專利名稱：基于pc機的gps/caps雙模軟件接收機的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導航技術(shù)領域，是針對GPS和CAPS兩種獨立的衛(wèi) 星導航系統(tǒng)，構(gòu)建完全基于計算機的基帶信號處理軟件平臺，實現(xiàn)了 GPS/CAPS雙模接收機功能。與普通接收機相比，基于PC的GPS/CAPS 雙模軟件接收機具有更大靈活性、通用性、擴展性和易移植性，提高了 用戶的導航定位精度、完善性、可靠性和連續(xù)性。
背景技術(shù)：
CAPS系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的中國區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，其空間部分是 6顆商用同步軌道衛(wèi)星和3—4顆傾斜軌道衛(wèi)星組成，星座的GDOP在中 國區(qū)域大都小于4。而GPS是美國的全球定位系統(tǒng)，衛(wèi)星數(shù)目較多，且 分布合理，覆蓋范圍廣，所以地球上任何地點均可同時觀測到至少4顆 以上衛(wèi)星，從而保障全球覆蓋、全天候、連續(xù)地實施三維定位，但是GPS 是美國的定位系統(tǒng)，我們在很多方面使用時會受到限制，如GPS精碼不 開放，在戰(zhàn)爭時期對我們限制使用或關閉。
采用GPS/CAPS雙模接收機可以保證在中國區(qū)域內(nèi)的任何地點、任 何時間，用戶都能實現(xiàn)全天候的、連續(xù)的三維定位，從而提高了用戶的導航定位精度、改善了完善性、連續(xù)性和可靠性。
普通的商用GPS接收機主要由四部分組成GPS天線、射頻前端、
相關器和微處理器。其中，天線主要負責接收來自GPS衛(wèi)星的GPS射頻 信號；射頻前端實現(xiàn)信號的下變頻，在當前的數(shù)字化接收機中還包括A/D 轉(zhuǎn)換，它是所有后端處理的基礎；相關器是進行信號捕獲、跟蹤的硬件 部分，包括偽碼、載波等各種原始數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的輸出，并傳送給微 處理器；微處理器最后完成導航解算工作，主要包括數(shù)據(jù)的解調(diào)、偽距
的提取以及導航解算等，它的處理基礎是相關器，所有的原始數(shù)據(jù)來自
相關器， 一般的相關器是利用GPS專用芯片。
GPS/CAPS雙模軟件接收機則是利用配置了數(shù)據(jù)采集卡的普通PC機 取代了普通的商用接收機的基帶處理器和微處理器。數(shù)字中頻信號的處 理完全在PC機的軟件平臺上完成。完全基于計算機軟件的GPS/CAPS雙 模軟件接收機雖然目前還不能進行實時處理，但非常方便于軟件算法開 發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種基于PC的GPS/CAPS雙模軟件接收機，充 分利用GPS/CAPS兩種獨立衛(wèi)星導航系統(tǒng)，不但可以提高用戶導航定位 的精度、改善完整性、可靠性和連續(xù)性，而且可以方便高性能算法研究 開發(fā)。
為了解決上述任務，本發(fā)明的解決方案是
一種基于PC機的GPS/CAPS雙模軟件接收機，包括GPS/CAPS雙模天線模塊、射頻模塊、PC機；其包括GPS天線模塊和射頻模塊的天線系統(tǒng)
和包括CAPS天線模塊和射頻模塊的天線系統(tǒng)，分別與PC機的雙通道數(shù)
據(jù)采集卡連接，雙通道數(shù)據(jù)采集卡與硬盤連接，硬盤內(nèi)預裝有基帶信號
處理軟件；
利用C波段天線和L波段天線分別接收CAPS和GPS衛(wèi)星信號，兩
