基于SOC的星載微型GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)皮納型衛(wèi)星對(duì)星載GNSS接收機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)。在該設(shè)計(jì)中，基帶信號(hào)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(shì)。將設(shè)計(jì)的原理樣機(jī)與國(guó)外幾款星載微型GNSS接收機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，該星載微型GNSS接收機(jī)原理樣機(jī)重約45 g，尺寸100x60×10 mm，功耗約3 W，兼容處理GPS L1/L2、BDS B1/B2信號(hào)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置，綜合性能要優(yōu)于現(xiàn)有的幾款星載微型GNSS接收機(jī)。

近年來(lái)，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(shì)，成為當(dāng)前國(guó)際空間技術(shù)研究的熱點(diǎn)。由于皮納型衛(wèi)星平臺(tái)空間有限，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)往往成為皮納型衛(wèi)星唯一的測(cè)控手段。但是受限于皮納型衛(wèi)星平臺(tái)空間有限、功率有限、成本有限等條件，相對(duì)于傳統(tǒng)星載GNSS接收機(jī)，對(duì)皮納型衛(wèi)星的星載GNSS接收機(jī)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(jià)格低、易于采購(gòu)、設(shè)計(jì)靈活、性能好等優(yōu)點(diǎn)。此外SoC技術(shù)的發(fā)展，使得由多個(gè)分立器件實(shí)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(shì)。因此把先進(jìn)的商用SoC技術(shù)應(yīng)用于星載GNSS接收機(jī)，能很好滿足皮納型衛(wèi)星對(duì)星載GNSS接收機(jī)的應(yīng)用需求。

在目前國(guó)外皮納型衛(wèi)星GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)中，SGR-05U接收機(jī)與Plaoenix GPS接收機(jī)均采用GP4020基帶處理芯片，僅包含12個(gè)GPS L1 C/A碼相關(guān)器通道，處理能力不足，F(xiàn)OTON雙頻GPS接收機(jī)也僅能處理L1 C/A和L2C信號(hào)，采用TI C6457數(shù)字信號(hào)處理器，功耗偏高約4.5 W。當(dāng)前基于COTS器件的GNSS接收機(jī)在國(guó)外皮納型衛(wèi)星中已經(jīng)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(guó)內(nèi)，采用COTS器件來(lái)設(shè)計(jì)星載微型GNSS接收機(jī)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(hào)的星載微型GNSS接收機(jī)，提高接收機(jī)集成度與靈活性并降低接收機(jī)功耗以及成本，從而滿足皮納型衛(wèi)星對(duì)微型GNSS接收機(jī)空間應(yīng)用提出的要求。

文中對(duì)采用SoC的星載微型GNSS接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，包括接收機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)以及采用SoC的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)的原理樣機(jī)與國(guó)外幾款星載微型GNSS接收機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文提出的采用SoC技術(shù)設(shè)計(jì)的星載微型GNSS接收機(jī)的優(yōu)越性。

1 星載微型GNSS接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

星載微型GNSS接收機(jī)采用全COTS器件方案，接收機(jī)為單板結(jié)構(gòu)，主要由射頻模塊與基帶信號(hào)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(hào)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(hào)提供給基帶信號(hào)處理模塊。射頻模塊時(shí)鐘電路主要為GNSS射頻芯片提供基準(zhǔn)時(shí)鐘，可以完成內(nèi)外鐘切換。基帶信號(hào)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K同時(shí)實(shí)現(xiàn)DC/DC電源轉(zhuǎn)換，為射頻模塊、基帶模塊供電。

基帶信號(hào)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(shì)，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分就是SoC軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。

1.2 SoC的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

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(guò)片上AXl4總線進(jìn)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(wú)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(shì)，用于星載微型GNSS接收機(jī)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(jì)技術(shù)采用并行設(shè)計(jì)和協(xié)同設(shè)計(jì)的思想，設(shè)計(jì)效率大大提高，可大幅縮短星載微型GNSS接收機(jī)開發(fā)周期，完成接收機(jī)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(jì)

