星基增強衛星定位和gps兼容的軟體接收機系統的製作方法

2023-06-01 00:33:06

專利名稱：星基增強衛星定位和gps兼容的軟體接收機系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於導航定位的信號接收處理技術領域，具體涉及了兼容SBAS(星 基增強系統)和GPS (全球定位系統)多模式軟體接收機的系統設計，它適用 於地面、臨近空間、機載/星載等定位信號接收處理、分析與應用開發領域。
背景技術：
為增強現有GPS和GLONASS系統的導航性能，美國聯邦航空局(FAA)、歐洲 和日本提出了三種SBAS: WAAS、 EGNOS和MSAS系統。SBAS (星基增強系統， Satellite Based Augmentation System),是使用地球靜止軌道衛星建立的一 種現代化的廣域差分增強系統。SBAS通過地球靜止軌道衛星播發測距、廣域差 幹和衛星完好性信息，可以顯著改進現有的全球導航衛星系統GNSS (Global Navigation Satellite System)的定位精度、完好性和可靠性。
目前全球發展的SBAS有歐洲的EGNOS，覆蓋歐洲大陸；美國的WAAS，覆蓋美 洲大陸；日本的MSAS,覆蓋亞洲大陸。以上三個系統完善後，可以實現全球無 縫隙增強服務，滿足陸、海、空運輸定位與導航等多方面的應用要求。
近年來，受軟體無線電思想的影響，越來越多的GPS接收機使用軟體方法來 實現，但是GPS軟體接收機只能處理單一的GPS信號，在定位精度和可靠性上存 在很大不足。 發明內容:本發明的目的在於克服現有技術存在的缺陷，提供一種SBAS和GPS兼容 的多模式軟體接收機，能夠同時接收處理SBAS和GPS信號，具有精度高和 可靠性好的特點。
本發明的多模式軟體接收機，由一個GPS射頻硬體模塊和一個運行於計算 機平臺的處理軟體模塊組成。
GPS射頻硬體模塊將通過天線進來的SBAS和GPS信號從射頻變換到2bit
中頻數位訊號，並將中頻數位訊號打包成數據塊，通過USB接口傳輸到計算機。
GPS射頻硬體模塊主要包括以下幾個部分
一個Max2741為主晶片的RF射頻前端，一個GRM7520為主晶片的RF射
頻前端和一個GP2015為主晶片的RF射頻前端，共三個射頻前端。
一個可編程邏輯門陣列FPGA，負責讀取三個射頻前端的數據，並將數據打包
存儲在FPGA的內部存儲空間中。
一個USB控制器，負責將FPGA存儲的中頻數據塊傳輸到計算機上。 處理軟體模塊運行於計算機上，通過USB接口成塊的讀取中頻採樣數據， 將中頻數據以毫秒為單位，與用查找表方式得到的本地載波和CA碼進行相關 累積，使用相關累積的結果進行捕獲、跟蹤處理，並使用跟蹤結果進行SBAS 和GPS的信號解碼、定位計算和定位結果修正，每秒鐘更新一次定位輸出。軟
件執行的具體步驟如下
步驟一軟體初始化。讀取配置文件，根據配置文件初始化12通道對應的PRN
值，其中通道1(T12固定為SBAS通道，而通道廣9固定為GPS通道；
步驟二啟動三個線程，分別為數據讀取和基帶處理線程、定位處理線程、
數據顯示線程。
數據讀取和基帶處理線程設置為最高優先級，循環執行讀取中頻數據塊和進 行基帶處理這一過程。數據讀取和基帶處理線程設置為最高優先級，循環執行讀取中頻數據塊和進行基帶處理這一過程。基帶處理用狀態機方式進行，設置 捕獲、確認、推入、跟蹤和空閒共五種狀態，12通道輪流進入狀態機進行處理。 該線程在每一秒鐘時間到來後觸發一次定位處理事件。
定位處理線程設置為次高優先級，循環執行等待定位處理事件和進行定位 處理。每次定位解算事件到來時，進行定位處理。定位處理根據各通道跟蹤結
果完成SBAS信號解碼、SBAS信息提取、GPS信息提取、偽距計算、位置解算 和位置修正，並觸發一次顯示事件。
.數據顯示線程設置為最低優先級，循環執行等待顯示事件和顯示有用信息。 每次顯示事件到來後更新一次顯示數據。
步驟三判斷軟體是否退出，如果退出則停止所有線程，並釋放軟體佔用 的存儲空間。
本發明的創新點在於
(1) 同時接收處理SBAS和GPS兩種信號，利用SBAS信息對GPS定位 結果進行修正，以提高定位的精度和可靠性。
(2) 基於軟體無線電思想，系統的硬體技術方案只有射頻前端將射頻信 號下變頻至中頻，後面的基帶處理以及定位處理均在軟體環境中實現，不再依 賴於通用硬體接收機的框架。
本發明的技術效果
