， ， ， ，

(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，現有的宇航級抗輻射器件和技術已經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。通過對國內外皮納型衛(wèi)星導航接收機應用情況的調研可以發(fā)現，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)星中已經得到了較為普遍的應用[5]，但在國內，鑒于只有少數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據格式通過對外通信接口發(fā)送至數管單元。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，可以完成內外鐘切換，滿足不同應用需求。電源管理模塊主要實現電壓轉換，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 射頻模塊輸出的數字中頻信號傳輸到基帶處理模塊進行處理。

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、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采用噪聲系數較低的低噪聲放大器，噪聲系數：≤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轉換器，僅需外接LC中頻濾波器，從而實現模塊體積的小型化和低功耗要求。集成雙路下變頻通道，四位模數轉換器，支持多種RNSS導航協議，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字中頻信號進行捕獲、跟蹤與測量，實現對導航信號的解擴、解調、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)多通道數字相關器+導航解算處理器芯片；

2)SDRAM：SOC程序運行與數據存儲區(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。

多通道數字相關器由SoC芯片上的FPGA實現，來自于射頻板的數字中頻信號輸入數字相關器內，完成載波剝離、碼剝離，根據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，處理器從多通道數字相關器中獲取觀測衛(wèi)星的累加量數據和測量量數據，根據累加量對載波殘余頻/相差、偽碼殘余相差進行修正，根據測量量數據獲得各跟蹤衛(wèi)星信號的偽距信息；經過解算后生成衛(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)星數傳系統(tǒng)的遙測遙控、科學數據傳輸等任務。

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接口和以太網接口等，基帶處理模塊外掛一片512 K×32×4 banks DDR SRAM用于數據及程序緩存。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)定的產品，符合應用需求的各項指標，產品性能穩(wěn)定，封裝小，功率小，精度高。經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。可以接入外部更高質量的時鐘輸入，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 內外部時鐘切換電路

具體工作原理是外部時鐘經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，產生各種空間環(huán)境效應，進而對航天器的安全運行產生影響。這些現象中對接收機直接產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，航天產品設備內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)境數據和元器件抗輻射能力數據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據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。根據輻照參數變化，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，防止電參數變化導致系統(tǒng)工作異常。容差設計是容易實現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?？梢詫植侩娐坊蛘哒麢C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片內通過處理器實現對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，可以實現對存儲器糾1檢2的糾檢錯功能，同時能夠對ARM內部的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內部寄存器狀態(tài)，出現寄存器值翻轉時重新配置。

4 測試驗證

根據上述設計得到基于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、定軌和授時等數據進行分析和處理，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。