專利名稱：星基增強(qiáng)衛(wèi)星定位和gps兼容的軟件接收機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導(dǎo)航定位的信號(hào)接收處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了兼容SBAS(星 基增強(qiáng)系統(tǒng))和GPS (全球定位系統(tǒng))多模式軟件接收機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它適用 于地面、臨近空間、機(jī)載/星載等定位信號(hào)接收處理、分析與應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為增強(qiáng)現(xiàn)有GPS和GLONASS系統(tǒng)的導(dǎo)航性能，美國(guó)聯(lián)邦航空局(FAA)、歐洲 和日本提出了三種SBAS: WAAS、 EGNOS和MSAS系統(tǒng)。SBAS (星基增強(qiáng)系統(tǒng)， Satellite Based Augmentation System),是使用地球靜止軌道衛(wèi)星建立的一 種現(xiàn)代化的廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)。SBAS通過(guò)地球靜止軌道衛(wèi)星播發(fā)測(cè)距、廣域差 幹和衛(wèi)星完好性信息，可以顯著改進(jìn)現(xiàn)有的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS (Global Navigation Satellite System)的定位精度、完好性和可靠性。
目前全球發(fā)展的SBAS有歐洲的EGNOS，覆蓋歐洲大陸；美國(guó)的WAAS，覆蓋美 洲大陸；日本的MSAS,覆蓋亞洲大陸。以上三個(gè)系統(tǒng)完善后，可以實(shí)現(xiàn)全球無(wú) 縫隙增強(qiáng)服務(wù)，滿足陸、海、空運(yùn)輸定位與導(dǎo)航等多方面的應(yīng)用要求。
近年來(lái)，受軟件無(wú)線電思想的影響，越來(lái)越多的GPS接收機(jī)使用軟件方法來(lái) 實(shí)現(xiàn)，但是GPS軟件接收機(jī)只能處理單一的GPS信號(hào)，在定位精度和可靠性上存 在很大不足。 發(fā)明內(nèi)容:本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種SBAS和GPS兼容 的多模式軟件接收機(jī)，能夠同時(shí)接收處理SBAS和GPS信號(hào)，具有精度高和 可靠性好的特點(diǎn)。
本發(fā)明的多模式軟件接收機(jī)，由一個(gè)GPS射頻硬件模塊和一個(gè)運(yùn)行于計(jì)算 機(jī)平臺(tái)的處理軟件模塊組成。
GPS射頻硬件模塊將通過(guò)天線進(jìn)來(lái)的SBAS和GPS信號(hào)從射頻變換到2bit
中頻數(shù)字信號(hào)，并將中頻數(shù)字信號(hào)打包成數(shù)據(jù)塊，通過(guò)USB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。
GPS射頻硬件模塊主要包括以下幾個(gè)部分
一個(gè)Max2741為主芯片的RF射頻前端，一個(gè)GRM7520為主芯片的RF射
頻前端和一個(gè)GP2015為主芯片的RF射頻前端，共三個(gè)射頻前端。
一個(gè)可編程邏輯門陣列FPGA，負(fù)責(zé)讀取三個(gè)射頻前端的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包
存儲(chǔ)在FPGA的內(nèi)部存儲(chǔ)空間中。
一個(gè)USB控制器，負(fù)責(zé)將FPGA存儲(chǔ)的中頻數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。 處理軟件模塊運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上，通過(guò)USB接口成塊的讀取中頻采樣數(shù)據(jù)， 將中頻數(shù)據(jù)以毫秒為單位，與用查找表方式得到的本地載波和CA碼進(jìn)行相關(guān) 累積，使用相關(guān)累積的結(jié)果進(jìn)行捕獲、跟蹤處理，并使用跟蹤結(jié)果進(jìn)行SBAS 和GPS的信號(hào)解碼、定位計(jì)算和定位結(jié)果修正，每秒鐘更新一次定位輸出。軟
