多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺設(shè)計

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(航天恒星科技有限公司，北京 100086)

0 引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的增長和民用各業(yè)務(wù)領(lǐng)域應用的迫切需求，高分辨率成像衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)需求呈逐年增長的趨勢[1]。高分辨率成像遙感數(shù)據(jù)廣泛應用在海洋、水土監(jiān)測、氣象災害、環(huán)境等領(lǐng)域，為我國國民經(jīng)濟建設(shè)做出了較大的貢獻。

隨著我國海洋二號、高分三號等多顆高分辨率對地觀測衛(wèi)星的發(fā)射，我國高分辨率對地觀測技術(shù)取得了較大的發(fā)展，為了滿足用戶的多時空協(xié)調(diào)、全天候、全天時對地觀測需求。高分衛(wèi)星需要具有高分辮率、大成像幅寬、多成像模式，具備傳統(tǒng)的條帶成像模式和掃描成像模式，以及面向海洋應用的波成像模式和全球觀測成像模式，可滿足不同用戶對不同目標成像的需求。這對衛(wèi)星高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)、高精度衛(wèi)星定軌技術(shù)提出了極高的要求[2]。

為確保衛(wèi)星定軌精度指標達到設(shè)計要求，并提高對衛(wèi)星定軌技術(shù)的分析能力，需要在地面搭建多模式精密定軌半物理仿真驗證系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信號仿真系統(tǒng)、多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺、事后精密定軌數(shù)據(jù)處理軟件[3]組成。信號仿真系統(tǒng)用于生成高動態(tài)模擬信號；仿真平臺作為星載設(shè)備的模擬器，用于分析和仿真星載設(shè)備的接收性能和數(shù)據(jù)處理能力，模擬星載設(shè)備在高動態(tài)條件下定位、定軌、授時的性能[4]，可在地面對星載多模導航接收進行全面仿真和評估，事后精密定軌處理軟件驗證衛(wèi)星精密定軌的實際能力，完成高分衛(wèi)星精密定軌能力的仿真[5]。

本文結(jié)合多模式精密定軌半物理仿真驗證技術(shù)的需求，在此基礎(chǔ)上提出了一種多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺的設(shè)計方法。在介紹整個接收機架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對每個模塊的組成和功能進行了概述，并搭建測試環(huán)境，對仿真平臺進行功能測試，對仿真平臺數(shù)據(jù)進行了分析，確認了仿真平臺各項技術(shù)指標符合要求。

1 多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺指標分解

根據(jù)多模式精密定軌半物理仿真驗證技術(shù)的需求特點和功能需求，得到多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺指標如表1所示。

表1 多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺指標分解

2 多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺總體設(shè)計

多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺由導航板和接口板組成，導航板主要完成GPS L1/L2和BD2 B1/B2/B3射頻信號的濾波、放大、下變頻并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸至FPGA[4]，通過DSP處理器與FPGA協(xié)同工作，完成導航信號的偽距、載波相位和信噪比信息的獲取，解算出定位、時間信息，并將這些信息傳輸至接口板。接口板主要包括內(nèi)部通信模塊，電源供配電管理模塊，外部接口模塊等。內(nèi)部通信模塊負責接收導航板傳輸過來的定位、時間等信息和發(fā)送上注和控制信息給導航板。接口模塊將接收到的相關(guān)將定位數(shù)據(jù)、狀態(tài)遙測、原始測量數(shù)據(jù)等按照一定的格式進行打包輸出給外部總線。電源管理模塊主要完成多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺的供配電管理功能。多模衛(wèi)星仿真平臺具有10 M/100 M自適應以太網(wǎng)、RS232、RS422、CAN總線、USB接口、1553B總線等多種接口通信功能。

