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基于ZYNQ-7000的星载双模卫星导航接收机设计与实现

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基于FPGA ZYNQ7000的高帧频智能目标检测系统的设计方案

基于FPGA ZYNQ7000的高帧频智能目标检测系统的设计方案

基于FPGA ZYNQ7000的高帧频智能目标检测系统的设计方案基于机器视觉的智能目标检测系统应用非常广泛，尤其在航天军工等领域中，经常涉及高速目标的实时检测和控制，对目标检测的智能性和实时性提出了更严格的要求。

在这种应用中，视觉系统相对雷达、声纳具有信息量大、抗干扰能力强、软件处理灵活、体积重量小、成本低等特点，但缺点是传输和处理需要的时间更多，因此很难满足图像信息传输和处理的实时性要求。

高速相机一般通过GigE、CameraLink、USB3.0等接口将图像采集后传输到图像处理器上，这种方式把大量时间消耗到信息传输通道。

为了解决这个问题，最好的方式是直接在近端对传感器芯片采集的图像进行处理。

FPGA凭借其硬件并行运算的优势，越来越多地应用于高速相机以及高速运动检测系统中，极大地提高了图像处理速度，保证了系统的高速、实时性与准确性。

通过FPGA对图像传感器进行近端处理，可以做到采集图像与智能处理同步进行。

其最需要解决的问题是优化智能算法，使得运算更加简单高效，并占用更少的资源。

目前很多学者正致力于高速视觉目标检测系统的研究。

GUQY等人设计了2000f/s的高速智能相机，可以对目标进行智能实时监测。

后又设计了高帧频视频拼接系统，该系统运用了改进的基于特征的视频拼接算法，能够实时合成全景图像，帧率可达500f/s。

麻省理工大学的CHENJG等人通过高速摄像机（5000f/s）对悬臂梁上的目标物体进行位移测量实验，通过PC对数据进行离线分析，得到了与激光测振仪和加速度计测量相一致的振动曲线。

并且通过FFT算法对三组数据进行频域分析，得出了各个共振频率分量。

本文以高帧频与实时性作为研究的切入点，设计了一种基于ZYNQ7000的高速相机平台，充分利用芯片上的FPGA资源及其硬件并行的优势，进行目标提取及质心检测算法的实现。

本文优化了目标检测的FPGA算法，去掉中间缓存环节，以流水线结构对图像数据进行实时流水处理，提高了目标检测算法的处理效率，可以在每帧图像采集后的有限个时钟周期内完成位置检测运算，做到同步检测。

基于Zynq7000高清视频采集处理系统Linux移植与应用程序设计

基于Zynq7000高清视频采集处理系统Linux移植与应用程序设计

2、系统实现
（1）硬件实现
本系统的硬件平台采用Xilinx Zynq-7000开发板，以ZYNQ-7000为核心，连 接摄像头、SD卡、网口等外部设备进行系统搭建。其中，摄像头通过CAMIF接口 与FPGA相连，实现图像采集；SD卡通过SDIO接口与ARM Cortex-A9处理器相连， 实现数据存储；网口通过EMAC接口与FPGA相连，实现千兆以太网传输。
Zynq7000是Xilinx公司推出的一款基于ARM Cortex-A9内核的FPGA芯片。它 具有高度的可编程性和灵活性，同时集成了丰富的外围设备和高性能的内部资源。 在数字图像处理方面，Zynq7000具有PS和PL可编程性，用户可以通过编程来实现 各种数字图像处理算法，同时其DDR3存储器可以提供快速的数据存储和读取。
移植过程
在Zynq7000高清视频采集处理系统上移植Linux操作系统主要包括以下几个 步骤：
1、获取Linux内核源码并修改配置：根据硬件平台的需求，修改Linux内核 源码的配置文件，以支持Zynq7000硬件平台的特性和需求。
2、编译内核：使用交叉编译器编译修改后的Linux内核源码，生成可在 Zynq7000上运行的Linux内核映像文件。
Zynq7000是Xilinx公司推出的一款基于ARM Cortex-A9架构的FPGA处理器， 它同时集成了高性能的DSP和FPGA可编程逻辑单元，可以满足各种复杂算法的运 行需求。Zynq7000具有高速的DDR内存接口，可以大大提升数据处理速度，此外， 其内置的DMA引擎和高速串行接口也可以满足各种数据传输需求。
2）本系统的架构设计合理，能够满足图像采集处理的实时性要求。
3）本系统的软件实现采用了驱动程序、图像处理算法程序和应用程序三个 层次的结构，具有可维护性和可扩展性强的特点。

