多模衛星導航星載終端仿真平臺設計

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(航天恒星科技有限公司，北京 100086)

0 引言

近年來，隨著我國國民經濟的增長和民用各業務領域應用的迫切需求，高分辨率成像衛星遙感數據需求呈逐年增長的趨勢[1]。高分辨率成像遙感數據廣泛應用在海洋、水土監測、氣象災害、環境等領域，為我國國民經濟建設做出了較大的貢獻。

隨著我國海洋二號、高分三號等多顆高分辨率對地觀測衛星的發射，我國高分辨率對地觀測技術取得了較大的發展，為了滿足用戶的多時空協調、全天候、全天時對地觀測需求。高分衛星需要具有高分辮率、大成像幅寬、多成像模式，具備傳統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。這對衛星高精度高穩定度姿態控制技術、高精度衛星定軌技術提出了極高的要求[2]。

為確保衛星定軌精度指標達到設計要求，并提高對衛星定軌技術的分析能力，需要在地面搭建多模式精密定軌半物理仿真驗證系統，該系統由信號仿真系統、多模衛星導航星載終端仿真平臺、事后精密定軌數據處理軟件[3]組成。信號仿真系統用于生成高動態模擬信號；仿真平臺作為星載設備的模擬器，用于分析和仿真星載設備的接收性能和數據處理能力，模擬星載設備在高動態條件下定位、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星精密定軌的實際能力，完成高分衛星精密定軌能力的仿真[5]。

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

1 多模衛星導航星載終端仿真平臺指標分解

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

表1 多模衛星導航星載終端仿真平臺指標分解

2 多模衛星導航星載終端仿真平臺總體設計

多模衛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、下變頻并經過A/D轉換后傳輸至FPGA[4]，通過DSP處理器與FPGA協同工作，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。接口板主要包括內部通信模塊，電源供配電管理模塊，外部接口模塊等。內部通信模塊負責接收導航板傳輸過來的定位、時間等信息和發送上注和控制信息給導航板。接口模塊將接收到的相關將定位數據、狀態遙測、原始測量數據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星導航星載終端仿真平臺的供配電管理功能。多模衛星仿真平臺具有10 M/100 M自適應以太網、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框圖

2.1 導航板設計

2.1.1 導航板電路設計

根據導航板的功能、性能需求，選用FPGA來完成對ADC輸出的中頻數字信號進行數字下變頻、低通濾波、存儲，對得到的基帶數據進行相關運算，將相關值依次傳給DSP，通過數據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。根據對性能指標需求的評估，導航板選用XC7K系列實現FPGA功能，該系列芯片為XILINX公司Kintex 7系列產品，可用資源滿足需求, 選用該器件具有先進性，可在近幾年的產品設計中持續使用。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]。根據對需求的評估，導航板選用TMS320C6XX系列實現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，避免出現加載不起來，加載過程中電流異常等問題。電路設計選用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，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。

多模衛星導航星載用戶終端仿真平臺導航板的系統框圖如圖2所示。

圖2 導航板系統架構框圖

多模衛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境溫度變化，避免外界溫度出現變化時因時鐘不穩定導致仿真平臺出現掉星、信噪比下降、非定位等異常。同時電路設計上預留時鐘切換電路，可以外接高穩定時鐘，提供更高精度的定位和定軌結果，適應不同的應用場合。時鐘電路設計通過采用功分，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，保證了后面相關器的可靠穩定的工作。

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轉換。第一級LNA的選用對接收機的靈敏度具有很關鍵的作用，通過選用高增益、低噪聲系數的第一級LNA，同時對整個鏈路增益進行合理的設計，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轉換器。集成雙路下變頻通道，四位模數轉換器，支持多種RNSS導航協議。通過SPI接口可以方便的進行本振及各種參數配置。XN1XX輸出的數字中頻信號傳輸到基帶處理模塊進行處理。在PCB設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，保證各路數據的同步性。

2.1.2 導航板FPGA設計

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

圖3 基帶處理FPGA軟件的邏輯結構圖

導航星快速捕獲模塊主要完成衛星的快速捕獲，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通道?？觳稌r鐘使能完成衛星快速捕獲模塊的工作時鐘使能控制，DSP可根據任務需要對快速捕獲模塊的工作時鐘進行打開或者關閉，該功能使用FPGA內部專用的時鐘BUFFER來控制快速捕獲工作時鐘[9-10]。

