CN101158718A - 全球定位系统实时软件接收机及其实时处理方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及电子技术领域的导航、定位设备和实时处理，尤指一种利用现代科技手段，通过接收到的全球卫星定位系统GPS信号，进行实时定位，应用于信号采样和计算机软件处理的全球定位系统实时软件接收机及其实时处理方法。该装置由复杂可编程逻辑器件和串并转换接口模块等组成；该方法运行在windows XP环境下的计算机软件进行基带信号的处理；主要解决如何实现信号采样传输模块等接口以及如何实现基带信号的处理等有关技术问题。本发明的积极效果是：该装置在微软windows XP系统上实现了实时运行，该软件采用位运算的方式，减少了运算量，提高了处理速度，其信号处理的快速性可以实现实时定位，并具有较高的精度和灵敏度。

Description

全球定位系统实时软件接收机及其实时处理方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域的导航、定位设备和实时处理，尤旨一种利用现代科技手段，通过接收到的全球卫星定位系统GPS(Global Positioning System)信号，进行实时定位和实时处理，应用于信号采样和计算机软件处理的实时软件接收机装置及其实时处理方法。

背景技术

目前，全球卫星定位系统GPS软件接收机凭着其可修改性以及低成本的优点，逐渐显示出了自己的优势。

目前的全球卫星定位系统GPS软件接收机缺点是接收机在常用的windowsXP操作系统中信号处理的实时性差，定位结果不能及时响应卫星信号的多普勒频移，影响了定位的精度，要做到实时处理往往需要在专门的实时操作系统中实现，影响推广。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种通过把基带相关处理部分完全放到计算机里实现，即把射频RF(RadioFrequency)端的采样信号直接送入计算机，然后由微处理器完成全部的运算；采用Windows操作系统的程序进行信号的处理，通过信号采样传输模块和高速数字信号采集卡，又通过数字信号采集卡把中频采样信号送入计算机内存等有关接口，应用新的数字信号处理算法，完成GPS卫星信号捕获，跟踪，星历解调，伪距测量及位置解算；成功实现软件接收机的实时运行，达到既能快速信号处理和实现实时定位，又具有较高精度和灵敏度的全球定位系统实时软件接收机及其实时处理方法。

本发明要解决的技术问题是：硬件部分主要解决如何实现信号采样传输模块和高速数字信号采集卡问题；又如何通过数字信号采集卡把中频采样信号送入计算机内存等有关接口问题；软件部分主要解决如何运行在windows XP环境下的计算机软件的基带信号处理问题，以及在微软windows XP系统上如何实现软件的实时运行等有关技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该装置由复杂可编程逻辑器件、总线、接口、天线、移位寄存器、存储器、插座、A/D和计算机等部件组成，所述计算机内设有32位数字信号采集卡，32位数字信号采集卡插在计算机主机板周边元件扩展接口PCI插槽上，通过周边元件扩展接口PCI总线将数据发送给计算机，该计算机通过天线接收来自全球定位系统GPS卫星的无线导航信号，经由射频信号采样模块后，将2位数字信号传递到串并转换接口模块，经串并转换接口模块的输出信号通过基于通用处理器的计算程序软件，而非全球定位系统GPS专用基带处理芯片进行基带信号的处理，各模块组合为一整体的软件接收机，该装置至少包括：

一信号采样传输模块中由射频信号采样模块和串并转换接口模块组成，天线与信号采样传输模块中的射频信号采样模块的输入端相连接，射频信号采样模块将天线输入的无线导航信号采样并数模转换，射频信号采样模块的输入输出端和串并转换接口模块的输出输入端相互连接，串并转换接口模块的输出端输出数字信号传递至32位数字信号采集卡的输入端；

一计算机软件处理模块由采样信号与本地信号相关处理和信号捕获、跟踪、同步、导航解算模块组成，采样信号与本地信号相关处理的输入输出端与信号捕获、跟踪、同步、导航解算模块的输出输入端相互连接；

一32位数字信号采集卡通过周边元件扩展接口PCI(Peripheral Component Interconnect)总线与计算机软件处理模块中的采样信号与本地信号相关处理的输入端相互连接，计算机获取32位数字信号采集卡的数据后，通过软件处理，完成接收机的工作。

所述的全球定位系统实时软件接收机的射频信号采样模块通过连接插座和串并转换接口模块中的各部件相连接，其中：

一射频信号采样模块由GP2015芯片和串口组成，GP2015芯片依次输出两位串行数字信号，一位为符号位，一位为幅值位，分别通过连接插座与串并转换接口模块中驱动芯片的相应各输入端口相连接；GP2015芯片输出一采样时钟信号通过连接插座与串并转换接口模块中驱动芯片的相应输入端相连接；串口输入输出两个TTL电平的发送和接收信号，串口的输出发送信号通过连接插座与串并转换接口模块中串口电平转换的相应输入端口相连接，串口电平转换的输出接收信号与串口的相应输入端相连接；

一串并转换接口模块主要由复杂可编程逻辑器件、直流电源变换、开关、串口电平转换、边界扫描接口和小型计算机系统SCSI接口组成，串并转换接口模块接受12V直流供电，电源经过开关后有一路输入至直流电源变换模块的输入端，直流电源变换的输出为电源3.3V，分为五路输出：第一路供电信号传递到指示灯的相应输入端；第二路供电信号传递到复杂可编程逻辑器件的相应输入端；第三路供电信号同时传递到串口电平转换和边界扫描接口的相应输入端；第四路供电信号传递到跳线开关的相应输入端，跳线开关闭合后，则有源天线供电和电源3.3V连通，有源天线供电信号同时传递到天线；第五路供电信号通过连接插座传递到射频信号采样模块的相应输入端；

一复杂可编程逻辑器件接受来自GP2015芯片的三路输出信号：符号位、幅值位和采样时钟分别经过连接插座和驱动芯片后输入至复杂可编程逻辑器件的相应输入端；复杂可编程逻辑器件在采样时钟的上升沿读取符号位和幅值位的电平，在采样时钟的每16个上升沿之后，复杂可编程逻辑器件分别采样了16个符号位和幅值位的电平，并将其输出变成2个16位的并行数据：并行符号位和并行幅值位，且分别输出至小型计算机系统SCSI接口的相应输入端；复杂可编程逻辑器件还将采样时钟16分频后变成16分频采样时钟也输出至小型计算机系统SCSI接口的相应输入端；小型计算机系统SCSI接口的输出端与数字信号采集卡的输入端相互连接；复杂可编程逻辑器件的输入输出与边界扫描接口模块的输出输入端相互连接；

一串口电平转换的输出接收信号通过连接插座与串口模块的相应输入端口相连接，并接收来自串口的输出发送信号通过连接插座与串口电平转换模块的相应输入端口相连接；串口电平转换将TTL电平的发送信号转换为RS232电平的传输电平发送信号传递到串口插座模块的相应输入端，并将RS232电平的传输电平接收信号传递到串口电平转换模块的相应输入端，经串口电平转换模块转换为TTL电平的接收信号通过连接插座传递到串口模块的相应输入端。

所述的全球定位系统实时软件接收机的复杂可编程逻辑器件U2芯片分别与边界扫描接口、直流电源变换U1芯片、串口电平转换U4芯片和驱动芯片U3芯片模块的相应端口相互连接；其中：

一复杂可编程逻辑器件U2芯片的引脚48、83、45和47分别与边界扫描接口模块中JP1插座的引脚4、3、2和1的相应端口相互并行连接，JP1插座的引脚6同时分别与直流电源变换U1芯片的引脚6、串口电平转换U4芯片的引脚16和驱动芯片U3芯片的引脚20的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件U2芯片的引脚5、26、38、51、57、88和98相互并行连接后同时与直流电源变换U1芯片的引脚6和驱动芯片U3芯片的引脚20的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件U2芯片的引脚21、31、44、62、69、75、84和100的相应端口相互并行连接后接地；

