CN104237913A - Gnss软件接收机架构系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种GNSS软件接收机架构系统。该系统主要包括：通用处理单元、数字处理单元和通用变频单元，通用处理单元用于模拟出GNSS模拟中频信号、接收GNSS实时数字中频信号，通过数据总线将GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；数字处理单元用于模拟出GNSS模拟中频信号和GNSS实时模拟中频信号、接收GNSS实时数字中频信号，通过数据总线将GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；通用变频单元用于利用变频器将接收到的GNSS模拟中频信号转换为射频信号，将射频信号输出。本发明通过建立GNSS软件接收机的技术架构，明确GNSS软件接收机的构成，为卫星导航核心算法和关键的研发提供研发、仿真和试验环境，提高GNSS软件接收机的核心算法和软件的开发效率。

Description

GNSS软件接收机架构系统

技术领域

本发明涉及卫星信号捕获技术领域，尤其涉及一种GNSS(GlobalNavigation，全球导航卫星系统)架构系统。

背景技术

GNSS软件接收机属于一种卫星导航接收机，是带动卫星导航产业全面深入发展的一种关键技术途径。随着我国导航系统的发展，国内涌现大量卫星导航接收机的研制生产单位，研制生产出GNSS系统中的各种OEM(OriginalEquipment Manufacturer，原始设备制造商)板和芯片。

由于GNSS仿真和接收IP核群的深入研制和完善是个长期的系统工程，是各种关键技术、关键算法的系统集成，涉及射频、中频处理、捕获、跟踪、相关、数据处理等方方面面的内容，因此设计的技术门槛很高。目前，GNSS系统中的OEM板和芯片研制均停留在IP核的移植和简单集成修改上，因此，开发一种高效率的GNSS软件接收机架构系统是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种GNSS软件接收机架构系统，以提供一种高效率的GNSS软件接收机架构系统。

本发明提供了如下方案：

一种GNSS软件接收机架构系统，包括：通用处理单元、数字处理单元和通用变频单元，所述通用变频单元和所述通用处理单元、数字处理单元通过数据总线连接，所述通用处理单元、数字处理单元通过数据线连接；

所述的通用处理单元，用于基于PC平台模拟出GNSS模拟中频信号、接收GNSS实时数字中频信号，通过数据总线将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；

所述的数字处理单元，用于基于FPGA和DSP平台模拟出GNSS模拟中频信号和GNSS实时模拟中频信号、接收GNSS实时数字中频信号，通过数据总线将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；

所述的通用变频单元，用于利用变频器将接收到的GNSS模拟中频信号转换为射频信号，将所述射频信号输出。

所述的通用处理单元的处理器包括CPU和GPU。

所述的通用处理单元包括：

数字存储GNSS软件模拟器，用于利用CPU和GPU模拟出GNSS模拟中频信号和数字中频文件，将所述数字中频文件传输给GNSS数字存储软件接收机，将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；

GNSS数字存储软件接收机，用于利用CPU和GPU接收所述数字存储GNSS软件模拟器传输过来的数字中频文件，对所述数字中频文件进行捕获、跟踪、控制基带处理和导航解算环节处理；

GNSS实时软件接收机，用于利用CPU和GPU接收GNSS多系统多频点的实时数字中频信号，对所述实时数字中频信号进行捕获、跟踪、控制基带处理和导航解算环节处理。

所述的数字处理单元的处理器包括：FPGA和DSP。

所述的数字处理单元包括：

GNSS实时中频模拟器，用于利用FPGA和DSP模拟出GNSS模拟中频信号和GNSS实时模拟中频信号，将所述GNSS实时模拟中频信号传输给GNSS实时软件接收机，将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元和GNSS中频采集器；

GNSS中频采集器，用于利用FPGA和DSP接收所述GNSS实时中频模拟器传输过来的GNSS模拟中频信号，对所述GNSS模拟中频信号进行模数AD转换，输出GNSS数字中频信号和数字中频文件；

GNSS实时软件接收机，用于利用FPGA和DSP接收GNSS多系统多频点的实时数字中频信号，对所述实时数字中频信号进行捕获、跟踪、控制基带处理和导航解算环节处理。

