Gps導(dǎo)航電文采集裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種GPS導(dǎo)航電文采集裝置，包括天線模塊、接收GPS信號的射頻前端模塊、GPS基帶信號處理模塊、外部通信串口模塊、時鐘模塊、存儲模塊、二次開發(fā)接口和模式選擇接口，天線模塊、射頻前端相連、GPS基帶信號處理模塊依次相連，時鐘模塊、存儲模塊、二次開發(fā)接口、模式選擇接口、外部通信串口模塊均連接GPS基帶信號處理模塊。本實用新型可實現(xiàn)實時定位且定位精度<10m，輸出導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)可選擇，擴展性強，支持二次開發(fā)，支持長時間導(dǎo)航電文存儲。
【專利說明】GPS導(dǎo)航電文采集裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體的是一種GPS導(dǎo)航電文采集裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,簡稱GPS)具有全天候、高精度、高增益等特點，GPS接收機已經(jīng)普遍應(yīng)用于軍事、航海、航天、測量、交通等領(lǐng)域，GPS軍事意義與經(jīng)濟效益越來愈大，國內(nèi)對這方面的需求也越來越大。然而我國的GPS接收機芯片幾乎都來自外國公司，很少有自主知識產(chǎn)權(quán)的GPS接收機芯片。國內(nèi)GPS接收機的研究主要是基于PC機的軟件GPS接收機，但限于PC機的運行速度無法滿足實時定位，只能局限于實驗室；現(xiàn)有的GPS接收機芯片高度集成化，功能單一。
實用新型內(nèi)容
[0003]本實用新型的目的是提供一種實時定位、輸出數(shù)據(jù)可選擇、可二次開發(fā)，可擴展的GPS導(dǎo)航電文采集裝置。
[0004]為達到上述目的，本實用新型采用如下的技術(shù)方案:
[0005]GPS導(dǎo)航電文采集裝置，包括天線模塊、接收GPS信號的射頻前端模塊、GPS基帶信號處理模塊、外部通信串口模塊、時鐘模塊、存儲模塊、二次開發(fā)接口和模式選擇接口，天線模塊、射頻前端相連、GPS基帶信號處理模塊依次相連，時鐘模塊、存儲模塊、二次開發(fā)接口、模式選擇接口、外部通信串口模塊均連接GPS基帶信號處理模塊。
[0006]上述射頻前端模塊包括依次相連的低噪聲功率放大器、GPS射頻濾波器、混頻器、自動增益放大器、AD采樣器，其中，低噪聲功率放大器用來放大天線模塊接收的微弱GPS信號；GPS射頻濾波器抑制GPS信號頻點以外的干擾信號；混頻器用來降低GPS信號中心頻率；自動增益放大器用來穩(wěn)定混頻器輸出的GPS信號功率;AD采樣器用來將自動增益放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
[0007]為了提高本振頻率精度，射頻前端模塊中的混頻器優(yōu)選為三級混頻。
[0008]上述GPS基帶信號處理模塊基于FPGA實現(xiàn)，包括基帶相關(guān)器單元和基帶處理單元，其中，基帶相關(guān)器單元用于對GPS信號進行載波剝離和偽碼剝離，并產(chǎn)生中斷給基帶處理單元；基帶處理單元調(diào)整載波頻率和碼頻率微調(diào)基帶相關(guān)器單元，以達到鎖定目的；基帶處理單元在GPS信號鎖定后對衛(wèi)星參數(shù)進行解算，提取衛(wèi)星偽距觀測量、衛(wèi)星多普勒觀測量、衛(wèi)星俯仰角、衛(wèi)星GPS信號信噪比、接收機位置及速度。
[0009]所述的基帶相關(guān)器單元由多路基帶相關(guān)器構(gòu)成，基帶相關(guān)器包括鎖存器、第一乘法器、本地載波數(shù)字控制振蕩器、低通濾波器、本地碼數(shù)字控制振蕩器和多路偽碼剝離模塊，鎖存器、第一乘法器、低通濾波器、多路偽碼剝離模塊依次相連，各路偽碼剝離模塊包括依次相連的第二乘法器和加法器，本地載波數(shù)字控制振蕩器輸出端連接第一乘法器、輸入端連接基帶處理單元，本地碼數(shù)字控制振蕩器輸出端連接各路偽碼剝離模塊的第二乘法器、輸入端連接基帶處理單元。
