CN104570022A - 一种基于dsp的多系统兼容gnss接收机及其接收系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机及其接收系统，解决了单一系统存在的覆盖空白问题。其中全频点天线接收导航系统的卫星信号，并将该卫星信号送入射频单元，经过射频单元中的前置带通滤波、低噪声放大后，与本机振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频信号，最后经模数转换器将模拟中频信号转变成数字中频信号，并将该数字中频信号送入基带处理单元；基带处理单元对射频模块输出的数字中频信号进行捕获、跟踪，获得多普勒观测量；同时对数字中频信号进行解调解扩，从中获取原始导航电文，获得伪距观测量；定位解算单元得到用于定位解算的伪距、多普勒及电文参数信息，经过解算之后将定位测速结果发送给用户。

Description

一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机及其接收系统

技术领域

本发明涉及GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)接收机设计技术，更具体地，涉及一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机及其接收系统。

背景技术

全球导航卫星系统能够为地球表面和近地空间的各类用户提供全天候、全天时的位置、速度和授时等信息服务，在日常生活、交通运输、经济发展、国防建设等领域有着重要的作用。进入21世纪以来，全球卫星导航定位系统迅速发展，目前已经形成了GPS、GLONASS和中国的北斗(BDS)三大导航系统兼容、共用的局面。

对多系统兼容接收机而言，它具有可用卫星数量多、覆盖好、定位精度高、可靠性高等优点，而单系统接收机由于卫星数目有限或是某些恶劣环境中信号受到严重干扰等问题，提供的卫星定位服务的精度、可靠性、安全性和可用性无法得到保障。同时，各个卫星导航系统单独工作时可能存在难以覆盖的空白带，而且用户在使用过程中会受到主控国的限制。

由于GPS、GLONASS和BDS这三种星基导航系统在系统构置、导航定位机理、频段、调制方式、信号和星历数据结构等方面是基本相同或近似的，都以发射扩频测距码、测量卫星与用户之间的伪距来完成导航定位，所以就存在利用一部用户设备同时接收这三种卫星信号的可能性。

发明内容

本发明提出了一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机及其接收系统，解决了单一系统存在的覆盖空白问题，而且使系统可靠性和完好性显著提高，弥补了单一星座定位时可见卫星数目偏少、卫星几何分布不佳，定位精度不高的缺点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机，包括射频单元、基带处理单元、定位解算单元；其中：

射频单元：全频点天线接收导航系统的卫星信号，并将该卫星信号送入射频单元，经过射频单元中的前置带通滤波、低噪声放大后，与本机振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频信号，最后经模数转换器将模拟中频信号转变成数字中频信号，并将该数字中频信号送入基带处理单元；

基带处理单元对射频模块输出的数字中频信号进行捕获、跟踪，获得多普勒观测量；同时对数字中频信号进行解调解扩，从中获取原始导航电文，获得伪距观测量；

定位解算单元获取基带处理单元送出的多普勒管测量和伪距观测量及原始导航电文，将其进行处理之后，得到用于定位解算的伪距、多普勒及电文参数信息，经过解算之后将定位测速结果发送给用户。

进一步地，所述基带处理单元对射频模块输出的数字中频信号进行处理，进一步地，分为捕获、跟踪、位同步和帧同步四个阶段；捕获分为伪码捕获和载波捕获，用于确定接收信号的伪码相位和载波频率的粗略值，估计误差分别小于载波环和码环的牵入范围；跟踪包括伪码跟踪和载波跟踪，通过码环对伪码进行跟踪，通过载波环对载波进行跟踪，分别实现复现码相位和复现载波与接收信号的同步。

进一步地，其中信号的捕获是通过检查相关器的输出功率在何种复制载波频率和码相位下达到最大来实现的，如果最大输出功率超过信号捕获门限值，则认为捕获到相应的卫星。

进一步地，定位解算单元还完成以下任务：系统控制，选择工作模式，安排卫星的捕获；系统多任务调度，并应对导航过程中的突发状况；定位、测速、授时；系统完好性信息处理和自主完好性监测；存储星历和历书，存储当前的接收机状态；接收机工作状态的输出和监测，与用户进行交互。

一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收系统，包括初始化模块、捕获安排模块、观测量处理模块、电文解析模块、定位测速模块、通信模块和存储模块；其中：

初始化模块完成系统的初始化工作，包括硬件初始化和软件初始化；所述的硬件初始化是对处理器、基带处理单元及外围器件的上电状态进行初始化配置；软件初始化是对软件中所有的全局变量、需要执行的定位模式、定位频度、定位信息输出类型和频度进行初始化赋值；

