低軌星導(dǎo)航接收機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

劉 坤，裴冬博

低軌星導(dǎo)航接收機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

劉 坤，裴冬博

（航天恒星科技有限公司，北京 100194）

為了進一步研究低軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的應(yīng)用，對國內(nèi)外低軌星載接收機的發(fā)展進行介紹并分析未來趨勢：低軌衛(wèi)星由于空間環(huán)境比較復(fù)雜，星載導(dǎo)航接收機在整體設(shè)計時需要考慮衛(wèi)星震動、空間輻射、單粒子影響等因素；隨著低軌組網(wǎng)星座的發(fā)展，很多接收機廠家推出了具備抗輻照能力的接收機或?qū)Ш叫酒虡I(yè)導(dǎo)航接收機板卡經(jīng)過一些整機防護處理后也成功應(yīng)用于微納衛(wèi)星；低軌衛(wèi)星功能集成化越來越高，對低軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機在體積、功耗、成本以及功能兼容性等方面的要求也越來越高；預(yù)計低軌衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)會向芯片化、兼容性、多功能、貨架式方向發(fā)展。

導(dǎo)航接收機；衛(wèi)星應(yīng)用；低軌衛(wèi)星；導(dǎo)航芯片

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）建立后，世界各國積極推動導(dǎo)航接收機在空間衛(wèi)星上的應(yīng)用，美國依托于自身在宇航級器件的實力，率先推出了星載導(dǎo)航接收機，隨著應(yīng)用的更新，特里·格（TriG）接收機也投入到在軌衛(wèi)星應(yīng)用中。歐盟為了能夠保持衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的獨立發(fā)展，推出了納維利奧（NAVILEO）導(dǎo)航接收機和阿格加（AGGA）系列導(dǎo)航芯片。中國在使用美國的專用集成電路（application specific integrated circuit, ASIC）芯片、現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）芯片及中央處理器（central processing unit, CPU）芯片后，搭建了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機后，逐步地開發(fā)了具備自主知識產(chǎn)權(quán)的集成芯片。

由于低軌衛(wèi)星軌道在距地高度200~2000 km的高度范圍內(nèi)，衛(wèi)星軌道高度低、繞地運行速度快，因此，低軌導(dǎo)航接收機需要在動態(tài)場景下，具備良好的定位能力和在低軌空間下的容錯與恢復(fù)能力[1]。本文整理了美國、歐洲和中國宇航應(yīng)用接收機和芯片的發(fā)展以及應(yīng)用趨勢，可以看到隨著北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）及伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）的逐步完善以及商業(yè)板卡的應(yīng)用，低軌衛(wèi)星接收機和導(dǎo)航芯片產(chǎn)品后續(xù)的應(yīng)用趨勢為：兼容多導(dǎo)航星座信號頻點，具備定位、導(dǎo)航定軌或者衛(wèi)星多普勒定軌定位（Doppler orbitography and radio-positioning integrated by satellite, DORIS）等功能，可以實現(xiàn)其他科學(xué)測量功能以及形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品等。

1 國外低軌星載接收機發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

國外在低軌星載接收機研制方面開展時間較早，1990年，美國宇航局的空間接收機就開始了應(yīng)用；1995年，在米克羅拉布-I（Microlab-I）衛(wèi)星上首次使用了高精度接收機；2000年使用的薩克-克（SAC-C）衛(wèi)星接收機，可接收L1/L2C雙頻信號[2]。目前，美國宇航局已有超過210臺接收機在軌穩(wěn)定運行，按照美國宇航局的未來規(guī)劃，在軌接收機將會兼容現(xiàn)有GNSS播發(fā)的民用頻點信號[3]。

美國宇航局早期開發(fā)的低軌星導(dǎo)航接收機，是由專用的集成電路芯片構(gòu)成，后續(xù)基本采用FPGA芯片等分離器件設(shè)計。TriG系列接收機全部采用可編程FPGA芯片和數(shù)字信號處理器（digital signal processor,DSP）搭建而成[4]，具備在軌重構(gòu)的能力。TriG系列接收機內(nèi)部有兩個處理器，一個進行定位定軌處理，另外一個進行掩星等其他科學(xué)探索處理，TriG系列的接收機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TriG系列接收機的結(jié)構(gòu)框圖