[0010]上述二次開發(fā)接口為帶有可燒寫接口的固化芯片。
[0011 ] 上述模式選擇接口由撥碼開關(guān)構(gòu)成。
[0012]上述存儲模塊為SD卡存儲模塊。
[0013]本實用新型GPS導(dǎo)航電文采集裝置通過模式選擇接口選擇性輸出不同的導(dǎo)航信息；通過二次開發(fā)接口重新配置GPS基帶信號處理模塊，可根據(jù)需要加入新程序，便于二次靈活開發(fā)；通過存儲模塊存儲采集的導(dǎo)航電文，可長時間(一年以上)存儲導(dǎo)航電文，便于需要時進行數(shù)據(jù)分析。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0015]1、實時定位且定位精度<10m。
[0016]2、靈活配置，可選擇多種導(dǎo)航電文輸出。
[0017]3、可擴展性強，支持二次開發(fā)。
[0018]4、支持長時間導(dǎo)航電文存儲，便于事后數(shù)據(jù)分析。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)框圖；
[0020]圖2為本實用新型射頻前端模塊的具體結(jié)構(gòu)框圖；
[0021]圖3為本實用新型GPS基帶信號處理模塊的具體結(jié)構(gòu)框圖；
[0022]圖4為本實用新型GPS基帶相關(guān)器單元結(jié)構(gòu)框圖；
[0023]圖5為本實用新型模式選擇接口結(jié)構(gòu)框圖。
[0024]圖中，1-天線模塊，2-射頻前端模塊，3-GPS基帶信號處理模塊，4_外部通信串口模塊，5-存儲模塊，6-時鐘模塊，7-二次開發(fā)接口，8-模式選擇接口 ；9_鎖存器；10-第一乘法器；11-低通濾波器；12-第二乘法器；13-加法器；14-本地載波數(shù)字控制振蕩器；15_本地碼數(shù)字控制振蕩器。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】進一步說明本實用新型。
[0026]見圖1，本實用新型GPS導(dǎo)航電文采集裝置包括天線模塊(I)、接收GPS信號的射頻前端模塊(2 )、基于FPGA的GPS基帶信號處理模塊(3 )、外部通信串口模塊(4)、存儲模塊
(5)、時鐘模塊(6)、二次開發(fā)接口(7)、模式選擇接口(8)，天線模塊(I)輸出端連接射頻前端模塊(2)輸入端，射頻前端模塊(2)輸出的GPS信號輸入GPS基帶信號處理模塊(3)，存儲模塊(5 )、時鐘模塊(6 )、二次開發(fā)接口( 7 )、模式選擇接口( 8 )、外部通信串口模塊(4 )均連接GPS基帶信號處理模塊(3)。本具體實施中，外部通信串口模塊(4)遵循RS422協(xié)議；時鐘模塊(6)不間斷向系統(tǒng)提供時間；天線模塊(I)采用具有接近半球形增益覆蓋性質(zhì)的右旋圓極化全向有源天線，其增益約30dB。
[0027]見圖2，射頻前端模塊(2)進一步包括依次相連的低噪聲功率放大器、GPS射頻濾波器、混頻器、自動增益放大器、AD采樣器，本具體實施中，低噪聲功率放大器將天線模塊接收的微弱GPS信號放大12-20dB ；GPS射頻濾波器接收低噪聲功率放大器的輸出信號，用來抑制GPS信號頻點以外的干擾信號，本具體實施中采用HMC478ST89型號的GPS射頻濾波器，可抑制GPS LI頻點以外的干擾信號；混頻器接收GPS射頻濾波器的輸出信號，并輸出頻點為4.309Mhz的中頻信號；自動增益放大器接收混頻器的輸出數(shù)據(jù),用來將混頻器輸出的GPS信號功率穩(wěn)定在_25dB附近；AD采樣器采樣率為5.714Mhz，采樣數(shù)據(jù)為2位數(shù)字信號，將自動增益放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
