摘要：针对皮纳型卫星对星载GNSS接纳机小型化、低功耗以及低本钱的要求，提出选用片上体系(SoC)技能完结星载微型GNSS接纳机的规划。在该规划中，基带信号的捕获、盯梢与定位解算等悉数在SoC内完结，具有集成度高与体系灵敏性高级优势。将规划的原理样机与国外几款星载微型GNSS接纳机功用参数进行比照，成果表明，该星载微型GNSS接纳机原理样机重约45 g，尺度100×60×10 mm，功耗约3 W，兼容处理GPS L1/L2、BDS B1/B2信号才能，可完结双模单频、单模双频、双模双频等多种形式的灵敏装备，归纳功用要优于现有的几款星载微型GNSS接纳机。
近年来，皮纳型卫星凭仗其发射灵敏、本钱低、功用密度高、研发周期短等一系列优势，成为当时世界空间技能研究的热门。因为皮纳型卫星渠道空间有限，全球导航卫星体系(GNSS)接纳机往往成为皮纳型卫星仅有的测控手法。可是受限于皮纳型卫星渠道空间有限、功率有限、本钱有限等条件，相对于传统星载GNSS接纳机，对皮纳型卫星的星载GNSS接纳机提出小型化、低功耗、低本钱等更高的要求。
商用现货(COTS)器材具有高集成、高密度、功耗低、价格低、易于收购、规划灵敏、功用好等长处。此外SoC技能的开展，使得由多个分立器材完结的功用集成到单芯片，具有功耗低、集成度高、体系灵敏性高级优势。因而把先进的商用SoC技能使用于星载GNSS接纳机，能很好满意皮纳型卫星对星载GNSS接纳机的使用需求。
在现在国外皮纳型卫星GNSS接纳机规划中，SGR-05U接纳机与Plaoenix GPS接纳机均选用GP4020基带处理芯片，仅包含12个GPS L1 C/A码相关器通道，处理才能缺乏，FOTON双频GPS接纳机也仅能处理L1 C/A和L2C信号，选用TI C6457数字信号处理器，功耗偏高约4.5 W。当时根据COTS器材的GNSS接纳机在国外皮纳型卫星中现已得到了较为遍及的使用，多选用老练的GP4020基带处理芯片或处理器与FPGA架构，但在国内，选用COTS器材来规划星载微型GNSS接纳机还处于起步阶段。因而，有必要开宣布一款选用商用SoC技能兼容BDS/GPS信号的星载微型GNSS接纳机，进步接纳机集成度与灵敏性并下降接纳机功耗以及本钱，然后满意皮纳型卫星对微型GNSS接纳机空间使用提出的要求。
文中对选用SoC的星载微型GNSS接纳机体系规划进行介绍，包含接纳机体系架构以及选用SoC的软硬件协同规划办法，将规划的原理样机与国外几款星载微型GNSS接纳机功用参数进行比照，验证了本文提出的选用SoC技能规划的星载微型GNSS接纳机的优越性。
1 星载微型GNSS接纳机体系规划
1.1 体系架构
星载微型GNSS接纳机选用全COTS器材计划，接纳机为单板结构，首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。其间，射频模块完结GNSS信号的扩大、滤波、下变频及AD采样处理，并将取得的数字中频信号供给给基带信号处理模块。射频模块时钟电路首要为GNSS射频芯片供给基准时钟，能够完结表里钟切换。基带信号处理模块完结捕获、盯梢、位同步、帧同步及定位解算等一系列处理，最终将定位成果发送给数管单元。基带模块一起完结DC/DC电源转化，为射频模块、基带模块供电。
基带信号的捕获、盯梢与定位解算等悉数在SoC内完结，具有集成度高与体系灵敏性高级优势，整个体系规划中最要害的部分便是SoC软硬件协同规划。
1.2 SoC的软硬件协同规划
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接口经过片上AXl4总线进行通讯，集成处理器和可编程逻辑的体系架构供给了传统的双芯片(外部处理器与FPGA合作)无法供给的IO带宽、处理功率和功耗预算。SoC具有高功用、灵敏的可装备功用、小型化低功耗特性等优势，用于星载微型GNSS接纳机能很好满意皮纳型卫星的使用需求。
软硬件协同规划技能选用并行规划和协同规划的思维，规划功率大大进步，可大幅缩短星载微型GNSS接纳机开发周期，完结接纳机的批产，契合快速呼应、快速拼装、快速发射需求。
1.2.1 SoC硬件规划
