一種基于dsp的多系統(tǒng)兼容gnss接收機(jī)及其接收系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及GNSS (Global Navigat1n Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))接收機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，更具體地，涉及一種基于DSP的多系統(tǒng)兼容GNSS接收機(jī)及其接收系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)能夠?yàn)榈厍虮砻婧徒乜臻g的各類用戶提供全天候、全天時(shí)的位置、速度和授時(shí)等信息服務(wù)，在日常生活、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防建設(shè)等領(lǐng)域有著重要的作用。進(jìn)入21世紀(jì)以來，全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)迅速發(fā)展，目前已經(jīng)形成了 GPS、GLONASS和中國的北斗(BDS)三大導(dǎo)航系統(tǒng)兼容、共用的局面。
[0003]對多系統(tǒng)兼容接收機(jī)而言，它具有可用衛(wèi)星數(shù)量多、覆蓋好、定位精度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而單系統(tǒng)接收機(jī)由于衛(wèi)星數(shù)目有限或是某些惡劣環(huán)境中信號(hào)受到嚴(yán)重干擾等問題，提供的衛(wèi)星定位服務(wù)的精度、可靠性、安全性和可用性無法得到保障。同時(shí)，各個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)可能存在難以覆蓋的空白帶，而且用戶在使用過程中會(huì)受到主控國的限制。
[0004]由于GPS、GL0NASS和BDS這三種星基導(dǎo)航系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)置、導(dǎo)航定位機(jī)理、頻段、調(diào)制方式、信號(hào)和星歷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面是基本相同或近似的，都以發(fā)射擴(kuò)頻測距碼、測量衛(wèi)星與用戶之間的偽距來完成導(dǎo)航定位，所以就存在利用一部用戶設(shè)備同時(shí)接收這三種衛(wèi)星信號(hào)的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出了一種基于DSP的多系統(tǒng)兼容GNSS接收機(jī)及其接收系統(tǒng)，解決了單一系統(tǒng)存在的覆蓋空白問題，而且使系統(tǒng)可靠性和完好性顯著提高，彌補(bǔ)了單一星座定位時(shí)可見衛(wèi)星數(shù)目偏少、衛(wèi)星幾何分布不佳，定位精度不高的缺點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]一種基于DSP的多系統(tǒng)兼容GNSS接收機(jī)，包括射頻單元、基帶處理單元、定位解算單元；其中:
[0008]射頻單元:全頻點(diǎn)天線接收導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，并將該衛(wèi)星信號(hào)送入射頻單元，經(jīng)過射頻單元中的前置帶通濾波、低噪聲放大后，與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號(hào)進(jìn)行混頻而下變頻成中頻信號(hào)，最后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬中頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字中頻信號(hào)，并將該數(shù)字中頻信號(hào)送入基帶處理單元；
[0009]基帶處理單元對射頻模塊輸出的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤，獲得多普勒觀測量；同時(shí)對數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解擴(kuò)，從中獲取原始導(dǎo)航電文，獲得偽距觀測量；