所述的数据总线包括：PCI-E数据总线。

所述的通用变频单元包括：

GNSS通用上变频器，用于对输入的GNSS模拟中频信号进行上变频处理，输出GNSS模拟射频信号；

GNSS通用下变频器，用于接收所述GNSS通用上变频器输出的GNSS模拟射频信号，对所述GNSS模拟射频信号进行下变频处理，输出GNSS模拟中频信号。

所述的GNSS中频采集器，还用于利用FPGA和DSP接收所述GNSS通用下变频器输出的GNSS模拟中频信号，对所述GNSS模拟中频信号进行模数AD转换，输出GNSS数字中频信号和数字中频文件。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过建立GNSS软件接收机的技术架构，明确GNSS软件接收机的构成，提供了一种高效率的GNSS软件接收机架构系统，为卫星导航核心算法和关键的研发提供研发、仿真和试验环境，提高GNSS软件接收机的核心算法和软件的开发效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种GNSS软件接收机架构系统的结构示意图，图中，通用处理单元11、数字处理单元12和通用变频单元13；

图2为本发明实施例提供的一种通用处理单元的结构示意图，图中，数字存储GNSS软件模拟器110，GNSS数字存储软件接收机111，GNSS实时软件接收机112：

图3为本发明实施例提供的一种数字处理单元的结构示意图，图中，GNSS实时中频模拟器120，GNSS中频采集器121，GNSS实时软件接收机122；

图4为本发明实施例提供的一种通用变频单元13的结构示意图，图中，GNSS通用上变频器130，GNSS通用下变频器131；

图5为本发明实施例提供的一种GNSS软件接收机架构系统的工作原理示意图。

具体实施方式

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种基于PC的GNSS软件接收机架构系统，该架构系统的目标是成为GNSS软件接收机的IP核研究开发的单元，全面开展GNSS接收机的高灵敏度、高抗干扰、高动态、高精度、高可靠性和高可用性等性能及其融合性能的研究和验证工作；也可以进行GNSS新信号体制的仿真验证工作。

该实施例提供的一种GNSS软件接收机架构系统的结构示意图如图1所示，包括：通用处理单元11、数字处理单元12和通用变频单元13，所述通用变频单元13和所述通用处理单元11、数字处理单元12通过数据总线连接，所述通用处理单元11、数字处理单元12通过数据线连接。

通用处理单元的处理器包括CPU(中央处理器，Central ProcessingUnit)+GPU(Graphic Processing Unit，图形处理器)。所述的数字处理单元的处理器包括：FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)+DSP(Digital Signal Process，数字信号处理)。所述的数据总线可以为：PCI(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)-E数据总线。

所述的通用处理单元11，用于模拟出GNSS模拟中频信号、接收GNSS实时数字中频信号，通过数据总线将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；

所述的数字处理单元12，用于模拟出GNSS模拟中频信号和GNSS实时模拟中频信号、接收GNSS实时数字中频信号，通过数据总线将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；

所述的通用变频单元13，用于利用变频器将接收到的GNSS模拟中频信号转换为射频信号，将所述射频信号输出。

本发明实施例提供的一种通用处理单元11的结构示意图如图2所示，包括：

数字存储GNSS软件模拟器110，用于利用CPU和GPU模拟出GNSS模拟中频信号和数字中频文件。该模块需要模拟出在卫星上产生模拟GNSS信号，该模拟GNSS信号进入传播环境到达GNSS接收机的前端，变成数字化的中频信号的全部过程，主要模拟内容包括四个方面：导航电文和伪随机序列的模拟、卫星位置和用户位置的模拟、各种误差的模拟和接收机设置的模拟。

将所述数字中频文件传输给GNSS数字存储软件接收机，将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；该单元具备数字中频和测量域GNSS数字信号，具备卫星段、传播段、接收机射频部分完善的功能和性能仿真能力。

GNSS数字存储软件接收机111，用于利用CPU和GPU接收所述数字存储GNSS软件模拟器传输过来的数字中频文件，对所述数字中频文件进行捕获、跟踪、控制基带处理和导航解算环节处理；

GNSS实时软件接收机112，用于利用CPU和GPU接收GNSS多系统多频点的实时数字中频信号，对所述实时数字中频信号进行捕获、跟踪、控制基带处理和导航解算环节处理。

本发明实施例提供的一种数字处理单元12的结构示意图如图3所示，包括：

GNSS实时中频模拟器120，用于利用FPGA和DSP模拟出GNSS模拟中频信号和GNSS实时模拟中频信号。该模块需要模拟出在卫星上产生模拟GNSS信号，该模拟GNSS信号进入传播环境到达GNSS接收机的前端，变成数字化的实时或者非实时中频信号的全部过程，主要模拟内容包括四个方面：导航电文和伪随机序列的模拟、卫星位置和用户位置的模拟、各种误差的模拟和接收机设置的模拟。