所述复杂可编程逻辑器件U2芯片的引脚97、96和22分别与驱动芯片U3芯片的引脚18、16、14相应端口相互并行连接；引脚95与J2插座的引脚2的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件U2芯片的引脚33、32、30、29、20、19、16和15分别与J2插座的引脚54、53、52、51、48、47、45和44的相应端口相互连接；引脚14和17分别与J2插座的引脚10和12的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件U2芯片的引脚56、58、54、53、49、46、41、40和36分别与J2插座的引脚67、54、52、51、29、28、26、25和23的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件U2芯片的引脚35、34、28、25、24和18分别与J2插座的引脚22、21、17、16、15和13的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件U2芯片的引脚37、39、42、43、50、52和55分别与J2插座的引脚57、58、60、61、63、64和66的相应端口相互连接。

所述的全球定位系统实时软件接收机的串口电平转换U4芯片分别与J1插座和JP3插座的模块的相应端口相互连接；其中：

一串口电平转换U4芯片引脚1通过电容C6与引脚3端口相互连接；引脚4通过电容C7与引脚5端口相互连接；

所述串口电平转换U4芯片的引脚16的一路分别与电源3.3V和JP3、JP6插座的引脚2的相应端口相互连接，另一路通过电容C9分别有两路连接：第一路与JP3插座的引脚10、13、16和18端口相互连接，第二路与J1插座的引脚5和U4芯片的引脚15端口相互连接，并分别通过电容C8、C10与U4芯片的引脚2和4端口相互连接；

所述串口电平转换U4芯片的引脚13和14分别与J1插座的引脚3和2的相应端口相互连接；

所述串口电平转换U4芯片的引脚11和12分别与JP3插座的引脚11和12的相应端口相互连接。

所述的全球定位系统实时软件接收机的直流电源变换U1芯片的引脚1同时与电容C2的一端和二极管D1的负极的相应端口相互连接；引脚2的一路通过电容C1后接地，另一路经由开关S1和插座P1后接地；引脚3分别同时与稳压管D2的负端、电容C2的另一端和电感L1的一端的相应端口相互连接；引脚4接地；引脚6分别同时与电容C4的一端、发光二极管DSI的电源端和电感L1的另一端的相应端口相互连接；引脚7通过电容C3和电阻R1后接地；引脚8接地。

所述的全球定位系统实时软件接收机的驱动芯片U3芯片引脚1和19相互并行连接后接地，引脚20经电容C5和引脚10相互并行连接后接地；引脚2、4和6分别与JP2插座的引脚1、2和3的相应端口相互连接；引脚14、16和18分别与复杂可编程逻辑器件U2芯片的引脚97、96和22的相应端口相互连接。

一种全球定位系统实时软件接收机的实时处理方法，该方法通过基于通用处理器的计算程序软件，而非全球定位系统GPS专用基带处理芯片进行基带信号的处理，采用运行在windows XP环境下的计算机软件进行基带信号的处理，应用数字信号处理算法，在微软windows XP系统上实现了软件的实时运行；通过天线接收来自全球定位系统GPS卫星的无线导航信号，经由射频信号采样模块、串并转换接口模块和串并转换模块后，将输出信号在计算机中进行处理；在程序的软件相关器中实现本地信号与接收到的数字中频信号的相关：将数字中频信号与本地载波信号混合、与本地C/A即时码、超前减去滞后码相关，采用位运算的方式进行操作；相关的结果用于全球定位系统GPS卫星信号的捕获，跟踪；在对全球定位系统GPS卫星信号的跟踪过程中完成星历解调，伪距测量及位置解算的工作，并且每秒一次的实时输出定位结果；该基带实时处理的具体工作步骤是：

步骤1.软件初始化

步骤2.判断是否实时处理

执行完软件初始化模块后，则进入判断是否实时处理模块的输入端；

步骤3.从数据采集卡读入用于粗捕获的采样数据与本地信号相关处理

如果是执行实时处理，则进入从数据采集卡读入用于粗捕获的采样数据与本地信号相关处理模块；如果不执行实时处理，则进入事后处理，从文件读入用于粗捕获的采样数据模块的输入端；

步骤4.粗捕获

执行完从数据采集卡读入用于粗捕获的采样数据与本地信号相关处理模块后，则进入粗捕获模块；执行完事后处理，从文件读入用于粗捕获的采样数据模块后，则进入粗捕获模块的输入端；

步骤5.启动跟踪线程

执行完粗捕获模块后，则进入启动跟踪线程模块的输入端；

步骤6.一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理

执行完启动跟踪线程模块后，则进入一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理模块的输入端；

步骤7.判断是否存在被捕获但未分配通道的卫星

执行完一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理模块后，则进入判断是否存在被捕获但未分配通道的卫星模块？如果有存在被捕获但未分配通道的卫星，则进入细捕获，分配通道模块；

如果没有存在被捕获但未分配通道的卫星，则进入跟踪处理模块的输入端；

步骤8.跟踪处理

执行完细捕获，分配通道模块后，则进入跟踪处理模块，当没有存在被捕获但未分配通道的卫星时，则进入跟踪处理模块的输入端；

步骤9.搜索GPS卫星

执行完跟踪处理模块后，则进入搜索GPS卫星模块的输入端；

步骤10.导航解算

执行完搜索GPS卫星模块后，则进入导航解算模块，进行位运算操作，将射频采样信号与载波混合之后的基带混合结果，进一步与本地C/A码做相关混合，分别计算结果，再实时输出定位结果；

步骤11.判断是否停止跟踪线程

执行完导航解算模块后，则进入判断是否停止跟踪线程模块？如果是停止跟踪线程，则进入停止跟踪线程模块；如果非停止跟踪线程，则反馈进入一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理模块的输入端；

步骤12.判断是否重新启动跟踪线程

执行完停止跟踪线程模块后，则进入判断是否重新启动跟踪线程模块？如果是重新启动跟踪线程，则进入启动跟踪线程模块的输入端；如果非重新启动跟踪线程，则进入退出模块。

所述的全球定位系统实时软件接收机的实时处理方法的本地信号与接收到的数字中频信号的相关过程中，基带算法部分的具体工作步骤是：

步骤1.本地复现信号的计算

设本地载波信号由符号位和幅值位组成，分别按位存放在两个变量中，本地C/A码采用即时码、超前码减去滞后码两路，采用1位采样，0代表-1，1代表+1，事先生成的本地伪随机粗捕获码与载波类似，符号位和幅值位分别按位存放在两个变量中，

则本地复现信号为：

$y_{\mathrm{Ij}}\left(t_i\right)=C_j\left[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\right]\×\sin \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

$y_{\mathrm{Qj}}\left(t_i\right)=C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

式中：y_Ij(t_i)为t_i时刻本地复现信号的I相，y_Qj(t_i)为t_i时刻本地复现信号的Q相，C_j[t]为本地复现的C/A码，

和

为第k和第k+1个C/A码周期开始时间的估计值，Δ为本地C/A码的时间偏移量，即时码对应Δ＝0，超前码对应Δ为正，滞后码对应Δ为负，f_gjk为本地载波的栅格频率，t_0gjk为本地载波零相位的时间；

步骤2.数字中频信号的计算

设接收到的时域L1 C/A信号经过射频RF模块下变频至1.405MHz，并以5.714MHz的采样频率进行采样，

则数字中频信号为：

$y\left(t_i\right)=A_j{D}_{\mathrm{jk}}{C}_j[0.001\left(\frac{t_i-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}+1}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\sin [2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{IF}}{t}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{jk}}]+n_j$

式中，y(t_i)为第t_i时刻采样的数字中频信号，A_j为幅度，D_jk为导航数据位，C_j[t]为C/A码，t_i为采样时间，τ_jk和τ_jk+1为第k和第k+1个C/A码周期的开始时间，下标j表示某一颗特定的GPS卫星；

数字中频信号采用2位量化，也按位存放在一个变量中；

步骤3.数字中频信号与本地复现信号中频率本地载波混合，并与C/A码混合后信号的计算

设数字中频信号与本地复现信号中频率最靠近载频的本地载波混合，并与C/A码混合后的信号积分累加后则为：

$I_{\mathrm{gjk}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\underset{i=i_k}{\overset{i_k+N_k}{\mathrm{\Σ}}}y\left(t_i\right)C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\sin \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

$Q_{\mathrm{gjk}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\underset{i=i_k}{\overset{i_k+N_k}{\mathrm{\Σ}}}y\left(t_i\right)C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