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
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｉ ｎ ｕ ｏ ｕ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｐ ｅ ｒ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ｎ ａ ｖ ｉ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ，ｔ ｈ ｅ
ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ＧＰＳ ／ ＢＤＳ ｄ ｕ ａ ｌ －ｍｏ ｄ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｔ ｉ ｂｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ，ｈｉ ｇ ｈ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｈｉ ｇ ｈ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ．Ｔｈ ｅ ｏ ｖ ｅ ｒ ａ ｌ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ
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第５ ０卷 第 ８期
２ ０ １ ７年 ８月
通信技术
Ｃｏ ｍｍｕｎｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ Ｔｅ ｃ ｈｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ０ １ ． ５ ０ Ｎｏ． ８ Ａｕｇ ． ２ ０１ ７
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ２ － ０ ８ ０ ２ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ８ ． ０ ４ ５
ｆ ｒ ａ ｍｅ ， ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ， ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ — ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ ａ ｎ ｄ ｉ ｏ ｎ ｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｃ ｒ ｉ ｂ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ ． Ｆ ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｙ ． ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｌ ｏ ｗ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ － ｏ ｒ ｂ ｉ ｔ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｆ ｅ ａ ｓ ｉ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ．Ｍｅ ａ ｎ ｗｈ ｉ ｌ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｇ ｅ ｒ ｒ ｏ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ — ｂ ｏ ｒ ｎ ｅ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｒ

基于ZYNQ7000 Linux的数据采集系统设计和实现

基于ZYNQ7000 Linux的数据采集系统设计和实现

基于ZYNQ7000 Linux的数据采集系统设计和实现作者：孙国萃杜军冯祥虎肖世伟杨美娜来源：《现代信息科技》2022年第04期摘要：针对传统平台传输信号慢、开发过程复杂的特点，对信号的传输采集系统做了相关研究，设计了一种基于ZYNQ-7000和AD（AD9226）架构的嵌入式数据采集的实现方案，以ZYNQ-7000为数字信号处理平台，搭配AD转换芯片，在Linux操作系统下利用AXI-DMA 方式实现信号的高速采集。

该设计数据传输速率快，开发前景好，且具有小型化、高集成度的特點，为后续进一步的数据处理提供了前提。

关键词：ZYNQ-7000;Linux操作系统;AD转换;AXI-DMA传输中图分类号：TN919.5 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）04-0085-04Design and Implementation of Data Acquisition System Based on ZYNQ7000 LinuxSUN Guocui， DU Jun， FENG Xianghu， XIAO Shiwei， YANG Meina（School of Computer Science and Information Engineering， Harbin Normal University，Harbin 150025， China）Abstract： In view of the characteristics of slow signal transmission and complex development process of traditional platform， the signal transmission and acquisition system is studied， and an implementation scheme of embedded data acquisition based on ZYNQ-7000 and AD （AD9226）architecture is designed. Taking ZYNQ-7000 as the digital signal processing platform， combinedwith AD conversion chip， the high-speed signal acquisition is realized in AXI-DMA ways under Linux operating system. The design has the characteristics of fast data transmission rate， good development prospect， miniaturization and high integration， which provides a premise for further data processing.Keywords： ZYNQ-7000; Linux operating system; AD conversion; AXI-DMA transmission0 引言数据的发射采集和处理在通信工程领域中起到至关重要的作用，随着科学技术的发展，传统的硬件平台已经无法适应多频段、多模式的信号处理。