将所述GNSS实时模拟中频信号传输给GNSS实时软件接收机，将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元和GNSS中频采集器；该单元具备数字中频和测量域GNSS数字信号，具备卫星段、传播段、接收机射频部分完善的功能和性能仿真能力。

GNSS中频采集器121，用于利用FPGA和DSP接收所述GNSS实时中频模拟器传输过来的GNSS模拟中频信号，对所述GNSS模拟中频信号进行模数AD转换，输出GNSS数字中频信号和数字中频文件；

GNSS实时软件接收机122，用于利用FPGA和DSP接收GNSS多系统多频点的实时数字中频信号，对所述实时数字中频信号进行捕获、跟踪、控制基带处理和导航解算环节处理。

本发明实施例提供的一种通用变频单元13的结构示意图如图4所示，包括：

GNSS通用上变频器130，用于对输入的GNSS模拟中频信号进行上变频处理，输出GNSS模拟射频信号；

GNSS通用下变频器131，用于接收所述GNSS通用上变频器输出的GNSS模拟射频信号，对所述GNSS模拟射频信号进行下变频处理，输出GNSS模拟中频信号。

进一步地，所述的GNSS中频采集器121，还用于利用FPGA和DSP接收所述GNSS通用下变频器输出的GNSS模拟中频信号，对所述GNSS模拟中频信号进行模数AD转换，输出GNSS数字中频信号和数字中频文件。

本发明实施例提供的一种GNSS软件接收机架构系统的工作原理示意图如图5所示，GNSS卫星导航软件仿真和接收机的作用是使输入信号在尽可能靠近天线的位置被数字化，在此后信号的处理(包括信号捕获，伪码解相关，载波相位跟踪，导航信息解码和伪距、载波相位测量等)全部是数字处理。

上述GNSS软件接收机架构系统的设计思路包括：软件接收机层次的完备性、测试验证的完整和系统性、通用性和标准化、基于模块的可分解性。

1)层次的完整性。

基于通用处理单元的实时高性能软件机和基于数字处理单元的实时高性能软件接收机两个层次共同组成，并融合为一体。上述通用处理单元中包括CPU+GPU，上述数字处理单元中包括FPGA+DSP。

2)测试验证的系统完备性。

提供GNSS接收技术开放、可控的闭环开发验证环境。闭环开发验证环境从信号流角度分为数字中频文件闭环、数字中频实时信号闭环、模拟中频信号闭环和射频信号闭环四个层次；从成熟度角度分为理论可行性评估、工程/产品可行性评估、工程/产品实现和产品IP核成熟度评估四个层次。这些层次结构为GNSS接收技术理论探索和产品研制提供了密切融合、循序渐进的开发测试环境。

3)标准化。

硬件体系结构的通用性，包括下(上)变频模块、高速采集和高速信号产生、大型FPGA和DSP、PCI-E总线收发、工作站和显卡的通用性；软件体系结构的标准化，包括FPGA、DSP、CPU、GPU四个层面软件程序的架构设计和标准化。

4)可分解性。

总体技术方案由各模块能组成，每个模块可以独立成为一个完整的技术成果和产品。这样即有利于研究内容的充分分解，并行开展相关研究工作；又有利于各个部分技术成果的独立包装、推广和销售。

上述GNSS软件接收机架构系统包括通用处理单元、数字处理单元和通用变频单元。

通用处理单元提供GNSS数字存储软件仿真、GNSS数字中频软件接收和GPP实时软件接收机三部分功能，适于GNSS接收技术关键算法理论验证和产品整机功能性能可行性评估的功能。

数字处理单元提供GNSS实时中频仿真器、GNSS实时中频采集器和FDP实时软件接收机三部分功能，适于FPGA+DSP架构接收机产品功能性能实现和验证的功能，是FPGA+DSP架构下GNSS接收机成熟IP核研制和考验的单元。

通用变频单元提供GNSS通用上变频器和GNSS通用下变频器功能，实现在模拟中频闭环基础上的RF(Radio Frequency，射频)闭环。

通用处理单元、数字处理单元和通用变频单元共同实现GNSS软件接收机的开放、可控的闭环开发验证环境。闭环开发验证环境从信号流角度分为数字中频文件闭环、数字中频实时信号闭环、模拟中频信号闭环和射频信号闭环四个层次；从成熟度角度分为理论可行性评估、工程/产品可行性评估、工程/产品实现和产品IP核成熟度评估四个层次。这些层次实现GNSS接收技术理论探索和产品研制紧密融合、循序渐进的开发测试环境。