式中，g代表第g个本地复现载波的频率栅格，j代表某一颗特定的GPS卫星，k代表第k个C/A码周期，I_gjk(Δ)为积分累积之后的I相混合信号，Q_gjk(Δ)为积分累积之后的Q相混合信号，C_j[t]为本地复现的C/A码，

和为第k和第k+1个C/A码周期开始时间的估计值，Δ为本地C/A码的时间偏移量，即时码对应Δ＝0，超前码对应Δ为正，滞后码对应Δ为负，f_gjk为本地载波的栅格频率，t_0gjk为本地载波零相位的时间。

本发明的有益效果是：该装置在微软windows XP系统上实现了实时运行，可以实时输出定位结果；软件接收机的主要功能都已经实现，现阶段的测试结果表明，软件接收机的性能指标都已经达到了项目要求，比如捕获的准确性，冷启动时间，跟踪环的正确性和稳定性；该软件采用位运算的方式进行操作，减少了运算量，提高了处理速度，其信号处理的快速性可以实现实时定位，并具有较高的精度和灵敏度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图1为本发明计算机加数字信号采集卡的开发方案框图；

附图2为本发明系统总体结构方框图；

附图3为本发明信号采样传输模块结构示意图；

附图4为本发明接口板电路原理图；

附图5为本发明串口电平转换电路原理图；

附图6为本发明直流电源变换电路原理图；

附图7为本发明复杂可编程逻辑器件电路原理图；

附图8为本发明基带实时处理的程序流程示意图；

附图9为传统接收机的数据处理方式示意图；

附图10为本发明实时处理方式示意图；

附图中标号说明：

1-计算机软件处理模块；

11-采样信号与本地信号相关处理；

12-信号捕获、跟踪、同步、导航解算；

2-32位数字信号采集卡；

3-信号采样传输模块；

31-射频信号采样模块；    32-串并转换接口模块；

3101-GP2015芯片；        3201-复杂可编程逻辑器件；

3102-串口；              3202-直流电源变换；

3103-符号位；            3203-开关；

3104-幅值位；            3204-指示灯；

3105-采样时钟；          3205-串口电平转换；

3106-发送；              3206-边界扫描接口；

3107-接收；              3207-串口插座；

4-天线；                 3208-小型计算机系统SCSI接口；

10-计算机；              3209-连接插座；

33-串并转换；            3210-电源3.3V；

3211-并行符号位；

3212-并行幅值位；

3213-16分频采样时钟；

3214-传输电平发送信号；

3215-传输电平接收信号；

3216-驱动芯片；

501-软件初始化；        3217-跳线开关；

502-实时处理；          3218-有源天线供电；

503-从数据采集卡读入用于粗捕获的采样数据与本地信号相关处理；

504-事后处理，从文件读入用于粗捕获的采样数据；

505-粗捕获；

506-启动跟踪线程；

507-一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理；

508-存在被捕获但未分配通道的卫星；

509-细捕获，分配通道；

510-跟踪处理；

511-搜索GPS卫星；

512-导航解算；

513-重新启动跟踪线程；

514-停止跟踪线程；

515-停止跟踪线程；

516-退出；

601-跟踪工作状态；

602-跟踪空闲状态；

603-捕获工作状态；

604-捕获空闲状态；

701-跟踪工作处理；

702-捕获工作处理；

703-空闲状态；

具体实施方式

请参阅附图1、2、3、4、5、6、7所示，本发明采用自行开发的基于微软公司的Windows操作系统的程序进行信号的处理，通过信号采样传输模块和高速数字信号采集卡，通过数字信号采集卡把中频采样信号送入计算机内存等有关接口，应用了新的数字信号处理算法，成功实现了软件接收机的实时运行。

本发明由复杂可编程逻辑器件、总线、接口、天线、移位寄存器、存储器、插座、A/D和计算机，所述计算机10内设有32位数字信号采集卡2，32位数字信号采集卡2插在计算机主机板周边元件扩展接口PCI插槽上，通过周边元件扩展接口PCI总线将数据发送给计算机，该计算机通过天线4接收来自全球定位系统GPS卫星的无线导航信号，经由射频信号采样模块31后，将2位数字信号传递到串并转换33模块，经串并转换33模块的输出信号通过基于通用处理器的计算程序软件，而非全球定位系统GPS专用基带处理芯片进行基带信号的处理，各模块组合为一整体的软件接收机，其特征在于：该装置至少包括：

一信号采样传输模块3中由射频信号采样模块31和串并转换接口模块32组成，天线4与信号采样传输模块3中的射频信号采样模块31的输入端相连接，射频信号采样模块31将天线4输入的无线导航信号采样并数模转换，射频信号采样模块31的输入输出端和串并转换接口模块32的输出输入端相互连接，串并转换接口模块32的输出端输出数字信号传递至32位数字信号采集卡2的输入端；

一计算机软件处理模块1由采样信号与本地信号相关处理11和信号捕获、跟踪、同步、导航解算12模块组成，采样信号与本地信号相关处理11的输入输出端与信号捕获、跟踪、同步、导航解算12模块的输出输入端相互连接；

一32位数字信号采集卡2通过周边元件扩展接口PCI总线与计算机软件处理模块1中的采样信号与本地信号相关处理11的输入端相互连接，计算机10获取32位数字信号采集卡2的数据后，通过软件处理，完成接收机的工作。

请参阅附图3所示，所述的全球定位系统实时软件接收机的射频信号采样模块31通过连接插座3209和串并转换接口模块32中的各部件相连接，其中：

一射频信号采样模块31由GP2015芯片3101和串口3102组成，GP2015芯片3101依次输出两位串行数字信号，一位为符号位3103，一位为幅值位3104，分别通过连接插座3209与串并转换接口模块32中驱动芯片3216的相应各输入端口相连接；GP2015芯片3101输出一采样时钟3105信号通过连接插座3209与串并转换接口模块32中驱动芯片3216的相应输入端相连接；串口3102输入输出两个TTL电平的发送3106和接收3107信号，串口3102的输出发送3106信号通过连接插座3209与串并转换接口模块32中串口电平转换3205的相应输入端口相连接，串口电平转换3205的输出接收3107信号与串口3102的相应输入端相连接；

一串并转换接口模块32主要由复杂可编程逻辑器件3201、直流电源变换3202、开关3203、串口电平转换3205、边界扫描接口3206和小型计算机系统SCSI接口3208组成，串并转换接口模块32接受12V直流供电，电源经过开关3203后有一路输入至直流电源变换3202模块的输入端，直流电源变换3202的输出为电源3.3V 3210，分为五路输出：第一路供电信号传递到指示灯3204的相应输入端；第二路供电信号传递到复杂可编程逻辑器件3201的相应输入端；第三路供电信号同时传递到串口电平转换3205和边界扫描接口3206的相应输入端；第四路供电信号传递到跳线开关3217的相应输入端，跳线开关闭合后，则有源天线供电3218和电源3.3V 3210连通，有源天线供电3218信号同时传递到天线；第五路供电信号通过连接插座3209传递到射频信号采样模块31的相应输入端；

一复杂可编程逻辑器件3201接受来自GP2015芯片3101的三路输出信号：符号位3103、幅值位3104和采样时钟3105分别经过连接插座3209和驱动芯片3216后输入至复杂可编程逻辑器件3201的相应输入端；复杂可编程逻辑器件3201在采样时钟3105的上升沿读取符号位3103和幅值位3104的电平，在采样时钟3105的每16个上升沿之后，复杂可编程逻辑器件3201分别采样了16个符号位3103和幅值位3104的电平，并将其输出变成2个16位的并行数据：并行符号位3211和并行幅值位3212，且分别输出至小型计算机系统SCSI接口3208的相应输入端；复杂可编程逻辑器件3201还将采样时钟3105 16分频后变成16分频采样时钟3213也输出至小型计算机系统SCSI接口3208的相应输入端；小型计算机系统SCSI接口3208的输出端与数字信号采集卡2的输入端相互连接；复杂可编程逻辑器件3201的输入输出与边界扫描接口3206模块的输出输入端相互连接；

一串口电平转换3205的输出接收3107信号通过连接插座3209与串口3102模块的相应输入端口相连接，并接收来自串口3102的输出发送3106信号通过连接插座3209与串口电平转换3205模块的相应输入端口相连接；串口电平转换3205将TTL电平的发送3106信号转换为RS232电平的传输电平发送信号3214传递到串口插座3207模块的相应输入端，并将RS232电平的传输电平接收信号3215传递到串口电平转换3205模块的相应输入端，经串口电平转换3205模块转换为TTL电平的接收3107信号通过连接插座3209传递到串口3102模块的相应输入端。