芯驿 ZYNQ7000 开发平台 AX7Z010 开发板用户手册

芯驿 ZYNQ7000 开发平台 AX7Z010 开发板用户手册

文档版本控制目录文档版本控制 (2)一、开发板简介 (6)二、AC7Z010核心板 (8)(一)简介 (8)(二)ZYNQ芯片 (9)(三)DDR3 DRAM (12)(四)QSPI Flash (16)(五)时钟配置 (17)(六)电源 (18)(七)结构图 (20)(八)连接器管脚定义 (20)三、扩展板 (25)(一)简介 (25)(二)CAN通信接口 (26)(三)485通信接口 (27)(四)千兆以太网接口 (28)(五)USB2.0 Host接口 (31)(六)USB转串口 (32)(七)AD输入接口 (33)(八)HDMI输出接口 (35)(九)MIPI摄像头接口 (36)(十)SD卡槽 (38)(十一)EEPROM (39)(十二)实时时钟 (40)(十三)温度传感器 (41)(十四)JTAG接口 (42)(十五)用户LED灯 (43)(十六)用户按键 (44)(十七)扩展口 (45)(十八)供电电源 (48)(十九)底板结构图 (50)芯驿电子科技（上海）有限公司基于XILINX ZYNQ7000开发平台的开发板（型号：AX7Z010）2019款正式发布了，为了让您对此开发平台可以快速了解，我们编写了此用户手册。

这款ZYNQ7000 FPGA开发平台采用核心板加扩展板的模式，方便用户对核心板的二次开发利用。

核心板使用XILINX的Zynq7000 SOC 芯片的解决方案，它采用ARM+FPGA SOC 技术将双核ARM Cortex-A9 和FPGA 可编程逻辑集成在一颗芯片上。

另外核心板上含有2片共512MB高速DDR3 SDRAM芯片和1片256Mb的QSPI FLASH芯片。

在底板设计上我们为用户扩展了丰富的外围接口，比如2路CAN通信接口，2路485通信接口，2路XADC输入接口，1路千兆以太网接口，1路USB2.0 HOST接口，1路HDMI 输出接口，Uart通信接口，SD卡座，40针扩展接口等等。

基于zynq处理器的实时飞控导航系统及方法

基于zynq处理器的实时飞控导航系统及方法

基于zynq处理器的实时飞控导航系统及方法一、引言在当今飞控导航系统领域，基于Zynq处理器的实时飞控导航系统及方法正逐渐受到更多关注。

Zynq处理器作为一种嵌入式处理器，在飞行控制系统中展现出了许多优势。

本文将深入探讨基于Zynq处理器的实时飞控导航系统及方法，包括其原理、设计、应用和未来发展方向。

二、Zynq处理器简介1. Zynq处理器概述Zynq处理器是由赛灵思（Xilinx）公司推出的一种嵌入式处理器，它集成了ARM处理器和可编程逻辑器件（PL）。

这种特殊的结构使得Zynq处理器在飞行控制系统中具有较高的灵活性和性能。

2. Zynq处理器的特点Zynq处理器具有低功耗、高性能、可编程性强等特点，这使得它在实时飞控导航系统中得到了广泛应用。

Zynq处理器还支持多种通信接口和数据处理能力，为飞控导航系统提供了良好的硬件基础。

三、实时飞控导航系统原理1. 飞控导航系统概述实时飞控导航系统是指能够在飞行过程中实时获取飞行姿态、位置信息，并实现飞行轨迹的控制系统。

它通常包括传感器采集、数据处理、控制算法等多个模块。

2. 基于Zynq处理器的实时飞控导航系统基于Zynq处理器的实时飞控导航系统利用Zynq处理器的强大计算能力和灵活性，将传感器采集的数据实时传输至处理器进行处理，并通过控制算法实现对飞行器的准确控制和导航。

四、设计与应用1. 实时飞控导航系统设计实时飞控导航系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分。

