劉 坤，裴冬博

低軌星導(dǎo)航接收機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

劉 坤，裴冬博

（航天恒星科技有限公司，北京 100194）

為了進(jìn)一步研究低軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的應(yīng)用，對(duì)國(guó)內(nèi)外低軌星載接收機(jī)的發(fā)展進(jìn)行介紹并分析未來(lái)趨勢(shì)：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(jī)在整體設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮衛(wèi)星震動(dòng)、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(jī)廠家推出了具備抗輻照能力的接收機(jī)或?qū)Ш叫酒?，商業(yè)導(dǎo)航接收機(jī)板卡經(jīng)過(guò)一些整機(jī)防護(hù)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(lái)越高，對(duì)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在體積、功耗、成本以及功能兼容性等方面的要求也越來(lái)越高；預(yù)計(jì)低軌衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)會(huì)向芯片化、兼容性、多功能、貨架式方向發(fā)展。

導(dǎo)航接收機(jī)；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(guó)積極推動(dòng)導(dǎo)航接收機(jī)在空間衛(wèi)星上的應(yīng)用，美國(guó)依托于自身在宇航級(jí)器件的實(shí)力，率先推出了星載導(dǎo)航接收機(jī)，隨著應(yīng)用的更新，特里·格（TriG）接收機(jī)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(jī)的獨(dú)立發(fā)展，推出了納維利奧（NAVILEO）導(dǎo)航接收機(jī)和阿格加（AGGA）系列導(dǎo)航芯片。中國(guó)在使用美國(guó)的專(zhuān)用集成電路（application specific integrated circuit, ASIC）芯片、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(jī)后，逐步地開(kāi)發(fā)了具備自主知識(shí)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(yùn)行速度快，因此，低軌導(dǎo)航接收機(jī)需要在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，具備良好的定位能力和在低軌空間下的容錯(cuò)與恢復(fù)能力[1]。本文整理了美國(guó)、歐洲和中國(guó)宇航應(yīng)用接收機(jī)和芯片的發(fā)展以及應(yīng)用趨勢(shì)，可以看到隨著北斗三號(hào)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(jī)和導(dǎo)航芯片產(chǎn)品后續(xù)的應(yīng)用趨勢(shì)為：兼容多導(dǎo)航星座信號(hào)頻點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)其他科學(xué)測(cè)量功能以及形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品等。

1 國(guó)外低軌星載接收機(jī)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

國(guó)外在低軌星載接收機(jī)研制方面開(kāi)展時(shí)間較早，1990年，美國(guó)宇航局的空間接收機(jī)就開(kāi)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(jī)；2000年使用的薩克-克（SAC-C）衛(wèi)星接收機(jī)，可接收L1/L2C雙頻信號(hào)[2]。目前，美國(guó)宇航局已有超過(guò)210臺(tái)接收機(jī)在軌穩(wěn)定運(yùn)行，按照美國(guó)宇航局的未來(lái)規(guī)劃，在軌接收機(jī)將會(huì)兼容現(xiàn)有GNSS播發(fā)的民用頻點(diǎn)信號(hào)[3]。

美國(guó)宇航局早期開(kāi)發(fā)的低軌星導(dǎo)航接收機(jī)，是由專(zhuān)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(jì)。TriG系列接收機(jī)全部采用可編程FPGA芯片和數(shù)字信號(hào)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(jī)內(nèi)部有兩個(gè)處理器，一個(gè)進(jìn)行定位定軌處理，另外一個(gè)進(jìn)行掩星等其他科學(xué)探索處理，TriG系列的接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TriG系列接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

TriG接收機(jī)除了接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)外，還用來(lái)處理其他測(cè)量信號(hào)，其內(nèi)部集成了多個(gè)變頻的數(shù)字處理單元，可用來(lái)接收掩星信號(hào)并進(jìn)行電離層探測(cè)等。TriG接收機(jī)的主要特性如表1所示。