综上所述，本发明实施例通过建立GNSS软件接收机的技术架构，明确GNSS软件接收机的构成，提供了一种高效率的GNSS软件接收机架构系统，为卫星导航核心算法和关键的研发提供研发、仿真和试验环境，提高GNSS软件接收机的核心算法和软件的开发效率。

本发明实施例通过明确了GNSS软件接收机的技术架构，可以使得将工作量集中在算法研发和软件实现上，相对资金投入比完全的硬件开发小得多；通过软件实现算法，不可控因素较少，有利于缩短研发周期，降低调试成本；没有设计专用的IC芯片的投入；对于若干高端和专用市场，可以快速进入，并可以低成本地进行升级和维护，由于采用了通用的硬件处理单元，对接收机的升级和改进而言，一般只需要升级软件部分，而无需重新设计芯片，因此可大大降低生产、维护和升级的成本；

本发明实施例的GNSS软件接收机架构系统比普通的商用接收机具有更灵活的结构，以支持高性价比的用户化裁剪和集成；可以迅速发展各种卫星导航接收机系列产品。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件单元的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种GNSS软件接收机架构系统，其特征在于，包括：通用处理单元、数字处理单元和通用变频单元，所述通用变频单元和所述通用处理单元、数字处理单元通过数据总线连接，所述通用处理单元、数字处理单元通过数据线连接；

所述的通用处理单元，用于基于PC平台模拟出GNSS模拟中频信号、接收GNSS实时数字中频信号，通过数据总线将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；

所述的数字处理单元，用于基于FPGA和DSP平台模拟出GNSS模拟中频信号和GNSS实时模拟中频信号、接收GNSS实时数字中频信号，通过数据总线将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；

所述的通用变频单元，用于利用变频器将接收到的GNSS模拟中频信号转换为射频信号，将所述射频信号输出。

2.根据权利要求1所述的GNSS软件接收机架构系统，其特征在于，所述的通用处理单元的处理器包括CPU和GPU。

3.根据权利要求2所述的GNSS软件接收机架构系统，其特征在于，所述的通用处理单元包括：

数字存储GNSS软件模拟器，用于利用CPU和GPU模拟出GNSS模拟中频信号和数字中频文件，将所述数字中频文件传输给GNSS数字存储软件接收机，将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元；

GNSS数字存储软件接收机，用于利用CPU和GPU接收所述数字存储GNSS软件模拟器传输过来的数字中频文件，对所述数字中频文件进行捕获、跟踪、控制基带处理和导航解算环节处理；

GNSS实时软件接收机，用于利用CPU和GPU接收GNSS多系统多频点的实时数字中频信号，对所述实时数字中频信号进行捕获、跟踪、控制基带处理和导航解算环节处理。

4.根据权利要求1所述的GNSS软件接收机架构系统，其特征在于，所述的数字处理单元的处理器包括：FPGA和DSP。

5.根据权利要求4所述的GNSS软件接收机架构系统，其特征在于，所述的数字处理单元包括：

GNSS实时中频模拟器，用于利用FPGA和DSP模拟出GNSS模拟中频信号和GNSS实时模拟中频信号，将所述GNSS实时模拟中频信号传输给GNSS实时软件接收机，将所述GNSS模拟中频信号传输给通用变频单元和GNSS中频采集器；

GNSS中频采集器，用于利用FPGA和DSP接收所述GNSS实时中频模拟器传输过来的GNSS模拟中频信号，对所述GNSS模拟中频信号进行模数AD转换，输出GNSS数字中频信号和数字中频文件；

GNSS实时软件接收机，用于利用FPGA和DSP接收GNSS多系统多频点的实时数字中频信号，对所述实时数字中频信号进行捕获、跟踪、控制基带处理和导航解算环节处理。

6.根据权利要求1所述的GNSS软件接收机架构系统，其特征在于，所述的数据总线包括：PCI-E数据总线。

7.根据权利要求1至6任一项所述的GNSS软件接收机架构系统，其特征在于，所述的通用变频单元包括：

GNSS通用上变频器，用于对输入的GNSS模拟中频信号进行上变频处理，输出GNSS模拟射频信号；

GNSS通用下变频器，用于接收所述GNSS通用上变频器输出的GNSS模拟射频信号，对所述GNSS模拟射频信号进行下变频处理，输出GNSS模拟中频信号。

8.根据权利要求7所述的GNSS软件接收机架构系统，其特征在于：

所述的GNSS中频采集器，还用于利用FPGA和DSP接收所述GNSS通用下变频器输出的GNSS模拟中频信号，对所述GNSS模拟中频信号进行模数AD转换，输出GNSS数字中频信号和数字中频文件。