[0028]為了提高本振頻率精度，混頻器采用三級混頻器，第一級混頻器的本振為1400Mhz，輸出信號中心頻率175.42Mhz ;第二級混頻器的本振為140Mhz，輸出中頻信號頻點為35.42Mhz ;第三級混頻器的本振為31.lllMhz，輸出中頻信號頻點為4.309Mhz。GPS信號的載波頻點為1575.42Mhz，三級本振1400,140,31.1111的倍數(shù)關(guān)系分別為1:10:45，混頻器對本振的頻率穩(wěn)定性要求很高，HOOMhz本振本來是IOMhz的本地溫補晶振倍頻得到，其余的都是1400M整數(shù)分頻得到，整數(shù)分頻，頻率更精確，也易于實現(xiàn)。
[0029]見圖3，GPS基帶信號處理模塊(3)基于FPGA實現(xiàn)，包括基帶相關(guān)器單元和基帶處理單元，基帶相關(guān)器單元由多路基帶相關(guān)器組成?；鶐嚓P(guān)器單元用于對GPS信號進行載波剝離和偽碼剝離，并通過數(shù)據(jù)總線產(chǎn)生中斷給基帶處理單元，并向基帶處理單元傳遞跟蹤捕獲的GPS信號的狀態(tài)參數(shù)和數(shù)據(jù)，本具體實施中，基帶相關(guān)器單元由12路基帶相關(guān)器組成，可同時對12顆衛(wèi)星信號進行跟蹤捕獲?；鶐幚韱卧憫?yīng)基帶相關(guān)器的中斷，接收GPS信號的狀態(tài)參數(shù)和數(shù)據(jù)，調(diào)整載波頻率和碼頻率來微調(diào)基帶相關(guān)器，以達到鎖定的目的；基帶處理單元在GPS信號鎖定后對衛(wèi)星參數(shù)進行解算。
[0030]下面以一路基帶相關(guān)器為例對基帶相關(guān)器單元進行說明，見圖4。射頻前端模塊(2 )輸出的AD采樣數(shù)據(jù)r (tk)進入鎖存器(9 )進行鎖存，鎖存器(9 )采樣頻率同AD采樣時鐘頻率，本地載波數(shù)字控制振蕩器(14)產(chǎn)生的正弦、余弦信號分別與鎖存器(9)輸出的數(shù)據(jù)在第一乘法器(10)中相乘進行1、Q解調(diào)，解調(diào)后的I路、Q路數(shù)據(jù)通過低通濾波器(11)濾除GPS信號的帶外干擾信號，分別進入不同路的偽碼剝離模塊。本地碼數(shù)字控制振蕩器
(15)產(chǎn)生早碼(E)、即時碼(P)和晚碼(L)三種本地C/A碼，早碼(E)、即時碼(P)和晚碼(L)依次相隔半個碼元，分別與低通濾波器(11)輸出信號依次經(jīng)過偽碼剝離模塊進行剝離偽碼，偽碼剝離模塊包括相連的第二乘法器(12)和加法器(13)，加法器(13)對第二乘法器
(12)輸出數(shù)據(jù)進行積分和累加，本具體實施中偽碼周期為1023，則加法器(13)中進行1023點積分。加法器(13)每隔Ims產(chǎn)生中斷信號給基帶處理單元，接收中斷信號的基帶處理單元讀取第二乘法器(12)的輸出，判斷當(dāng)前GPS信號是否已經(jīng)鎖定，如果沒有，則調(diào)整基帶相關(guān)器中本地載波數(shù)字控制振蕩器(14)和本地碼數(shù)字控制振蕩器(15)產(chǎn)生的載波頻率和碼頻率，以達到鎖定的目的。
[0031]基帶處理單元在GPS信號鎖定后對衛(wèi)星發(fā)射的50HZ的導(dǎo)航電文進行幀同步、解碼，獲得導(dǎo)航電文，包括衛(wèi)星發(fā)射數(shù)據(jù)時間及衛(wèi)星軌道參數(shù)；從載波頻率變化量中提取多普勒觀測量，利用數(shù)據(jù)發(fā)射時間與本地時間(本地時間由時鐘模塊獲得)解算接收機當(dāng)前的速度、位置和時間。
[0032]外部通信串口模塊(4)與基于FPGA的GPS基帶信號處理模塊(3)相連，遵循RS422串口通信協(xié)議，用來輸出當(dāng)前時刻各衛(wèi)星偽距觀測量、各衛(wèi)星多普勒頻移、各衛(wèi)星俯仰角、各衛(wèi)星GPS信號的信噪比、接收機位置和速度中的任意一種或多種數(shù)據(jù)。
[0033]存儲模塊(5)為SD卡存儲模塊，與基于FPGA的GPS基帶信號處理模塊(3)相連，遵循SPI串口協(xié)議，采用FATFS文件系統(tǒng)，采取每小時生成一個以當(dāng)前時刻命名的文件，每個文件中存儲前一個小時的導(dǎo)航電文。