路信號分別經(jīng)過各自的射頻模塊完成射頻到中頻轉(zhuǎn)換后，由數(shù)據(jù)采集卡
對模擬中頻信號進行兩路同步采樣，采集的數(shù)據(jù)由硬盤存儲，再由計算
機處理軟件完成采樣數(shù)據(jù)的預處理、捕獲、跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)、衛(wèi)星選擇、
偽距提取和PVT解算。
所述的雙模軟件接收機，其所述基帶信號處理軟件，是在軟件接收 機事后處理的情況下，完成全部基帶信號處理捕獲、跟蹤，以及雙模 定位解算；對于非實時的偽距計算，則是利用采集數(shù)據(jù)的時間信息，恢 復出各衛(wèi)星幀頭到達天線的時延差，加上一合理的時間常量，從而計算 出偽距。
所述的雙模軟件接收機，其所述合理的時間常量，在67ms l"ms 之間。
所述的雙模軟件接收機，其以仰角10度以上GDOP最小的至少4顆 衛(wèi)星為基準，進行定位測速計算。
本發(fā)明有別于現(xiàn)在的商品GPS接收機，其基帶處理一般是利用專用 相關器芯片實現(xiàn)GPS信號的捕獲、跟蹤，再配合微處理器完成用戶定位 解算。與普通GPS接收機相比，基于PC的軟件接收機具有更大的靈活 性、通用性、擴展性和易移植性，并方便升級維護，可以有力地支持新研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。GPS/CAPS雙模軟
件接收機充分利用兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星星座，可實現(xiàn)高精度定位，實現(xiàn)高可 靠性，對精密定軌、精密單點定位算法、星座優(yōu)選、完善性評估，以及
GNSS多模增強應用等都具有理論研究價值與實際意義。


圖1為GPS/CAPS雙模軟件接收機原理示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的基于PC的GPS/CAPS雙模軟件接收機，在軟件接收機架構(gòu) 下，完全基于PC機平臺，用采集卡采集GPS和CAPS中頻信號，數(shù)據(jù) 存儲到計算機硬盤，然后利用方便的軟件平臺，完成對數(shù)據(jù)的處理，實 現(xiàn)對GPS數(shù)據(jù)的捕獲、跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)、衛(wèi)星選擇、偽距提取和PVT解 算，完成定位、測速計算，代替一個硬件接收機功能。 1) GPS/CAPS雙模天線模塊
該模塊由C波段和L波段2路獨立通道組成。分別經(jīng)過低噪聲放大 器和帶通濾波器處理，輸出到射頻模塊。 2)射頻模塊
CAPS和GPS兩路射頻信號輸入到本模塊后，兩路信號分別由各自 射頻模塊處理，經(jīng)射頻模塊下變頻到低中頻，采集卡的ADC采樣后輸出 數(shù)字中頻信號，數(shù)據(jù)臨時存儲在計算機硬盤中；采樣率的選擇只要根據(jù) 射頻模塊輸出的中頻載波，滿足乃虧斯特采樣定律，同時考慮到簡化頻率綜合器的設計，應盡量降低采樣率，以便提高系統(tǒng)的可靠性，降低對 硬件的要求。
3)基帶信號處理
.基于計算機軟件平臺，可利用(3化++或]^八1^八8語言，完成數(shù)據(jù)的預 處理、完成GPS/CAPS信號的捕獲、跟蹤功能；完成導航信息處理，主要
包括解擴解調(diào)后的比特同步、幀同步、電文信息提取、校驗(奇偶和CRC)、 衛(wèi)星選擇、偽距提取、PVT解算等功能。
本發(fā)明所采用的方法是天線模塊、射頻模塊仍用專用硬件來實現(xiàn)， 利用數(shù)據(jù)采集卡采集射頻模塊輸出的中頻GPS/CAPS衛(wèi)星信號，采樣得到 的數(shù)據(jù)由硬盤臨時存儲，存儲的數(shù)據(jù)由計算機軟件平臺處理，最終實現(xiàn) 普通雙模接收機的功能。
