低轨星导航接收机的发展现状及趋势

刘 坤，裴冬博

低轨星导航接收机的发展现状及趋势

刘 坤，裴冬博

（航天恒星科技有限公司，北京 100194）

为了进一步研究低轨卫星导航接收机的应用，对国内外低轨星载接收机的发展进行介绍并分析未来趋势：低轨卫星由于空间环境比较复杂，星载导航接收机在整体设计时需要考虑卫星震动、空间辐射、单粒子影响等因素；随着低轨组网星座的发展，很多接收机厂家推出了具备抗辐照能力的接收机或导航芯片，商业导航接收机板卡经过一些整机防护处理后也成功应用于微纳卫星；低轨卫星功能集成化越来越高，对低轨卫星导航接收机在体积、功耗、成本以及功能兼容性等方面的要求也越来越高；预计低轨卫星导航技术会向芯片化、兼容性、多功能、货架式方向发展。

导航接收机；卫星应用；低轨卫星；导航芯片

0 引言

全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）建立后，世界各国积极推动导航接收机在空间卫星上的应用，美国依托于自身在宇航级器件的实力，率先推出了星载导航接收机，随着应用的更新，特里·格（TriG）接收机也投入到在轨卫星应用中。欧盟为了能够保持卫星导航接收机的独立发展，推出了纳维利奥（NAVILEO）导航接收机和阿格加（AGGA）系列导航芯片。中国在使用美国的专用集成电路（application specific integrated circuit, ASIC）芯片、现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）芯片及中央处理器（central processing unit, CPU）芯片后，搭建了卫星导航接收机后，逐步地开发了具备自主知识产权的集成芯片。

由于低轨卫星轨道在距地高度200~2000 km的高度范围内，卫星轨道高度低、绕地运行速度快，因此，低轨导航接收机需要在动态场景下，具备良好的定位能力和在低轨空间下的容错与恢复能力[1]。本文整理了美国、欧洲和中国宇航应用接收机和芯片的发展以及应用趋势，可以看到随着北斗三号全球卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）及伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）的逐步完善以及商业板卡的应用，低轨卫星接收机和导航芯片产品后续的应用趋势为：兼容多导航星座信号频点，具备定位、导航定轨或者卫星多普勒定轨定位（Doppler orbitography and radio-positioning integrated by satellite, DORIS）等功能，可以实现其他科学测量功能以及形成标准化产品等。

1 国外低轨星载接收机发展历程及现状

国外在低轨星载接收机研制方面开展时间较早，1990年，美国宇航局的空间接收机就开始了应用；1995年，在米克罗拉布-I（Microlab-I）卫星上首次使用了高精度接收机；2000年使用的萨克-克（SAC-C）卫星接收机，可接收L1/L2C双频信号[2]。目前，美国宇航局已有超过210台接收机在轨稳定运行，按照美国宇航局的未来规划，在轨接收机将会兼容现有GNSS播发的民用频点信号[3]。

美国宇航局早期开发的低轨星导航接收机，是由专用的集成电路芯片构成，后续基本采用FPGA芯片等分离器件设计。TriG系列接收机全部采用可编程FPGA芯片和数字信号处理器（digital signal processor,DSP）搭建而成[4]，具备在轨重构的能力。TriG系列接收机内部有两个处理器，一个进行定位定轨处理，另外一个进行掩星等其他科学探索处理，TriG系列的接收机结构如图1所示。

图1 TriG系列接收机的结构框图

TriG接收机除了接收卫星导航信号外，还用来处理其他测量信号，其内部集成了多个变频的数字处理单元，可用来接收掩星信号并进行电离层探测等。TriG接收机的主要特性如表1所示。

表1 TriG接收机的特性表

德国宇航局在导航ASIC 芯片GP4020的基础上，推出了用在低轨卫星上使用的菲尼克斯（Phoenix）系列接收机（例如：Phoenix-S、Phoenix-NS等），Phoenix-S接收机缩短了首次定位时间，能够实现差分定位，Phoenix-NS 接收机具有GNSS 卫星不可用时，持续定位的外推功能。Phoenix系列接收机已在Proba-2、X-Sat等卫星上得到了应用。