[0010]定位解算單元獲取基帶處理單元送出的多普勒管測量和偽距觀測量及原始導(dǎo)航電文，將其進(jìn)行處理之后，得到用于定位解算的偽距、多普勒及電文參數(shù)信息，經(jīng)過解算之后將定位測速結(jié)果發(fā)送給用戶。
[0011]進(jìn)一步地，所述基帶處理單元對射頻模塊輸出的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)一步地，分為捕獲、跟蹤、位同步和幀同步四個(gè)階段；捕獲分為偽碼捕獲和載波捕獲，用于確定接收信號(hào)的偽碼相位和載波頻率的粗略值，估計(jì)誤差分別小于載波環(huán)和碼環(huán)的牽入范圍；跟蹤包括偽碼跟蹤和載波跟蹤，通過碼環(huán)對偽碼進(jìn)行跟蹤，通過載波環(huán)對載波進(jìn)行跟蹤，分別實(shí)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)碼相位和復(fù)現(xiàn)載波與接收信號(hào)的同步。
[0012]進(jìn)一步地，其中信號(hào)的捕獲是通過檢查相關(guān)器的輸出功率在何種復(fù)制載波頻率和碼相位下達(dá)到最大來實(shí)現(xiàn)的，如果最大輸出功率超過信號(hào)捕獲門限值，則認(rèn)為捕獲到相應(yīng)的衛(wèi)星。
[0013]進(jìn)一步地，定位解算單元還完成以下任務(wù):系統(tǒng)控制，選擇工作模式，安排衛(wèi)星的捕獲；系統(tǒng)多任務(wù)調(diào)度，并應(yīng)對導(dǎo)航過程中的突發(fā)狀況；定位、測速、授時(shí)；系統(tǒng)完好性信息處理和自主完好性監(jiān)測；存儲(chǔ)星歷和歷書，存儲(chǔ)當(dāng)前的接收機(jī)狀態(tài)；接收機(jī)工作狀態(tài)的輸出和監(jiān)測，與用戶進(jìn)行交互。
[0014]一種基于DSP的多系統(tǒng)兼容GNSS接收系統(tǒng)，包括初始化模塊、捕獲安排模塊、觀測量處理模塊、電文解析模塊、定位測速模塊、通信模塊和存儲(chǔ)模塊；其中:
[0015]初始化模塊完成系統(tǒng)的初始化工作，包括硬件初始化和軟件初始化；所述的硬件初始化是對處理器、基帶處理單元及外圍器件的上電狀態(tài)進(jìn)行初始化配置；軟件初始化是對軟件中所有的全局變量、需要執(zhí)行的定位模式、定位頻度、定位信息輸出類型和頻度進(jìn)行初始化賦值；
[0016]捕獲安排模塊根據(jù)定位模式安排衛(wèi)星的捕獲；根據(jù)用戶指定的定位模式對相應(yīng)GNSS系統(tǒng)的衛(wèi)星進(jìn)行捕獲和跟蹤；在系統(tǒng)初上電時(shí)，捕獲模塊搜索可見星以完成首次定位；定位以后，捕獲安排模塊降低捕獲頻度，搜索除參與定位以外的可見星；
[0017]觀測量處理模塊完成對偽距、多普勒的計(jì)算，利用載波相位平滑偽距；
[0018]電文解析模塊對原始電文進(jìn)行解析，獲取電文參數(shù)；電文解析模塊接收到原始電文之后，對每一幀或每個(gè)字符串的二進(jìn)制信息進(jìn)行截取，將編排的每個(gè)電文參數(shù)解析出來，用于衛(wèi)星位置的解算、星歷健康情況的判斷或者時(shí)間信息的獲?。?br>[0019]定位測速模塊利用偽距、多普勒觀測量信息對用戶三維坐標(biāo)、三維速度以及接收機(jī)鐘差、鐘漂進(jìn)行解算，并利用鐘差信息對接收機(jī)時(shí)鐘進(jìn)行修正，完成授時(shí)功能；
[0020]通信模塊用于串口信息的收發(fā)；通信模塊將用戶位置、速度、當(dāng)前時(shí)間信息通知用戶，并接收用戶對接收機(jī)發(fā)出的各種指令；
[0021]存儲(chǔ)模塊對電文、用戶狀態(tài)、模式配置進(jìn)行存儲(chǔ)，使得接收機(jī)在下次開啟時(shí)盡快地實(shí)現(xiàn)定位、測速和授時(shí)。
[0022]進(jìn)一步地，在導(dǎo)航過程中，若遇到遮擋、干擾原因造成衛(wèi)星信號(hào)的失鎖，捕獲安排模塊將對失鎖的衛(wèi)星進(jìn)行重新捕獲；在發(fā)現(xiàn)某顆衛(wèi)星的電文不健康、RAIM監(jiān)測出現(xiàn)故障或者仰角低于可用門限時(shí)，捕獲安排模塊則將該衛(wèi)星拋棄，并利用該衛(wèi)星所在的通道捕獲其他可見星。