捕获安排模块根据定位模式安排卫星的捕获；根据用户指定的定位模式对相应GNSS系统的卫星进行捕获和跟踪；在系统初上电时，捕获模块搜索可见星以完成首次定位；定位以后，捕获安排模块降低捕获频度，搜索除参与定位以外的可见星；

观测量处理模块完成对伪距、多普勒的计算，利用载波相位平滑伪距；

电文解析模块对原始电文进行解析，获取电文参数；电文解析模块接收到原始电文之后，对每一帧或每个字符串的二进制信息进行截取，将编排的每个电文参数解析出来，用于卫星位置的解算、星历健康情况的判断或者时间信息的获取；

定位测速模块利用伪距、多普勒观测量信息对用户三维坐标、三维速度以及接收机钟差、钟漂进行解算，并利用钟差信息对接收机时钟进行修正，完成授时功能；

通信模块用于串口信息的收发；通信模块将用户位置、速度、当前时间信息通知用户，并接收用户对接收机发出的各种指令；

存储模块对电文、用户状态、模式配置进行存储，使得接收机在下次开启时尽快地实现定位、测速和授时。

进一步地，在导航过程中，若遇到遮挡、干扰原因造成卫星信号的失锁，捕获安排模块将对失锁的卫星进行重新捕获；在发现某颗卫星的电文不健康、RAIM监测出现故障或者仰角低于可用门限时，捕获安排模块则将该卫星抛弃，并利用该卫星所在的通道捕获其他可见星。

进一步地，电文解析模块实时检测卫星导航电文的更新情况，并对当前的星历或历书进行更新，以确保定位测速的正确性。

进一步地，该系统工作状态共有6种，其中3种为启动状态：热启动、温启动和冷启动，一种正常工作状态，两种异常处理状态：辅助定位状态和定位异常处理状态；其中：

正常工作状态下，系统无间断地利用空闲通道搜索可见星，进行正常的电文解析及观测量提取，处于正常跟踪状态的卫星数量满足三维定位的要求，实现正常定位、测速及授时，结果满足精度要求；如果在一定时间内尚无法实现三维定位时转入定位异常处理状态；如果在正常导航过程中出现信号中断则转入辅助定位状态；其他工作状态结束后也都将进入正常工作状态；

冷启动状态下，GNSS接收机获取不到关于任何一个系统卫星有效的先验信息，系统将根据用户设定的定位模式对相应系统的所有卫星按照预定的顺序进行尝试性捕获，直至当所有的卫星全都捕获一轮或者接收机没有空闲通道，冷启动状态结束并切换至正常工作状态；

温启动状态下，GNSS接收机存有有效的历书，导航终端根据历书和用户概略位置预测天上处于用户视野之内的卫星，并尝试进行捕获，直到将预测的卫星全部捕获一轮，切换至正常工作状态；若根据历书预测不到有可见星的存在，则由温启动转入冷启动；

热启动状态下，GNSS接收机内存有若干颗卫星的有效星历，系统将对相应的卫星进行捕获，直至将这些卫星全部捕获一轮或几轮，切换至温启动状态或者正常工作状态；

辅助定位状态下，正常跟踪的卫星数量不足以满足正常的三维定位，通过二维定位算法和外推维持定位，同时等待信号恢复，重新定位，若在一定时间内定位恢复，则切换回正常工作状态，反之，若等待超时，则切换至热启动状态；

定位异常处理状态下，GNSS接收机尝试解决定位测速中出现的异常，如出现不符合常规的定位测速结果，或者虽然卫星数量满足要求却无法定位的情况，若成功解决则切换回正常工作状态，若超时则切换至热启动状态。