本發(fā)明的基于PC的GPS/CAPS雙模軟件接收機，其原理示意圖如圖 l所示GPS和CAPS衛(wèi)星信號分別由C波段天線T和L波段天線2' 兩路獨立接收。分別經(jīng)過低噪聲放大器(LNA3，和LNA4，)和帶通濾 波器(5'和6')處理。分別輸出到CAPS射頻模塊7'和GPS射頻模塊 8，，并利用配置在PC機9，上的數(shù)據(jù)采集卡IO，的ADCll，和ADC12' 采樣，采集得到的數(shù)據(jù)存儲在硬盤13'中，最后在PC機上完成基帶信 號處理軟件模塊14'，最終實現(xiàn)用戶的PVT解算。下面著重介紹軟件模 塊部分
(1)衛(wèi)星信號捕獲方法 CAPS和GPS信號的C/A碼都是直接序列擴頻信號，因此，處理過
程基本相同，為了使兩種信號不混淆，兩組數(shù)據(jù)要分別處理，因此使用 了雙通道數(shù)據(jù)采集卡，其中一個通道采集GPS信號，另外一個通道采集CAPS信號。CAPS和GPS接收機的解擴是建立在收發(fā)兩端偽碼精確同步
的基礎上。同步通過兩個階段完成捕獲與跟蹤。捕獲是粗同步，可以 將接收信號和本地信號相位差縮小到偽碼的一個碼片或更小范圍內(nèi)；跟
蹤是精細同步，讓本地參考信號精確跟蹤接收信號的相位變化。
GPS/CAPS信號C/A碼捕獲是包括兩維搜索的過程——確定粗的多 普勒頻偏(頻率域)和C/A碼的起點即初相(時間域)。
傳統(tǒng)GPS或CAPS衛(wèi)星接收機的信號捕獲采用相關器，是通過硬件實
現(xiàn)的，對輸入數(shù)據(jù)連續(xù)進行l(wèi)ms相關運算， 一旦相關值超過設定的門限，
表明捕獲到了信號，相關值的最大點處即為C/A碼起始點。
當捕獲完成后，接收機就進入跟蹤階段。因為捕獲階段得到的僅是 比較粗的多普勒頻偏和C/A碼的起點(初相)，而且由于衛(wèi)星和接收機的相 對運動，偽碼相位在隨時變化，為了保持對碼相位的跟蹤并跟蹤更精細 的多普勒頻率，必須在跟蹤階段利用偽碼和載波跟蹤環(huán)實現(xiàn)對信號的跟 蹤，繼而解調(diào)出導航電文。對于偽碼跟蹤過程一般采用延遲鎖定環(huán)(Delay Lock Loop, DLL)來完成，對于載波跟蹤， 一般常采用經(jīng)典的Costas鎖 相環(huán)。
(2)偽碼跟蹤環(huán)
延遲鎖定環(huán)(DLL)在跟蹤兩個相關波形的時延差時，是一種最佳 電路，包括對準(Prompt)、超前(Early)和滯后(Late)三個相關器， 即，數(shù)字下變頻器所產(chǎn)生的同相(1)、正交(Q)兩支路信號送到DLL 環(huán)路，分別跟本地的超前碼(E)、對準碼(P)，滯后碼(L)進行相關運 算。
相關值輸入到延遲鎖定環(huán)的鑒相器(Discrimination),鑒相器根據(jù)偽 碼的自相關特性，獲得偽碼的相位誤差，該誤差經(jīng)環(huán)路濾波器后控制本 地偽碼的數(shù)控振蕩器(NCO)，以驅(qū)動本地的偽碼生成速率，使對準相關器的本地偽碼保持跟蹤輸入信號的相位變化，保持對信號的精確同步跟
蹤o
(3) 載波跟蹤環(huán)
GPS和CAPS接收機載波跟蹤環(huán)采用Costas環(huán)。這是因為信號作載 波和偽碼信號剝離后，50Hz的導航電文調(diào)制信號還保留著。如果I和Q 信號的預檢測積分時間不跨越數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)位，Costas環(huán)對信號的180°相 位翻轉(zhuǎn)不敏感。
通常，環(huán)路濾波器的作用是用來降低噪聲，以便能夠在其輸出端對 原始信號產(chǎn)生更加精確的估計，環(huán)路濾波器的階數(shù)和噪聲帶寬也決定了 環(huán)路濾波器對信號的動態(tài)響應。