[0023]進(jìn)一步地，電文解析模塊實(shí)時(shí)檢測衛(wèi)星導(dǎo)航電文的更新情況，并對當(dāng)前的星歷或歷書進(jìn)行更新，以確保定位測速的正確性。
[0024]進(jìn)一步地，該系統(tǒng)工作狀態(tài)共有6種，其中3種為啟動(dòng)狀態(tài):熱啟動(dòng)、溫啟動(dòng)和冷啟動(dòng)，一種正常工作狀態(tài)，兩種異常處理狀態(tài):輔助定位狀態(tài)和定位異常處理狀態(tài)；其中:
[0025]正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)無間斷地利用空閑通道搜索可見星，進(jìn)行正常的電文解析及觀測量提取，處于正常跟蹤狀態(tài)的衛(wèi)星數(shù)量滿足三維定位的要求，實(shí)現(xiàn)正常定位、測速及授時(shí)，結(jié)果滿足精度要求；如果在一定時(shí)間內(nèi)尚無法實(shí)現(xiàn)三維定位時(shí)轉(zhuǎn)入定位異常處理狀態(tài)；如果在正常導(dǎo)航過程中出現(xiàn)信號(hào)中斷則轉(zhuǎn)入輔助定位狀態(tài)；其他工作狀態(tài)結(jié)束后也都將進(jìn)入正常工作狀態(tài)；
[0026]冷啟動(dòng)狀態(tài)下，GNSS接收機(jī)獲取不到關(guān)于任何一個(gè)系統(tǒng)衛(wèi)星有效的先驗(yàn)信息，系統(tǒng)將根據(jù)用戶設(shè)定的定位模式對相應(yīng)系統(tǒng)的所有衛(wèi)星按照預(yù)定的順序進(jìn)行嘗試性捕獲，直至當(dāng)所有的衛(wèi)星全都捕獲一輪或者接收機(jī)沒有空閑通道，冷啟動(dòng)狀態(tài)結(jié)束并切換至正常工作狀態(tài)；
[0027]溫啟動(dòng)狀態(tài)下，GNSS接收機(jī)存有有效的歷書，導(dǎo)航終端根據(jù)歷書和用戶概略位置預(yù)測天上處于用戶視野之內(nèi)的衛(wèi)星，并嘗試進(jìn)行捕獲，直到將預(yù)測的衛(wèi)星全部捕獲一輪，切換至正常工作狀態(tài)；若根據(jù)歷書預(yù)測不到有可見星的存在，則由溫啟動(dòng)轉(zhuǎn)入冷啟動(dòng)；
[0028]熱啟動(dòng)狀態(tài)下，GNSS接收機(jī)內(nèi)存有若干顆衛(wèi)星的有效星歷，系統(tǒng)將對相應(yīng)的衛(wèi)星進(jìn)行捕獲，直至將這些衛(wèi)星全部捕獲一輪或幾輪，切換至溫啟動(dòng)狀態(tài)或者正常工作狀態(tài)；
[0029]輔助定位狀態(tài)下，正常跟蹤的衛(wèi)星數(shù)量不足以滿足正常的三維定位，通過二維定位算法和外推維持定位，同時(shí)等待信號(hào)恢復(fù)，重新定位，若在一定時(shí)間內(nèi)定位恢復(fù)，則切換回正常工作狀態(tài)，反之，若等待超時(shí)，則切換至熱啟動(dòng)狀態(tài)；
[0030]定位異常處理狀態(tài)下，GNSS接收機(jī)嘗試解決定位測速中出現(xiàn)的異常，如出現(xiàn)不符合常規(guī)的定位測速結(jié)果，或者雖然衛(wèi)星數(shù)量滿足要求卻無法定位的情況，若成功解決則切換回正常工作狀態(tài)，若超時(shí)則切換至熱啟動(dòng)狀態(tài)。
[0031]進(jìn)一步地，當(dāng)溫啟動(dòng)失敗時(shí)進(jìn)入冷啟動(dòng)狀態(tài)。
[0032]本發(fā)明的有益效果:
[0033]本發(fā)明將接收機(jī)拆分成3各模塊，便于接收機(jī)故障的排查，并且基于DSP設(shè)計(jì)，便于程序的升級(jí)；同時(shí)接收系統(tǒng)中捕獲模塊中熱星的設(shè)計(jì)，可加快捕獲速度。
【附圖說明】
[0034]圖1是接收機(jī)組成框圖；
[0035]圖2是接收機(jī)軟件系統(tǒng)功能模塊；
[0036]圖3是接收機(jī)系統(tǒng)工作狀態(tài)切換；
[0037]圖4是DSP主函數(shù)設(shè)計(jì)框圖；
[0038]圖5是接收機(jī)選擇啟動(dòng)模式流程；
[0039]圖6是接收機(jī)捕獲安排線程；
[0040]圖7是接收機(jī)定位測速線程流程；
[0041]圖8是接收機(jī)電文解析線程；
[0042]圖9