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

2.1.3 導航板DSP程序設計

導航板DSP軟件主要完成GPS/BD2導航信號的捕獲、跟蹤，數據解調以及絕對定位解算、定軌等關鍵功能。以及FPGA狀態監控功能、SRAM運行監控功能、可靠性功能，結合分析的軟件整理需求，并增加上電初始化相關設計，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計，各任務通過對子功能塊的調用完成各項功能的實現。主要包括3個中斷和6個軟件任務。

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

2)TIC中斷服務程序：對應TIC中斷，完成BIT數據處理和幀同步、測量數據獲取、開機時間累加，進行通道設置和快捕調度，進行TIC時間片處理，觸發周期性任務；

3)板間通信中斷服務程序：對應板件通信中斷，對板件通信指令或數據進行解析處理。

6個軟件任務，優先級從高到低依次分別為：

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

2)絕對定位解算任務：用以執行每秒進行一次的原始測量數據預處理、絕對定位解算、系統時間維護、電文幀解碼等處理；通過控制信號處理相關器生成本地載波和偽碼，對接收到的導航信號進行相關處理；控制快速捕獲模塊，對導航信號進行快速捕獲；通過鎖頻環、鎖相環、偽碼碼環，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，環路處理模塊主要包含偽碼碼環和載波環兩個環路。

3)自主定軌任務：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果[11-12]。包括數據獲取、幾何學實時定軌、時間與坐標系統轉換、動力學軌道積分、卡爾曼濾波定軌、動力學軌道內插與發布共六個模塊，完成從獲取星載多模觀測數據、動力學軌道積分、幾何學單點定軌、卡爾曼濾波定軌和衛星軌道發布整個數據處理流程。

4)數據組包任務：用以執行每200 ms一次的數據組包任務，根據通信協議，完成測量數據、解算結果、軟件運行狀態、數據打包，并通過板間通信接口發送給接口板；

5)選星預報任務：用以執行每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；根據衛星自身的位置、速度與時間信息，結合導航衛星的歷書信息，對導航衛星進行預報，把即將進入天線視場的導航衛星置入捕獲跟蹤通道。正常定位狀態時，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系進行預報。當處于非定位狀態時，采用盲捕方式對導航信號進行處理。

6)系統監控任務：用以在空閑時執行軟硬件系統狀態監控，包括堆棧指針、SRAM狀態、FPGA校驗狀態等。

2.2 接口板電路設計

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

圖4 接口板設計框圖

1)通過內部通信接收導航板發送的定位、定軌數據；

2)將測量定位數據按協議輸出至外部各用戶；

3)接收外部用戶設備發送的控制指令；

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、網絡接口、USB、RS-232、RS-422接口等。

接口板DSP程序設計：

接口軟件包括內部接口模塊、外部接口模塊、數據組包模塊組成，主要完成數據對內和對外的交換功能：根據協議完成與導航板軟件的數據交互、通過網口/USB/RS232/RS422/CAN/1553B總線與其他設備的數據交互及軌道接口軟件內部各模塊間的數據交互，具體功能如下：

1)接收導航板數據：接收來自導航板軟件的同步口數據，數據內容包括定位測量數據、遙測數據、導航電文數據；

2)向導航板發送數據：有指令或者數據需要轉往通道板時將該數據發往通道板；

3)響應網口/USB/RS232/RS422/CAN/1553B總線接收中斷：接收和響應來自網口/USB/RS232/RS422/CAN/1553B總線的星上其他設備的數據；

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據流圖

3 測試驗證

由于GNSS接收機要安裝于衛星上完成高動態飛行的任務，因此必須模擬其在高動態環境下的性能指標，采用GNSS全頻點信號源對多模衛星導航星載用戶終端仿真平臺進行實驗室內的仿真測試，測試多模衛星導航星載用戶終端仿真平臺的各項技術指標[13]。在實驗室內的仿真測試后進行外場靜態實驗，靜態環境測試采用外接BD2/GPS天線的方式將信號引入多模衛星導航星載終端仿真平臺，用于模擬星載GNSS產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，一臺為商業接收機，一臺為多模衛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據進行對比分析，可以對多模衛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，通過對兩個觀測數據進行處理，得到定位結果、測速結果、定軌結果、載波相位和偽距測量結果，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 結束語

本文設計了一種多模衛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備在高動態條件下定位、定軌、授時的性能，提供精密定軌所需要的驗證數據。在地面用衛星導航星載終端仿真平臺模擬各種星載導航設備，提前開展仿真驗證工作，減少星載導航設備在軌飛行風險，提高可靠性。該設備已經研制成功，經過搭建測試環境，對仿真平臺進行功能測試，對仿真平臺數據進行了分析，多模衛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，驗證衛星精密定軌的實際能力，具有較高的工程應用價值。