CN101826882A - 实现gnss接收机中基带电路功能升级的电路结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的电路结构，包括可编程逻辑电路模块、中央处理模块、存储功能模块和数据交换接口模块，可编程逻辑电路模块与全球导航卫星系统接收机中的射频电路连接，中央处理模块分别与可编程逻辑电路模块、存储功能模块和数据交换接口模块连接。本发明还涉及一种基于该电路结构实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的方法。采用该种实现GNSS接收机中基带电路功能升级的电路结构及方法，能够根据所升级的资源文件的不同来跟踪不同的信号、用不同的方法进行数据处理，提高了GNSS接收机的灵活性，对于在很长一段时间内GNSS信号的不确定性有重要的意义，而且用户可根据不通的应用场合将其配置成具有相应特性的GNSS接收机。该方法结构简单实用，处理过程快捷方便，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

Description

实现GNSS接收机中基带电路功能升级的电路结构及方法

技术领域

本发明涉及全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)领域，特别涉及领域全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级技术领域，具体是指一种实现GNSS接收机中基带电路功能升级的电路结构及其方法。

背景技术

GNSS是一个广义的概念，它是所有卫星导航定位系统的总称，包括目前的GPS卫星全球定位系统、GLONASS全球导航卫星系统、北斗卫星导航系统、WAAS广域增强系统、EGNOS欧洲静地卫星导航重叠系统、DORIS星载多普勒无线电定轨定位系统、PRARE精确距离及其变率测量系统、QZSS准天顶卫星系统、GAGAN GPS静地卫星增强系统，以及正在建设的Galileo卫星导航定位系统、Compass(北斗二代)卫星导航定位系统和IRNSS印度区域导航卫星系统，以及未来还可能出现的其它一切利用卫星进行定位和导航的系统。

GPS和GLONASS系统已经较为成熟，随着COMPASS和GALILEO系统的建设，在不久的将来，天空中将出现至少四个GNSS系统，十几个GNSS信号频率，十几种GNSS信号码以及一百多颗GNSS卫星。不仅如此，随着GNSS应用领域的不断拓展以及应用层次的不断深化，对GNSS信号提出了更多、更高的要求；GNSS系统也在不断完善、改进，以期满足日益增长的GNSS服务要求，例如，GPS系统新增加了L5信号和L2C码；同时，由于COMPASS和GALILEO系统正在建设，其信号结构还没有最终确定，所以未来相当长一段时间内，GNSS信号的不确定性将长期存在。

GNSS接收机主要由天线、射频、基带、软件四部分组成。GNSS接收机的系统功能框图请参阅图1所示。

其中，天线将GNSS卫星的信号接收下来，通过射频将输入信号放大到合适的幅度并将频率转换到需要的输出频率上，基带对射频输出的信号进行处理，实现对GNSS信号的捕获和跟踪，软件利用跟踪后得到的星历数据和伪距、载波等观测数据进行计算，获得接收机的位置、速度和时间等相关信息。

大部分传统的GNSS接收机的基带的功能都用全定制的ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit)芯片实现，由于全定制的ASIC芯片的内部逻辑功能不能改变，所以一旦接收机生产出来，在不改变外部硬件电路的情况下，接收机能够跟踪和捕获的信号码就完全固定了，面对新增加的信号码，之前的传统接收机都将对这些信号无能为力。

也有使用可编程逻辑电路模块如FPGA(Field Programmable Gate Array)实现基带功能的GNSS接收机。FPGA是可以根据需要通过可编程的连接把其内部的逻辑块连接起来的一种芯片，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。对FPGA加电时，FPGA芯片将存储器(如EPROM、Flash等)中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失。同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能，因此，FPGA的使用非常灵活。这些GNSS接收机中FPGA的配置文件采用固化在非易失存储器里的方法，如图2所示。这种方法若要修改配置文件，需要拆开GNSS接收机后更换非易失存储器芯片或者通过专门的烧录器重新烧写非易失存储器中的配置文件。显然，这些操作绝大部分用户自己根本无法完成，需要返回接收机生产商，由接收机生产商进行完成以上工作，非常不便。虽然在其它行业或应用场合的电路设计中，也有通过CPU对非易失存储其中的FPGA配置文件进行修改和升级的方案，但是对GNSS接收机而言，目前尚无以适应未来信号或不同的应用场合为目的而进行升级的方案。