为有效支撑欧盟在卫星导航领域及广义定位、导航及授时（positioning,navigation and time, PNT）领域的领先优势，欧盟推出了NAVILEO计划，目的是集中研发力量推动其卫星导航产业链的发展。NAVILEO导航接收机[5]的技术指标如表2所示。

由表2可以知：NAVILEO导航接收机的性能指标结合了高灵敏接收机、高精度接收机等接收机的综合指标优势，是欧盟面向未来低轨卫星应用推出的、一款具备竞争优势的宇航应用的导航接收机产品。德国宇航局在ASIC芯片GP4020的基础上，推出了用在低轨卫星上的Phoenix系列接收机。随着商业卫星的发展，在商业卫星上往往不会采用成本高昂的宇航级接收机产品，而会采用商业接收机，如果采取一定的防护措施，商业接收机也能较好地实现在轨测量任务。目前已有多家商业公司的导航接收机产品应用到了低轨微纳卫星上，并取得了较好的应用效果。

表2 NAVILEO导航接收机的特性表

2 国外接收机芯片的发展状况

美国在1994年就推出可在轨应用的导航基带芯片，用于美国宇航局早期的低轨卫星。近年来，美国宇航局提出了导航接收机应具备在轨重构能力的需求。目前其低轨导航接收机基本由FPGA和DSP器件构成，具备卫星导航和其他科学观测功能。

欧洲航天局于1998年完成了第一款接收机ASIC芯片（AGGA0）的设计[6]，AGGA系列芯片的性能如表3所示。表3中，GPS（global positioning system）为美国的全球定位系统；GLONASS（global navigation satellite system）为俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统。

表3 AGGA系列芯片列表

随着导航基带芯片的发展，欧洲航天局于1997年开展了航天应用处理器的研究，主要研发具备抗单粒子翻转的利昂（LEON）系列处理器内核，同时也是为了摆脱对美国宇航局的依赖。经过升级换代后的利昂-夫特（LEON-FT）内核，于2005年开始应用到AGGA3产品上，形成集内核和GNSS基带于一体的集成化片上系统（system on chip, SOC）芯片[7]。

欧洲航天局基于AGGA4芯片开发了导航接收机[8]，其接收信号的通道数和处理导航信号的频点增多，可同时用来进行定位和进行掩星信号测量。接收机框图如图2所示。

图2 基于AGGA4芯片的接收机的结构框图

3 国内低轨星接收机及芯片的发展状况

我国于1993年开展星载GPS接收机的研制，从1996年首次搭载成功以来，已经有百余个型号的星船载接收机进行了在轨飞行试验。目前卫星导航接收机已经广泛地应用到我国的航天器上并发挥了重要作用。

我国卫星导航接收机产品经历了几次结构变化：首次搭载的卫星导航接收机产品，采用的是通道组件和导航组件相互独立的结构，为减少体积及功耗，2000年完成了第一次改进，实现了通道组件和导航组件的二合一设计；2003年进行了第二次改进，卫星导航接收机增加了定轨组件，使其具有了实时定轨功能，并于2006年完成了GPS单频接收机的产品定型统计；随着FPGA和高速模数转换器（analog-to-digital converter, ADC）在空间载体中的广泛使用，2011年完成了第三次改进，新产品采用“FPGA+DSP”结构，实现了多导航系统的兼容处理，支持在轨重构。

3)目前高速公路风险的动态管理一直未能有效地实施，现有风险管理仅是对某一时间内的风险进行管控，而随着高速车流量、外界环境等因素的变化，风险多为动态变化的状态，相应的风险管理也需随之改变. 信息化技术的快速发展，为解决这种难题提供了可能. 因此，有必要将风险管理与信息工程进行有效结合，将桥梁的健康监测、风险事件的智能预警、典型事故推演及应急管理等信息化技术纳入到风险管理中.