TriG接收機除了接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號外，還用來處理其他測量信號，其內(nèi)部集成了多個變頻的數(shù)字處理單元，可用來接收掩星信號并進行電離層探測等。TriG接收機的主要特性如表1所示。

表1 TriG接收機的特性表

德國宇航局在導(dǎo)航ASIC 芯片GP4020的基礎(chǔ)上，推出了用在低軌衛(wèi)星上使用的菲尼克斯（Phoenix）系列接收機（例如：Phoenix-S、Phoenix-NS等），Phoenix-S接收機縮短了首次定位時間，能夠?qū)崿F(xiàn)差分定位，Phoenix-NS 接收機具有GNSS 衛(wèi)星不可用時，持續(xù)定位的外推功能。Phoenix系列接收機已在Proba-2、X-Sat等衛(wèi)星上得到了應(yīng)用。

為有效支撐歐盟在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域及廣義定位、導(dǎo)航及授時（positioning,navigation and time, PNT）領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢，歐盟推出了NAVILEO計劃，目的是集中研發(fā)力量推動其衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。NAVILEO導(dǎo)航接收機[5]的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

由表2可以知：NAVILEO導(dǎo)航接收機的性能指標(biāo)結(jié)合了高靈敏接收機、高精度接收機等接收機的綜合指標(biāo)優(yōu)勢，是歐盟面向未來低軌衛(wèi)星應(yīng)用推出的、一款具備競爭優(yōu)勢的宇航應(yīng)用的導(dǎo)航接收機產(chǎn)品。德國宇航局在ASIC芯片GP4020的基礎(chǔ)上，推出了用在低軌衛(wèi)星上的Phoenix系列接收機。隨著商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展，在商業(yè)衛(wèi)星上往往不會采用成本高昂的宇航級接收機產(chǎn)品，而會采用商業(yè)接收機，如果采取一定的防護措施，商業(yè)接收機也能較好地實現(xiàn)在軌測量任務(wù)。目前已有多家商業(yè)公司的導(dǎo)航接收機產(chǎn)品應(yīng)用到了低軌微納衛(wèi)星上，并取得了較好的應(yīng)用效果。

表2 NAVILEO導(dǎo)航接收機的特性表

2 國外接收機芯片的發(fā)展?fàn)顩r

美國在1994年就推出可在軌應(yīng)用的導(dǎo)航基帶芯片，用于美國宇航局早期的低軌衛(wèi)星。近年來，美國宇航局提出了導(dǎo)航接收機應(yīng)具備在軌重構(gòu)能力的需求。目前其低軌導(dǎo)航接收機基本由FPGA和DSP器件構(gòu)成，具備衛(wèi)星導(dǎo)航和其他科學(xué)觀測功能。

歐洲航天局于1998年完成了第一款接收機ASIC芯片（AGGA0）的設(shè)計[6]，AGGA系列芯片的性能如表3所示。表3中，GPS（global positioning system）為美國的全球定位系統(tǒng)；GLONASS（global navigation satellite system）為俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

表3 AGGA系列芯片列表

隨著導(dǎo)航基帶芯片的發(fā)展，歐洲航天局于1997年開展了航天應(yīng)用處理器的研究，主要研發(fā)具備抗單粒子翻轉(zhuǎn)的利昂（LEON）系列處理器內(nèi)核，同時也是為了擺脫對美國宇航局的依賴。經(jīng)過升級換代后的利昂-夫特（LEON-FT）內(nèi)核，于2005年開始應(yīng)用到AGGA3產(chǎn)品上，形成集內(nèi)核和GNSS基帶于一體的集成化片上系統(tǒng)（system on chip, SOC）芯片[7]。

歐洲航天局基于AGGA4芯片開發(fā)了導(dǎo)航接收機[8]，其接收信號的通道數(shù)和處理導(dǎo)航信號的頻點增多，可同時用來進行定位和進行掩星信號測量。接收機框圖如圖2所示。