使用一個GPS射頻硬體模塊接收SBAS和GPS兩種信號，並通過運行在計 算機上的軟體，實現了同時處理SBAS和GPS兩種模式的衛星信號，並且使用 SBAS信息對GPS定位結果進行修正，顯著提高了定位精度。


:
圖1是發明的軟體接收機結構框圖。圖2是SBAS/GPS處理軟體流程圖。 圖3是基帶處理狀態機圖。 圖4是定位處理流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施實例對本發明進一步說明。本發明使用自行開發設計 的GPS射頻硬體模塊和運行於計算機平臺的SBAS+GPS處理軟體，實現了同 時對SB AS和GPS兩種模式的信號進行處理。
本發明的GPS射頻硬體模塊如附圖1所示，SBAS和GPS信號通過同一天 線進入射頻前端(RF)模塊，經過一系列放大、濾波和下變頻處理，並通過A/D 轉換為2bit的中頻數位訊號。中頻數位訊號在FPGA的控制下，被採集到FPGA 的內部FIF0中，以桌球方式存儲成一定長度的數據塊。最後通過USB控制器，
按塊傳輸到計算機上。硬體主要包括以下幾部分
一個Max2741為主晶片的RF射頻前端模塊，該模塊的數字中頻位3. 78MHz， 採樣頻率為13MHz 。
一個GRM7520為主晶片的RF射頻前端模塊，該模塊的數字中頻為4. 092MHz, 採樣頻率為16. 368腿z。
一個GP2015為主晶片的RF射頻前端模塊，該模塊的數字中頻為1. 405MHz， 採樣頻率為5. 714MHz。
一個CY7C68013A作為USB控制器，以Slave FIFO方式從FPGA獲得數據，
並以塊傳輸方式向計算機傳輸數據，每次數據傳輸為一個數據塊的數據。
一個Spartan3 XC3S400的FPGA晶片，用於控制和讀取三個射頻RF模塊 的數據。Spartan3 XC3S400內部的塊存儲空間(block Memory)配置為2塊FIFO， 分別為A和B，使用桌球方式進行數據存儲。FIFOA記錄中頻數據的同時，FIFOB的數據傳輸給CY7C68013A。 FIFO A記錄滿一個數據塊的數據後，切換為
FIFOB進行數據記錄，而FIFO A的數據傳輸給CY7C68013A，如此輪流切換。
SBAS/GPS處理軟體流程圖如附圖2所示，軟體通過USB接口成塊的讀取
中頻採樣數據，將中頻數據以毫秒為單位，與用查找表方式得到的本地載波和
CA碼進行相關累積，使用相關累積的結果進行捕獲、跟蹤處理，使用跟蹤結果
進行SBAS和GPS的信號解碼、定位計算和定位結果修正，並且每秒鐘更新一
次定位輸出。軟體執行的具體步驟如下
步驟一軟體初始化。讀取配置文件，根據配置文件初始化12通道對應的PRN
值，其中通道1(T12固定為SBAS通道，而通道廣9固定為GPS通道；
步驟二啟動三個線程，分別為數據讀取和基帶處理線程、定位處理線程、
數據顯示線程。
數據讀取和基帶處理線程設置為最高優先級，循環執行讀取中頻數據塊和進 行基帶處理這一過程。該線程在每一秒鐘時間到來後觸發一次定位處理事件。
定位處理線程設置為次高優先級，循環執行等待定位處理事件和進行定位 處理。每次定位解算事件到來時，進行定位處理。定位處理根據各通道跟蹤結 果完成SBAS信號解碼、SBAS信息提取、GPS信息提取、偽距計算、位置解算 和位置修正，並觸發一次顯示事件。
數據顯示線程設置為最低優先級，循環執行等待顯示事件和顯示有用信息。 每次顯示事件到來後更新一次顯示數據。
步驟三判斷軟體是否退出，如果退出則停止所有線程，並釋放軟體佔用 的存儲空間。
如圖3所示，基帶處理是一個狀態機流程，有捕獲、確認、推入、跟蹤和 空閒共五種狀態，12通道輪流進入狀態機進行處理。軟體啟動時，所有啟用的通道初始狀態設置為捕獲狀態，而未啟用的通道初始狀態設置為空閒狀態。通 道狀態只在串行捕獲、確認、推入和跟蹤這四個狀態中進行轉換。 如圖4所示，定位處理流程具體執行步驟如下
步驟一GPS電文提取，根據通道的跟蹤結果提取GPS導航電文，主要 提取GPS電文的三個子幀，得到衛星時間和衛星星曆。
步驟二用戶位置計算，根據跟蹤結果計算用戶到衛星的相對偽距，使用 衛星種差對偽距進行修正，使用衛星星曆計算衛星位置，使用相對偽距和衛星 位置計算用戶坐標。
步驟三SBAS信號解碼，使用Viterbi算法進行解碼。
步驟四SBAS信息提取，根據需要提取的SBAS信息類型包括類型6 一衛星完好性信息，類型18—電離層網格點屏蔽標識，類型24—快順混合校 正量，類型25—緩慢校正量，類型26—電離層延遲校正量。