请参阅附图4所示，所述的全球定位系统实时软件接收机的复杂可编程逻辑器件3201 U2芯片分别与边界扫描接口3206、直流电源变换3202 U1芯片、串口电平转换3205 U4芯片和驱动芯片3216U3芯片模块的相应端口相互连接；其中：

一复杂可编程逻辑器件3201 U2芯片的引脚48、83、45和47分别与边界扫描接口3206模块中JP1插座的引脚4、3、2和1的相应端口相互并行连接，JP1插座的引脚6同时分别与直流电源变换3202 U1芯片的引脚6、串口电平转换3205 U4芯片的引脚16和驱动芯片3216 U3芯片的引脚20的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件3201 U2芯片的引脚5、26、38、51、57、88和98相互并行连接后同时与直流电源变换3202 U1芯片的引脚6和驱动芯片3216 U3芯片的引脚20的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件3201 U2芯片的引脚21、31、44、62、69、75、84和100的相应端口相互并行连接后接地；

所述复杂可编程逻辑器件3201 U2芯片的引脚97、96和22分别与驱动芯片3216 U3芯片的引脚18、16、14相应端口相互并行连接；引脚95与J2插座的引脚2的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件3201 U2芯片的引脚33、32、30、29、20、19、16和15分别与J2插座的引脚54、53、52、51、48、47、45和44的相应端口相互连接；引脚14和17分别与J2插座的引脚10和12的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件3201 U2芯片的引脚56、58、54、53、49、46、41、40和36分别与J2插座的引脚67、54、52、51、29、28、26、25和23的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件3201 U2芯片的引脚35、34、28、25、24和18分别与J2插座的引脚22、21、17、16、15和13的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件3201 U2芯片的引脚37、39、42、43、50、52和55分别与J2插座的引脚57、58、60、61、63、64和66的相应端口相互连接。

请参阅附图5所示，所述的全球定位系统实时软件接收机的串口电平转换3205 U4芯片分别与J1插座和JP3插座的模块的相应端口相互连接；其中：

一串口电平转换3205 U4芯片引脚1通过电容C6与引脚3端口相互连接；引脚4通过电容C7与引脚5端口相互连接；

所述串口电平转换3205 U4芯片的引脚16的一路分别与电源3.3V和JP3、JP6插座的引脚2的相应端口相互连接，另一路通过电容C9分别有两路连接：第一路与JP3插座的引脚10、13、16和18端口相互连接，第二路与J1插座的引脚5和U4芯片的引脚15端口相互连接，并分别通过电容C8、C10与U4芯片的引脚2和4端口相互连接；

所述串口电平转换3205 U4芯片的引脚13和14分别与J1插座的引脚3和2的相应端口相互连接；

所述串口电平转换3205 U4芯片的引脚11和12分别与JP3插座的引脚11和12的相应端口相互连接。

请参阅附图6所示，所述的全球定位系统实时软件接收机的直流电源变换3202 U1芯片的引脚1同时与电容C2的一端和二极管D1的负极的相应端口相互连接；引脚2的一路通过电容C1后接地，另一路经由开关S1和插座P1后接地；引脚3分别同时与稳压管D2的负端、电容C2的另一端和电感L1的一端的相应端口相互连接；引脚4接地；引脚6分别同时与电容C4的一端、发光二极管DSI的电源端和电感L1的另一端的相应端口相互连接；引脚7通过电容C3和电阻R1后接地；引脚8接地。

请参阅附图3、4所示，所述的全球定位系统实时软件接收机的驱动芯片3216 U3芯片引脚1和19相互并行连接后接地，引脚20经电容C5和引脚10相互并行连接后接地；引脚2、4和6分别与JP2插座的引脚1、2和3的相应端口相互连接；引脚14、16和18分别与复杂可编程逻辑器件3201 U2芯片的引脚97、96和22的相应端口相互连接。

请参阅附图8所示，一种全球定位系统实时软件接收机的实时处理方法，该方法通过基于通用处理器的计算程序软件，而非全球定位系统GPS专用基带处理芯片进行基带信号的处理，采用运行在windows XP环境下的计算机软件进行基带信号的处理，应用数字信号处理算法，在微软windows XP系统上实现了软件的实时运行；通过天线4接收来自全球定位系统GPS卫星的无线导航信号，经由射频信号采样模块31、串并转换接口模块32和串并转换33模块后，将输出信号在计算机10中进行处理；在程序的软件相关器中实现本地信号与接收到的数字中频信号的相关：将数字中频信号与本地载波信号混合、与本地C/A即时码、超前减去滞后码相关，采用位运算的方式进行操作；相关的结果用于全球定位系统GPS卫星信号的捕获，跟踪；在对全球定位系统GPS卫星信号的跟踪过程中完成星历解调，伪距测量及位置解算的工作，并且每秒一次的实时输出定位结果；该基带实时处理的具体工作步骤是：

步骤1.软件初始化501

步骤2.判断是否实时处理502

执行完软件初始化501模块后，则进入判断是否实时处理502模块的输入端；

步骤3.从数据采集卡读入用于粗捕获的采样数据与本地信号相关处理503

如果是执行实时处理，则进入从数据采集卡读入用于粗捕获的采样数据与本地信号相关处理503模块；如果不执行实时处理，则进入事后处理，从文件读入用于粗捕获的采样数据504模块的输入端；

步骤4.粗捕获505

执行完从数据采集卡读入用于粗捕获的采样数据与本地信号相关处理503模块后，则进入粗捕获505模块；执行完事后处理，从文件读入用于粗捕获的采样数据504模块后，则进入粗捕获505模块的输入端；

步骤5.启动跟踪线程506

执行完粗捕获505模块后，则进入启动跟踪线程506模块的输入端；

步骤6.一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理507

执行完启动跟踪线程506模块后，则进入一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理507模块的输入端；

步骤7.判断是否存在被捕获但未分配通道的卫星508

执行完一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理507模块后，则进入判断是否存在被捕获但未分配通道的卫星508模块？如果有存在被捕获但未分配通道的卫星，则进入细捕获，分配通道509模块；如果没有存在被捕获但未分配通道的卫星，则进入跟踪处理510模块的输入端；

步骤8.跟踪处理510

执行完细捕获，分配通道509模块后，则进入跟踪处理510模块，当没有存在被捕获但未分配通道的卫星时，则进入跟踪处理510模块的输入端；

步骤9.搜索GPS卫星511

执行完跟踪处理510模块后，则进入搜索GPS卫星511模块的输入端；

步骤10.导航解算512

执行完搜索GPS卫星511模块后，则进入导航解算512模块，进行位运算操作，将射频采样信号与载波混合之后的基带混合结果，进一步与本地C/A码做相关混合，分别计算结果，再实时输出定位结果；

步骤11.判断是否停止跟踪线程515

执行完导航解算512模块后，则进入判断是否停止跟踪线程515模块？如果是停止跟踪线程515，则进入停止跟踪线程514模块；如果非停止跟踪线程515，则反馈进入一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理507模块的输入端；

步骤12.判断是否重新启动跟踪线程513

执行完停止跟踪线程514模块后，则进入判断是否重新启动跟踪线程513模块？如果是重新启动跟踪线程513，则进入启动跟踪线程506模块的输入端；如果非重新启动跟踪线程513，则进入退出516模块。

所述的全球定位系统实时软件接收机的实时处理方法的本地信号与接收到的数字中频信号的相关过程中，基带算法部分的具体工作步骤是：

步骤1.本地复现信号的计算

设本地载波信号由符号位和幅值位组成，分别按位存放在两个变量中，本地C/A码采用即时码、超前码减去滞后码两路，采用1位采样，0代表-1，1代表+1，事先生成的本地伪随机粗捕获码与载波类似，符号位和幅值位分别按位存放在两个变量中，

则本地复现信号为：

$y_{\mathrm{Ij}}\left(t_i\right)=C_j\left[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\right]\×\sin \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

$y_{\mathrm{Qj}}\left(t_i\right)=C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

