)用需求。 在目前國外皮納型衛(wèi) 星 GNSS 接收機設(shè)計中， SGR-05U 接收機與 Plaoenix GPS 接收機均采用GP4020基帶處理芯片，僅包含 12個GPS L1 C/A 碼相關(guān)器通道，處理能力不足， FOTON 雙頻 GPS 接收 機也僅能處理 L1 C/A 和 L2C 信號， 采用 TI C6457 數(shù)字信號 處理器，功耗偏高約 4.5 W。當(dāng)前基于COTS器件的GNSS 接收機在國外皮納型衛(wèi)星中已經(jīng)

4、得到了較為普遍的應(yīng)用，多 采用成熟的 GP4020 基帶處理芯片或處理器與 FPGA 架構(gòu)， 但在國內(nèi)， 采用 COTS 器件來設(shè)計星載微型 GNSS 接收機還 處于起步階段。 因此， 有必要開發(fā)出一款采用商用 SoC 技術(shù) 兼容 BDS/GPS 信號的星載微型 GNSS 接收機，提高接收機 集成度與靈活性并降低接收機功耗以及成本，從而滿足皮納 型衛(wèi)星對微型 GNSS 接收機空間應(yīng)用提出的要求。 文中對 采用 SoC 的星載微型 GNSS 接收機系統(tǒng)設(shè)計進行介紹， 包括 接收機系統(tǒng)架構(gòu)以及采用 SoC 的軟硬件協(xié)同設(shè)計方法， 將設(shè) 計的原理樣機與國外幾款星載微型GNSS接收機性能參數(shù)進行對比，

5、驗證了本文提出的采用SoC技術(shù)設(shè)計的星載微型GNSS 接收機的優(yōu)越性。 1 星載微型 GNSS 接收機系統(tǒng)設(shè)計 1.1 系統(tǒng)架構(gòu) 星載微型 GNSS 接收機采用全 COTS 器件方 案，接收機為單板結(jié)構(gòu)，主要由射頻模塊與基帶信號處理模 塊兩部分組成，如圖 1 所示。其中，射頻模塊完成 GNSS 信 號的放大、濾波、下變頻及 AD 采樣處理，并將獲得的數(shù)字 中頻信號提供給基帶信號處理模塊。射頻模塊時鐘電路主要 為 GNSS 射頻芯片提供基準(zhǔn)時鐘，可以完成內(nèi)外鐘切換。基 帶信號處理模塊完成捕獲、跟蹤、位同步、幀同步及定位解 算等一系列處理，最后將定位結(jié)果發(fā)送給數(shù)管單元?；鶐?塊同時實現(xiàn) DC/D

6、C 電源轉(zhuǎn)換，為射頻模塊、基帶模塊供電。 基帶信號的捕獲、 跟蹤與定位解算等全部在 SoC 內(nèi)完成， 具 有集成度高與系統(tǒng)靈活性高等優(yōu)勢，整個系統(tǒng)設(shè)計中最關(guān)鍵 的部分就是SoC軟硬件協(xié)同設(shè)計。1.2 SoC的軟硬件協(xié)同設(shè) 計 SoC 內(nèi)包含 ARM 硬核處理器、 可編程邏輯以及多種外設(shè) IO 資源，處理器與可編程邏輯部分、外設(shè) IO 接口通過片上 AXl4 總線進行通信，集成處理器和可編程邏輯的系統(tǒng)架構(gòu) 提供了傳統(tǒng)的雙芯片（外部處理器與 FPGA 配合）無法提供 的 IO 帶寬、處理效率和功耗估算。 SoC 具有高性能、靈活 的可配置性能、小型化低功耗特性等優(yōu)勢，用于星載微型 GNSS 接收機

7、能很好滿足皮納型衛(wèi)星的應(yīng)用需求。 軟硬件協(xié) 同設(shè)計技術(shù)采用并行設(shè)計和協(xié)同設(shè)計的思想，設(shè)計效率大大 提高，可大幅縮短星載微型 GNSS 接收機開發(fā)周期，完成接 收機的批產(chǎn)，符合快速響應(yīng)、 快速組裝、快速發(fā)射需求。 1.2.1 SoC 硬件設(shè)計 圖 2 給出了整個 SoC 硬件架構(gòu)。 ARM 處理器 作為SoC的核心功能單元，負責(zé) SoC片上AXI4總線上的UART 、CAN 、I2C 、GPIO、FPGA 等外設(shè)資源的配置與通信， 并承擔(dān)導(dǎo)航信息處理任務(wù)。射頻芯片配置代碼以及相關(guān)器代 碼均被封裝為IP核，ARM處理器通過射頻芯片配置 IP核對 射頻芯片的工作模式進行配置， 使其工作在 GPS L

8、1/L2 、BDS B1/B2 工作模式。累加數(shù)據(jù)獲取中斷信號采用 AXI Timer IP 核在 ARM 處理器的控制下產(chǎn)生， AXI Timer IP 核的時鐘由 總線鐘提供。 GPS/BDS 導(dǎo)航信息處理相關(guān)器代碼也被封裝為 IP 核，掛接在 AXI4 總線上。 GPS/BD2 導(dǎo)航信息處理相關(guān) 器，主要完成 GPS L1/L2 、 BD2 B1/B2 信號的載波剝離、碼 剝離和相關(guān)累加，并送給處理器完成信號的捕獲跟蹤環(huán)路處 理。導(dǎo)航信息處理相關(guān)器主要由快速捕獲模塊、通用相關(guān)通 道模塊、 L1PL2P 相關(guān)通道模塊和噪聲通道模塊組成，各個 模塊之間流程如圖3所示。在SoC硬件環(huán)境的構(gòu)建中