(4) 電文解調(diào)
跟蹤環(huán)路輸出的數(shù)據(jù)信號實際上為一些0和1的數(shù)據(jù)點序列，信號 解調(diào)(同步)的目的是將這些信號按GPS或CAPS信號規(guī)范拼接為幀數(shù) 據(jù)，并實時解釋該幀包含電文含義。
整個數(shù)據(jù)解釋工作分幾步進行位同步一幀同步一校驗一相位檢測 一讀幀數(shù)據(jù)，并且這幾個步驟實時進行。
位同步由于1個CA碼周期對應lms，而CAPS和GPS導航電文 都是50bps速率，即lbit/20ms。位同步第一步是從數(shù)據(jù)序列中判斷第一 個導航數(shù)據(jù)跳變點；第二步是判斷其它導航數(shù)據(jù)跳變點是否發(fā)生在20ms 的整數(shù)倍上，如若不是，應該丟棄數(shù)據(jù)回到上一個環(huán)節(jié)；第三步是將每20 個數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)換為+1或-1。
幀同步
下一步就是要實現(xiàn)幀同步，就是找到幀起點。GPS導航電文一個主 幀分為5個子幀，每子幀(6秒)包含IO個字碼，每個字碼30bit， 一共300bit。每個子幀的第1 8bit為前導碼(10001001)，子幀起點。
而CAPS導航電文一個超幀分為2個主幀，每個主幀有5個子幀(6 秒)包含300bit。前導碼(1110101110010000)。
校驗GPS奇偶校驗
在每第2個字碼(HOW)中第29 30為奇偶檢驗碼(00)。 CAPS的CRC校驗
CAPS每一子幀是300bit，其中每100bit (其中包括4位固定位)為 一個校驗單元，固定位不參與CRC校驗，若校驗出錯，緊接著對下一子 幀進行操作。
讀幀數(shù)據(jù)有了幀同步頭和幀ID號，可以分別按CAPS和GPS電文 結(jié)構(gòu)規(guī)范從幀中讀取電文信息了，就可以用于偽距的提取。
(5)相對偽距提取
在軟件接收機中，如果是對采集數(shù)據(jù)進行事后處理，則沒有本地參 考時間，要完成偽距計算，可以利用每個衛(wèi)星的相同子幀到達接收機天 線的時延差來計算。因為每一子幀可以看作是同時從衛(wèi)星發(fā)出的(除去 衛(wèi)星星鐘誤差)，GPS衛(wèi)星信號到達地面接收機的傳播時間一般為67 86ms，而CAPS —般為125ms左右，可以人為設置一常量假設70ms或 125ms加上時延差作為信號的傳播時間，根據(jù)解算原理，解出用戶位置 和鐘差，該鐘差即為這里人為設置的常量的偏差，這樣軟件接收機的定 位原理和普通接收機仍是一致的。
子幀起點對應的采樣數(shù)據(jù)點的搜索步驟如下
a) 經(jīng)過幀同步，找到第一子幀起點在導航數(shù)據(jù)中的bit序數(shù)，其分辨 率為20ms;
b) 經(jīng)過bit同步，找到子幀起點對應于bit中的ms序數(shù)，分辨率為C/A碼周期，即lms;
C)跟蹤結(jié)果中得到的相位信息，即采樣數(shù)據(jù)的C/A碼起點，其時間分 辨率為采樣頻率的倒數(shù)。
為了更精確定位，可以進行NCO微調(diào)，在跟蹤環(huán)節(jié)只是根據(jù)鑒相器
的結(jié)果調(diào)整采樣點。
(6) 衛(wèi)星位置計算以及衛(wèi)星的選擇 找到導航電文子幀起點后，分別根據(jù)GPS系統(tǒng)和CAPS系統(tǒng)導航電
文的格式，就可以計算導航電文包含的所有衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時鐘改正參 數(shù)、電離層延遲改正參數(shù)，以及時間信息等，可以計算任意時元的衛(wèi)星 位置。