式中：y_Ij(t_i)为t_i时刻本地复现信号的I相，y_Qj(t_i)为t_i时刻本地复现信号的Q相，C_j[t]为本地复现的C/A码，

和

为第k和第k+1个C/A码周期开始时间的估计值，Δ为本地C/A码的时间偏移量，即时码对应Δ＝0，超前码对应Δ为正，滞后码对应Δ为负，f_gjk为本地载波的栅格频率，t_0gjk为本地载波零相位的时间；

步骤2.数字中频信号的计算

设接收到的时域L1 C/A信号经过射频RF模块下变频至1.405MHz，并以5.714MHz的采样频率进行采样，

则数字中频信号为：

$y\left(t_i\right)=A_j{D}_{\mathrm{jk}}{C}_j[0.001\left(\frac{t_i-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}+1}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\sin [2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{IF}}{t}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{jk}}]+n_j$

式中，y(t_i)为第t_i时刻采样的数字中频信号，A_j为幅度，D_jk为导航数据位，C_j[t]为C/A码，t_i为采样时间，τ_jk和τ_jk+1为第k和第k+1个C/A码周期的开始时间，下标j表示某一颗特定的GPS卫星；

数字中频信号采用2位量化，也按位存放在一个变量中；

步骤3.数字中频信号与本地复现信号中频率本地载波混合，并与C/A码混合后信号的计算

设数字中频信号与本地复现信号中频率最靠近载频的本地载波混合，并与C/A码混合后的信号积分累加后则为：

$I_{\mathrm{gjk}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\underset{i=i_k}{\overset{i_k+N_k}{\mathrm{\Σ}}}y\left(t_i\right)C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\sin \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

$Q_{\mathrm{gjk}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\underset{i=i_k}{\overset{i_k+N_k}{\mathrm{\Σ}}}y\left(t_i\right)C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

式中，g代表第g个本地复现载波的频率栅格，j代表某一颗特定的GPS卫星，k代表第k个C/A码周期，I_gjk(Δ)为积分累积之后的I相混合信号，Q_gjk(Δ)为积分累积之后的Q相混合信号，C_j[t]为本地复现的C/A码，

和

为第k和第k+1个C/A码周期开始时间的估计值，Δ为本地C/A码的时间偏移量，即时码对应Δ＝0，超前码对应Δ为正，滞后码对应Δ为负，f_gjk为本地载波的栅格频率，t_0gjk为本地载波零相位的时间。

本发明的工作原理和系统特点如下：

请参阅附图1、2、3、4所示，本发明的特点是把基带相关处理部分完全放到计算机里实现，即把RF端的采样信号直接送入计算机，然后由微处理器完成全部的运算。

本方案中的硬件部分需要一个移位寄存器模块和一个高速数字信号采集卡。移位寄存器模块的作用是把1位或者2位的射频前端中频采样信号转换成32位，然后送入数字信号采集卡。数字信号采集卡把中频采样信号送入计算机内存，然后由计算机的中央处理器完成全部的运算。本发明就是采用这种方法实现了实时的GPS单频(L1频段)的GPS码接收机。

该系统中使用的天线和射频购买的是成熟的商用模块。由射频模块输出的1位或者2位数字信号将被复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex programmable logic device)转换成32位/16位的并行信号，连同时钟信号一起被送至数字信号采集卡。数字信号卡采用National Instruments(美国国家仪器)数字信号采集卡(NI DIOPCI6534)。

GPS软件接收机硬件由以下几部分组成：

①射频信号采样模块(SuperStarII接收机，内含GP2015芯片)；

②串并转换接口模块(主要由CPLD(复杂可编程逻辑器件)电路组成)

③数字信号采集卡(NI PCI-6534)

⑥PC机；

⑦外接稳压电源(3～25V直流)。

请参阅附图2、3所示，整个GPS接收机系统可以分为天线、信号采样传输模块、数字信号采集卡、计算机软件处理模块。

天线4用于接收来自GPS卫星的无线导航信号，天线4和信号采样传输模块3中的射频信号采样模块31相连，射频信号采样模块31将天线4输入的无线导航信号采样并数模转换。射频信号采样模块31的输入输出和串并转换接口模块32相连。串并转换接口模块32为射频信号采样模块31提供电源、以及数字信号串并转换以及电平转换。串并转换接口模块32输出数字信号至数字信号采集卡2。数字信号采集卡2是插在计算机主机板PCI插槽上的，通过PCI总线将数据发送给计算机。计算机获取数字信号采集卡2的数据后，完全使用软件处理，完成接收机的工作。计算机软件处理模块1将本地产生的信号与数字信号采集卡2输入的采样信号相关处理，根据相关处理结果完成捕获、跟踪、同步、导航解算的工作。

信号采样传输模块3主要有射频信号采样模块31和串并转换接口模块32连接而成。详细结构见图3。射频信号采样模块31是一块商用的GPS接收机板，型号为Novatel公司的superstar II。射频信号采样模块31中有一块GP2015芯片3101，它输出两位串行数字信号，一位为符号位3103，一位为幅值位3104。GP2015芯片3101同时还输出一个采样时钟3105，时钟频率为5.714MHz。串口3102输入输出两个TTL电平的发送3106和接收3107信号。由于射频信号采样模块31和串并转换接口模块32为两块独立的电路板。上述五路信号3103、3104、3105、3106、3107通过连接插座3209和串并转换接口模块32中的各部件相连。串并转换接口模块32接受12V直流供电，电源经过开关3203后另一路输入至直流电源变换3202，直流电源变换3202将输入的3～25V变换为3.3V。直流电源变换3202的输出为3.3V 3210电源，第一路给指示灯3204供电，当开关3203闭合后，指示灯3204点亮；第二路给复杂可编程逻辑器件3201供电，第三路给串口电平转换3205供电，第四路输入至跳线开关3217，跳线开关闭合后，则有源天线供电3218和电源3.3V 3210连通，有源天线供电3218给天线提供电源。最后一路通过连接插座3209给射频信号采样模块31供电。射频信号采样模块31的GP2015芯片3101的三路输出：符号位3103幅值位3104采样时钟3105经过连接插座3209和驱动芯片3216后输入至复杂可编程逻辑器件3201。复杂可编程逻辑器件3201在采样时钟3105的上升沿读取符号位3103幅值位3104的电平，在采样时钟3105的每16个上升沿之后，复杂可编程逻辑器件3201分别采样了16个符号位3103和幅值位3104的电平，并将其变成2个16位的并行数据：并行符号位3211和并行幅值位3212输出至SCSI接口3208。复杂可编程逻辑器件3201还将采样时钟3105 16分频后变成16分频采样时钟3213也输出至SCSI接口3208。SCSI接口3208和数字信号采集卡2连接。

复杂可编程逻辑器件3201的输入输出和边界扫描接口3206连接，用于对复杂可编程逻辑器件3201内部逻辑电路的编程。

串口3102输入输出两个TTL电平的发送3106和接收3107信号通过连接插座3209和串口电平转换3205连接。串口电平转换3205将TTL电平的发送3106转换为RS232电平的传输电平发送信号3214，并将RS232电平的传输电平接收信号3215转换为TTL电平的接收3107信号。传输电平发送信号3214、传输电平接收信号3215和串口插座3207相连。

串口插座3207在串并转换接口模块32之外并没有器件与之连接，这个接口只是预留在此用来验证射频信号采样模块31是否工作正常。在软件接收机平时工作时并不工作。

数字信号采集卡2为NI(美国国家仪器)公司的NI PCI-6534。

本发明的接口模块还完成了将SuperStarII接收机的输出转换为RS232串口格式，直接供PC机上运行的软件使用。

由上可见，该接口模块中GPS软件接收机和SuperStarII接收机共用射频前端。既可以通过SCSI接头将射频前端输出的数字信号提供给采集卡，然后由自行开发的软件在PC机内完成捕获跟踪算法；同时SuperStarII接收机也能正常工作，输出解算结果经电平变换后传输给PC机串口，由PC机上运行的专用软件进行处理。采用这种方案，与软件接收机和SuperStarII接收机采用同一射频前端时捕获跟踪的效果不一样。