9、，累加數(shù)據(jù)獲取中斷直接采用了定時器 IP 核，在處理器的控制下 完成計時， 周期性的產(chǎn)生中斷信號， 完成累加量的及時獲取。 射頻芯片配置模塊也被封裝成用戶 IP 核，在初始化階段完成 射頻芯片的配置， 分別配置成 GPS L1/L2 、BD2 B1/B2 通道。 經(jīng)驗證，自定義射頻芯片配置模塊可以直接復(fù)用，有效減少 設(shè)計復(fù)雜度，提高了設(shè)計效率。 硬件環(huán)境構(gòu)建完成后，即 可在 EDK XPS ( Xilinx Platform Studio )中生成網(wǎng)表、比特 流文件。 1.2.2 SoC 導(dǎo)航信息處理軟件設(shè)計 導(dǎo)航信息處理軟 件通過控制數(shù)字通道相關(guān)器，對其產(chǎn)生的通道累加數(shù)據(jù)和通 道測量數(shù)據(jù)進行

10、處理，完成 GPS和BDS導(dǎo)航信號的捕獲跟 蹤、定位解算，可提供每秒一次的用戶時間、位置、速度， 并通過接口輸出給數(shù)管分系統(tǒng)。導(dǎo)航信息處理軟件模塊主要 分為環(huán)路處理模塊、定位解算模塊、選星及參數(shù)預(yù)報模塊及 數(shù)據(jù)交換模塊。圖4給出了星載微型 GNSS接收機導(dǎo)航信息 處理軟件模塊間信息流圖。 環(huán)路處理模塊完成導(dǎo)航星信號 初始捕獲后，實現(xiàn)信號的精確跟蹤與同步，并對信號解調(diào)轉(zhuǎn) 為原始電文幀。具體需完成的操作包括：碼精確跟蹤、載波 精確跟蹤、比特位同步、電文幀同步。 定位解算模塊的功 能是通過環(huán)路處理模塊提供的載波相位、 碼相位、載波周數(shù)、 傳輸延時、導(dǎo)航衛(wèi)星歷書及其時間標(biāo)記等信息的處理，得到 偽距、偽

11、距變化率、導(dǎo)航衛(wèi)星時鐘及導(dǎo)航衛(wèi)星歷書、衛(wèi)星星 歷等測量信息，用這些測量數(shù)據(jù)進行導(dǎo)航定位求解，以確定 出用戶當(dāng)前運動狀態(tài)(包括三維位置坐標(biāo)、三維速度坐標(biāo)分 量等)和時間信息。 選星及參數(shù)預(yù)報模塊的功能是為通道 提供搜捕依據(jù)，即預(yù)報可以捕獲的導(dǎo)航衛(wèi)星及對應(yīng)的多普勒 頻移。 數(shù)據(jù)交換模塊的功能是按照數(shù)據(jù)通信協(xié)議將定位結(jié) 果和原始觀測數(shù)據(jù)輸出給數(shù)管分系統(tǒng)。 完成導(dǎo)航信息處理 軟件代碼的編寫，在 EDK SDK ( Software Development Kit ) 中生成二進制可執(zhí)行文件后，即可進行軟硬件協(xié)同設(shè)計，在 SDK 中與生成的硬件平臺文件、板級支持包文件以及 bit 文 件進行協(xié)同調(diào)試，調(diào)

12、試通過后，即可生成 .mcs 文件，并燒錄 到 flash 中。 2 原理樣機 圖 5 給出了采用 SoC 技術(shù)實現(xiàn)的 星載微型 GNSS 接收機原理樣機圖（與市面某款智能手機對 比圖），接收機尺寸大小為 100x60x10 mm，重量約45 g,功 耗約為3 W，兼容處理 GPS L1/L2、BDS B1/B2信號，符合 皮納型衛(wèi)星對接收機提出的應(yīng)用需求。 表 1 給出了采用 SoC技術(shù)實現(xiàn)的星載微型 GNSS接收機與幾款國外微型 GNSS 接收機主要性能對比。由表中結(jié)果可知，采用 SoC 技 術(shù)實現(xiàn)的微型 GNSS 接收機尺寸與 OEM4-G2L 接收機相當(dāng)， 比其余三款接收機尺寸稍大 ;

13、質(zhì)量與 SGR-05U 接收機和 OEM4-G2L 接收機相當(dāng)，比 Phoenix 接收機略大，但遠小于 FOTON 接收機 ;功耗比 FOTON 接收機小，比其余三款接收 機大 ;通道數(shù)比 FOTON 接收機少，但是比其余三款接收機多， SGR-05U 接收機與 Phoenix 接收機只能處理 L1C/A 碼， OEM4-G2L 接收機能處理 L1C/A 碼與 L2 P 碼， FOTON 接收 機能處理 L1 C/A 碼與 L2C 碼，采用 SoC 技術(shù)實現(xiàn)的星載微 型 GNSS 接收機能處理 L1 C/A 碼、 L1 P 碼、 L2 P 碼、 B1 民碼與 B2 民碼，處理能力更強，更為靈活。由此可見，采 用SoC技術(shù)實現(xiàn)的星載微