(7) 位置、速度解算 位置計算即采集數(shù)據(jù)時天線的位置和速度的計算。根據(jù)各衛(wèi)星到天
線的偽距以及衛(wèi)星位置，就可以計算出天線的位置、速度。由于是雙模 系統(tǒng)，可以分別采用緊耦合或松耦合方式進行解算，便于比較或集合兩 個系統(tǒng)的優(yōu)勢。根據(jù)所有CAPS和GPS衛(wèi)星的位置，計算衛(wèi)星的GDOP 值，選取在衛(wèi)星仰角10度以上GDOP最小的4顆，或4顆以上衛(wèi)星，以 獲得更高的定位測速精度。
ii
權(quán)利要求
1、一種基于PC機的GPS/CAPS雙模軟件接收機；其特征在于，包括GPS天線的GPS射頻輸入模塊和CAPS天線的CAPS射頻模塊，分別與PC機的雙通道數(shù)據(jù)采集卡連接，雙通道數(shù)據(jù)采集卡與硬盤連接，硬盤內(nèi)預裝有基帶信號處理軟件；利用C波段天線和L波段天線分別接收CAPS和GPS衛(wèi)星信號，兩路信號分別經(jīng)過各自的射頻模塊完成射頻到中頻轉(zhuǎn)換后，由數(shù)據(jù)采集卡對模擬中頻信號進行兩路同步采樣，采集的數(shù)據(jù)由硬盤存儲，再由計算機處理軟件完成采樣數(shù)據(jù)的預處理、捕獲、跟蹤、數(shù)據(jù)解調(diào)、衛(wèi)星選擇、偽距提取和PVT解算。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模軟件接收機，其特征在于，所述基帶信號處理軟件，是在軟件接收機事后處理的情況下，完成全部基帶信號 處理捕獲、跟蹤，以及雙模定位解算；對于非實時的偽距計算，則是 利用采集數(shù)據(jù)的時間信息，恢復出各衛(wèi)星幀頭到達天線的時延差，加上 一合理的時間常量，從而計算出偽距。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模軟件接收機，其特征在于，所述合理 的時間常量，在67ms 125ms之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙模軟件接收機，其特征在于，以仰角10 度以上GDOP最小的至少4顆衛(wèi)星為基準，進行定位測速計算。
全文摘要
本發(fā)明一基于PC機的GPS/CAPS雙模軟件接收機，其特點是，采用現(xiàn)有專用GPS/CAPS雙模天線模塊、射頻模塊，其余模塊完全在普通PC機上實現(xiàn)利用雙通道同步數(shù)據(jù)采集卡，分別采集GPS/CAPS射頻模塊的中頻GPS/CAPS數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲到PC機硬盤上，利用PC機豐富的軟件資源實現(xiàn)所有衛(wèi)星導航信號的基帶信號處理與定位解算工作。對于接收機中比較復雜的偽距提取問題，發(fā)明了一種軟件事后處理方法根據(jù)采集數(shù)據(jù)的隱含時間信息，恢復出各衛(wèi)星幀頭到達天線的時延差，從而構(gòu)建了可以計算偽距的偽距提取方法，實現(xiàn)雙模定位解算。本發(fā)明縮短了研發(fā)周期、降低了成本，利用兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星星座，實現(xiàn)高精度定位。
文檔編號G01S5/02GK101458321SQ20071017940
公開日2009年6月17日 申請日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者孫希延, 寧春林, 峰 龐, 施滸立, 王曉嵐, 紀元法 申請人:中國科學院國家天文臺