本发明的软件运行环境

基带处理模块的硬件部分为一台计算机。基带处理的全部操作都将在计算机内部完成。计算机的配置为2.4GHz双核心  英特尔Intel酷睿处理器，3G bytes内存。

发明的基带算法部分

如(表格1所示)，本地载波信号由符号位和幅值位组成，分别按位存放在两个变量中。

符号位	幅值位	值
			0	0	-1
0	1	-2
			1	0	+1
1	1	+2

表格1本地载波信号

本地C/A码采用即时码、超前码减去滞后码两路。采用1位采样，0代表-1，1代表+1。事先生成的本地伪随机(PRN)粗捕获(Coarse/Acquisition)码与载波类似，符号位和幅值位分别按位存放在两个变量中。

符号位	值
		0	-1
1	1

表格2本地C/A码

符号位	零值判断位	值
			X	0	0
0	1	-2
			1	1	2

表格3超前减去滞后码

这样，本地复现信号可以表示为：

$y_{\mathrm{Ij}}\left(t_i\right)=C_j\left[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\right]\×\sin \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

$y_{\mathrm{Qj}}\left(t_i\right)=C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

公式1

其中，C_j[t]为本地复现的C/A码，

和

为第k和第k+1个C/A码周期开始时间的估计值，Δ为本地C/A码的时间偏移量，即时码对应Δ＝0，超前码对应Δ为正，滞后码对应Δ为负，f_gjk为本地载波的栅格频率，t_0gjk为本地载波零相位的时间。

接收到的时域L1 C/A信号经过RF模块下变频至1.405MHz，并以5.714MHz的采样频率进行采样，所得到的数字中频信号可以表示为：

$y\left(t_i\right)=A_j{D}_{\mathrm{jk}}{C}_j[0.001\left(\frac{t_i-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}+1}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\sin [2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{IF}}{t}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{jk}}]+n_j$

公式2

其中，A_j为幅度，D_jk为导航数据位，C_j[t]为C/A码，t_i为采样时间，τ_jk和τ_jk+1为第k和第k+1个C/A码周期的开始时间，下标j表示某一颗特定的GPS卫星。

数字中频信号采用2位量化(如表格4所示)，也按位存放在一个变量中。

符号位	幅值位	值
			0	0	-1
0	1	-3
			1	0	1
1	1	3

表格4数字中频信号

数字中频信号与本地复现信号中频率最靠近载频的本地载波混合，并与C/A码混合后的信号积分累加后可表示为：

$I_{\mathrm{gjk}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\underset{i=i_k}{\overset{i_k+N_k}{\mathrm{\Σ}}}y\left(t_i\right)C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\sin \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

$Q_{\mathrm{gjk}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\underset{i=i_k}{\overset{i_k+N_k}{\mathrm{\Σ}}}y\left(t_i\right)C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

公式3

在软件相关器中，数字中频信号(如表格4)与本地载波信号(如表格1)混合、与本地即时码、超前减去滞后码(如表格2和表格3)相关，所有这些运算都采用位运算的方式进行操作，减少了运算量。同时，数字中频信号与本地复现信号混合后的积分累加工作可以通过查表法实现，处理速度将大大提高。

在相关过程中，RF采样信号(如表格4)首先与载波信号(如表格1)混合，具体的方法是表格4的符号位与表格1的符号位做异或运算，异或的结果作为新的符号位，如表格5。然后表格4的幅值位直接作为表格5的高幅值位，表格1的幅值位直接作为表格5的低幅值位。这样只需要一步运算就可以得到由3位2进制数所表示的相关结果。

符号位	高幅值位	低幅值位	值
				0	0	0	1
0	0	1	2
				0	1	0	3
0	1	1	6
				1	0	0	-1
1	0	1	-2
				1	1	0	-3
1	1	1	-6

表格5符号位；高幅值位；低幅值位和值。采样数据与载波数据基带混合结果

射频采样信号与载波混合之后的基带混合结果，还需要进一步与本地C/A码做相关混合。本地C/A码采用即时码(表格2)、超前码减去滞后码(表格3)两路。这两种码与基带混合结果(表格5)再做混合，其结果分别如表格6和表格7所示。在运算过程中，低幅值位和高幅值位都不变；符号位做异或运算，其结果对值的影响就是改变了值的正负。

符号位	幅值位	幅值位	值
				0	0	0	-1
0	0	1	-2
				0	1	0	-3
0	1	1	-6
				1	0	0	1
1	0	1	2
				1	1	0	3
1	1	1	6

表格6即时码与基带数据完全混合结果

符号位	幅值位	幅值位	零值判断位	值
					X	X	X	0	0
0	0	0	1	-2
					0	0	1	1	-4
0	1	0	1	-6
					0	1	1	1	-12
1	0	0	1	2
					1	0	1	1	4
1	1	0	1	6
					1	1	1	1	12

表格7超前减滞后码与基带数据完全混合结果

本地生成的C/A码也将以RF采样频率进行采样得到(1/f_s)*0.001点本地C/A码。为了减少存储量，本地C/A码生成时将不考虑码多普勒频移量，所有的C/A码都假设多普勒频移为零。

本发明在Windows系统上软件接收机实时性实现方法

请参阅附图9所示，微软公司的Windows XP操作系统是一个非实时操作系统，实行抢占式多任务的进程优先级分配方法。如果别的进程抢占了CPU，那么软件接收机的运行线程就只能等。按照传统的GPS接收机数字信号处理的方法，每次只处理少于20ms的射频前端采样数据，那么就需要数据采集部分以20ms以下的周期进行数据采集(如图9)，传统接收机捕获工作和跟踪工作并行运行，在每1秒的时间内跟踪工作快速的在跟踪工作状态601和跟踪空闲状态602之间交替的切换，一个跟踪工作状态601和一个跟踪空闲状态602组成的周期往往小于20ms，跟踪工作状态601中接收机完成数据采集和数据处理等工作，完成后进入跟踪空闲状态602等待下一个周期的跟踪工作状态601的来临。同时接收机的捕获工作状态603和跟踪工作并行的进行不受影响，执行完捕获工作状态603后，则进入捕获空闲状态604。传统接收机这一系列的过程不会被打断，这样可以保证接收机快速实时的处理数据，完成导航功能。但是如果全球卫星定位系统GPS软件接收机要在WindowsXP操作系统下实现这样的过程话，其工作线程很容易受操作系统调度的影响被其他的线程打断。从而无法保证软件接收机线程读取数据的实时性。

在本GPS软件接收机中，搜索一颗GPS卫星的时间需要连续的300毫秒。同时跟踪至多12个通道卫星。如果把捕获线程和跟踪线程分开，则捕获线程会连续的抢占CPU，从而打断跟踪线程的工作，影响跟踪线程的实时性。

请参阅附图10所示，为了保证软件能够实时输出定位信息，令软件的跟踪线程每次连续处理1秒钟的射频前端采样数据，并且在跟踪结束后的时间内搜索一颗GPS卫星(如图10)，在每一秒钟内，首先获取1秒钟的采样数据并进行跟踪工作处理701，之后进行捕获工作处理702，在捕获工作中只进行1颗卫星的捕获工作，完成这个工作后进入空闲状态703。这样就充分的利用了软件接收机可以依赖个人计算机存储量大的特点，实现软件接收机运行的实时性。假设软件接收机的跟踪线程每次处理1秒钟的数据，那么至多12颗卫星会占用400毫秒左右的CPU，捕获一颗GPS卫星占用300毫秒，一共用去了1秒钟时间中的700毫秒。通过这种把数据存储起来集中处理的方式，一次处理的数据越多，节约出来的时间就越多。

通过存储数据然后一次性处理的方法，软件接收机的工作线程可以把跟踪运算和捕获运算合并到一个线程，而且不需要多个线程之间共享数据。降低了软件的实现难度，提高了稳定性。

Claims (8)

1.一种全球定位系统实时软件接收机，该装置有复杂可编程逻辑器件、总线、接口、天线、移位寄存器、存储器、插座、A/D和计算机，所述计算机(10)内设有32位数字信号采集卡(2)，32位数字信号采集卡(2)插在计算机主机板周边元件扩展接PCI插槽上，通过周边元件扩展接口PCI总线将数据发送给计算机，该计算机通过天线(4)接收来自全球定位系统GPS卫星的无线导航信号，经由射频信号采样模块(31)后，将2位数字信号传递到串并转换(33)模块，经串并转换(33)模块的输出信号通过基于通用处理器的计算程序软件，而非全球定位系统GPS专用基带处理芯片进行基带信号的处理，各模块组合为一整体的软件接收机，其特征在于：该装置至少包括：

