基于ZYNQ-7000的星载双模卫星导航接收机设计与实现

基于ZYNQ-7000的星载双模卫星导航接收机设计与实现赵晶【摘要】随着卫星导航系统的不断发展和完善,星载卫星导航接收机的研制己经成为卫星导航领域重要研究方向之一.设计了一种基于ZYNQ-7000的星载卫星导航接收机,具有GPS/BDS双模兼容、高精度和高动态等特点.详细介绍该星载接收机总体设计架构、捕获跟踪设计、定位测速算法及电离层误差修正,最后通过模拟源模拟低轨卫星场景,验证了设计方案的可行性.同时,通过统计星载接收机定位误差,证明了该星载接收机满足指标要求.%With the continuous development and perfection of the satellite navigation system, the development of space-borne satellite receiver becomes an important research direction of satellite navigation system. A satellite-borne satellite navigation receiver based on ZYNQ-7000 is designed, which has the characteristics ofGPS/BDS dual-mode compatibility, high precision and high dynamic. The overall design frame, capture and tracking design, positioning velocity-measurement algorithm and ionospheric error correction are described in detail. Finally, simulation on low earth-orbit satellite indicates the feasibility of the proposed scheme. Meanwhile, the statistics on the positioning error of the satellite-borne receiver indicate that the on-board receiver could meet the requirements of design indicators.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2017(050)008【总页数】6页(P1849-1854)【关键词】星载接收机;卫星导航;捕获跟踪;ZYNQ-7000【作者】赵晶【作者单位】中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西西安 710068【正文语种】中文【中图分类】TN967.1随着卫星导航技术的不断深入发展，星载接收机的研制成为卫星导航领域的重要研究方向之一。

低轨卫星由于在大气探测、海洋测高、重力场模型精化等方面具有广泛应用，近几十年来得到了迅速发展。

国外在一些低轨卫星上都搭载了GPS接收机。

2015年9月20日，新一代运载火箭长征六号成功发射了20颗卫星，6家卫星研制单位有4家使用了我国自主研制的国产空间型北斗导航定位接收机。

此次应用首次实现了北斗卫星导航系统在微小卫星上的高精密定轨，填补了我国在该领域的空白。

随着我国航天航空事业的蓬勃发展，研制基于GPS和BDS的星载双模接收机己成为未来的发展趋势之一。

星载卫星导航接收机具有以下特点：（1）多普勒频移较大；（2）换星速度快；（3）电离层时延变化大。

本文主要研究星载双模卫星导航接收机的相关技术，在充分论证整体架构和各部分原理的基础上，深入分析星载接收机捕获跟踪方案的原理及实现、星载接收机定位测速及电离层修正等内容[1]。

本文设计的星载双模卫星导航接收机可同时接收GPS L1频点和BDS B3频点卫星信号，具备定位、测速和授时功能。

传统的FPGA+DSP架构方案比较成熟，但是功耗和体积较大，难以满足星载的应用需求。

采用专用射频芯片+基带芯片的架构，能够有效降低方案复杂度和接收机的体积、功耗。

但是，目前国内尚无针对星载使用环境的芯片，且其算法后期可维护性较差。

综合考虑后，硬件采用了Xilinx公司的ZYNQ-7000平台，可在单颗芯片上实现相当于以往FPGA+DSP的功能，同时能够将设备功耗控制在3 W以内，有效兼顾了对体积和功耗的需求。

ZYNQ-7000是第一代可扩展处理平台，同时具有软件可编程、硬件可编程、IO可编程的特性。

ZYNQ芯片内包含一个丰富特性的基于双核ARM Cortex-A9的处理子系统（Processing System，PS）和Xilinx 28 nm可编程逻辑（Programmable Logic，PL）。