件執(zhí)行的具體步驟如下
步驟一軟件初始化。讀取配置文件，根據(jù)配置文件初始化12通道對(duì)應(yīng)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(dòng)三個(gè)線程，分別為數(shù)據(jù)讀取和基帶處理線程、定位處理線程、
數(shù)據(jù)顯示線程。
數(shù)據(jù)讀取和基帶處理線程設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)，循環(huán)執(zhí)行讀取中頻數(shù)據(jù)塊和進(jìn) 行基帶處理這一過(guò)程。數(shù)據(jù)讀取和基帶處理線程設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)，循環(huán)執(zhí)行讀取中頻數(shù)據(jù)塊和進(jìn)行基帶處理這一過(guò)程?；鶐幚碛脿顟B(tài)機(jī)方式進(jìn)行，設(shè)置 捕獲、確認(rèn)、推入、跟蹤和空閑共五種狀態(tài)，12通道輪流進(jìn)入狀態(tài)機(jī)進(jìn)行處理。 該線程在每一秒鐘時(shí)間到來(lái)后觸發(fā)一次定位處理事件。
定位處理線程設(shè)置為次高優(yōu)先級(jí)，循環(huán)執(zhí)行等待定位處理事件和進(jìn)行定位 處理。每次定位解算事件到來(lái)時(shí)，進(jìn)行定位處理。定位處理根據(jù)各通道跟蹤結(jié)
果完成SBAS信號(hào)解碼、SBAS信息提取、GPS信息提取、偽距計(jì)算、位置解算 和位置修正，并觸發(fā)一次顯示事件。
.數(shù)據(jù)顯示線程設(shè)置為最低優(yōu)先級(jí)，循環(huán)執(zhí)行等待顯示事件和顯示有用信息。 每次顯示事件到來(lái)后更新一次顯示數(shù)據(jù)。
步驟三判斷軟件是否退出，如果退出則停止所有線程，并釋放軟件占用 的存儲(chǔ)空間。
本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于
(1) 同時(shí)接收處理SBAS和GPS兩種信號(hào)，利用SBAS信息對(duì)GPS定位 結(jié)果進(jìn)行修正，以提高定位的精度和可靠性。
(2) 基于軟件無(wú)線電思想，系統(tǒng)的硬件技術(shù)方案只有射頻前端將射頻信 號(hào)下變頻至中頻，后面的基帶處理以及定位處理均在軟件環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，不再依 賴于通用硬件接收機(jī)的框架。
本發(fā)明的技術(shù)效果
使用一個(gè)GPS射頻硬件模塊接收SBAS和GPS兩種信號(hào)，并通過(guò)運(yùn)行在計(jì) 算機(jī)上的軟件，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)處理SBAS和GPS兩種模式的衛(wèi)星信號(hào)，并且使用 SBAS信息對(duì)GPS定位結(jié)果進(jìn)行修正，顯著提高了定位精度。


:
圖1是發(fā)明的軟件接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是SBAS/GPS處理軟件流程圖。 圖3是基帶處理狀態(tài)機(jī)圖。 圖4是定位處理流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明使用自行開發(fā)設(shè)計(jì) 的GPS射頻硬件模塊和運(yùn)行于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的SBAS+GPS處理軟件，實(shí)現(xiàn)了同 時(shí)對(duì)SB AS和GPS兩種模式的信號(hào)進(jìn)行處理。
本發(fā)明的GPS射頻硬件模塊如附圖1所示，SBAS和GPS信號(hào)通過(guò)同一天 線進(jìn)入射頻前端(RF)模塊，經(jīng)過(guò)一系列放大、濾波和下變頻處理，并通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換為2bit的中頻數(shù)字信號(hào)。中頻數(shù)字信號(hào)在FPGA的控制下，被采集到FPGA 的內(nèi)部FIF0中，以乒乓方式存儲(chǔ)成一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊。最后通過(guò)USB控制器，
按塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。硬件主要包括以下幾部分
一個(gè)Max2741為主芯片的RF射頻前端模塊，該模塊的數(shù)字中頻位3. 78MHz， 采樣頻率為13MHz 。
一個(gè)GRM7520為主芯片的RF射頻前端模塊，該模塊的數(shù)字中頻為4. 092MHz, 采樣頻率為16. 368腿z。
一個(gè)GP2015為主芯片的RF射頻前端模塊，該模塊的數(shù)字中頻為1. 405MHz， 采樣頻率為5. 714MHz。
一個(gè)CY7C68013A作為USB控制器，以Slave FIFO方式從FPGA獲得數(shù)據(jù)，
并以塊傳輸方式向計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)傳輸為一個(gè)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)。
一個(gè)Spartan3 XC3S400的FPGA芯片，用于控制和讀取三個(gè)射頻RF模塊 的數(shù)據(jù)。Spartan3 XC3S400內(nèi)部的塊存儲(chǔ)空間(block Memory)配置為2塊FIFO， 分別為A和B，使用乒乓方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。FIFOA記錄中頻數(shù)據(jù)的同時(shí)，F(xiàn)IFOB的數(shù)據(jù)傳輸給CY7C68013A。 FIFO A記錄滿一個(gè)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)后，切換為
FIFOB進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，而FIFO A的數(shù)據(jù)傳輸給CY7C68013A，如此輪流切換。
SBAS/GPS處理軟件流程圖如附圖2所示，軟件通過(guò)USB接口成塊的讀取
中頻采樣數(shù)據(jù)，將中頻數(shù)據(jù)以毫秒為單位，與用查找表方式得到的本地載波和
CA碼進(jìn)行相關(guān)累積，使用相關(guān)累積的結(jié)果進(jìn)行捕獲、跟蹤處理，使用跟蹤結(jié)果
進(jìn)行SBAS和GPS的信號(hào)解碼、定位計(jì)算和定位結(jié)果修正，并且每秒鐘更新一
次定位輸出。軟件執(zhí)行的具體步驟如下
步驟一軟件初始化。讀取配置文件，根據(jù)配置文件初始化12通道對(duì)應(yīng)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(dòng)三個(gè)線程，分別為數(shù)據(jù)讀取和基帶處理線程、定位處理線程、
數(shù)據(jù)顯示線程。
數(shù)據(jù)讀取和基帶處理線程設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)，循環(huán)執(zhí)行讀取中頻數(shù)據(jù)塊和進(jìn) 行基帶處理這一過(guò)程。該線程在每一秒鐘時(shí)間到來(lái)后觸發(fā)一次定位處理事件。
定位處理線程設(shè)置為次高優(yōu)先級(jí)，循環(huán)執(zhí)行等待定位處理事件和進(jìn)行定位 處理。每次定位解算事件到來(lái)時(shí)，進(jìn)行定位處理。定位處理根據(jù)各通道跟蹤結(jié) 果完成SBAS信號(hào)解碼、SBAS信息提取、GPS信息提取、偽距計(jì)算、位置解算 和位置修正，并觸發(fā)一次顯示事件。
數(shù)據(jù)顯示線程設(shè)置為最低優(yōu)先級(jí)，循環(huán)執(zhí)行等待顯示事件和顯示有用信息。 每次顯示事件到來(lái)后更新一次顯示數(shù)據(jù)。
步驟三判斷軟件是否退出，如果退出則停止所有線程，并釋放軟件占用 的存儲(chǔ)空間。
如圖3所示，基帶處理是一個(gè)狀態(tài)機(jī)流程，有捕獲、確認(rèn)、推入、跟蹤和 空閑共五種狀態(tài)，12通道輪流進(jìn)入狀態(tài)機(jī)進(jìn)行處理。軟件啟動(dòng)時(shí)，所有啟用的通道初始狀態(tài)設(shè)置為捕獲狀態(tài)，而未啟用的通道初始狀態(tài)設(shè)置為空閑狀態(tài)。通 道狀態(tài)只在串行捕獲、確認(rèn)、推入和跟蹤這四個(gè)狀態(tài)中進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 如圖4所示，定位處理流程具體執(zhí)行步驟如下