因此，基带部分由ASIC芯片实现的GNSS接收机虽然也可以升级，但是由于其基带部分由ASIC芯片实现，所以GNSS接收机一经制成，基带部分的功能就不能改变，升级的范围只限于GNSS接收机最末端的软件，换句话说，传统接收机的升级只能对数据处理软件的方法进行修改，但对于GNSS接收机所要处理的信号对象则完全无能为力；基带部分由FPGA实现，但配置文件采用固化在非易失存储器中、由FPGA直接读取非易失存储器中的配置文件的GNSS接收机，虽然理论上可以对其基带部分进行升级，但是，升级需要拆开GNSS接收机更换非易失存储器或者用专用的烧录器重新烧写，在实际使用时非常不便。

在过去几十年的GNSS应用中，可利用的GNSS资源变化不大，所以传统GNSS接收机的应用并没有受到限制；但是，面对未来可能出现的如此繁多的GNSS资源以及这些资源的不确定性，传统的GNSS接收机将显得缺乏灵活性和适应性，其应用将受到限制。面对这种情况，GNSS接收机生产厂商将不得不花费大量的人力和物力不断的开发品种繁多的GNSS接收机类型；另一方面，GNSS接收机用户也将顾虑重重，因为购买的GNSS接收机很可能在GNSS信号出现新的变化后，不能享受这些新的功能和服务，甚至由于某些GNSS资源的消失而使GNSS接收机变成一件废品。

如果有一种比较简单、方便的方法能使GNSS接收机在不拆机、不改变外部硬件电路设计的基础上，使其能够对不断变化的GNSS信号有一定的适应性，则无论是GNSS接收机生产厂商还是GNSS接收机的用户都将受益匪浅。GNSS接收机生产商将不必对不确定的GNSS信号开发诸多的接收机型号；GNSS接收机用户也将不必担心购买的GNSS接收机不能接收以后新增加的GNSS信号、不能享受新增的相应服务而顾虑重重；此外，用户甚至可以根据不通应用场合的要求选择不同的配置文件，将其配置为具有相应特性的GNSS接收机。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够在不拆机和不改变硬件设计的前提下方便地改变GNSS接收机基带部分的功能、有效提高GNSS接收机的灵活性、结构简单实用、处理过程快捷方便、工作性能稳定可靠、适用范围较为广泛的实现GNSS接收机中基带电路功能升级的电路结构及方法。

为了实现上述的目的，本发明的实现GNSS接收机中基带电路功能升级的电路结构及方法如下：

该实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的电路结构，包括实现基带电路功能的可编程逻辑电路模块，所述的可编程逻辑电路模块与全球导航卫星系统接收机中的射频电路相连接，其主要特点是，所述的电路结构中还包括中央处理模块、存储功能模块和数据交换接口模块，所述的中央处理模块分别与所述的可编程逻辑电路模块、存储功能模块和数据交换接口模块相连接。

该实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的电路结构中的存储功能模块为可以重复写入的非易失性存储器，如Flash存储器等。

该实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的电路结构中的数据交换接口模块可以为串行接口模块、并行接口模块或者USB接口模块。

该基于上述的电路结构实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的中央处理模块通过所述的数据交换接口模块接收升级信息；

(2)所述的中央处理模块将所述的升级信息存入所述的存储功能模块中；

(3)所述的接收机重新启动，并进行初始化操作；

(4)所述的中央处理模块读取所述的存储功能模块中的升级信息，进行相应的内部升级配置后进入正常工作状态，并将该升级信息送至所述的可编程逻辑电路模块；

(5)所述的可编程逻辑电路模块根据该升级信息进行逻辑电路升级配置处理；

(6)所述的可编程逻辑电路模块进入正常工作状态。

该实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的方法中的进行逻辑电路升级配置处理，包括以下步骤：

(11)所述的编程逻辑电路模块将接收到的升级信息写入其内部的编程RAM存储单元中；

(12)所述的编程逻辑电路模块根据所述的编程RAM存储单元中存储的升级信息对该编程逻辑电路模块内的逻辑电路进行重新配置。

该实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的方法中的升级信息为与需要调整的全球导航卫星系统接收机程序所对应的资源文件。

