低軌星導航接收機的發展現狀及趨勢

劉 坤，裴冬博

低軌星導航接收機的發展現狀及趨勢

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星導航接收機的應用，對國內外低軌星載接收機的發展進行介紹并分析未來趨勢：低軌衛星由于空間環境比較復雜，星載導航接收機在整體設計時需要考慮衛星震動、空間輻射、單粒子影響等因素；隨著低軌組網星座的發展，很多接收機廠家推出了具備抗輻照能力的接收機或導航芯片，商業導航接收機板卡經過一些整機防護處理后也成功應用于微納衛星；低軌衛星功能集成化越來越高，對低軌衛星導航接收機在體積、功耗、成本以及功能兼容性等方面的要求也越來越高；預計低軌衛星導航技術會向芯片化、兼容性、多功能、貨架式方向發展。

導航接收機；衛星應用；低軌衛星；導航芯片

0 引言

全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）建立后，世界各國積極推動導航接收機在空間衛星上的應用，美國依托于自身在宇航級器件的實力，率先推出了星載導航接收機，隨著應用的更新，特里·格（TriG）接收機也投入到在軌衛星應用中。歐盟為了能夠保持衛星導航接收機的獨立發展，推出了納維利奧（NAVILEO）導航接收機和阿格加（AGGA）系列導航芯片。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，搭建了衛星導航接收機后，逐步地開發了具備自主知識產權的集成芯片。

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

1 國外低軌星載接收機發展歷程及現狀

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用；1995年，在米克羅拉布-I（Microlab-I）衛星上首次使用了高精度接收機；2000年使用的薩克-克（SAC-C）衛星接收機，可接收L1/L2C雙頻信號[2]。目前，美國宇航局已有超過210臺接收機在軌穩定運行，按照美國宇航局的未來規劃，在軌接收機將會兼容現有GNSS播發的民用頻點信號[3]。

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

圖1 TriG系列接收機的結構框圖

TriG接收機除了接收衛星導航信號外，還用來處理其他測量信號，其內部集成了多個變頻的數字處理單元，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

德國宇航局在導航ASIC 芯片GP4020的基礎上，推出了用在低軌衛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，能夠實現差分定位，Phoenix-NS 接收機具有GNSS 衛星不可用時，持續定位的外推功能。Phoenix系列接收機已在Proba-2、X-Sat等衛星上得到了應用。

為有效支撐歐盟在衛星導航領域及廣義定位、導航及授時（positioning,navigation and time, PNT）領域的領先優勢，歐盟推出了NAVILEO計劃，目的是集中研發力量推動其衛星導航產業鏈的發展。NAVILEO導航接收機[5]的技術指標如表2所示。

由表2可以知：NAVILEO導航接收機的性能指標結合了高靈敏接收機、高精度接收機等接收機的綜合指標優勢，是歐盟面向未來低軌衛星應用推出的、一款具備競爭優勢的宇航應用的導航接收機產品。德國宇航局在ASIC芯片GP4020的基礎上，推出了用在低軌衛星上的Phoenix系列接收機。隨著商業衛星的發展，在商業衛星上往往不會采用成本高昂的宇航級接收機產品，而會采用商業接收機，如果采取一定的防護措施，商業接收機也能較好地實現在軌測量任務。目前已有多家商業公司的導航接收機產品應用到了低軌微納衛星上，并取得了較好的應用效果。

表2 NAVILEO導航接收機的特性表

2 國外接收機芯片的發展狀況

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

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；GLONASS（global navigation satellite system）為俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統。

表3 AGGA系列芯片列表

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

歐洲航天局基于AGGA4芯片開發了導航接收機[8]，其接收信號的通道數和處理導航信號的頻點增多，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芯片的接收機的結構框圖

3 國內低軌星接收機及芯片的發展狀況

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。目前衛星導航接收機已經廣泛地應用到我國的航天器上并發揮了重要作用。