圖2 基于AGGA4芯片的接收機的結(jié)構(gòu)框圖

3 國內(nèi)低軌星接收機及芯片的發(fā)展?fàn)顩r

我國于1993年開展星載GPS接收機的研制，從1996年首次搭載成功以來，已經(jīng)有百余個型號的星船載接收機進行了在軌飛行試驗。目前衛(wèi)星導(dǎo)航接收機已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到我國的航天器上并發(fā)揮了重要作用。

我國衛(wèi)星導(dǎo)航接收機產(chǎn)品經(jīng)歷了幾次結(jié)構(gòu)變化：首次搭載的衛(wèi)星導(dǎo)航接收機產(chǎn)品，采用的是通道組件和導(dǎo)航組件相互獨立的結(jié)構(gòu)，為減少體積及功耗，2000年完成了第一次改進，實現(xiàn)了通道組件和導(dǎo)航組件的二合一設(shè)計；2003年進行了第二次改進，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機增加了定軌組件，使其具有了實時定軌功能，并于2006年完成了GPS單頻接收機的產(chǎn)品定型統(tǒng)計；隨著FPGA和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter, ADC）在空間載體中的廣泛使用，2011年完成了第三次改進，新產(chǎn)品采用“FPGA+DSP”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容處理，支持在軌重構(gòu)。

3)目前高速公路風(fēng)險的動態(tài)管理一直未能有效地實施，現(xiàn)有風(fēng)險管理僅是對某一時間內(nèi)的風(fēng)險進行管控，而隨著高速車流量、外界環(huán)境等因素的變化，風(fēng)險多為動態(tài)變化的狀態(tài)，相應(yīng)的風(fēng)險管理也需隨之改變. 信息化技術(shù)的快速發(fā)展，為解決這種難題提供了可能. 因此，有必要將風(fēng)險管理與信息工程進行有效結(jié)合，將橋梁的健康監(jiān)測、風(fēng)險事件的智能預(yù)警、典型事故推演及應(yīng)急管理等信息化技術(shù)納入到風(fēng)險管理中.

隨著“十二五”期間新型航天器對星載GNSS接收機的要求不斷增加，越來越多的星載GNSS接收機，在能夠接收GPS信號的基礎(chǔ)上，增加了能夠接收BDS、GLONASS等多系統(tǒng)衛(wèi)星信號的功能，總體看來，多星座融合最大的好處就是增加了可視衛(wèi)星的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性[9]。因此，我國的星載衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，以接收BDS導(dǎo)航衛(wèi)星信號為主，同時能夠接收其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號是未來的發(fā)展趨勢。中國空間技術(shù)研究院航天恒星科技有限公司研制的SNR-3DD-1型接收機，就是能夠接收多星座導(dǎo)航衛(wèi)星信號的接收機，其設(shè)計原理如圖3所示。圖3中，LNA（low-noise amplifier）為低噪聲放大器。

圖3 SNR-3DD-1接收機的結(jié)構(gòu)框圖

SNR-3DD-1型多星座雙頻差分接收機，可滿足高精度測量型導(dǎo)航接收機的要求，可完成航天器高精度定位、精密定軌、星間基線測量與星間時差解算，目前已應(yīng)用于高分辨率衛(wèi)星、測繪衛(wèi)星、貨運飛船、空間站、交匯對接和編隊飛行等任務(wù)。其技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 SNR-3DD-1接收機特征表

二十多年來，搭載在衛(wèi)星和飛船上的國產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，經(jīng)過八十余次的成功飛行，驗證了國產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的穩(wěn)定性及可靠性。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機已經(jīng)形成了系列化產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用到了“海洋二號”“資源三號”以及921等國家重大專項工程上[10]。

集成電路技術(shù)在我國起步較晚，衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片的研究始于2000年，起初的研究多為科研樣機，沒有成熟產(chǎn)品。此后隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)即北斗二號（BeiDou navigation satellite (regional) system, BDS-2）的建設(shè)，國內(nèi)已經(jīng)有眾多企業(yè)推出商用導(dǎo)航芯片。目前市場上的商用導(dǎo)航芯片基本都采用了SoC方式實現(xiàn)，大多選用進階精簡指令集機器（advanced RISC machine, ARM），一片SOC芯片可以替換控制器FPGA、相關(guān)器FPGA及DSP的全部功能[11]。