表1 TriG接收機(jī)的特性表

德國(guó)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(jī)（例如：Phoenix-S、Phoenix-NS等），Phoenix-S接收機(jī)縮短了首次定位時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)差分定位，Phoenix-NS 接收機(jī)具有GNSS 衛(wèi)星不可用時(shí)，持續(xù)定位的外推功能。Phoenix系列接收機(jī)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(shí)（positioning,navigation and time, PNT）領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，歐盟推出了NAVILEO計(jì)劃，目的是集中研發(fā)力量推動(dòng)其衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。NAVILEO導(dǎo)航接收機(jī)[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(jī)的性能指標(biāo)結(jié)合了高靈敏接收機(jī)、高精度接收機(jī)等接收機(jī)的綜合指標(biāo)優(yōu)勢(shì)，是歐盟面向未來(lái)低軌衛(wèi)星應(yīng)用推出的、一款具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的宇航應(yīng)用的導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)品。德國(guó)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(jī)。隨著商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展，在商業(yè)衛(wèi)星上往往不會(huì)采用成本高昂的宇航級(jí)接收機(jī)產(chǎn)品，而會(huì)采用商業(yè)接收機(jī)，如果采取一定的防護(hù)措施，商業(yè)接收機(jī)也能較好地實(shí)現(xiàn)在軌測(cè)量任務(wù)。目前已有多家商業(yè)公司的導(dǎo)航接收機(jī)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(jī)的特性表

2 國(guó)外接收機(jī)芯片的發(fā)展?fàn)顩r

美國(guó)在1994年就推出可在軌應(yīng)用的導(dǎo)航基帶芯片，用于美國(guó)宇航局早期的低軌衛(wèi)星。近年來(lái)，美國(guó)宇航局提出了導(dǎo)航接收機(jī)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(jī)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(cè)功能。

歐洲航天局于1998年完成了第一款接收機(jī)ASIC芯片（AGGA0）的設(shè)計(jì)[6]，AGGA系列芯片的性能如表3所示。表3中，GPS（global positioning system）為美國(guó)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(kāi)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(shí)也是為了擺脫對(duì)美國(guó)宇航局的依賴(lài)。經(jīng)過(guò)升級(jí)換代后的利昂-夫特（LEON-FT）內(nèi)核，于2005年開(kāi)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(kāi)發(fā)了導(dǎo)航接收機(jī)[8]，其接收信號(hào)的通道數(shù)和處理導(dǎo)航信號(hào)的頻點(diǎn)增多，可同時(shí)用來(lái)進(jìn)行定位和進(jìn)行掩星信號(hào)測(cè)量。接收機(jī)框圖如圖2所示。

圖2 基于AGGA4芯片的接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

3 國(guó)內(nèi)低軌星接收機(jī)及芯片的發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)于1993年開(kāi)展星載GPS接收機(jī)的研制，從1996年首次搭載成功以來(lái)，已經(jīng)有百余個(gè)型號(hào)的星船載接收機(jī)進(jìn)行了在軌飛行試驗(yàn)。目前衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到我國(guó)的航天器上并發(fā)揮了重要作用。

我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)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(jī)產(chǎn)品，采用的是通道組件和導(dǎo)航組件相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，為減少體積及功耗，2000年完成了第一次改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了通道組件和導(dǎo)航組件的二合一設(shè)計(jì)；2003年進(jìn)行了第二次改進(jìn)，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)增加了定軌組件，使其具有了實(shí)時(shí)定軌功能，并于2006年完成了GPS單頻接收機(jī)的產(chǎn)品定型統(tǒng)計(jì)；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(jìn)，新產(chǎn)品采用“FPGA+DSP”結(jié)構(gòu)，實(shí)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(xiǎn)的動(dòng)態(tài)管理一直未能有效地實(shí)施，現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)管理僅是對(duì)某一時(shí)間內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控，而隨著高速車(chē)流量、外界環(huán)境等因素的變化，風(fēng)險(xiǎn)多為動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài)，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)管理與信息工程進(jìn)行有效結(jié)合，將橋梁的健康監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)管理中.

隨著“十二五”期間新型航天器對(duì)星載GNSS接收機(jī)的要求不斷增加，越來(lái)越多的星載GNSS接收機(jī)，在能夠接收GPS信號(hào)的基礎(chǔ)上，增加了能夠接收BDS、GLONASS等多系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)的功能，總體看來(lái)，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(guó)的星載衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，以接收BDS導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)為主，同時(shí)能夠接收其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。中國(guó)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(jī)，就是能夠接收多星座導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的接收機(jī)，其設(shè)計(jì)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(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

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

表4 SNR-3DD-1接收機(jī)特征表

二十多年來(lái)，搭載在衛(wèi)星和飛船上的國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，經(jīng)過(guò)八十余次的成功飛行，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的穩(wěn)定性及可靠性。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)已經(jīng)形成了系列化產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用到了“海洋二號(hào)”“資源三號(hào)”以及921等國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)工程上[10]。