我國衛星導航接收機產品經歷了幾次結構變化：首次搭載的衛星導航接收機產品，采用的是通道組件和導航組件相互獨立的結構，為減少體積及功耗，2000年完成了第一次改進，實現了通道組件和導航組件的二合一設計；2003年進行了第二次改進，衛星導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單頻接收機的產品定型統計；隨著FPGA和高速模數轉換器（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，新產品采用“FPGA+DSP”結構，實現了多導航系統的兼容處理，支持在軌重構。

3)目前高速公路風險的動態管理一直未能有效地實施，現有風險管理僅是對某一時間內的風險進行管控，而隨著高速車流量、外界環境等因素的變化，風險多為動態變化的狀態，相應的風險管理也需隨之改變. 信息化技術的快速發展，為解決這種難題提供了可能. 因此，有必要將風險管理與信息工程進行有效結合，將橋梁的健康監測、風險事件的智能預警、典型事故推演及應急管理等信息化技術納入到風險管理中.

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信號的基礎上，增加了能夠接收BDS、GLONASS等多系統衛星信號的功能，總體看來，多星座融合最大的好處就是增加了可視衛星的數量，提高了系統的可靠性[9]。因此，我國的星載衛星導航接收機，以接收BDS導航衛星信號為主，同時能夠接收其它衛星導航系統信號是未來的發展趨勢。中國空間技術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航衛星信號的接收機，其設計原理如圖3所示。圖3中，LNA（low-noise amplifier）為低噪聲放大器。

圖3 SNR-3DD-1接收機的結構框圖

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，目前已應用于高分辨率衛星、測繪衛星、貨運飛船、空間站、交匯對接和編隊飛行等任務。其技術指標見表4。

表4 SNR-3DD-1接收機特征表

二十多年來，搭載在衛星和飛船上的國產衛星導航接收機，經過八十余次的成功飛行，驗證了國產衛星導航接收機的穩定性及可靠性。目前，衛星導航接收機已經形成了系列化產品，已廣泛應用到了“海洋二號”“資源三號”以及921等國家重大專項工程上[10]。

集成電路技術在我國起步較晚，衛星導航定位芯片的研究始于2000年，起初的研究多為科研樣機，沒有成熟產品。此后隨著北斗衛星導航（區域）系統即北斗二號（BeiDou navigation satellite (regional) system, BDS-2）的建設，國內已經有眾多企業推出商用導航芯片。目前市場上的商用導航芯片基本都采用了SoC方式實現，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、相關器FPGA及DSP的全部功能[11]。

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

近年來，各國均在推動全球低軌、寬帶衛星項目的建設，我國相繼規劃了鴻雁、虹云、國網等全球衛星星座通信系統。為滿足衛星小型化的需求，星載導航接收機產品使用導航專用SoC芯片后，滿足了輕量化、低功耗的設計要求。鴻雁和國網星座上使用的星載導航接收機，都是基于NS962芯片的單板型導航接收機，在一塊233 mm×160 mm的板卡上實現了冷備份，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 結束語

根據以上總結的國內外低軌星導航接收機及芯片的發展歷程，可以預測低軌星載導航接收機未來發展趨勢為：

1）芯片化。歐盟、中國在努力發展自有知識產權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展低軌衛星導航接收機，會推出高等級的專用集成電路芯片，來滿足低軌星對導航信號的應用需求；

2）兼容性。隨著世界各個導航系統的發展，衛星導航接收機會面向多導航系統兼容處理方向發展，導航系統間的互操作會越來越重要；

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

4）貨架式。隨著導航接收機向芯片化、集成化方向發展，星載導航接收機后續會成為低軌衛星的一個標準組件，成為標準貨架產品。

[1] 趙德功, 魏小豐. 一種星載GPS接收機設計及測試[J]. 電子科技, 2016(9): 158-160.

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[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.

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[10] 劉寧波, 王猛, 湯丁誠, 等. 衛星導航接收機產品型譜研究報告[R]. 北京: 航天科技集團宇航部, 2019.

[11] 王麗英. 硅片融合下的FPGA向更多的應用領域擴展[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. 低軌星導航接收機的發展現狀及趨勢[J]. 導航定位學報, 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，研究方向為衛星導航接收機及芯片的設計。

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