在硬件设计中，Zynq处理器作为核心部件，与传感器、通信模块等硬件设备进行接口连接。

在软件设计中，应用开发人员利用Zynq处理器的可编程特性，编写控制算法和数据处理程序。

2. 实时飞控导航系统应用实时飞控导航系统广泛应用于各类飞行器中，包括民用和军用无人机、航空器等。

通过基于Zynq处理器的实时飞控导航系统，飞行器能够实现更加精准和安全的飞行控制和导航。

五、未来发展方向基于Zynq处理器的实时飞控导航系统在未来将呈现出更多的发展方向。

基于ZYNQ7000的低功耗软件无线电平台设计


传统的软件无线 电处理平 台一般采用ＧＰＰ＋ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ 大。而 目前无论是军事应用还是民用专业 电台应 用，均对小
的通用架构，３种异构处理器分别实现不同的功能，如图１所示。 型化、低功耗的需求 日趋强烈，与此同时，随着应用软件对硬
其中ＡＲＭ负责主控功能 ，实现平台的中心控制、有线接 件平 台的处理性能的不 断提高，高性 能与小体积、低 功耗 已
摘 要 ：文章针对专用无线通信系统中低功耗 的应用需求，给 出一种新的软件无线电处理平台的硬件设计方案。该平台满足软 件无线电的设计要求，采用ｘｉｌｉｎｘ公司的ＺＹＮＱ７ｏ００架构处理器，通过 外设 器件型号优选 ，实现具有高性能、功耗较低的软件 定义无线电硬件 平台，且已在 工程项目中成功应用。 关键词 ：无线通信；软件无线电平台；低功耗 ；ＺＹＮＱ７０００
增益控制等功能，便于降低平台的功耗和布板尺寸。
耗也最低 ，与ＤＤＲ３相 比至少可 降低０．４ Ｗ 的功耗 。选型原
结合新一代ＶＨＦ／ＵＨＦ的基本需求 ，我们设 计了相应 的 则：尽量选用低容量、低 电压、低数据率的型号。
功能原理框 图，如图３所 示。 ２ 器件选 型
２．３ ＡＤＣ和 ＤＡＣ
我们选用ＺＹＮＱ７０００作为新 一代数 字平 台的核心处理 ＬＳ部分资源的选择基于软件的需求，在满足软件需求的前
器 。基：］：ＺＹＮＱ７０００的平 台基本架构如图２所示。
提下，选用资源最少的型号 这样芯片的静态功耗相对较低。为
了方便硬件升级改造，尽量采用可兼容不同型号的封装。
旺
数 基字 带 中频芯收 片 发
的设备而言，集中供 电效率 较低，且电流在传输线上的
要重点考虑 。
压 降也会比较大，功率损耗高。

基于Zynq-7000平台的宽带卫星终端设计

基于Zynq-7000平台的宽带卫星终端设计蒋振东;陈崇森;贺翔【摘要】介绍基于XILINX Zynq-7000平台的高速卫星终端的硬件设计方案,并根据终端的设计指标要求,结合Zynq-7000平台SoC的特性,设计终端整体软件架构.高速宽带卫星终端的低功耗及小型化设计需求,对硬件平台的选型及设计提出更高的要求.合理的软件架构设计为实现宽带卫星终端的功能及性能指标,向客户提供使用方便、稳定可靠的高性能终端至关重要.该技术方案已应用到某卫星终端研制,满足终端的低功耗及小型化设计需求,实际测试能够实现组网高速通信,对同类型的卫星终端设计具有借鉴意义.【期刊名称】《现代计算机（专业版）》【年(卷),期】2019(000)012【总页数】3页(P98-100)【关键词】Zynq-7000;SoC;卫星终端;小型化【作者】蒋振东;陈崇森;贺翔【作者单位】广州海格通信集团股份有限公司,广州 510663;广州海格通信集团股份有限公司,广州 510663;广州海格通信集团股份有限公司,广州 510663【正文语种】中文0 引言Zynq-7000 是XILINX 公司推出的全可编程SoC片上系统平台，广泛应用到航空航天、汽车、工业自动化、医疗、通信等产品领域。

Zynq-7000 系列芯片内含双核ARM Cotex-A9 硬核以及不同容量的FPGA 资源，外设接口丰富，实现的功耗及性能等级远超分立搭建的CPU+FPGA 平台，Zynq-7000 内部双核ARM 采用AXI 总线与FPGA 部分连接，可实现Gbit 级别以上的高速通信，为宽带卫星终端的研制提供了完美的解决方案。

