基于COTS SoC的星載微型GNSS接收機硬件設計

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(航天恒星科技有限公司，北京 100086)

0 引言

近年來，皮納型微小衛(wèi)星憑借在發(fā)射靈活、成本低、應用廣泛、研制周期短和可一箭多星等方面的優(yōu)勢，而且通過構建低成本的星座和編隊，能完成單顆大衛(wèi)星難以執(zhí)行的空間任務，成為當前國際空間技術研究的熱點[1]。但由于體積的限定，皮納型衛(wèi)星在應用中也存在一些限制，如平臺空間有限、功率有限、成本有限等，從而對皮納型微小衛(wèi)星的星上設備和有效載荷提出了更高的技術要求：小型化、低功耗、低成本、高可靠性等。

隨著微電子技術的飛速發(fā)展以及空間任務對高性能需求的日益增強，現(xiàn)有的宇航級抗輻射器件和技術已經(jīng)遠遠不能滿足目前空間飛行器高性能系統(tǒng)的需求，使得高性能商用器件(COTS)在空間的應用成為可能。相對于抗輻射宇航級器件而言，COTS器件具有高集成、高密度、功耗低、價格低、易于采購、設計靈活、性能好等優(yōu)點[2]。隨著SoC技術的發(fā)展，使得由多個分立器件實現(xiàn)的功能集成到單芯片上，

具有功耗低、集成度高、系統(tǒng)靈活性高等優(yōu)勢，這樣可以大幅度提高芯片的集成度和性能，對于電路的高度集成化具有重要的意義。因此把先進的COTS器件和SoC應用于皮納型微小衛(wèi)星，能很好滿足皮納型衛(wèi)星對星載設備和有效載荷技術要求[3-4]。

導航接收機作為衛(wèi)星上必不可少的組成部分，為衛(wèi)星等空間飛行器提供精確的定位、定軌與授時服務。應用于皮納型微小衛(wèi)星的導航接收機既要滿足微小衛(wèi)星小型化、低功耗的要求，又要滿足空間飛行器高性能系統(tǒng)的需求。通過對國內(nèi)外皮納型衛(wèi)星導航接收機應用情況的調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，當前基于COTS器件和SoC的衛(wèi)星導航接收機在國外皮納型衛(wèi)星中已經(jīng)得到了較為普遍的應用[5]，但在國內(nèi)，鑒于只有少數(shù)幾家單位在進行皮納衛(wèi)星的研究，采用COTS器件和SoC來設計星載微型導航接收機還處于起步階段。因此，有必要開發(fā)出一款基于COTS器件和SoC的星載微型導航接收機，既滿足皮納型衛(wèi)星小型化、低功耗的要求，又能滿足皮納型衛(wèi)星較高的性能需求。

本文結合COTS組件和 SoC 技術的優(yōu)勢及特點，在此基礎上提出了一種COTS+SoC的星載微型導航接收機的硬件設計方法。在介紹整個接收機硬件架構的基礎上，對每個模塊的組成和功能進行了詳細的敘述，并針對COTS器件本身抗輻照性能較差進行了專門的防護，最后針對SoC片上資源和性能進行了分析，確認了接收機可以實現(xiàn)定位、定軌和授時等服務。

1 星載微型導航接收機指標分解

根據(jù)皮納型衛(wèi)星的特點和功能需求，得到星載微型導航接收機的指標如表1所示。

表1 COTS組件微型星載導航接收機指標分解

2 星載微型導航接收機硬件總體設計

由于皮納型微小衛(wèi)星體積的限制，星載微型導航接收機為單板結構，主要由GNSS射頻模塊、基帶處理及接口模塊、時鐘模塊和電源管理模塊四部分組成，如圖1所示。

其中，GNSS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處理模塊[6-7]?；鶐幚砑敖涌谀K完成捕獲、跟蹤、位同步、幀同步及定位解算等一系列處理，最后將定位定軌結果按照數(shù)據(jù)格式通過對外通信接口發(fā)送至數(shù)管單元。時鐘電路主要為射頻電路模塊GNSS射頻芯片提供基準時鐘，為基帶模塊提供工作時鐘及采樣時鐘，可以完成內(nèi)外鐘切換，滿足不同應用需求。電源管理模塊主要實現(xiàn)電壓轉換，為射頻電路、基帶處理電路以及時鐘電路提供穩(wěn)定的電壓。