圖1 星載終端仿真平臺架構(gòu)框圖

2.1 導航板設(shè)計

2.1.1 導航板電路設(shè)計

根據(jù)導航板的功能、性能需求，選用FPGA來完成對ADC輸出的中頻數(shù)字信號進行數(shù)字下變頻、低通濾波、存儲，對得到的基帶數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算，將相關(guān)值依次傳給DSP，通過數(shù)據(jù)處理完成信號捕獲與信號跟蹤，提供給DSP用于定位解算和定軌運算，同時完成導航信號的碼偽距、載波相位和信噪比信息的獲取。根據(jù)對性能指標需求的評估，導航板選用XC7K系列實現(xiàn)FPGA功能，該系列芯片為XILINX公司Kintex 7系列產(chǎn)品，可用資源滿足需求, 選用該器件具有先進性，可在近幾年的產(chǎn)品設(shè)計中持續(xù)使用。選用DSP來完成復雜度較高的導航定位解算和定軌運算，碼偽距、載波相位和信噪比信息獲取，算法中含大量積分累加迭代運算[6]。根據(jù)對需求的評估，導航板選用TMS320C6XX系列實現(xiàn)DSP處理器功能。

導航板FPGA工作需要1.0 V、1.8 V和3.3 V3種電源電壓，DSP工作時需要1.4 V和3.3 V兩種電壓。FPGA和DSP的上電需要進行時序控制，上電順序以DSP先上電工作然后其它外設(shè)后上電、FPGA與DSP核電壓先上電，外圍電壓后上電的策略。通過上電順序控制，保證導航板上電加載的可靠性，避免出現(xiàn)加載不起來，加載過程中電流異常等問題。電路設(shè)計選用LINEAR公司的多軌道電源芯片LTM4615、LTM4616來給單板供電，LTM4615雙路輸出DC/DC，一路輸出LDO，LTM4616雙路輸出DC/DC，輸出電壓可調(diào)，滿足導航板各類工作電壓及電流需求。DC/DC的PGOOD輸出管腳作為使能控制引腳，能夠控制其它電源上電時序。

多模衛(wèi)星導航星載用戶終端仿真平臺導航板的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 導航板系統(tǒng)架構(gòu)框圖

多模衛(wèi)星導航星載用戶終端仿真平臺導航板對時鐘要求比較高，平臺主時鐘采用10 M溫補晶振，通過功分器輸出5路10 MHz時鐘，其中4路用于射頻模塊XN1XX參考時鐘，另外一路10 MHz時鐘通過頻率綜合器進行倍頻，輸出給XN1XX作為采樣時鐘和FPGA的主時鐘。平臺10 M主時鐘晶振的選用溫補晶振可以適應多種環(huán)境溫度變化，避免外界溫度出現(xiàn)變化時因時鐘不穩(wěn)定導致仿真平臺出現(xiàn)掉星、信噪比下降、非定位等異常。同時電路設(shè)計上預留時鐘切換電路，可以外接高穩(wěn)定時鐘，提供更高精度的定位和定軌結(jié)果，適應不同的應用場合。時鐘電路設(shè)計通過采用功分，采用頻率綜合的方法，保證所有射頻芯片和FPGA能夠做到時鐘同源，時鐘電路同步，保證了后面相關(guān)器的可靠穩(wěn)定的工作。

射頻模塊將從天線接收的GNSS射頻信號通過LNA放大，通過功分器將4路射頻信號分別送入至預選頻濾波器，將L1、L2、B1、B2、B3頻點信號分別濾出，濾出的信號輸入至射頻芯片XN1XX，每個射頻芯片完成兩路射頻信號的下變頻和AD轉(zhuǎn)換。第一級LNA的選用對接收機的靈敏度具有很關(guān)鍵的作用，通過選用高增益、低噪聲系數(shù)的第一級LNA，同時對整個鏈路增益進行合理的設(shè)計，保證仿真平臺具有較好的靈敏度。XN1XX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(zhuǎn)換器。集成雙路下變頻通道，四位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持多種RNSS導航協(xié)議。通過SPI接口可以方便的進行本振及各種參數(shù)配置。XN1XX輸出的數(shù)字中頻信號傳輸?shù)交鶐幚砟K進行處理。在PCB設(shè)計上保證時鐘分配器輸出到各個XN1XX芯片的采樣時鐘和到FPGA的時鐘在走線上等長，保證各路數(shù)據(jù)的同步性。