步驟一GPS電文提取，根據(jù)通道的跟蹤結(jié)果提取GPS導(dǎo)航電文，主要 提取GPS電文的三個(gè)子幀，得到衛(wèi)星時(shí)間和衛(wèi)星星歷。
步驟二用戶位置計(jì)算，根據(jù)跟蹤結(jié)果計(jì)算用戶到衛(wèi)星的相對(duì)偽距，使用 衛(wèi)星種差對(duì)偽距進(jìn)行修正，使用衛(wèi)星星歷計(jì)算衛(wèi)星位置，使用相對(duì)偽距和衛(wèi)星 位置計(jì)算用戶坐標(biāo)。
步驟三SBAS信號(hào)解碼，使用Viterbi算法進(jìn)行解碼。
步驟四SBAS信息提取，根據(jù)需要提取的SBAS信息類型包括類型6 一衛(wèi)星完好性信息，類型18—電離層網(wǎng)格點(diǎn)屏蔽標(biāo)識(shí)，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(wèi)星鐘差和星歷修正，使用信息類型24對(duì)衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星坐標(biāo) 進(jìn)行修正。
步驟六電離層修正，根據(jù)步驟二中得到的用戶坐標(biāo)和衛(wèi)星位置，計(jì)算電
離層穿透點(diǎn)(IPP)的緯度和經(jīng)度，確定IPP位于哪4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)，使用信息 類型26獲得4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電離層延時(shí)數(shù)據(jù)，利用內(nèi)插法得到IPP對(duì)應(yīng)的 垂直電離層延時(shí)和衛(wèi)星至用戶的電離層延時(shí)。
步驟七用戶位置的修正，使用步驟五中得到的衛(wèi)星鐘差和步驟六中得到的電
離層延時(shí)對(duì)步驟二中的相對(duì)偽距進(jìn)行修正，使用修正后的相對(duì)偽距和修正后的 衛(wèi)星坐標(biāo)重新計(jì)算用戶位置，得到修正后的用戶坐標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種星基增強(qiáng)衛(wèi)星定位和GPS兼容的軟件接收機(jī)系統(tǒng)，包括一個(gè)GPS射頻硬件模塊和一個(gè)運(yùn)行于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的處理軟件模塊，其特征在于星基增強(qiáng)衛(wèi)星定位和GPS信號(hào)通過(guò)同一個(gè)天線進(jìn)入GPS射頻轉(zhuǎn)換芯片，變換到2bit的中頻數(shù)字信號(hào)，中頻信號(hào)輸出到一個(gè)FPGA，F(xiàn)PGA將2bit中頻信號(hào)進(jìn)行打包形成數(shù)據(jù)塊，并將數(shù)據(jù)塊傳輸給USB控制芯片，USB控制芯片再將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的處理軟件讀取并處理中頻數(shù)據(jù)，完成基帶處理、定位計(jì)算和定位修正。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星基增強(qiáng)衛(wèi)星定位和GPS兼容的軟件接收 機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的GPS射頻硬件模塊的結(jié)構(gòu)如下一個(gè)Max2741為主芯片的RF射頻前端， 一個(gè)GRM7520為主芯片的RF射 頻前端和一個(gè)GP2015為主芯片的RF射頻前端，共三個(gè)射頻前端；一個(gè)可編程邏輯門陣列FPGA，負(fù)責(zé)讀取三個(gè)射頻前端的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包 存儲(chǔ)在FPGA的內(nèi)部存儲(chǔ)空間中；一個(gè)USB控制器，負(fù)責(zé)將FPGA存儲(chǔ)的中頻數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星基增強(qiáng)衛(wèi)星定位和GPS兼容的軟件接收 機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的運(yùn)行于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的處理軟件模塊工作流程如下步驟l:軟件初始化。