采用片上系统技术的星载微型GNSS接收机的设计

1、采用片上系统（SoC）技术的星载微型 GNSS接收机的设计针对皮纳型卫星对星载 GNSS 接收机小型化、低功耗以 及低成本的要求，提出采用片上系统（SoC）技术完成星载微型 GNSS 接收机的设计。在该设计中，基带信号的捕获、 跟踪与定位解算等全部在 SoC 内完成， 具有集成度高与系统 灵活性高等优势。将设计的原理样机与国外几款星载微型 GNSS 接收机性能参数进行对比，结果表明，该星载微型GNSS接收机原理样机重约 45 g，尺寸100x60 X 10 mm，功 耗约3 W，兼容处理 GPS L1/L2、BDS B1/B2信号能力，可 完成双模单频、 单模双频、 双模双频等多种模式的灵活配

2、置， 综合性能要优于现有的几款星载微型 GNSS 接收机。 近年 来，皮纳型卫星凭借其发射灵活、成本低、功能密度高、研 制周期短等一系列优势，成为当前国际空间技术研究的热 点。由于皮纳型卫星平台空间有限，全球导航卫星系统（GNSS ）接收机往往成为皮纳型卫星唯一的测控手段。但 是受限于皮纳型卫星平台空间有限、功率有限、成本有限等 条件，相对于传统星载 GNSS 接收机，对皮纳型卫星的星载 GNSS 接收机提出小型化、 低功耗、低成本等更高的要求。 商 用现货（COTS ）器件具有高集成、高密度、功耗低、价格 低、易于采购、设计灵活、性能好等优点。此外 SoC 技术的 发展，使得由多个分立器件实

3、现的功能集成到单芯片，具有功耗低、集成度高、系统灵活性高等优势。因此把先进的商 用 SoC 技术应用于星载 GNSS 接收机， 能很好满足皮纳型卫 星对星载 GNSS 接收机的应用需求。 在目前国外皮纳型卫 星 GNSS 接收机设计中， SGR-05U 接收机与 Plaoenix GPS 接收机均采用GP4020基带处理芯片，仅包含 12个GPS L1 C/A 码相关器通道，处理能力不足， FOTON 双频 GPS 接收 机也仅能处理 L1 C/A 和 L2C 信号， 采用 TI C6457 数字信号 处理器，功耗偏高约 4.5 W。当前基于COTS器件的GNSS 接收机在国外皮纳型卫星中已经

4、得到了较为普遍的应用，多 采用成熟的 GP4020 基带处理芯片或处理器与 FPGA 架构， 但在国内， 采用 COTS 器件来设计星载微型 GNSS 接收机还 处于起步阶段。 因此， 有必要开发出一款采用商用 SoC 技术 兼容 BDS/GPS 信号的星载微型 GNSS 接收机，提高接收机 集成度与灵活性并降低接收机功耗以及成本，从而满足皮纳 型卫星对微型 GNSS 接收机空间应用提出的要求。 文中对 采用 SoC 的星载微型 GNSS 接收机系统设计进行介绍， 包括 接收机系统架构以及采用 SoC 的软硬件协同设计方法， 将设 计的原理样机与国外几款星载微型GNSS接收机性能参数进行对比，

5、验证了本文提出的采用SoC技术设计的星载微型GNSS 接收机的优越性。 1 星载微型 GNSS 接收机系统设计 1.1 系统架构 星载微型 GNSS 接收机采用全 COTS 器件方 案，接收机为单板结构，主要由射频模块与基带信号处理模 块两部分组成，如图 1 所示。其中，射频模块完成 GNSS 信 号的放大、滤波、下变频及 AD 采样处理，并将获得的数字 中频信号提供给基带信号处理模块。射频模块时钟电路主要 为 GNSS 射频芯片提供基准时钟，可以完成内外钟切换。基 带信号处理模块完成捕获、跟踪、位同步、帧同步及定位解 算等一系列处理，最后将定位结果发送给数管单元。基带模 块同时实现 DC/D

6、C 电源转换，为射频模块、基带模块供电。 基带信号的捕获、 跟踪与定位解算等全部在 SoC 内完成， 具 有集成度高与系统灵活性高等优势，整个系统设计中最关键 的部分就是SoC软硬件协同设计。1.2 SoC的软硬件协同设 计 SoC 内包含 ARM 硬核处理器、 可编程逻辑以及多种外设 IO 资源，处理器与可编程逻辑部分、外设 IO 接口通过片上 AXl4 总线进行通信，集成处理器和可编程逻辑的系统架构 提供了传统的双芯片（外部处理器与 FPGA 配合）无法提供 的 IO 带宽、处理效率和功耗估算。 SoC 具有高性能、灵活 的可配置性能、小型化低功耗特性等优势，用于星载微型 GNSS 接收机