进一步地，当温启动失败时进入冷启动状态。

本发明的有益效果：

本发明将接收机拆分成3各模块，便于接收机故障的排查，并且基于DSP设计，便于程序的升级；同时接收系统中捕获模块中热星的设计，可加快捕获速度。

附图说明

图1是接收机组成框图；

图2是接收机软件系统功能模块；

图3是接收机系统工作状态切换；

图4是DSP主函数设计框图；

图5是接收机选择启动模式流程；

图6是接收机捕获安排线程；

图7是接收机定位测速线程流程；

图8是接收机电文解析线程；

图9是接收机电文及用户位置存储线程；

图10是接收机中断处理线程；

图11是接收机观测量中断流程；

图12是电文参数解析流程图；

图13是电文比对流程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明中接收机的内部结构沿其工作流程的先后顺序，分为射频(RF)前端处理，基带数字信号处理和定位导航运算三大功能模块。接收机通过多频点天线接收来自天上的各个导航系统的卫星信号，信号进入射频模块经过前置带通滤波、低噪声放大后，再与本机振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频(IF)信号，最后经模数(A/D)转换器将模拟中频信号转变成数字中频信号。通过对信号的捕获、跟踪，获得多普勒观测量，再经过解调解扩，从中获取原始导航电文，获得伪距观测量，并据此解算用户机的位置、速度、钟差和钟漂，实施高动态条件下的导航业务。其组成的原理框图如图1所示。

从天线接收到的卫星信号进入射频模块，首先通过一个带通滤波器将信号带宽以外的各种噪声和干扰，并通过功率放大器进行放大。由于处理首端的前置滤波器对于整个系统的噪声指数有着很大的影响，所以所设计的前置滤波器具有低噪声的特点。射频信号不太容易被直接采样离散，因此将射频信号进行I/Q下变频混频。混频之后的射频信号通过一个低通滤波器滤除低频部分，变为中频信号。在混频之前将镜像频率信号滤除，避免渗入混频后的中频信号波段。在对中频信号进行滤波放大之后，利用ADC对信号进行模数(A/D)转换，采用3bit的量化位数。另外，在ADC之前将配置一级自动增益控制(AGC)，使混频器输出的中频信号幅值大致维持在一个常数，避免信号过弱使ADC输出全零，也避免信号过强使ADC饱和输出正负最大值。

基带处理单元对射频模块输出的数字中频信号进行处理，分为捕获、跟踪、位同步和帧同步四个阶段。捕获分为伪码捕获和载波捕获两个方面，目的是为了确定接收信号的伪码相位和载波频率的粗略值，估计误差必须分别小于载波环和码环的牵入范围。信号的捕获是通过检查相关器的输出功率在何种复制载波频率和码相位下达到最大来实现的，如果最大输出功率超过信号捕获门限值，则认为捕获到相应的卫星。当信号捕获成功后开始转入精密跟踪阶段，以确保与接收导航信号的时刻同步。同样，跟踪也包括伪码跟踪和载波跟踪，通过码环对伪码进行跟踪，通过载波环对载波进行跟踪，分别实现复现码相位和复现载波与接收信号的同步。对于GPS和BDS，信号发射时刻的一部分(即周内秒计数)存在于导航电文中，剩下的部分则需要根据接收信号在导航电文中所在的位置来计算。因此，接收通道需要完成位同步和帧同步，从接收信号中找到导航电文的比特边缘和子帧起始边缘。接收通道首先完成位同步，即确定比特边沿，这样便可以确定信号处于一比特的哪一个伪码序列上。在完成位同步之后，接收机可以进行正常的一比特宽度的数据解调；随后通过每个子帧的遥测字进行帧同步，确定子帧号。帧同步之后，可以进一步对解调出来的数据比特进行导航电文译码。经过这四个阶段之后，基带处理单元就可以向定位解算单元输出原始观测量和原始电文了。

定位解算单元获取基带处理单元送出的原始观测量及原始电文，将其进行处理之后，得到用于定位解算的伪距、多普勒及电文参数等信息，经过解算之后通过一定的方式将定位测速结果告诉用户。

定位解算单元完成以下任务：系统控制，选择工作模式，安排卫星的捕获；系统多任务调度，并应对导航过程中的突发状况；定位、测速、授时；系统完好性信息处理和自主完好性监测；存储星历和历书，存储当前的接收机状态(包括当前的用户位置、工作模式、用户输入信息等)；接收机工作状态的输出和监测，与用户进行交互。

所设计的多系统兼容GNSS接收机的软件系统包含7个功能模块：初始化模块、捕获安排模块、观测量处理模块、电文解析模块、定位测速模块、通信模块和存储模块。各个模块之间的联系如图2所示。

初始化模块完成系统的初始化工作，包括硬件初始化和软件初始化。硬件初始化是对处理器、基带处理单元及外围器件等系统硬件组成部分的上电状态进行初始化配置，包括DSP芯片的主频、寄存器，串口波特率、cache大小；软件初始化是对软件中所有的全局变量、需要执行的定位模式、定位频度、定位信息输出类型和频度进行初始化赋值。