一信号采样传输模块(3)中由射频信号采样模块(31)和串并转换接口模块(32)组成，天线(4)与信号采样传输模块(3)中的射频信号采样模块(31)的输入端相连接，射频信号采样模块(31)将天线(4)输入的无线导航信号采样并数模转换，射频信号采样模块(31)的输入输出端和串并转换接口模块(32)的输出输入端相互连接，串并转换接口模块(32)的输出端输出数字信号传递至32位数字信号采集卡(2)的输入端；

一计算机软件处理模块(1)由采样信号与本地信号相关处理(11)和信号捕获、跟踪、同步、导航解算(12)模块组成，采样信号与本地信号相关处理(11)的输入输出端与信号捕获、跟踪、同步、导航解算(12)模块的输出输入端相互连接；

一32位数字信号采集卡(2)通过周边元件扩展接口PCI总线与计算机软件处理模块(1)中的采样信号与本地信号相关处理(11)的输入端相互连接，计算机(10)获取32位数字信号采集卡(2)的数据后，通过软件处理，完成接收机的工作。

2.根据权利要求1所述的全球定位系统实时软件接收机，其特征在于：所述的射频信号采样模块(31)通过连接插座(3209)和串并转换接口模块(32)中的各部件相连接，其中：

一射频信号采样模块(31)由GP2015芯片(3101)和串口(3102)组成，GP2015芯片(3101)依次输出两位串行数字信号，一位为符号位(3103)，一位为幅值位(3104)，分别通过连接插座(3209)与串并转换接口模块(32)中驱动芯片(3216)的相应各输入端口相连接；GP2015芯片(3101)输出一采样时钟(3105)信号通过连接插座(3209)与串并转换接口模块(32)中驱动芯片(3216)的相应输入端相连接；串口(3102)输入输出两个TTL电平的发送(3106)和接收(3107)信号，串口(3102)的输出发送(3106)信号通过连接插座(3209)与串并转换接口模块(32)中串口电平转换(3205)的相应输入端口相连接，串口电平转换(3205)的输出接收(3107)信号与串口(3102)的相应输入端相连接；

一串并转换接口模块(32)主要由复杂可编程逻辑器件(3201)、直流电源变换(3202)、开关(3203)、串口电平转换(3205)、边界扫描接口(3206)和小型计算机系统SCSI接口(3208)组成，串并转换接口模块(32)接受12V直流供电，电源经过开关(3203)后有一路输入至直流电源变换(3202)模块的输入端，直流电源变换(3202)的输出为3.3V(3210)电源，分为五路输出：第一路供电信号传递到指示灯(3204)的相应输入端；第二路供电信号传递到复杂可编程逻辑器件(3201)的相应输入端；第三路供电信号同时传递到串口电平转换(3205)和边界扫描接口(3206)的相应输入端；第四路供电信号传递到跳线开关(3217)的相应输入端，跳线开关闭合后，则有源天线供电(3218)和电源3.3V(3210)连通，有源天线

供电(3218)信号同时传递到天线；第五路供电信号通过连接插座(3209)传递到射频信号采样模块(31)的相应输入端；

一复杂可编程逻辑器件(3201)接受来自GP2015芯片(3101)的三路输出信号：符号位(3103)、幅值位(3104)和采样时钟(3105)分别经过连接插座(3209)和驱动芯片(3216)后输入至复杂可编程逻辑器件(3201)的相应输入端；复杂可编程逻辑器件(3201)在采样时钟(3105)的上升沿读取符号位(3103)和幅值位(3104)的电平，在采样时钟(3105)的每16个上升沿之后，复杂可编程逻辑器件(3201)分别采样了16个符号位(3103)和幅值位(3104)的电平，并将其输出变成2个16位的并行数据：并行符号位(3211)和并行幅值位(3212)，且分别输出至小型计算机系统SCSI接口(3208)的相应输入端；复杂可编程逻辑器件(3201)还将采样时钟(3105)16分频后变成16分频采样时钟(3213)也输出至小型计算机系统SCSI接(3208)的相应输入端；小型计算机系统SCSI接(3208)的输出端与数字信号采集卡(2)的输入端相互连接；复杂可编程逻辑器件(3201)的输入输出与边界扫描接(3206)模块的输出输入端相互连接；

一串口电平转换(3205)的输出接收(3107)信号通过连接插座(3209)与串口(3102)模块的相应输入端口相连接，并接收来自串口(3102)的输出发送(3106)信号通过连接插座(3209)与串口电平转换(3205)模块的相应输入端口相连接；串口电平转换(3205)将TTL电平的发送(3106)信号转换为RS232电平的传输电平发送信号(3214)传递到串口插座(3207)模块的相应输入端，并将RS232电平的传输电平接收信号(3215)传递到串口电平转换(3205)模块的相应输入端，经串口电平转换(3205)模块转换为TTL电平的接收(3107)信号通过连接插座(3209)传递到串口(3102)模块的相应输入端。

3.根据权利要求2所述的全球定位系统实时软件接收机，其特征在于：所述的复杂可编程逻辑器件(3201)U2芯片分别与边界扫描接口(3206)、直流电源变换(3202)U1芯片、串口电平转换(3205)U4芯片和驱动芯片(3216)U3芯片模块的相应端口相互连接；其中：

一复杂可编程逻辑器件(3201)U2芯片的引脚48、83、45和47分别与边界扫描接口(3206)模块中JP1插座的引脚4、3、2和1的相应端口相互并行连接，JP1插座的引脚6同时分别与直流电源变换(3202)U1芯片的引脚6、串口电平转换(3205)U4芯片的引脚16和驱动芯片(3216)U3芯片的引脚20的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件(3201)U2芯片的引脚5、26、38、51、57、88和98相互并行连接后同时与直流电源变换(3202)U1芯片的引脚6和驱动芯片(3216)U3芯片的引脚20的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件(3201)U2芯片的引脚21、31、44、62、69、75、84和100的相应端口相互并行连接后接地；

所述复杂可编程逻辑器件(3201)U2芯片的引脚97、96和22分别与驱动芯片(3216)U3芯片的引脚18、16、14相应端口相互并行连接；引脚95与J2插座的引脚2的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件(3201)U2芯片的引脚33、32、30、29、20、19、16和15分别与J2插座的引脚54、53、52、51、48、47、45和44的相应端口相互连接；引脚14和17分别与J2插座的引脚10和12的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件(3201)U2芯片的引脚56、58、54、53、49、46、41、40和36分别与J2插座的引脚67、54、52、51、29、28、26、25和23的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件(3201)U2芯片的引脚35、34、28、25、24和18分别与J2插座的引脚22、21、17、16、15和13的相应端口相互连接；

所述复杂可编程逻辑器件(3201)U2芯片的引脚37、39、42、43、50、52和55分别与J2插座的引脚57、58、60、61、63、64和66的相应端口相互连接。

4.根据权利要求2所述的全球定位系统实时软件接收机，其特征在于：所述的串口电平转换(3205)U4芯片分别与J1插座和JP3插座的模块的相应端口相互连接；其中：

一串口电平转换(3205)U4芯片引脚1通过电容C6与引脚3端口相互连接；引脚4通过电容C7与引脚5端口相互连接；

所述串口电平转换(3205)U4芯片的引脚16的一路分别与电源3.3V和JP3、JP6插座的引脚2的相应端口相互连接，另一路通过电容C9分别有两路连接：第一路与JP3插座的引脚10、13、16和18端口相互连接，第二路与J1插座的引脚5和U4芯片的引脚15端口相互连接，并分别通过电容C8、C10与U4芯片的引脚2和4端口相互连接；