接收机总体架构主要分为射频部分、PL基带信号处理部分和PS数字信号处理部分，如图1所示。

RF射频前端。

天线接收卫星信号后经过LNA放大器放大，由功分器分为GPS和BDS两路。

各路信号经过滤波器滤波后进入中频信号处理芯片，在芯片中实现信号下变频到中频。

LNA放大信号増益，滤波，信号经AD转换成数字信号输出至PL中进行基带信号处理。

PL基带信号处理模块主要完成信号的捕获、跟踪、位同步、帧同步、导航电文和原始观测量的提取。

GPS、BDS时分复用FFT快捕模块用以完成信号的捕获，且在捕获上某一颗卫星后转入跟踪。

GPS和BDS各有12个跟踪通道，可以同时对12颗卫星信号进行跟踪。

每个跟踪模块中都包含载波剥离和伪码剥离，之后进行位同步和帧同步，并提取导航电文。

所有的通道共用一个时基产生模块，用于产生TIC信号和1PPS信号。

在每个TIC到来时，读取每个通道与伪距和多普勒相关的原始观测量，提供给PVT解算模块进行解算。

PS数字信号处理模块的功能是根据基带信号处理模块的数据进行位置、速度和时间的计算。

根据获取的导航电文解析每颗卫星的星历和历书数据。

根据原始观测量获取TIC时刻各卫星信号的发送时间，然后计算TIC时刻的各卫星位置和速度、各卫星与接收机之间的伪距和多普勒频率。

利用伪距和各卫星位置可以计算接收机位置和钟差，利用各卫星速度和多普勒频率可计算接收机的速度和钟漂。

然后，利用计算的钟差和钟漂调整TIC和1PPS进行授时，完成PVT解算，并将得到的接收机位置、速度和时间信息转换至各个坐标系下。

同时，PS接收串口输入，解析指令，将指令对应的输出语句传入PL的缓存FIFO中，由PL通过串口芯片与上位机实现通讯[1]。

2.1 星载双模接收机捕获算法设计与实现在卫星导航系统中，当卫星信号被天线接收后，解译帧数据前需对卫星信号中的伪码进行解扩，而解扩处理前的关键步骤是捕获。

本接收机采用并行码相位搜索捕获算法—基于FFT-IFFT的循环码相关算法。

PL实现循环码相关的快捕逻辑，PS主要实现捕获策略控制和门限判决，算法实现流程如图2所示。

FPGA端实现对中频数据去除载波，即对去除载波后的数字信号抽取滤波，降低采样数据量，再对滤波器的输出信号重采样。

I、Q两路信号合成一路复信号进入FFT模块，同时本地伪码也进入FFT模块进行FFT。

伪码经FFT变换计算的结果取共扼与I、Q复信号的FFT变换结果相乘，最后将乘积结果进行IFFT 变换并取模。

在这N点的相关结果中查找最大值与次大值，并标记最大值对应的伪码相位，将相关结果存入存储器，并将FFT完成标志位置1。

进行非相干累加时，每次将本次相关结果与上次存储的结果对应相加，并通过数据总线将最大值、次大值及相应的码相位传给ARM。

ARM轮询各通道状态为空闲通道选星，设置FPGA快捕模块的PRN码和初始多普勒频率，以控制FPGA端FFTIFFT模块的运行。

当FPGA端完成一次循环码相位相关算法后，置位FFT完成标志，ARM端查询标志位。

当ARM端查询到标志位有效时，ARM查询FFT-IFFT算法输出结果值，其中包含最大值、次大值和对应码相位，并根据最大值和次大值之间的比值判决是否捕获到信号。

若捕获到信号，则通道状态机由捕获状态转为跟踪；若未超过门限，则重复上述过程，并对相关结果进行非相干积累。

若非相干积累的次数超出预设次数，则本地载波步进多普勒频率。

当多普勒频率捜索完成仍未捕获到信号时，则更新卫星PRN码继续上述捕获过程。

由于本接收机为星载双模接收机，分析中低轨卫星运动场景可知，中低轨卫星运行速度可达到7 000～8 000 m/s以上，但加速度不会太大。

如此高速的运动场景，星间相对运动会产生很大的多普勒频率。

对比本接收机应用场景可知，最大多普勒为±40 kHz。

同时，卫星载体的高速运动会导致接收机的可见星发生很大变化。

卫星频繁发送失锁和重捕，对在高速载体上接收机的捕获速度要求很大。

本接收机采用500 Hz的频率步进捜索多普勒，减少搜索次数，同时在跟踪环路中将粗捕之后的多普勒相位精细化，以保证在粗捕之后跟踪环能牵引多普勒频率，并实现信号的稳定跟踪。

2.2 星载双模接收机跟踪算法设计与实现接收机在捕获到信号后，将转到信号跟踪模块，主要原因是为了将捕获的粗略结果精细到一定可容忍范围，并动态跟踪接收信号的变化，实现信号的稳定锁定。

本接收机跟踪环路设计采用载波环和码环，载波环采用二阶锁频环FLL辅助三阶锁相环PLL，码环采用DLL，跟踪环路整体结构如图3所示。

本接收机跟踪环路对接收机处理流程如下：数字中频信号首先与载波环所复制的载波正弦和余弦相乘分为I、Q两路，I、Q两路各自经三路相关器与码环复制的超前、即时和滞后码相关，相关结果经积分-清除器后分别输出相干积分值；即时码的相干积分值输入到载波环鉴别器，超前和滞后码的相关积分值作为码环鉴别器的输入；载波环环路滤波器和码环环路滤波器分别对鉴别器输出量滤波，滤波后的结果用来调节载波NCO和码NCO，逐步调节直至载波环和码环达到稳定跟踪状态，使得本地载波和码相位与接收信号保持一致。

同时，载波环输出多普勒频移和载波相位观测值，码环输出码相位和伪距观测值，载波环鉴别器输出经解调、解扩之后的导航电文数据比特。

3.1 星载接收机定位算法研究3.1.1 伪距定位和加权最小二乘法本接收机采用伪距和加权最小二乘法实现卫星定位算法。

由于定位算法需同时处理接收机对多个卫星的测量值，则伪距方程为：其中，n=1,2…N是卫星编号，ρ(n)为伪距观测量，δtu为接收机钟差，δt(n)为卫星钟差，I(n)为卫星n伪距的电离层修正量，T(n)为卫星n伪距对流层修正量，r(n)则为卫星到用户接收机的几何矢量：其中，[x(n), y(n), z(n)]为卫星的位置坐标向量。

则N颗卫星伪距观测方程可分成下列方程组：为求得上述方程组的解，式（3）可变为：转化为矩阵形式为：其中，G为几何矩阵，则式（5）的最小二乘解为：考虑到不同伪距观测方程对定位结果的误差存在不同影响，可以改进最小二乘法。