集成電路技術(shù)在我國(guó)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(jī)，沒(méi)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(hào)（BeiDou navigation satellite (regional) system, BDS-2）的建設(shè)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有眾多企業(yè)推出商用導(dǎo)航芯片。目前市場(chǎng)上的商用導(dǎo)航芯片基本都采用了SoC方式實(shí)現(xiàn)，大多選用進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)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(guó)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(jī)芯片NS962，并將其應(yīng)用到我國(guó)的星載導(dǎo)航接收機(jī)上，NS962芯片技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

近年來(lái)，各國(guó)均在推動(dòng)全球低軌、寬帶衛(wèi)星項(xiàng)目的建設(shè)，我國(guó)相繼規(guī)劃了鴻雁、虹云、國(guó)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(jī)產(chǎn)品使用導(dǎo)航專(zhuān)用SoC芯片后，滿足了輕量化、低功耗的設(shè)計(jì)要求。鴻雁和國(guó)網(wǎng)星座上使用的星載導(dǎo)航接收機(jī)，都是基于NS962芯片的單板型導(dǎo)航接收機(jī)，在一塊233 mm×160 mm的板卡上實(shí)現(xiàn)了冷備份，接收機(jī)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(jī)的組成框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上總結(jié)的國(guó)內(nèi)外低軌星導(dǎo)航接收機(jī)及芯片的發(fā)展歷程，可以預(yù)測(cè)低軌星載導(dǎo)航接收機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)為：

1）芯片化。歐盟、中國(guó)在努力發(fā)展自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高等級(jí)可編程器件和處理器件的同時(shí)，為了能夠有效快速地發(fā)展低軌衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，會(huì)推出高等級(jí)的專(zhuān)用集成電路芯片，來(lái)滿足低軌星對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的應(yīng)用需求；

2）兼容性。隨著世界各個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)會(huì)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(huì)越來(lái)越重要；

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

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

[1] 趙德功, 魏小豐. 一種星載GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)及測(cè)試[J]. 電子科技, 2016(9): 158-160.

[2] MEEHAN T K, ROBISON R, MUNSON T N, et al.Orbiting GPS receiver modified to track new L2C signal[EB/OL]. [2020-05-16]. https: //ieeexplore.ieee.org/document/1650711.

[3] YOUNG L. JPL GNSS receivers, past, present, and future[EB/OL]. [2020-05-16]. https://www.nasa. gov/sites/ default/files/atoms/files/session_1_-_5_jpl_space_receivers_technology_larry_young. pdf.

[4] ESTERHUIZEN S, FRANKLIN G, HURST K et al. TriG-a GNSS precise orbit and radio occultation space receiver[EB/OL]. [2020-05-16]. https: //authors. library.caltech.edu/21729/1/Esterhuizen2009p12347Proceedings_ Of_The_22Nd_International_Technical_Meeting_Of_The_Satellite_Division_Of_The_Institute_Of_Navigation_%28Ion_Gnss_2009%29. pdf.

[5] BOTTERON C. Development of a spaceborne GNSS receiver[EB/OL]. [2020-05-16]. https://navisp. esa. int/uploads/files/documents/Space%20GNSS%20Receiver%20-%20%20Cyril%20Botteron%20-%20Syderal. pdf.

[6] SINANDER P,SILVESTRIN P. The advanced GPS GLONASS ASIC for spacecraft control and earth science applications[EB/OL]. [2020-05-16]. http: //articles.adsabs.harvard.edu//full/1997ESASP.409.287S/0000289.000. html.

[7] HOLLREISER M. Advanced GPS/GLONASS ASIC AGGA2[EB/OL]. [2020-05-16]. http: //microelectronics. esa. int/presentation/AGGA2. pdf.

[8] GUASCH J R, WEIGAND R, RISUE?O G L, et al. AGGA-4: core device for GNSS space receivers of this decade[EB/OL]. [2020-05-16]. http: //microelectronics.esa.int/papers/Navitec08-AGGA4-Paper-v6. pdf.

[9] 成躍進(jìn). 現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展介紹[J]. 空間電子技術(shù), 2015(1): 17-25.

[10] 劉寧波, 王猛, 湯丁誠(chéng), 等. 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)產(chǎn)品型譜研究報(bào)告[R]. 北京: 航天科技集團(tuán)宇航部, 2019.

[11] 王麗英. 硅片融合下的FPGA向更多的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展[J]. 今日電子, 2012(6): 27-27.

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(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 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?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)及芯片的設(shè)計(jì)。

裴冬博（1985—），男，遼寧朝陽(yáng)人，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)及芯片的設(shè)計(jì)。