捕获安排模块根据定位模式安排卫星的捕获。接收机软件系统需要根据用户指定的定位模式对相应GNSS系统的卫星进行捕获和跟踪。捕获任务贯穿于整个导航过程中，在系统初上电时，捕获模块以最快的速度搜索天上的可见星完成首次定位；定位以后，捕获模块将适当降低捕获频度，搜索除参与定位以外的可见星；在导航过程中，若遇到遮挡、干扰等原因造成卫星信号的失锁，捕获模块将对失锁的卫星进行重新捕获；在发现某颗卫星的电文不健康、RAIM监测出现故障或者仰角低于可用门限时，捕获模块会将该卫星抛弃，并利用该卫星所在的通道捕获其他可见星。

观测量处理模块完成对伪距、多普勒的计算，利用载波相位平滑伪距等。基带处理单元送到定位解算单元的并不是现成的伪距和多普勒，而是卫星信号发射时刻、载波相位或者NCO(数控振荡器)的多普勒频率控制字，观测量处理模块需根据这些原始观测信息计算定位测速所必需的伪距和多普勒。观测量处理模块的运行具有最高优先级，以保证观测量的实时性。

电文解析模块对原始电文进行解析，获取电文参数。GPS和北斗导航电文是以帧和子帧(GLONASS是以超帧、帧、字符串)的结构形式调制在伪随机码上的二进制数据流，基带处理单元将其解扩之后送到定位解算单元。电文解析模块接收到原始电文之后，需要对每一帧或每个字符串的二进制信息进行截取，将编排的每个电文参数解析出来，用于卫星位置的解算、星历健康情况的判断或者时间信息的获取等。另外，电文解析模块需要实时检测卫星导航电文的更新情况，并对当前的星历或历书进行更新，以确保定位测速的正确性。

定位测速模块利用伪距、多普勒等观测量信息对用户三维坐标、三维速度以及接收机钟差、钟漂进行解算，并利用钟差信息对接收机时钟(1pps)进行修正，完成授时功能。在导航过程中，定位测速模块需要根据实际情况自动调整定位模式。例如，在双系统兼容定位时，若某个系统的可见卫星数量变为零，而另外一个系统的可见卫星数量可以满足定位测速条件，则系统需自动转为单系统定位模式；另外，定位测速模块要能根据接收机前后历元的运动情况自动识别一些不符合常规的定位测速结果并予以剔除。

通信模块进行串口信息的收发。通信模块是接收机与用户进行交互的平台，接收机既要通过通信模块将用户位置、速度、当前时间等信息告诉用户，也要通过该模块接收用户对接收机发出的各种指令。所设计GNSS接收机采用标准的NMEA-0183信息格式，规定了输出语句的类型及格式，输出采用ASCII码。用户可以通过不同的语句获取不同的导航信息，也可以发送指令规定输出语句的数量、频度等。

存储模块对电文、用户状态、模式配置等信息进行存储。GNSS接收机之所以要对电文和用户状态进行存储是方便接收机下次开启时能够尽可能快地实现定位、测速和授时，即实现“热启”或者“温启”。

软件系统的工作模式指的是整个导航过程中系统工作状态的切换流程。系统工作状态共有6种，其中3种为启动状态：热启动、温启动和冷启动，一种正常工作状态，两种异常处理状态：辅助定位状态和定位异常处理状态，如图3所示。

正常工作状态下，系统无间断地利用空闲通道(也可能没有空闲通道)搜索可见星，进行正常的电文解析及观测量提取，处于正常跟踪状态的卫星数量满足三维定位的要求，实现正常定位、测速及授时，结果满足精度要求。如果在一定时间内尚无法实现三维定位时转入定位异常处理状态；如果在正常导航过程中出现信号中断则转入辅助定位状态。其他工作状态结束后也都将进入正常工作状态。

冷启动状态下，GNSS接收机获取不到关于任何一个系统卫星有效的先验信息(卫星具有有效的先验信息是指，GNSS接收机存有该卫星处于有效期内的星历或者历书)，系统将根据用户设定的定位模式对相应系统的所有卫星按照预定的顺序进行尝试性捕获，直至当所有的卫星全都捕获一轮或者接收机没有空闲通道，冷启动状态结束并切换至正常工作状态。另外，当温启动失败时也进入该状态。

温启动状态下，GNSS接收机存有有效的历书，导航终端根据历书和用户概略位置预测天上处于用户视野之内的卫星，并尝试进行捕获，直到将预测的卫星全部捕获一轮，切换至正常工作状态。若根据历书预测不到有可见星的存在，则由温启动转入冷启动。