所述串口电平转换(3205)U4芯片的引脚13和14分别与J1插座的引脚3和2的相应端口相互连接；

所述串口电平转换(3205)U4芯片的引脚11和12分别与JP3插座的引脚11和12的相应端口相互连接。

5.根据权利要求2所述的全球定位系统实时软件接收机，其特征在于：所述的直流电源变换(3202)U1芯片的引脚1同时与电容C2的一端和二极管D1的负极的相应端口相互连接；引脚2的一路通过电容C1后接地，另一路经由开关S1和插座P1后接地；引脚3分别同时与稳压管D2的负端、电容C2的另一端和电感L1的一端的相应端口相互连接；引脚4接地；引脚6分别同时与电容C4的一端、发光二极管DSI的电源端和电感L1的另一端的相应端口相互连接；引脚7通过电容C3和电阻R1后接地；引脚8接地。

6.根据权利要求2所述的全球定位系统实时软件接收机，其特征在于：所述的驱动芯片(3216)U3芯片引脚1和19相互并行连接后接地，引脚20经电容C5和引脚10相互并行连接后接地；引脚2、4和6分别与JP2插座的引脚1、2和3的相应端口相互连接；引脚14、16和18分别与复杂可编程逻辑器件(3201)U2芯片的引脚97、96和22的相应端口相互连接。

7.一种全球定位系统实时软件接收机的实时处理方法，该方法通过基于通用处理器的计算程序软件，而非全球定位系统GPS专用基带处理芯片进行基带信号的处理，其特征在于：采用运行在windows XP环境下的计算机软件进行基带信号的处理，应用数字信号处理算法，在微软windows XP系统上实现了软件的实时运行；通过天线(4)接收来自全球定位系统GPS卫星的无线导航信号，经由射频信号采样模块(31)、串并转换接口模块(32)和串并转换(33)模块后，将输出信号在计算机(10)中进行处理；在程序的软件相关器中实现本地信号与接收到的数字中频信号的相关：将数字中频信号与本地载波信号混合、与本地C/A即时码、超前减去滞后码相关，采用位运算的方式进行操作；相关的结果用于全球定位系统GPS卫星信号的捕获，跟踪；在对全球定位系统GPS卫星信号的跟踪过程中完成星历解调，伪距测量及位置解算的工作，并且每秒一次的实时输出定位结果；该基带实时处理的具体工作步骤是：

步骤1.软件初始化(501)

步骤2.判断是否实时处理(502)

执行完软件初始化(501)模块后，则进入判断是否实时处理(502)模块的输入端；

步骤3.从数据采集卡读入用于粗捕获的采样数据与本地信号相关处理(503)

如果是执行实时处理，则进入从数据采集卡读入用于粗捕获的采样数据与本地信号相关处理(503)模块；如果不执行实时处理，则进入事后处理，从文件读入用于粗捕获的采样数据(504)模块的输入端；

步骤4.粗捕获(505)

执行完从数据采集卡读入用于粗捕获的采样数据与本地信号相关处理(503)模块后，则进入粗捕获(505)模块；执行完事后处理，从文件读入用于粗捕获的采样数据(504)模块后，则进入粗捕获(505)模块的输入端；

步骤5.启动跟踪线程(506)

执行完粗捕获(505)模块后，则进入启动跟踪线程(506)模块的输入端；

步骤6.一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理(507)

执行完启动跟踪线程(506)模块后，则进入一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处(507)模块的输入端；

步骤7.判断是否存在被捕获但未分配通道的卫星(508)

执行完一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理(507)模块后，则进入判断是否存在被捕获但未分配通道的卫星(508)模块？如果有存在被捕获但未分配通道的卫星，则进入细捕获，分配通道(509)模块；如果没有存在被捕获但未分配通道的卫星，则进入跟踪处(510)模块的输入端；

步骤8.跟踪处理(510)

执行完细捕获，分配通道(509)模块后，则进入跟踪处理(510)模块，当没有存在被捕获但未分配通道的卫星时，则进入跟踪处理(510)模块的输入端；

步骤9.搜索GPS卫星(511)

执行完跟踪处理(510)模块后，则进入搜索GPS卫星(511)模块的输入端；

步骤10.导航解算(512)

执行完搜索GPS卫星(511)模块后，则进入导航解算(512)模块，进行位运算操作，将射频采样信号与载波混合之后的基带混合结果，进一步与本地C/A码做相关混合，分别计算结果，再实时输出定位结果；

步骤11.判断是否停止跟踪线程(515)

执行完导航解算(512)模块后，则进入判断是否停止跟踪线程(515)模块？如果是停止跟踪线程(515)，则进入停止跟踪线程(514)模块；如果非停止跟踪线程(515)，则反馈进入一次读入1秒需处理的采样数据与本地信号相关处理(507)模块的输入端；

步骤12.判断是否重新启动跟踪线程(513)

执行完停止跟踪线程(514)模块后，则进入判断是否重新启动跟踪线程(513)模块？如果是重新启动跟踪线程(513)，则进入启动跟踪线程(506)模块的输入端；如果非重新启动跟踪线程(513)，则进入退出(516)模块。

8.根据权利要求7所述的全球定位系统实时软件接收机的实时处理方法，其特征在于：所述的本地信号与接收到的数字中频信号的相关过程中，基带算法部分的具体工作步骤是：

步骤1.本地复现信号的计算

设本地载波信号由符号位和幅值位组成，分别按位存放在两个变量中，本地C/A码采用即时码、超前码减去滞后码两路，采用1位采样，0代表-1，1代表+1，事先生成的本地伪随机粗捕获码与载波类似，符号位和幅值位分别按位存放在两个变量中，

则本地复现信号为：

$Y_{\mathrm{Ij}}\left(t_i\right)=C_j\left[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\right]\×\sin \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

$y_{\mathrm{Qj}}\left(t_i\right)=C_j\left[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\right]\×\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gik}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

式中：y_Ij(t_i)为t_i时刻本地复现信号的I相，y_Qj(t_i)为t_i时刻本地复现信号的Q相，C_j[t]为本地复现的C/A码，

和

为第k和第k+1个C/A码周期开始时间的估计值，Δ为本地C/A码的时间偏移量，即时码对应Δ＝0，超前码对应Δ为正，滞后码对应Δ为负，f_gjk为本地载波的栅格频率，t_0gjk为本地载波零相位的时间；

步骤2.数字中频信号的计算

设接收到的时域L1 C/A信号经过射频RF模块下变频至1.405MHz，并以5.714MHz的采样频率进行采样，

则数字中频信号为：

$y\left(t_i\right)=A_j{D}_{\mathrm{jk}}{C}_j\left[0.001\left(\frac{t_i-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}+1}-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{jk}}}\right)\right]\×\sin [2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{IF}}{t}_i-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{jk}}]+n_j$

式中，y(t_i)为第t_i时刻采样的数字中频信号，A_j为幅度，D_jk为导航数据位，C_j[t]为C/A码，t_i为采样时间，t_jk和t_jk+1为第k和第k+1个C/A码周期的开始时间，下标j表示某一颗特定的GPS卫星；

数字中频信号采用2位量化，也按位存放在一个变量中；

步骤3.数字中频信号与本地复现信号中频率本地载波混合，并与C/A码混合后信号的计算

设数字中频信号与本地复现信号中频率最靠近载频的本地载波混合，并与C/A码混合后的信号积分累加后则为：

$I_{\mathrm{gjk}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\underset{i=i_k}{\overset{i_k+N_k}{\mathrm{\Σ}}}y\left(t_i\right)C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\sin \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

$Q_{\mathrm{gjk}}\left(\mathrm{\Δ}\right)=\underset{i=i_k}{\overset{i_k+N_k}{\mathrm{\Σ}}}y\left(t_i\right)C_j[0.001\left(\frac{t_i+\mathrm{\Δ}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}{{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}+1}-{\widehat{\mathrm{\τ}}}_{\mathrm{jk}}}\right)\×\cos \left[2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{gjk}}(t_i-t_{0\mathrm{gjk}})\right]$

式中，g代表第g个本地复现载波的频率栅格，j代表某一颗特定的GPS卫星，k代表第k个C/A码周期，I_gjk(Δ)为积分累积之后的I相混合信号，Q_gjk(Δ)为积分累积之后的Q相混合信号，C_j[t]为本地复现的C/A码，

和

为第k和第k+1个C/A码周期开始时间的估计值，Δ为本地C/A码的时间偏移量，即时码对应Δ＝0，超前码对应Δ为正，滞后码对应Δ为负，f_gjk为本地载波的栅格频率，t_0gjk为本地载波零相位的时间。

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