圖1 星載微型導航接收機系統(tǒng)架構框圖

2.1 GNSS射頻模塊

射頻模塊將從無源天線接收的GNSS射頻信號通過兩級LNA放大，通過一分四功分器將4路射頻信號分別送入至四個預選頻濾波器，將L1、L2、B1、B2頻點信號分別濾出，最終濾出的信號輸入至GNSS射頻芯片，每個射頻芯片完成兩路射頻信號的下變頻和AD轉換。GNSS 射頻模塊輸出的數(shù)字中頻信號傳輸?shù)交鶐幚砟K進行處理。

低噪聲放大器完成對GPS-L1、L2，BD2-B1、B2信號的低噪聲放大功能，其指標滿足前置放大器對信號增益、噪聲系數(shù)、功耗等技術指標的要求。低噪聲放大器(LNA)分為一級LNA與二級LNA，一級LNA采用噪聲系數(shù)較低的低噪聲放大器，噪聲系數(shù)：≤1 dB，優(yōu)先放在第一級，兩路低噪放的增益為≥42 dB。較低的噪聲系數(shù)和合適的增益能夠使接收機有較好的靈敏度指標。

設計中所選的GNSS射頻芯片是專為RNSS測量型接收機開發(fā)的雙通道射頻電路，集成混頻器、中頻低通濾波器、可變增益放大器、頻率合成器以及模數(shù)轉換器，僅需外接LC中頻濾波器，從而實現(xiàn)模塊體積的小型化和低功耗要求。集成雙路下變頻通道，四位模數(shù)轉換器，支持多種RNSS導航協(xié)議，采用18 mm×18 mm QFP64塑封。GNSS射頻芯片在工作時，需要配置外部濾波器對射頻頻點進行預選頻，同時需要對一次下變頻信號進行濾波，根據(jù)射頻和中頻頻點選用合適的中心頻點濾波器。GNSS射頻芯片外接10 MHz參考時鐘，通過SPI接口可以方便的進行內(nèi)部本振和寄存器配置，用于處理兩路射頻信號下變頻，通過兩路4位數(shù)字中頻輸出，其典型電路如圖2所示。

圖2 GNSS射頻芯片電路圖

2.2 基帶處理及接口模塊

星載微型導航接收機基帶處理及接口模塊對數(shù)字中頻信號進行捕獲、跟蹤與測量，實現(xiàn)對導航信號的解擴、解調(diào)、導航解算和原始觀測量采集，并完成對外通信功能[8]；具體包括如下主要功能：

1)多通道數(shù)字相關器+導航解算處理器芯片；

2)SDRAM：SOC程序運行與數(shù)據(jù)存儲區(qū)；

3)FLASH：SOC程序存儲區(qū)；

4)DC/DC-LDO：電源轉換芯片；

5)對外接口通信芯片。

多通道數(shù)字相關器由SoC芯片上的FPGA實現(xiàn)，來自于射頻板的數(shù)字中頻信號輸入數(shù)字相關器內(nèi)，完成載波剝離、碼剝離，根據(jù)任務需求可完成信號快速捕獲、通道相關等功能。

導航信息處理由SoC芯片上ARM處理器來完成，處理器從多通道數(shù)字相關器中獲取觀測衛(wèi)星的累加量數(shù)據(jù)和測量量數(shù)據(jù)，根據(jù)累加量對載波殘余頻/相差、偽碼殘余相差進行修正，根據(jù)測量量數(shù)據(jù)獲得各跟蹤衛(wèi)星信號的偽距信息；經(jīng)過解算后生成衛(wèi)星的定位、測速結果。其中ARM處理器及RS232芯片和CAN芯片共同完成與衛(wèi)星星務、衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)的遙測遙控、科學數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿铡?/p>

SoC處理器包含ARM處理器與FPGA邏輯部分，處理器最高頻率700 MHz，具有256 KB片上存儲器。支持外部存儲器接口和一系列豐富的I/O外設，這些外設主要包括DDR內(nèi)存、JTAG接口、UART接口、USB接口、CAN總線接口、I2C總線接口、SPI總線接口、XADC接口和以太網(wǎng)接口等，基帶處理模塊外掛一片512 K×32×4 banks DDR SRAM用于數(shù)據(jù)及程序緩存。外掛一片SPI FLASH 用于程序存儲器，用于SOC進行加載程序。