该实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的方法中的全球导航卫星系统接收机程序包括控制FPGA运行并实现基带功能的程序代码、控制CPU运行并实现导航定位计算功能的程序代码。

采用了该发明的实现GNSS接收机中基带电路功能升级的电路结构及方法，由于其可以在不拆机、不改变硬件设计的基础上，仅通过外部软件就能够方便地完全改变GNSS接收机基带部分的功能即FPGA的功能，使得GNSS接收机能够根据升级软件的不同跟踪不同的信号、用不同的方法对数据进行处理，从而大大提高了GNSS接收机的灵活性，这种灵活性对于未来很长一段时间内GNSS信号的不确定性有重要的意义；得益于这种升级方法的方便性，用户甚至可以根据不通应用场合的要求选择不同的配置文件，将其配置为具有相应特性的GNSS接收机。该方法结构简单实用，处理过程快捷方便，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

附图说明

图1为现有技术中的全球导航卫星系统接收机系统架构示意图。

图2为现有技术中的配置文件固化在非易失存储器的全球导航卫星系统接收机系统架构示意图。

图3为本发明的实现GNSS接收机中基带电路功能升级的电路结构硬件框图。

图4为本发明的实现GNSS接收机中基带电路功能升级的方法的第一阶段示意图。

图5为本发明的实现GNSS接收机中基带电路功能升级的方法的第二阶段示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图3所示，该实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的电路结构，包括实现基带电路功能的可编程逻辑电路模块，所述的可编程逻辑电路模块与全球导航卫星系统接收机中的射频电路相连接，其中，所述的电路结构中还包括中央处理模块、存储功能模块和数据交换接口模块，所述的中央处理模块分别与所述的可编程逻辑电路模块、存储功能模块和数据交换接口模块相连接。所述的可编程逻辑电路模块在下文中为了叙述的方便和更好的说明问题，以FPGA为例进行叙述，但FPGA并非特指，也可以采用其它具有类似功能的可编程逻辑器件代替。

其中，所述的电路结构中的可编程逻辑电路模块为FPGA芯片；所述的存储功能模块为可以重复写入的非易失性存储器；所述的数据交换接口模块可以为串行接口模块、并行接口模块或者USB接口模块。

再请参阅图4和图5所示，该基于上述的电路结构实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的方法，其中包括以下步骤：

(1)所述的中央处理模块通过所述的数据交换接口模块接收升级信息；该升级信息为与需要调整的全球导航卫星系统接收机程序所对应的资源文件，该全球导航卫星系统接收机程序包括控制FPGA运行并实现基带功能的程序代码、控制CPU运行并实现导航定位计算功能的程序代码；