7、能很好满足皮纳型卫星的应用需求。 软硬件协 同设计技术采用并行设计和协同设计的思想，设计效率大大 提高，可大幅缩短星载微型 GNSS 接收机开发周期，完成接 收机的批产，符合快速响应、 快速组装、快速发射需求。 1.2.1 SoC 硬件设计 图 2 给出了整个 SoC 硬件架构。 ARM 处理器 作为SoC的核心功能单元，负责 SoC片上AXI4总线上的UART 、CAN 、I2C 、GPIO、FPGA 等外设资源的配置与通信， 并承担导航信息处理任务。射频芯片配置代码以及相关器代 码均被封装为IP核，ARM处理器通过射频芯片配置 IP核对 射频芯片的工作模式进行配置， 使其工作在 GPS L

8、1/L2 、BDS B1/B2 工作模式。累加数据获取中断信号采用 AXI Timer IP 核在 ARM 处理器的控制下产生， AXI Timer IP 核的时钟由 总线钟提供。 GPS/BDS 导航信息处理相关器代码也被封装为 IP 核，挂接在 AXI4 总线上。 GPS/BD2 导航信息处理相关 器，主要完成 GPS L1/L2 、 BD2 B1/B2 信号的载波剥离、码 剥离和相关累加，并送给处理器完成信号的捕获跟踪环路处 理。导航信息处理相关器主要由快速捕获模块、通用相关通 道模块、 L1PL2P 相关通道模块和噪声通道模块组成，各个 模块之间流程如图3所示。在SoC硬件环境的构建中

9、，累加数据获取中断直接采用了定时器 IP 核，在处理器的控制下 完成计时， 周期性的产生中断信号， 完成累加量的及时获取。 射频芯片配置模块也被封装成用户 IP 核，在初始化阶段完成 射频芯片的配置， 分别配置成 GPS L1/L2 、BD2 B1/B2 通道。 经验证，自定义射频芯片配置模块可以直接复用，有效减少 设计复杂度，提高了设计效率。 硬件环境构建完成后，即 可在 EDK XPS ( Xilinx Platform Studio )中生成网表、比特 流文件。 1.2.2 SoC 导航信息处理软件设计 导航信息处理软 件通过控制数字通道相关器，对其产生的通道累加数据和通 道测量数据进行

10、处理，完成 GPS和BDS导航信号的捕获跟 踪、定位解算，可提供每秒一次的用户时间、位置、速度， 并通过接口输出给数管分系统。导航信息处理软件模块主要 分为环路处理模块、定位解算模块、选星及参数预报模块及 数据交换模块。图4给出了星载微型 GNSS接收机导航信息 处理软件模块间信息流图。 环路处理模块完成导航星信号 初始捕获后，实现信号的精确跟踪与同步，并对信号解调转 为原始电文帧。具体需完成的操作包括：码精确跟踪、载波 精确跟踪、比特位同步、电文帧同步。 定位解算模块的功 能是通过环路处理模块提供的载波相位、 码相位、载波周数、 传输延时、导航卫星历书及其时间标记等信息的处理，得到 伪距、伪

11、距变化率、导航卫星时钟及导航卫星历书、卫星星 历等测量信息，用这些测量数据进行导航定位求解，以确定 出用户当前运动状态(包括三维位置坐标、三维速度坐标分 量等)和时间信息。 选星及参数预报模块的功能是为通道 提供搜捕依据，即预报可以捕获的导航卫星及对应的多普勒 频移。 数据交换模块的功能是按照数据通信协议将定位结 果和原始观测数据输出给数管分系统。 完成导航信息处理 软件代码的编写，在 EDK SDK ( Software Development Kit ) 中生成二进制可执行文件后，即可进行软硬件协同设计，在 SDK 中与生成的硬件平台文件、板级支持包文件以及 bit 文 件进行协同调试，调

12、试通过后，即可生成 .mcs 文件，并烧录 到 flash 中。 2 原理样机 图 5 给出了采用 SoC 技术实现的 星载微型 GNSS 接收机原理样机图（与市面某款智能手机对 比图），接收机尺寸大小为 100x60x10 mm，重量约45 g,功 耗约为3 W，兼容处理 GPS L1/L2、BDS B1/B2信号，符合 皮纳型卫星对接收机提出的应用需求。 表 1 给出了采用 SoC技术实现的星载微型 GNSS接收机与几款国外微型 GNSS 接收机主要性能对比。由表中结果可知，采用 SoC 技 术实现的微型 GNSS 接收机尺寸与 OEM4-G2L 接收机相当， 比其余三款接收机尺寸稍大 ;

13、质量与 SGR-05U 接收机和 OEM4-G2L 接收机相当，比 Phoenix 接收机略大，但远小于 FOTON 接收机 ;功耗比 FOTON 接收机小，比其余三款接收 机大 ;通道数比 FOTON 接收机少，但是比其余三款接收机多， SGR-05U 接收机与 Phoenix 接收机只能处理 L1C/A 码， OEM4-G2L 接收机能处理 L1C/A 码与 L2 P 码， FOTON 接收 机能处理 L1 C/A 码与 L2C 码，采用 SoC 技术实现的星载微 型 GNSS 接收机能处理 L1 C/A 码、 L1 P 码、 L2 P 码、 B1 民码与 B2 民码，处理能力更强，更为灵活。由此可见，采 用SoC技术实现的星载微