2.1.2 導航板FPGA設(shè)計

多模衛(wèi)星導航星載用戶終端仿真平臺FPGA軟件主要完成通用相關(guān)通道和通用快捕通道的功能。通用相關(guān)通道完成GPS-L1CA碼及BD2-B1I/B2I/B3I碼基帶信號的解調(diào)和解擴功能，輸出相關(guān)累加量和測量量。相關(guān)通道具備通用相關(guān)處理能力，任意一個相關(guān)通道均可被配置成L1CA或B1/B2/B3相關(guān)器，任意一個相關(guān)通道均可以被配置成信號跟蹤通道、或噪聲統(tǒng)計通道。通用相關(guān)通道由本地載波發(fā)生器、本地偽碼發(fā)生器、數(shù)字混頻器、相關(guān)積分累加器組成[7-8]。通用相關(guān)通道設(shè)計獨立且實現(xiàn)方式完全一致。

圖3 基帶處理FPGA軟件的邏輯結(jié)構(gòu)圖

導航星快速捕獲模塊主要完成衛(wèi)星的快速捕獲，可以快速完成GPS-L1CA碼及BD2-B1I/B2I/B3I碼的捕獲工作，通過獲取的多普勒信息和碼相位信息，輔助任意一個通用相關(guān)通道。快捕時鐘使能完成衛(wèi)星快速捕獲模塊的工作時鐘使能控制，DSP可根據(jù)任務(wù)需要對快速捕獲模塊的工作時鐘進行打開或者關(guān)閉，該功能使用FPGA內(nèi)部專用的時鐘BUFFER來控制快速捕獲工作時鐘[9-10]。

L1PL2P專用相關(guān)通道：L1PL2P專用相關(guān)通道完成GPS-L1PL2P碼基帶信號的解調(diào)和解擴功能，輸出相關(guān)累加量和測量量。任意一個相關(guān)通道均可以被配置成信號跟蹤通道或噪聲通道。相關(guān)通道由本地載波發(fā)生器、本地偽碼發(fā)生器、數(shù)字混頻器、相關(guān)積分累加器組成。專用相關(guān)通道設(shè)計獨立且實現(xiàn)方式完全一致。

2.1.3 導航板DSP程序設(shè)計

導航板DSP軟件主要完成GPS/BD2導航信號的捕獲、跟蹤，數(shù)據(jù)解調(diào)以及絕對定位解算、定軌等關(guān)鍵功能。以及FPGA狀態(tài)監(jiān)控功能、SRAM運行監(jiān)控功能、可靠性功能，結(jié)合分析的軟件整理需求，并增加上電初始化相關(guān)設(shè)計，形成本軟件的頂層應用功能需求。將各功能模塊劃分為若干個功能模塊，各功能集可進行獨立封裝和定型設(shè)計，各任務(wù)通過對子功能塊的調(diào)用完成各項功能的實現(xiàn)。主要包括3個中斷和6個軟件任務(wù)。

1)505中斷服務(wù)程序：對應505中斷，讀取并處理通道累加數(shù)據(jù)，完成信號捕獲跟蹤與比特同步；

2)TIC中斷服務(wù)程序：對應TIC中斷，完成BIT數(shù)據(jù)處理和幀同步、測量數(shù)據(jù)獲取、開機時間累加，進行通道設(shè)置和快捕調(diào)度，進行TIC時間片處理，觸發(fā)周期性任務(wù)；