(2)所述的中央处理模块将所述的升级信息存入所述的存储功能模块中；

(3)所述的接收机重新启动，并进行初始化操作；

(4)所述的中央处理模块读取所述的存储功能模块中的升级信息，进行相应的内部升级配置后进入正常工作状态，并将该升级信息送至所述的可编程逻辑电路模块；

(5)所述的可编程逻辑电路模块根据该升级信息进行逻辑电路升级配置处理，包括以下步骤：

(a)所述的可编程逻辑电路模块将接收到的升级信息写入其内部的编程RAM存储单元中；

(b)所述的可编程逻辑电路模块根据所述的编程RAM存储单元中存储的配置文件对该可编程逻辑电路模块内的逻辑电路进行重新配置；

(6)所述的可编程逻辑电路模块进入正常工作状态。

在实际应用当中，本发明的实现由以下两部分完成：

(1)基带由可编程逻辑器件实现的GNSS接收机。所述GNSS接收机可通过某种方式(如串口、USB等)与外界进行通信；

(2)可对上述(1)中所述GNSS接收机进行升级的升级软件。

上述(1)中所述的可编程逻辑器件在下文中为了方便，以FPGA为例进行叙述，但FPGA并非特指。

上述(2)中所述的升级软件可以在任何有操作系统的电子终端上运行，且可以通过前述电子终端的软硬件接口与所述GNSS接收机进行通信，以实现升级过程中的各种数据传输。

本发明所指的、基带功能由FPGA实现、通过CPU对FPGA进行配置的GNSS接收机，由于其FPGA的电路功能可以灵活改变且存储在非易失存储器中的FPGA配置文件可以通过CPU进行升级，所以基带的功能的改变也非常灵活，改变的方法即通过外部的升级软件将新的代码升级到GNSS接收机的存储器中，GNSS接收机重新加电后，FPGA通过CPU从GNSS接收机的存储器中读取新的数据，配置完成后，FPGA运行新的代码，基带的功能就改变了，也即可以实现对新的信号码的捕获和跟踪。

未来GNSS信号具有一定的不确定性，但这种不确定性是相对的，基于信号频率资源有限和不同GNSS系统间互操作的考虑，各GNSS系统的信号都趋于使用相同或相近的信号频率而加载不同的信号码来实现各种功能。

例如：GALILEO在E2-L1-E1和E5a上信号将分别采用与GPS的L1和L5相同的频率进行广播；GPS的L2频率上，除了原有的L2P信号，又增加了新的L2C码，而且，未来还可能在现有信号频率的基础上增加更多的信号码或者对已有的信号码进行升级、替换。

面对新的信号频率，只能重新设计GNSS接收机的射频前端的电路；但是对于在相同信号频率上的不同信号码，则可以在不改变GNSS接收机射频前端电路的情况下仅改变基带部分的设计来实现对相应信号的捕获和跟踪，而基带部分的功能则可以通过升级软件很方便的进行升级。由于FPGA容量有限，不可能将所有可能的信号都纳入设计，况且，即使FPGA容量允许，这也并无必要，一方面是因为未来的信号结构还不确定或尚未普及，其信号质量和性能尚待验证；另一方面是因为FPGA容量越大，其成本越高，而信号的增加与接收机性能的增加并不一定成比例，即更多的信号并不意味着更好的性能。所以，在GNSS信号码发生变化或者有足够多的GNSS信号码可供选择时，可以根据需要，选择相应的包含不同基带功能的软件包进行升级，使GNSS接收机具备跟踪相应信号的能力，而无需做任何硬件上的改动；此外，得益于这种方便的升级方法，用户甚至可以根据不通应用场合的要求选择不同的配置文件，将其配置为具有相应特性的GNSS接收机，如用户既可以将接收机配置为用作低动态、高精度测量的测量型接收机，也可以将其配置为用作在高动态条件下作动态导航的导航型接收机。

本发明所提出的GNSS接收机升级方法则可以在不拆机、不改变硬件设计的基础上，仅通过外部软件就很方便地完全改变GNSS接收机基带部分的功能即FPGA的功能，使得GNSS接收机能够根据升级软件的不同跟踪不同的信号、用不同的方法对数据进行处理，增加GNSS接收机的灵活性，这种灵活性对于未来很长一段时间内GNSS信号的不确定性有重要的意义，而且用户也可以根据不同的应用场合而使用不同的配置文件对接收机进行升级，使接收机具备不同的特性，以适应不同应用场合的要求。

请参阅图3所示，其中，该GNSS接收机1，包括：

●天线11，接收空间中的GNSS信号；

●射频电路12，将所述天线11接收到的射频信号通过滤波、放大转换成中频信号；

●实现基带功能的FPGA芯片13，对所述射频电路12输出的中频信号进行处理，获取观测信息、GNSS星历等数据；

●CPU 14，读取FPGA芯片13所获得的观测信息、GNSS星历等数据，利用这些数据完成定位计算；

●存储器15，存储FPGA的运行代码以及所述GNSS接收机的一些其它信息；

●在CPU 14控制下能与外界进行数据交换的接口16，如串口、USB等。

升级的具体操作步骤可以分为以下几步：

(1)修改需要调整的GNSS接收机的程序，并生成相应的资源文件。所述GNSS接收机程序包括控制FPGA运行的、实现基带功能代码，控制CPU运行的、实现导航定位计算的程序；