讀取配置文件，根據(jù)配置文件初始化12通道對(duì)應(yīng)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(dòng)三個(gè)線程，分別為數(shù)據(jù)讀取和基帶處理線程、定位處理線程、 數(shù)據(jù)顯示線程；數(shù)據(jù)讀取和基帶處理線程設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)，循環(huán)執(zhí)行讀取中頻數(shù)據(jù)塊和進(jìn) 行基帶處理這一過(guò)程，基帶處理用狀態(tài)機(jī)方式進(jìn)行，設(shè)置捕獲、確認(rèn)、推入、跟蹤和空閑共五種狀態(tài)，12通道輪流進(jìn)入狀態(tài)機(jī)進(jìn)行處理，該線程在每一秒鐘 時(shí)間到來(lái)后觸發(fā)一次定位處理事件；定位處理線程設(shè)置為次高優(yōu)先級(jí)，循環(huán)執(zhí)行等待定位處理事件和進(jìn)行定 位處理。每次定位解算事件到來(lái)時(shí)，進(jìn)行定位處理，定位處理根據(jù)各通道跟蹤結(jié)果完成SBAS信號(hào)解碼、SBAS信息提取、GPS信息提取、偽距計(jì)算、位置解 算和位置修正，并觸發(fā)一次顯示事件；數(shù)據(jù)顯示線程設(shè)置為最低優(yōu)先級(jí)，循環(huán)執(zhí)行等待顯示事件和顯示有用信息，每次顯示事件到來(lái)后更新一次顯示數(shù)據(jù)；步驟3:判斷軟件是否退出，如果退出則停止所有線程，并釋放軟件占 用的存儲(chǔ)空間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種星基增強(qiáng)衛(wèi)星定位和GPS兼容的軟件接收機(jī) 系統(tǒng)，其特征在于，所述的2bit的數(shù)字中頻信號(hào)被FPGA合并為lByte數(shù)據(jù)，并打 包成數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊包含4ms整數(shù)倍如4ms、 8ms的采樣數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種星基增強(qiáng)衛(wèi)星定位和GPS兼容的軟件接收 機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)在FPGA的內(nèi)部存儲(chǔ)空間中，F(xiàn)PGA的內(nèi) 部存儲(chǔ)空間被配置為2塊FIF0，分別為A和B，使用乒乓方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，A記 錄中頻數(shù)據(jù)的同時(shí)，B的數(shù)據(jù)傳輸給USB控制器，A記錄滿一個(gè)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)后， 切換為B進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，而A的數(shù)據(jù)傳輸給USB控制器，如此輪流切換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種SBAS(星基增強(qiáng))和GPS兼容的多模式軟件接收機(jī)系統(tǒng)，屬于衛(wèi)星定位與導(dǎo)航領(lǐng)域。該軟件接收機(jī)由一個(gè)GPS射頻硬件模塊和一個(gè)運(yùn)行于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的處理軟件模塊組成。本發(fā)明主要解決了在計(jì)算機(jī)平臺(tái)的軟件架構(gòu)上對(duì)SBAS/GPS信號(hào)進(jìn)處理，尤其是利用SBAS信號(hào)對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行修正的問(wèn)題。相對(duì)于一般的定位軟件接收機(jī)，本發(fā)明的軟件接收機(jī)能夠同時(shí)處理SBAS和GPS兩種模式的信號(hào)，因此顯著地提高了單一GPS定位系統(tǒng)的定位精度、可靠性和完好性。
文檔編號(hào)G01S5/14GK101408607SQ200810203388
公開日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月26日
發(fā)明者雷 張, 寧 戴, 王建宇, 鄧江平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所