通过移植Linux 操作系统到Zynq-7000 平台，完成基于纯IP 设计思路的卫星终端软件架构设计。

基于Zynq-7000 平台的硬件方案及软件架构设计成为高性能卫星终端研制的关键环节。

1 Zynq-7000的特性及芯片选型Zynq-7000 的特点[1]如下：（1）处理系统（PS）采用ARM Cortex-A9 双核处理器，实现更佳性能功耗比，支持单精度和双精度浮点，运行速率高达1GHz。

一种基于Zynq-7000的运动目标检测与跟踪系统[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610375998.2(22)申请日 2016.05.30(71)申请人 福州大学地址 350108 福建省福州市闽侯县上街镇大学城学园路2号福州大学新区(72)发明人 程树英　林培杰　李炎东　陈志聪　吴丽君　章杰　郑茜颖　邵伟明　(74)专利代理机构 福州元创专利商标代理有限公司 35100代理人 蔡学俊(51)Int.Cl.H04N 7/18(2006.01)H04N 5/232(2006.01)(54)发明名称一种基于Zynq-7000的运动目标检测与跟踪系统(57)摘要本发明涉及一种基于Zynq-7000的运动目标检测与跟踪系统，以软硬件协同设计为方法，将系统进行软件实现划分，主要包括运动目标检测IP、跟踪加速IP、显示控制器IP、Linux设备驱动与接口程序、Linux用户应用。

所述运动目标检测IP，由可编程逻辑实现完成视频场景中运动目标信息的提取；所述跟踪加速IP由可编程逻辑实现，实现跟踪功能的加速；所述显示控制器IP由可编程逻辑实现，负责显示数据的变换与处理；所述Linux设备驱动与接口程序为用户提供系统硬件及IP的配置与数据交互；所述Linux用户应用实现监控系统的跟踪功能并提供界面友好的人机交互。

本发明具有内部数据总线速度快，高性能的处理器用于清晰图像处理，高效的视频监控能力等优点。

权利要求书1页 说明书5页 附图3页CN 105847766 A 2016.08.10C N 105847766A1.一种基于Zynq-7000的运动目标检测与跟踪系统，其特征在于：包括USB摄像头，所述USB摄像头采集图像视频信息并将信息通过USB接口上传至基于 Zynq-7000的Zedboard 开发板，所述Zedboard开发板上集成双核ARM Cortex-A9 处理器的处理系统Processing System和Xilinx可编程逻辑Programmable Logic；所述Zedboard开发板的USB 接口获取图像数据，通过可编程逻辑 Programmable Logic中的运动检测模块IP获取运动目标信息并通过AXI4接口将运动信息上传至处理系统 Processing System；所述处理系统Processing System运行Linux操作系统，利用运动检测IP的运动目标信息判断警戒区域目标，对进入警戒区域的运动目标进行跟踪并记录其运动轨迹，并将跟踪结果通过LCD显示出来。

基于ZYNQ芯片实现卫星导航接收机跟踪软件化

基于ZYNQ芯片实现卫星导航接收机跟踪软件化
魏文龙
【期刊名称】《现代导航》
【年(卷),期】2022(13)1
【摘要】随着卫星导航系统的不断发展,各导航系统的信号逐渐增加,卫星接收机的通道数不足成为一个普遍问题。

以北斗卫星导航系统为例,为解决卫星接收机通道数不足的问题,对原有的卫星接收机软件架构进行调整,基于ZYNQ芯片实现接收机的跟踪软件化。

【总页数】4页(P12-15)
【作者】魏文龙
【作者单位】中国电子科技集团公司第二十研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN967
【相关文献】
1.卫星导航接收机基带信号跟踪环路的FPGA实现
2.基于GPS单频软件接收机的捕获与跟踪算法实现
3.基于ZYNQ-7000的星载双模卫星导航接收机设计与实现
4.卫星导航接收机中码跟踪实现方式的研究
5.基于MATLAB的GPS软件接收机捕获与跟踪算法实现
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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。