3)板間通信中斷服務(wù)程序：對應板件通信中斷，對板件通信指令或數(shù)據(jù)進行解析處理。

6個軟件任務(wù)，優(yōu)先級從高到低依次分別為：

1)初始化任務(wù)：用以執(zhí)行程序入口模塊，完成應用程序環(huán)境，初始化軟件系統(tǒng)，程序上電加載、復位加載時運行一次；

2)絕對定位解算任務(wù)：用以執(zhí)行每秒進行一次的原始測量數(shù)據(jù)預處理、絕對定位解算、系統(tǒng)時間維護、電文幀解碼等處理；通過控制信號處理相關(guān)器生成本地載波和偽碼，對接收到的導航信號進行相關(guān)處理；控制快速捕獲模塊，對導航信號進行快速捕獲；通過鎖頻環(huán)、鎖相環(huán)、偽碼碼環(huán)，對捕獲到的導航信號進行跟蹤處理。對于采用擴頻信號體制的導航信號，環(huán)路處理模塊主要包含偽碼碼環(huán)和載波環(huán)兩個環(huán)路。

3)自主定軌任務(wù)：利用原始觀測量信息及軌道動力學信息進行實時自主定軌解算，在濾波收斂后能輸出滿足導航定位性能的定軌結(jié)果[11-12]。包括數(shù)據(jù)獲取、幾何學實時定軌、時間與坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、動力學軌道積分、卡爾曼濾波定軌、動力學軌道內(nèi)插與發(fā)布共六個模塊，完成從獲取星載多模觀測數(shù)據(jù)、動力學軌道積分、幾何學單點定軌、卡爾曼濾波定軌和衛(wèi)星軌道發(fā)布整個數(shù)據(jù)處理流程。

4)數(shù)據(jù)組包任務(wù)：用以執(zhí)行每200 ms一次的數(shù)據(jù)組包任務(wù)，根據(jù)通信協(xié)議，完成測量數(shù)據(jù)、解算結(jié)果、軟件運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)打包，并通過板間通信接口發(fā)送給接口板；

5)選星預報任務(wù)：用以執(zhí)行每30秒一次的導航星選星預報，確定預報模式，完成可視導航星的計算與篩選；根據(jù)衛(wèi)星自身的位置、速度與時間信息，結(jié)合導航衛(wèi)星的歷書信息，對導航衛(wèi)星進行預報，把即將進入天線視場的導航衛(wèi)星置入捕獲跟蹤通道。正常定位狀態(tài)時，選星預報模塊通過計算自身的位置速度信息與BD2/GPS導航星的位置速度間相對關(guān)系進行預報。當處于非定位狀態(tài)時，采用盲捕方式對導航信號進行處理。

6)系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)：用以在空閑時執(zhí)行軟硬件系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控，包括堆棧指針、SRAM狀態(tài)、FPGA校驗狀態(tài)等。

2.2 接口板電路設(shè)計

接口板主要完成整機與外部各用戶接口的數(shù)據(jù)交互功能。對內(nèi)完成導航信息處理數(shù)據(jù)的接收，對外完成接收機所有用戶要求的協(xié)議輸出。具體功能如下：

圖4 接口板設(shè)計框圖

1)通過內(nèi)部通信接收導航板發(fā)送的定位、定軌數(shù)據(jù)；

2)將測量定位數(shù)據(jù)按協(xié)議輸出至外部各用戶；

3)接收外部用戶設(shè)備發(fā)送的控制指令；

4)將秒脈沖信號送至用戶。

接口板DSP采用TI公司的TMS320系列浮點DSP，核工作電壓1.8 V，IO工作電壓3.3 V，主頻達75 MHz。外部總線寬度32 bits(字訪問模式)，尋址范圍16 M×32 bit。選用S29AL032D作為外掛DSP的32 Mbits的FLASH進行程序存儲和加載。DSP主要完成ARM與CAN和1553B總線的中轉(zhuǎn)通信。ARM采用ST公司的STM32F207ZGT6，工作電壓為3.3 V，工作頻率為25 MHz。片上1 Mbit的FLASH和128+4 Kbit的SRAM。ARM的外圍接口主要包括對DSP通信、SRAM存儲、看門狗電路、JTAG下載電路、USB總線接口、網(wǎng)絡(luò)接口、USB、RS-232、RS-422接口等。