步驟五衛星鐘差和星曆修正，使用信息類型24對衛星鐘差和衛星坐標 進行修正。
步驟六電離層修正，根據步驟二中得到的用戶坐標和衛星位置，計算電
離層穿透點(IPP)的緯度和經度，確定IPP位於哪4個網格點內，使用信息 類型26獲得4個網格點對應的電離層延時數據，利用內插法得到IPP對應的 垂直電離層延時和衛星至用戶的電離層延時。
步驟七用戶位置的修正，使用步驟五中得到的衛星鐘差和步驟六中得到的電
離層延時對步驟二中的相對偽距進行修正，使用修正後的相對偽距和修正後的 衛星坐標重新計算用戶位置，得到修正後的用戶坐標。
權利要求
1.一種星基增強衛星定位和GPS兼容的軟體接收機系統，包括一個GPS射頻硬體模塊和一個運行於計算機平臺的處理軟體模塊，其特徵在於星基增強衛星定位和GPS信號通過同一個天線進入GPS射頻轉換晶片，變換到2bit的中頻數位訊號，中頻信號輸出到一個FPGA，FPGA將2bit中頻信號進行打包形成數據塊，並將數據塊傳輸給USB控制晶片，USB控制晶片再將數據傳輸至計算機，運行於計算機上的處理軟體讀取並處理中頻數據，完成基帶處理、定位計算和定位修正。
2. 根據權利要求1所述的一種星基增強衛星定位和GPS兼容的軟體接收 機系統，其特徵在於，所述的GPS射頻硬體模塊的結構如下一個Max2741為主晶片的RF射頻前端， 一個GRM7520為主晶片的RF射 頻前端和一個GP2015為主晶片的RF射頻前端，共三個射頻前端；一個可編程邏輯門陣列FPGA，負責讀取三個射頻前端的數據，並將數據打包 存儲在FPGA的內部存儲空間中；一個USB控制器，負責將FPGA存儲的中頻數據塊傳輸到計算機上。
3. 根據權利要求1所述的一種星基增強衛星定位和GPS兼容的軟體接收 機系統，其特徵在於，所述的運行於計算機平臺的處理軟體模塊工作流程如下步驟l:軟體初始化。讀取配置文件，根據配置文件初始化12通道對應的PRN 值，其中通道10-12固定為SBAS通道，而通道1 9固定為GPS通道；步驟2:啟動三個線程，分別為數據讀取和基帶處理線程、定位處理線程、 數據顯示線程；數據讀取和基帶處理線程設置為最高優先級，循環執行讀取中頻數據塊和進 行基帶處理這一過程，基帶處理用狀態機方式進行，設置捕獲、確認、推入、跟蹤和空閒共五種狀態，12通道輪流進入狀態機進行處理，該線程在每一秒鐘 時間到來後觸發一次定位處理事件；定位處理線程設置為次高優先級，循環執行等待定位處理事件和進行定 位處理。每次定位解算事件到來時，進行定位處理，定位處理根據各通道跟蹤結果完成SBAS信號解碼、SBAS信息提取、GPS信息提取、偽距計算、位置解 算和位置修正，並觸發一次顯示事件；數據顯示線程設置為最低優先級，循環執行等待顯示事件和顯示有用信息，每次顯示事件到來後更新一次顯示數據；步驟3:判斷軟體是否退出，如果退出則停止所有線程，並釋放軟體佔 用的存儲空間。
4.根據權利要求1所述的一種星基增強衛星定位和GPS兼容的軟體接收機 系統，其特徵在於，所述的2bit的數字中頻信號被FPGA合併為lByte數據，並打 包成數據塊，數據塊包含4ms整數倍如4ms、 8ms的採樣數據。
5.根據權利要求4所述的一種星基增強衛星定位和GPS兼容的軟體接收 機系統，其特徵在於，所述的數據塊存儲在FPGA的內部存儲空間中，FPGA的內 部存儲空間被配置為2塊FIF0，分別為A和B，使用桌球方式進行數據存儲，A記 錄中頻數據的同時，B的數據傳輸給USB控制器，A記錄滿一個數據塊的數據後， 切換為B進行數據記錄，而A的數據傳輸給USB控制器，如此輪流切換。
全文摘要
本發明公開了一種SBAS(星基增強)和GPS兼容的多模式軟體接收機系統，屬於衛星定位與導航領域。該軟體接收機由一個GPS射頻硬體模塊和一個運行於計算機平臺的處理軟體模塊組成。本發明主要解決了在計算機平臺的軟體架構上對SBAS/GPS信號進處理，尤其是利用SBAS信號對定位結果進行修正的問題。相對於一般的定位軟體接收機，本發明的軟體接收機能夠同時處理SBAS和GPS兩種模式的信號，因此顯著地提高了單一GPS定位系統的定位精度、可靠性和完好性。
文檔編號G01S5/14GK101408607SQ200810203388
公開日2009年4月15日 申請日期2008年11月26日 優先權日2008年11月26日
發明者雷 張, 寧 戴, 王建宇, 鄧江平 申請人:中國科學院上海技術物理研究所