(2)将修改好的代码的资源文件整合到升级软件中，运行升级软件，将要升级的代码通过GNSS接收机的CPU写入GNSS接收机的存储芯片，如图4中虚线箭头所示；

(3)重新开机，FPGA芯片将GNSS接收机的存储芯片中的数据读入片内编程RAM中，并重新配置FPGA。配置完成后，FPGA进入工作状态，FPGA按照新升级的代码运行；CPU运行内部RAM中新的代码，实现其配置后进入工作状态，如图5虚线箭头所示。

本发明所提出的上述方法，即利用外部软件对GNSS接收机进行升级，改变GNSS接收机的软硬件功能，使GNSS接收机在不拆机、不改变外部硬件设计的情况下，很方便的实现GNSS接收机功能的改善和变化。GNSS接收机开发商可以在一块硬件电路的基础上，根据升级软件的不同开发出诸多的GNSS接收机型号，而无需对外部硬件做任何改变，这将大大降低因开发诸多GNSS接收机型号而带来的成本；另一方面，GNSS接收机用户在购买接收机时也大可不必为不能接收未来的GNSS信号和享受不到未来可能出现的服务而担心，不仅如此，用户还可以为未来不同的应用而选择不同的配置文件对接收机进行升级，使购买的GNSS接收机可以适应不同工作场合。

采用了上述的实现GNSS接收机中基带电路功能升级的电路结构及方法，由于其中可以在不拆机、不改变硬件设计的基础上，仅通过外部软件就能够方便地完全改变GNSS接收机基带部分的功能即FPGA的功能，使得GNSS接收机能够根据升级软件的不同跟踪不同的信号、用不同的方法对数据进行处理，从而大大提高了GNSS接收机的灵活性，这种灵活性对于未来很长一段时间内GNSS信号的不确定性有重要的意义，得益于这种方便的升级方法，用户甚至可以根据不通应用场合的要求选择不同的配置文件，将其配置为具有相应特性的GNSS接收机。该方法结构简单实用，处理过程快捷方便，工作性能稳定可靠，适用范围较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的电路结构，包括实现基带电路功能的可编程逻辑电路模块，所述的可编程逻辑电路模块与全球导航卫星系统接收机中的射频电路相连接，其特征在于，所述的电路结构中还包括中央处理模块、存储功能模块和数据交换接口模块，所述的中央处理模块分别与所述的可编程逻辑电路模块、存储功能模块和数据交换接口模块相连接。

2.根据权利要求1所述的实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的电路结构，其特征在于，所述的存储功能模块为可重复写入的非易失性存储器。

3.根据权利要求1或2所述的实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的电路结构，其特征在于，所述的数据交换接口模块为串行接口模块、并行接口模块或者USB接口模块。

4.一种基于权利要求1所述的电路结构实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的中央处理模块通过所述的数据交换接口模块接收升级信息；

(2)所述的中央处理模块将所述的升级信息存入所述的存储功能模块中；

(3)所述的接收机重新启动，并进行初始化操作；

(4)所述的中央处理模块读取所述的存储功能模块中的升级信息，进行相应的内部升级配置后进入正常工作状态，并将该升级信息送至所述的可编程逻辑电路模块；

(5)所述的可编程逻辑电路模块根据该升级信息进行逻辑电路升级配置处理；

(6)所述的可编程逻辑电路模块进入正常工作状态。

5.根据权利要求4所述的实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的方法，其特征在于，所述的进行逻辑电路升级配置处理，包括以下步骤：

(11)所述的可编程逻辑电路模块将接收到的升级信息写入其内部的编程RAM存储单元中；

(12)所述的可编程逻辑电路模块根据所述的编程RAM存储单元中存储的升级信息对该可编程逻辑电路模块内的逻辑电路进行重新配置。

6.根据权利要求4或5所述的实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的方法，其特征在于，所述的升级信息为与需要调整的全球导航卫星系统接收机程序所对应的资源文件。

7.根据权利要求4或5所述的实现全球导航卫星系统接收机中基带电路功能升级的方法，其特征在于，所述的全球导航卫星系统接收机程序包括控制可编程逻辑电路模块运行并实现基带功能的程序代码、控制CPU运行并实现导航定位计算功能的程序代码。

Images