图2给出了整个SoC硬件架构。ARM处理器作为SoC的中心功用单元，担任SoC片上AXI4总线上的UART、CAN、I2C、GPIO、FPGA等外设资源的装备与通讯，并承当导航信息处理使命。射频芯片装备代码以及相关器代码均被封装为IP核，ARM处理器经过射频芯片装备IP核对射频芯片的作业形式进行装备，使其作业在GPS L1/L2、BDS B1/B2作业形式。累加数据获取中止信号选用AXI Timer IP核在ARM处理器的操控下发生，AXI Timer IP核的时钟由总线钟供给。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，首要完结GPS L1/L2、BD2 B1/B2信号的载波剥离、码剥离和相关累加，并送给处理器完结信号的捕获盯梢环路处理。导航信息处理相关器首要由快速捕获模块、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，累加数据获取中止直接选用了定时器IP核，在处理器的操控下完结计时，周期性的发生中止信号，完结累加量的及时获取。射频芯片装备模块也被封装成用户IP核，在初始化阶段完结射频芯片的装备，别离装备成GPS L1/L2、BD2 B1/B2通道。经验证，自定义射频芯片装备模块能够直接复用，有用削减规划复杂度，进步了规划功率。
硬件环境构建完结后，即可在EDK XPS(Xilinx Platform Studio)中生成网表、比特流文件。
1.2.2 SoC导航信息处理软件规划
导航信息处理软件经过操控数字通道相关器，对其发生的通道累加数据和通道丈量数据进行处理，完结GPS和BDS导航信号的捕获盯梢、定位解算，可供给每秒一次的用户时刻、方位、速度，并经过接口输出给数管分体系。导航信息处理软件模块首要分为环路处理模块、定位解算模块、选星及参数预告模块及数据交换模块。图4给出了星载微型GNSS接纳机导航信息处理软件模块间信息流图。
环路处理模块完结导航星信号初始捕获后，完结信号的准确盯梢与同步，并对信号解调转为原始电文帧。详细需完结的操作包含：码准确盯梢、载波准确盯梢、比特位同步、电文帧同步。
定位解算模块的功用是经过环路处理模块供给的载波相位、码相位、载波周数、传输延时、导航卫星历书及其时刻符号等信息的处理，得到伪距、伪距改变率、导航卫星时钟及导航卫星历书、卫星星历等丈量信息，用这些丈量数据进行导航定位求解，以确认出用户当时运动状况(包含三维方位坐标、三维速度坐标分量等)和时刻信息。
选星及参数预告模块的功用是为通道供给搜捕根据，即预告能够捕获的导航卫星及对应的多普勒频移。
数据交换模块的功用是依照数据通讯协议将定位成果和原始观测数据输出给数管分体系。
完结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规划，在SDK中与生成的硬件渠道文件、板级支撑包文件以及bit文件进行协同调试，调试经往后，即可生成.mcs文件，并烧录到flash中。
2 原理样机
图5给出了选用SoC技能完结的星载微型GNSS接纳机原理样机图(与市道某款智能手机比照图)，接纳机尺度巨细为100x60x10 mm，分量约45 g，功耗约为3 W，兼容处理GPS L1/L2、BDS B1/B2信号，契合皮纳型卫星对接纳机提出的使用需求。
表1给出了选用SoC技能完结的星载微型GNSS接纳机与几款国外微型GNSS接纳机首要功用比照。由表中成果可知，选用SoC技能完结的微型GNSS接纳机尺度与OEM4-G2L接纳机适当，比其他三款接纳机尺度稍大;质量与SGR-05U接纳机和OEM4-G2L接纳机适当，比Phoenix接纳机略大，但远小于FOTON接纳机;功耗比FOTON接纳机小，比其他三款接纳机大;通道数比FOTON接纳机少，可是比其他三款接纳机多，SGR-05U接纳机与Phoenix接纳机只能处理L1C/A码，OEM4-G2L接纳机能处理L1C/A码与L2 P码，FOTON接纳机能处理L1 C/A码与L2C码，选用SoC技能完结的星载微型GNSS接纳机能处理L1 C/A码、L1 P码、L2 P码、B1民码与B2民码，处理才能更强，更为灵敏。由此可见，选用SoC技能完结的星载微型GNSS接纳机归纳功用要优于现有的其他几款星载微型GNSS接纳机。
3 结束语
本文针对皮纳型卫星的使用需求，规划了一种选用SoC技能完结的星载微型GNSS接纳机。该星载微型GNSS接纳机具有质量小、尺度小及本钱低的特色，兼容处理GPS L1/ L2、BDS B1/B2信号，可完结双模单频、单模双频、双模双频等多种形式的装备，能为皮纳型卫星等空间飞行器供给准确的定位与授时服务。