圖2給出了整個(gè)SoC硬件架構(gòu)。ARM處理器作為SoC的核心功能單元，負(fù)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(guò)射頻芯片配置IP核對(duì)射頻芯片的工作模式進(jìn)行配置，使其工作在GPS L1/L2、BDS B1/B2工作模式。累加數(shù)據(jù)獲取中斷信號(hào)采用AXI Timer IP核在ARM處理器的控制下產(chǎn)生，AXI Timer IP核的時(shí)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(hào)的載波剝離、碼剝離和相關(guān)累加，并送給處理器完成信號(hào)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(gè)模塊之間流程如圖3所示。

在SoC硬件環(huán)境的構(gòu)建中，累加數(shù)據(jù)獲取中斷直接采用了定時(shí)器IP核，在處理器的控制下完成計(jì)時(shí)，周期性的產(chǎn)生中斷信號(hào)，完成累加量的及時(shí)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(yàn)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(jì)復(fù)雜度，提高了設(shè)計(jì)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(jì)

導(dǎo)航信息處理軟件通過(guò)控制數(shù)字通道相關(guān)器，對(duì)其產(chǎn)生的通道累加數(shù)據(jù)和通道測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成GPS和BDS導(dǎo)航信號(hào)的捕獲跟蹤、定位解算，可提供每秒一次的用戶時(shí)間、位置、速度，并通過(guò)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(bào)模塊及數(shù)據(jù)交換模塊。圖4給出了星載微型GNSS接收機(jī)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(hào)初始捕獲后，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的精確跟蹤與同步，并對(duì)信號(hào)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(guò)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(shí)、導(dǎo)航衛(wèi)星歷書及其時(shí)間標(biāo)記等信息的處理，得到偽距、偽距變化率、導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)鐘及導(dǎo)航衛(wèi)星歷書、衛(wèi)星星歷等測(cè)量信息，用這些測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航定位求解，以確定出用戶當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(包括三維位置坐標(biāo)、三維速度坐標(biāo)分量等)和時(shí)間信息。

選星及參數(shù)預(yù)報(bào)模塊的功能是為通道提供搜捕依據(jù)，即預(yù)報(bào)可以捕獲的導(dǎo)航衛(wèi)星及對(duì)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(cè)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(jìn)制可執(zhí)行文件后，即可進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，在SDK中與生成的硬件平臺(tái)文件、板級(jí)支持包文件以及bit文件進(jìn)行協(xié)同調(diào)試，調(diào)試通過(guò)后，即可生成.mcs文件，并燒錄到flash中。

2 原理樣機(jī)

圖5給出了采用SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的星載微型GNSS接收機(jī)原理樣機(jī)圖(與市面某款智能手機(jī)對(duì)比圖)，接收機(jī)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(hào)，符合皮納型衛(wèi)星對(duì)接收機(jī)提出的應(yīng)用需求。

表1給出了采用SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的星載微型GNSS接收機(jī)與幾款國(guó)外微型GNSS接收機(jī)主要性能對(duì)比。由表中結(jié)果可知，采用SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的微型GNSS接收機(jī)尺寸與OEM4-G2L接收機(jī)相當(dāng)，比其余三款接收機(jī)尺寸稍大;質(zhì)量與SGR-05U接收機(jī)和OEM4-G2L接收機(jī)相當(dāng)，比Phoenix接收機(jī)略大，但遠(yuǎn)小于FOTON接收機(jī);功耗比FOTON接收機(jī)小，比其余三款接收機(jī)大;通道數(shù)比FOTON接收機(jī)少，但是比其余三款接收機(jī)多，SGR-05U接收機(jī)與Phoenix接收機(jī)只能處理L1C/A碼，OEM4-G2L接收機(jī)能處理L1C/A碼與L2 P碼，F(xiàn)OTON接收機(jī)能處理L1 C/A碼與L2C碼，采用SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的星載微型GNSS接收機(jī)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(qiáng)，更為靈活。由此可見，采用SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的星載微型GNSS接收機(jī)綜合性能要優(yōu)于現(xiàn)有的其余幾款星載微型GNSS接收機(jī)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)皮納型衛(wèi)星的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種采用SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的星載微型GNSS接收機(jī)。該星載微型GNSS接收機(jī)具有質(zhì)量小、尺寸小及成本低的特點(diǎn)，兼容處理GPS L1/ L2、BDS B1/B2信號(hào)，可完成雙模單頻、單模雙頻、雙模雙頻等多種模式的配置，能為皮納型衛(wèi)星等空間飛行器提供精確的定位與授時(shí)服務(wù)。