2018年，中國空間技術(shù)研究院航天恒星科技有限公司推出了首款適用于空間環(huán)境的星載導(dǎo)航接收機芯片NS962，并將其應(yīng)用到我國的星載導(dǎo)航接收機上，NS962芯片技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

近年來，各國均在推動全球低軌、寬帶衛(wèi)星項目的建設(shè)，我國相繼規(guī)劃了鴻雁、虹云、國網(wǎng)等全球衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)。為滿足衛(wèi)星小型化的需求，星載導(dǎo)航接收機產(chǎn)品使用導(dǎo)航專用SoC芯片后，滿足了輕量化、低功耗的設(shè)計要求。鴻雁和國網(wǎng)星座上使用的星載導(dǎo)航接收機，都是基于NS962芯片的單板型導(dǎo)航接收機，在一塊233 mm×160 mm的板卡上實現(xiàn)了冷備份，接收機組成框圖如4所示所示。

表5 NS962芯片特征表

圖4 單板型接收機的組成框圖

4 結(jié)束語

根據(jù)以上總結(jié)的國內(nèi)外低軌星導(dǎo)航接收機及芯片的發(fā)展歷程，可以預(yù)測低軌星載導(dǎo)航接收機未來發(fā)展趨勢為：

1）芯片化。歐盟、中國在努力發(fā)展自有知識產(chǎn)權(quán)的高等級可編程器件和處理器件的同時，為了能夠有效快速地發(fā)展低軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，會推出高等級的專用集成電路芯片，來滿足低軌星對導(dǎo)航信號的應(yīng)用需求；

2）兼容性。隨著世界各個導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機會面向多導(dǎo)航系統(tǒng)兼容處理方向發(fā)展，導(dǎo)航系統(tǒng)間的互操作會越來越重要；

3）多功能。隨著芯片化的發(fā)展，導(dǎo)航接收機的處理能力會越來越高，導(dǎo)航接收機后續(xù)會集定位、導(dǎo)航定軌或者DORIS定軌等功能、掩星等測量功能與一體；

4）貨架式。隨著導(dǎo)航接收機向芯片化、集成化方向發(fā)展，星載導(dǎo)航接收機后續(xù)會成為低軌衛(wèi)星的一個標(biāo)準(zhǔn)組件，成為標(biāo)準(zhǔn)貨架產(chǎn)品。

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Development status and trends of GNSS receivers onboard LEO satellites

LIU Kun, PEI Dongbo

（Space Star Technology Co. Ltd., Beijing 100194, China）

In order to further study the application of navigation receivers for low Earth orbit (LEO), the paper introduced the development of satellite-borne receivers in LEO at home and abroad, and analyzed the future trends: due to the complex spatial environment, the factors of satellite vibration, space radiation, single particle effects should be considered during the overall design of satellite-borne navigation receivers; with the progress of the LEO constellation, many receiver manufacturers output the receivers or navigation chips with anti-irradiation properties for LEO satellites, and commercial Global Navigation Satellite System (GNSS) receiver boards were also successfully applied in nanosatellites after some machine protection treatment; as LEO satellites functional integration increased, there would be higher requirements for the volume, power consumption, cost, and functional compatibility of LEO navigation receivers; it could be expected that the LEO satellite navigation technology enhance in the direction of chip, compatibility, multi-function and shelf type.

navigation receiver; satellite application; low Earth orbit satellite; navigation chip

P228

A

2095-4999(2021)02-0001-05

劉坤，裴冬博. 低軌星導(dǎo)航接收機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2021, 9(2): 1-5 .（LIU Kun, PEI Dongbo.Development status and trends of GNSS receivers onboard LEO satellites[J]. Journal of Navigation and Positioning,2021,9(2): 1-5.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210201.

2020-06-28

劉坤（1988—），男，山東菏澤人，碩士，工程師，研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機及芯片的設(shè)計。

裴冬博（1985—），男，遼寧朝陽人，碩士，工程師，研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機及芯片的設(shè)計。