皮纳卫星低功耗多模GNSS接收机设计与实现

摘要

随着航天技术的快速发展，皮纳卫星以其研制周期短、成本低、体积小、重量轻、发射方式灵活等优点成为人造卫星发展的一个趋势，特别是皮纳卫星编队具有单颗大卫星所无法比拟的强大优势而受到各国青睐。皮纳卫星编队的巨大优势也推动了其重要部件—GNSS接收机不断朝着低功耗、小型化的方向发展。目前的星载GNSS接收机主要以GPS接收机为主，严重限制了我国航天事业的发展。随着北斗导航系统的建设，研究功耗低且兼容GPS和北斗的多模多频星载GNSS接收机越来越成为我国皮纳卫星发展及应用过程中的重要研究课题。
　　本文针对国内星载GNSS接收机普遍存在的功耗高、处理能力受限等缺点，结合实际工程需求，在浙大皮星二号(A/B)所搭载的浙江大学自研单模双频GNSS接收机基础上，提出了能实现双模四频、单模双频工作方式切换的低功耗GNSS接收机总体设计方案。在硬件设计过程中，考虑到平台的可扩展性及灵活性，将多模接收机的射频放大分路、射频前端、基带处理与解算三个组成部分进行了模块化设计与实现，根据功耗和其他性能指标对器件进行选型，并详细分析了元器件特性及系统性能指标。对系统软件代码进行仿真测试，将其整合到硬件平台，并最终实现适用于皮纳卫星的，具有体积小、重量轻、功耗低、工作方式切换灵活、基带处理能力强等优势的多模GNSS接收机。
　　本文设计的皮纳卫星低功耗多模GNSS接收机可并行接收GPS(L1、L2)和北斗导航系统(B1、B3)的导航信号，同时兼容GLONASS导航系统。在具体任务中可单独接收其中一个系统的导航信号，以更低的功耗完成皮纳卫星的定位、导航任务。实际测试结果表明:本文所设计的低功耗多模GNSS接收机满足指标要求，整机大小仅为:12cm×8cm×2.5cm，在双模四频（48通道）同时工作的情况下，整机功耗仅为4.4W，x、y、z三轴的定位精度分别达到1.39m(1σ)、4.76m（1σ）、1.58m(1σ)，接收灵敏度可以达到-132dBm，能够基本满足皮纳卫星的实际工程应用需求。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景

1．2 GNSS概述及发展现状

1．2．1 国外星载GNSS接收机发展现状

1．2．2 国内星载GNSS接收机发展现状

1．3 论文研究的目的和意义

1．4 论文工作与章节安排

2 GNSS接收机原理及总体方案设计

2．1 卫星导航定位基本原理

2．1．1 GNSS的基本组成结构

2．1．2 GNSS信号

2．1．3 位置求解

2．1．4 速度求解

2．1．5 时间同步

2．2 GNSS接收机信号处理流程

2．2．1 射频前端处理

2．2．2 信号捕获

2．2．3 信号跟踪

2．2．4 捕获与跟踪之间的转换

2．2．5 解算

2．3 GNSS接收机总体设计方案

2．4 本章小结

3 硬件系统设计与实现

3．1 射频前端设计实现

3．1．1 指标分析

3．1．2 方案设计及器件选型

3．1．3 指标核算

3．1．4 版图设计及实现

3．2 基带处理及解算模块设计实现

3．2．1 FPGA设计与实现

3．2．2 ARM设计与实现

3．2．3 版图设计及实现

3．3 电源模块设计与实现

3．4 可靠性设计

3．4．1 防浪涌设计

3．4．2 过流保护设计

3．4．3 抗单粒子翻转设计

3．5 本章小结

4 系统测试

4．1 硬件测试

4．1．1 电源测试

4．1．2 前端输出及增益测试

4．1．3 噪声系数测试

4．2 软件整合、仿真与测试

4．2．1 IP核仿真

4．2．2 前端配置及数据采集

4．2．3 跨时钟域处理

4．2．4 跟踪补偿计算

4．3 整机测试

4．3．1 整机功耗测试

4．3．2 整机功能测试

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

作者简介