接口板DSP程序設(shè)計：

接口軟件包括內(nèi)部接口模塊、外部接口模塊、數(shù)據(jù)組包模塊組成，主要完成數(shù)據(jù)對內(nèi)和對外的交換功能：根據(jù)協(xié)議完成與導航板軟件的數(shù)據(jù)交互、通過網(wǎng)口/USB/RS232/RS422/CAN/1553B總線與其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交互及軌道接口軟件內(nèi)部各模塊間的數(shù)據(jù)交互，具體功能如下：

1)接收導航板數(shù)據(jù)：接收來自導航板軟件的同步口數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括定位測量數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)、導航電文數(shù)據(jù)；

2)向?qū)Ш桨灏l(fā)送數(shù)據(jù)：有指令或者數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)往通道板時將該數(shù)據(jù)發(fā)往通道板；

3)響應網(wǎng)口/USB/RS232/RS422/CAN/1553B總線接收中斷：接收和響應來自網(wǎng)口/USB/RS232/RS422/CAN/1553B總線的星上其他設(shè)備的數(shù)據(jù)；

4)接收導航板的TMARK時間信息，通過不同的電路接口對外輸出。

圖5 用戶終端接口軟件數(shù)據(jù)流圖

3 測試驗證

由于GNSS接收機要安裝于衛(wèi)星上完成高動態(tài)飛行的任務(wù)，因此必須模擬其在高動態(tài)環(huán)境下的性能指標，采用GNSS全頻點信號源對多模衛(wèi)星導航星載用戶終端仿真平臺進行實驗室內(nèi)的仿真測試，測試多模衛(wèi)星導航星載用戶終端仿真平臺的各項技術(shù)指標[13]。在實驗室內(nèi)的仿真測試后進行外場靜態(tài)實驗，靜態(tài)環(huán)境測試采用外接BD2/GPS天線的方式將信號引入多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺，用于模擬星載GNSS產(chǎn)品研制期間接收機與天線的兼容性等性能指標，在進行外場試驗對仿真平臺進行驗證時，在觀測地點同時放置兩臺接收機，一臺為商業(yè)接收機，一臺為多模衛(wèi)星導航星載用戶終端仿真平臺。通過對偽距、載波和多普勒觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，可以對多模衛(wèi)星導航星載用戶終端仿真平臺的性能指標進行評估和驗證，通過對兩個觀測數(shù)據(jù)進行處理，得到定位結(jié)果、測速結(jié)果、定軌結(jié)果、載波相位和偽距測量結(jié)果，通過比對或者與測站位置信息進行對比，對定位精度、定軌精度和測速精度指標進行評估[14]。通過測試驗證，多模衛(wèi)星導航星載用戶終端仿真平臺各項實測指標均滿足表1 中的各項指標要求。

圖6 仿真平臺外場實驗驗證圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺，該仿真平臺能夠處理GPS L1/L2、BD2 B1/B2/B3等多頻點信號。能夠模擬星載導航設(shè)備在高動態(tài)條件下定位、定軌、授時的性能，提供精密定軌所需要的驗證數(shù)據(jù)。在地面用衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺模擬各種星載導航設(shè)備，提前開展仿真驗證工作，減少星載導航設(shè)備在軌飛行風險，提高可靠性。該設(shè)備已經(jīng)研制成功，經(jīng)過搭建測試環(huán)境，對仿真平臺進行功能測試，對仿真平臺數(shù)據(jù)進行了分析，多模衛(wèi)星導航星載終端仿真平臺各項功能和性能指標均能滿足研制要求。確認了仿真平臺具備可在地面對星載多模導航接收進行全面仿真和評估，驗證衛(wèi)星精密定軌的實際能力，具有較高的工程應用價值。