随着“十二五”期间新型航天器对星载GNSS接收机的要求不断增加，越来越多的星载GNSS接收机，在能够接收GPS信号的基础上，增加了能够接收BDS、GLONASS等多系统卫星信号的功能，总体看来，多星座融合最大的好处就是增加了可视卫星的数量，提高了系统的可靠性[9]。因此，我国的星载卫星导航接收机，以接收BDS导航卫星信号为主，同时能够接收其它卫星导航系统信号是未来的发展趋势。中国空间技术研究院航天恒星科技有限公司研制的SNR-3DD-1型接收机，就是能够接收多星座导航卫星信号的接收机，其设计原理如图3所示。图3中，LNA（low-noise amplifier）为低噪声放大器。

图3 SNR-3DD-1接收机的结构框图

SNR-3DD-1型多星座双频差分接收机，可满足高精度测量型导航接收机的要求，可完成航天器高精度定位、精密定轨、星间基线测量与星间时差解算，目前已应用于高分辨率卫星、测绘卫星、货运飞船、空间站、交汇对接和编队飞行等任务。其技术指标见表4。

表4 SNR-3DD-1接收机特征表

二十多年来，搭载在卫星和飞船上的国产卫星导航接收机，经过八十余次的成功飞行，验证了国产卫星导航接收机的稳定性及可靠性。目前，卫星导航接收机已经形成了系列化产品，已广泛应用到了“海洋二号”“资源三号”以及921等国家重大专项工程上[10]。

集成电路技术在我国起步较晚，卫星导航定位芯片的研究始于2000年，起初的研究多为科研样机，没有成熟产品。此后随着北斗卫星导航（区域）系统即北斗二号（BeiDou navigation satellite (regional) system, BDS-2）的建设，国内已经有众多企业推出商用导航芯片。目前市场上的商用导航芯片基本都采用了SoC方式实现，大多选用进阶精简指令集机器（advanced RISC machine, ARM），一片SOC芯片可以替换控制器FPGA、相关器FPGA及DSP的全部功能[11]。

2018年，中国空间技术研究院航天恒星科技有限公司推出了首款适用于空间环境的星载导航接收机芯片NS962，并将其应用到我国的星载导航接收机上，NS962芯片技术指标如表5所示。

近年来，各国均在推动全球低轨、宽带卫星项目的建设，我国相继规划了鸿雁、虹云、国网等全球卫星星座通信系统。为满足卫星小型化的需求，星载导航接收机产品使用导航专用SoC芯片后，满足了轻量化、低功耗的设计要求。鸿雁和国网星座上使用的星载导航接收机，都是基于NS962芯片的单板型导航接收机，在一块233 mm×160 mm的板卡上实现了冷备份，接收机组成框图如4所示所示。

表5 NS962芯片特征表

图4 单板型接收机的组成框图

4 结束语

根据以上总结的国内外低轨星导航接收机及芯片的发展历程，可以预测低轨星载导航接收机未来发展趋势为：

1）芯片化。欧盟、中国在努力发展自有知识产权的高等级可编程器件和处理器件的同时，为了能够有效快速地发展低轨卫星导航接收机，会推出高等级的专用集成电路芯片，来满足低轨星对导航信号的应用需求；

2）兼容性。随着世界各个导航系统的发展，卫星导航接收机会面向多导航系统兼容处理方向发展，导航系统间的互操作会越来越重要；

3）多功能。随着芯片化的发展，导航接收机的处理能力会越来越高，导航接收机后续会集定位、导航定轨或者DORIS定轨等功能、掩星等测量功能与一体；

4）货架式。随着导航接收机向芯片化、集成化方向发展，星载导航接收机后续会成为低轨卫星的一个标准组件，成为标准货架产品。

[1] 赵德功, 魏小丰. 一种星载GPS接收机设计及测试[J]. 电子科技, 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, RISUEÑO 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] 成跃进. 现代卫星导航定位系统发展介绍[J]. 空间电子技术, 2015(1): 17-25.

[10] 刘宁波, 王猛, 汤丁诚, 等. 卫星导航接收机产品型谱研究报告[R]. 北京: 航天科技集团宇航部, 2019.

[11] 王丽英. 硅片融合下的FPGA向更多的应用领域扩展[J]. 今日电子, 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

刘坤，裴冬博. 低轨星导航接收机的发展现状及趋势[J]. 导航定位学报, 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

刘坤（1988—），男，山东菏泽人，硕士，工程师，研究方向为卫星导航接收机及芯片的设计。

裴冬博（1985—），男，辽宁朝阳人，硕士，工程师，研究方向为卫星导航接收机及芯片的设计。