星載微型導航接收機對外接口電路設計上充分利用SOC豐富的接口資源，設計有RS-232接口、SPI接口、CAN總線接口、I2C等通信接口，設計有RS422差分電平和TTL電平的TMARK秒脈沖接口，在對外接口設計上考慮可靠性及抗干擾性設計，可以滿足各種衛(wèi)星應用需求。

2.3 時鐘模塊

為了保證射頻芯片、射頻混頻器和中頻混頻器正常工作，輸出頻率穩(wěn)定，必須保證接入射頻芯片的10MHz信號穩(wěn)定。溫補晶振要選擇溫度指標較高，抗振動能力較強的晶振。可以使接收機適應溫度變化和一定的振動。保證接收機性能指標，適應星上相關環(huán)境。溫補晶振采用的超穩(wěn)定的產(chǎn)品，符合應用需求的各項指標，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，封裝小，功率小，精度高。經(jīng)過有關型號在軌飛行驗證，性能指標滿足使用要求。另外設計上設計了時鐘選擇電路?？梢越尤胪獠扛哔|量的時鐘輸入，在外部時鐘信號滿足使用條件時，優(yōu)先使用外部時鐘；當外部時鐘信號質量下降時，則選擇使用板上的溫補晶振作為10 MHz時鐘源。

圖3 內(nèi)外部時鐘切換電路

具體工作原理是外部時鐘經(jīng)過功率檢測器與比較器預設的幅值進行比較，如果低于預設的幅值，則通過比較器的輸出管腳控制模擬開關的選通，將內(nèi)部溫補晶振輸出的10MHz信號輸出至射頻芯片。

2.4 電源管理模塊

電源管理模塊完成整機一次電源到二次電源的變換工作。整板所需的電源包括3.3 V、1.8 V和1.0 V。其中，1.0 V為SoC芯片的核心供電，1.8 V為SOC輔助電壓，工作電流較大，為了提高電源效率，減少功耗，因此由DC/DC完成該電壓變換。在上電順序上考慮核電壓先上電，外圍電壓后上電的策略。通過上電順序控制，保證SOC上電加載的可靠性，避免出現(xiàn)加載不起來，加載過程異常等問題。射頻模塊所需3.3 V為10 MHZ時鐘電路，低噪放電路、射頻芯片電路供電。這部分電路對電源的紋波和噪聲要求較高，選用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)來完成，LDO可以提供較好的電源，具有較小的電源紋波和噪聲，同時電路設計中選擇合適的濾波電容，進一步提高電源質量。防止射頻芯片、時鐘電路、放大電路通過電源噪聲相互干擾。使射頻性能較好的發(fā)揮。另外在射頻PCB電源走線上采用星型走線拓撲結構，進一步減少不同射頻電源之間的干擾。電源管理模塊的芯片具有限流功能，電路設計考慮單粒子效應的防護。

3 空間環(huán)境效應防護設計

近地空間環(huán)境由多種環(huán)境要素組成，其中對衛(wèi)星存在較大影響的主要有太陽電磁輻射，地球中性大氣、地球電離層、地球磁場、等離子體、空間帶電粒子輻射等。這些空間環(huán)境要素單獨地或共同的與運行在近地軌道的航天器發(fā)生相互作用，產(chǎn)生各種空間環(huán)境效應，進而對航天器的安全運行產(chǎn)生影響。這些現(xiàn)象中對接收機直接產(chǎn)生影響的是空間帶電粒子輻射和總劑量輻射?？臻g輻射是影響航天設備可靠性最重要的因素之一，航天產(chǎn)品設備內(nèi)部的元器件因輻射失效，將導致單機失效，最終將導致整個系統(tǒng)部分功能喪失。COTS器件屬于低可靠產(chǎn)品，器件本身抗輻照性能較差，因此基于COTS器件星載GNSS接收機空間環(huán)境效應防護技術需要 重點考慮，需進行總劑量、SEL和SEU防護設計[9-11]。

在航天器元器件抗輻射能力保證中，所用的輻射環(huán)境數(shù)據(jù)和元器件抗輻射能力數(shù)據(jù)存在一定的不確定度，元器件與同批其它元器件間存在個體差異，使得元器件抗輻射能力數(shù)據(jù)存在一定的不確定度。應綜合考慮工程的性質、重要性、成本、難度、進度、可靠性等多種工程因素，給出元器件的MRDM(最小輻射設計裕度)。GNSS接收機的抗總劑量的主要措施有：