[0034]時鐘模塊(6)與基于FPGA的GPS基帶信號處理模塊(3)相連，包括紐扣電池和DS1302型號時間芯片，紐扣電池為時間芯片不間斷提供電源，時間芯片為GPS基帶信號處理模塊(3)提供當(dāng)前時刻，以此作為基準(zhǔn)，解算接收機當(dāng)前位置。
[0035]二次開發(fā)接口與基于FPGA的GPS基帶信號處理模塊(3)相連，包括帶有可燒寫接口的固化芯片，通過二次開發(fā)接口的可燒寫接口可將外部指令導(dǎo)入置固化芯片，從而擴展本實用新型其他應(yīng)用，或者實現(xiàn)驗證算法，為用戶二次開發(fā)提供了靈活的接口。本具體實施中采用二次開發(fā)接口的固化芯片為EP2S60N系列的PR0M。
[0036]見圖5，模式選擇接口(8)與基于FPGA的GPS基帶信號處理模塊(3)相連，通過模式選擇接口選擇性輸出不同類型的導(dǎo)航信息。本具體實施中模式選擇接口(8)由三個撥碼開關(guān)KEY1、KEY2、KEY3組成，可選擇5種模式，見表1，表中“O”表示對應(yīng)的撥碼開關(guān)為斷開，“I”表示對應(yīng)的撥碼開關(guān)為接通，模式I表示選擇輸出衛(wèi)星偽距觀測量，模式2表示選擇輸出衛(wèi)星多普勒頻移，模式3表示選擇輸出衛(wèi)星俯仰角，模式4表示選擇輸出衛(wèi)星GPS信號信噪比，模式5表示選擇輸出接收機位置和速度，各模式對應(yīng)的數(shù)據(jù)通過外部通信串口模塊
(4)輸出到PC端顯示。
[0037]表1模式與各撥碼開關(guān)的通道對應(yīng)表
[0038]
【權(quán)利要求】
1.GPS導(dǎo)航電文采集裝置，其特征在于: 包括天線模塊、接收GPS信號的射頻前端模塊、GPS基帶信號處理模塊、外部通信串口模塊、時鐘模塊、存儲模塊、二次開發(fā)接口和模式選擇接口，天線模塊、射頻前端相連、GPS基帶信號處理模塊依次相連，時鐘模塊、存儲模塊、二次開發(fā)接口、模式選擇接口、外部通信串口模塊均連接GPS基帶信號處理模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的GPS導(dǎo)航電文采集裝置，其特征在于: 所述的射頻前端模塊進一步包括依次相連的低噪聲功率放大器、GPS射頻濾波器、混頻器、自動增益放大器、AD采樣器。
3.如權(quán)利要求2所述的GPS導(dǎo)航電文采集裝置，其特征在于: 所述的混頻器為三級混頻器。
4.如權(quán)利要求1所述的GPS導(dǎo)航電文采集裝置，其特征在于: 所述的GPS基帶信號處理模塊基于FPGA實現(xiàn)，包括相連接的基帶相關(guān)器單元和基帶處理單元。
5.如權(quán)利要求4所述的GPS導(dǎo)航電文采集裝置，其特征在于: 所述的基帶相關(guān)器單元由多路基帶相關(guān)器構(gòu)成，基帶相關(guān)器包括鎖存器、第一乘法器、本地載波數(shù)字控制振蕩器、低通濾波器、本地碼數(shù)字控制振蕩器和多路偽碼剝離模塊，鎖存器、第一乘法器、低通濾波器、多路偽碼剝離模塊依次相連，各路偽碼剝離模塊包括依次相連的第二乘法器和加法器，本地載波數(shù)字控制振蕩器輸出端連接第一乘法器、輸入端連接基帶處理單元，本地碼數(shù)字控制振蕩器輸出端連接各路偽碼剝離模塊的第二乘法器、輸入端連接基帶處理單元。
6.如權(quán)利要求1所述的GPS導(dǎo)航電文采集裝置，其特征在于: 所述的二次開發(fā)接口為帶有可燒寫接口的固化芯片。
7.如權(quán)利要求1所述的GPS導(dǎo)航電文采集裝置，其特征在于: 所述的模式選擇接口由撥碼開關(guān)構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的GPS導(dǎo)航電文采集裝置，其特征在于: 所述的存儲模塊為SD卡存儲模塊。
9.如權(quán)利要求1所述的GPS導(dǎo)航電文采集裝置，其特征在于: 所述的天線模塊為右旋圓極化全向有源天線。
【文檔編號】G01S19/37GK203773056SQ201420171583
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】鄭建生, 朱玉建, 周博海, 何琪 申請人:武漢大學(xué)