1)進行容差設計，接收機在容差設計時，考慮輻射效應導致元器件性能漂移的因素。根據(jù)輻照參數(shù)變化，在設計上留有一定的設計余量，使芯片工作在變化范圍以內(nèi)，防止電參數(shù)變化導致系統(tǒng)工作異常。容差設計是容易實現(xiàn)且代價最小的抗輻射加固方法；

2)進行了局部屏蔽，對輻射敏感元器件SOC等進行局部屏蔽，可降低輻射敏感元器件受到的累積輻射劑量。屏蔽加固的缺點是增加了航天器的重量和體積。

3)進行備份設計，MOS器件不通電時，其電離輻射損傷比通電時要小。因此，可采用冷備份(冗余設計)增加接收機在軌間歇時間，提高元器件在輻射環(huán)境中的工作壽命。可以對局部電路或者整機進行備份設計。

GNSS接收機的抗單粒子閂鎖的主要措施：

1)選用的電源DC/DC模塊具有過流輸出截止的功能：

2)限流穩(wěn)壓模塊LDO的輸出有限流保護功能，如果限流穩(wěn)壓模塊LDO的后端某一模塊發(fā)生SEL現(xiàn)象，LDO即輸出限流，保護共用電源的其他模塊正常工作[12]；

3)集成芯片所有未使用端按邏輯要求接固定態(tài)處理；

4)接收機具有遙控斷電重啟動功能，當接收機在軌出現(xiàn)SEL時，可以通過遙控，使接收機斷電或重新啟動，以解除鎖定、進行故障隔離、防止危害擴大[13]。

5)充分利用SoC芯片可利用資源，采用SoC片上ADC子系統(tǒng)來實時的監(jiān)測電壓，以此來進行閂鎖監(jiān)測，當檢測到電流過大時，及時通過LDO芯片的使能管腳及時切斷供電。

抗單粒子翻轉的主要措施：

1)重要運行程序三備份：重要運行程序存儲在FLASH中，分別存儲在三個地址里，進行三取二判決后進行程序加載[14]；

2)SoC片內(nèi)通過處理器實現(xiàn)對FPGA部分的加載與重配置。處理器完成FPGA部分的加載后，實時監(jiān)控相關狀態(tài)量，偵測到SEU后，由處理器對FPGA進行重配置，消除SEU故障[15]；

3)針對部分存儲器專門進行了EDAC設計，可以實現(xiàn)對存儲器糾1檢2的糾檢錯功能，同時能夠對ARM內(nèi)部的RAM區(qū)舉行檢錯，將檢驗結果提供給ARM做相對應處理;

4)使用SOC對GNSS射頻芯片進行回讀監(jiān)控，監(jiān)控SPI內(nèi)部寄存器狀態(tài)，出現(xiàn)寄存器值翻轉時重新配置。

4 測試驗證

根據(jù)上述設計得到基于COTS SoC的星載微型導航接收機原理樣機，該接收機尺寸大小為100mm×60mm，重量約45g，功耗約為3W，兼容處理GPS L1/L2、BD2 B1/B2信號能力，符合皮納型衛(wèi)星對導航接收機提出的應用要求。

圖4 COTS接收機實物圖

圖5 COTS接收機測試驗證平臺

通過搭建圖4所示的測試驗證平臺，采取實際收星測試和高動態(tài)仿真測試相結合的方法進行測試驗證。通過用GNSS信號源和實際收星測試，同時進行拷機測試，對定位、定軌和授時等數(shù)據(jù)進行分析和處理，基于COTS SoC的星載微型導航接收機原理樣機的各項指標均能滿足表1中的各項技術指標。

測試結果表明基于COTS SoC的星載微型導航接收機的各項性能指標均滿足皮納型衛(wèi)星小型化、低功耗、高性能、高可靠等需求。

5 結束語

本文設計了一種基于COTS SoC實現(xiàn)的星載微型導航接收機，該星載微型導航接收機具有質量輕、尺寸小、成本低、可靠性高，兼容處理GPS L1/L2、BD2 B1/B2信號能力，可完成雙模、雙頻等多種模式的配置的特點，采取了相關的抗輻照設計，符合皮納型衛(wèi)星對導航接收機提出的技術要求，整個設計為微小衛(wèi)星的星載導航提供了一個新的思路，具有一定的工程應用價值。通過測試分析，該接收機符合微納衛(wèi)星導航接收機的應用條件，可為皮納型衛(wèi)星提供定位、授時等導航應用服務。