热启动状态下，GNSS接收机内存有若干颗卫星的有效星历，系统将对相应的卫星(以下简称“热星”)进行捕获，直至将这些卫星全部捕获一轮(或几轮)，切换至温启动状态或者正常工作状态。

辅助定位状态下，正常跟踪的卫星数量不足以满足正常的三维定位，通过二维定位算法和外推维持定位，同时等待信号恢复，重新定位，若在一定时间内定位恢复，则切换回正常工作状态，反之，若等待超时，则切换至热启动状态。

定位异常处理状态下，GNSS接收机尝试解决定位测速中出现的异常，如出现不符合常规的定位测速结果，或者虽然卫星数量满足要求却无法定位的情况。若成功解决则切换回正常工作状态，若超时则切换至热启动状态。

导航任务能否顺利完成不仅需要有稳固的定位测速算法，还需要有一套灵活的调度流程。为保证观测量的实时性，观测量处理模块必须具有最高的优先级。因此，将观测量处理模块的实现放在中断函数中进行。中断每次触发时将提取一次原始观测量，并进行处理，得到该时刻的伪距和多普勒。串口接收中断的优先级仅次于观测量中断，以保证用户的输入指令可以被快速正确地响应。其他功能模块放在主函数中运行，没有主次之分。

主函数中包含以下线程，如图4所示。系统初始化，包括硬件初始化和软件初始化；启动模式选择，根据存储的星历和历书选择热启、温启或者冷启；捕获安排，根据启动模式和定位模式安排捕获任务；定位测速，利用伪距、多普勒和星历参数进行定位、测速和授时；串口发送，通过串口发送定位测速信息；用户指令解析，对用户发送的串口指令进行解析，并做出反应；电文解析，对存储的原始电文进行解析，得到可用的电文参数；电文及用户状态存储，存储当前有效的星历、历书参数以及用户当前的定位状态。

其中，系统初始化和启动模式选择只执行一次。之后，软件进入while循环，各线程将被依次循环执行。

系统上电之后，通过该线程读取存储的星历和历书信息，读取RTC时间判断星历和历书的有效性，以此来选择启动模式。如果星历有效，则进行热启动，将“热星”置入捕获队列中；若历书也有效，则通过历书和用户的概率位置预测天上的其他可见星并加入到捕获队列中；若没有“热星”而历书有效，则进行温启动，将预测的可见星加入到捕获队列中；若历书无效，则进行冷启动。该线程的设计框图如图5所示。

系统按照以下捕获策略进行捕获流程的设计，如图6所示。

由于前端基带处理单元每次只能捕获一颗卫星，因此系统首先需要查询当前是否有正在进行的捕获任务，如果基带处理单元的捕获模块处于“Busy”状态，则直接退出线程；若处于“Idle”状态，则查询捕获队列中是否还有未完成的捕获任务。这样“热星”和历书预测的卫星会首先被安排捕获。如果捕获队列已经空了，则系统会向捕获队列中添加一次捕获任务。

一旦某颗卫星被捕获成功，也将被置成“热星”，而且该星的捕获状态被记录为1(在中断线程中执行)。捕获模块在进行捕获时会优先对没有处于跟踪状态的“热星”进行捕获，在向捕获队列中添加捕获任务的时候会首先将“热星”加入，热星捕获完一轮之后再去添加其他的捕获任务。

如图7所示，定位测速线程首先剔除电文不健康和RAIM监测中出现故障的卫星，随后进行卫星位置的解算，并剔除仰角过低的卫星。若当前可用星满足用户指定的定位模式的条件，则进行用户位置的解算；若不满足，则自动调整定位模式进行用户位置解算。如果得到符合精度要求的定位结果(DOP值和钟差小于一定门限)，则根据钟差对接收机1pps进行修正。最后在用户位置解算的基础上进行用户速度的解算。

电文解析线程逐帧将缓存中的原始电文进行解析，得到星历和历书参数，判断电文的健康状况，检测卫星导航电文的更新情况，并对当前的星历或历书进行更新。电文解析线程的设计流程如图8所示。

电文及用户位置存储线程实时监测星历和历书的更新情况，并将最新的星历和历书存储到flash中去；用户位置以固定频率1Hz进行存储。为了保证各线程的实时性，电文及用户存储线程每次存储的数据量不过大，因此每5秒检查一个导航系统电文的更新情况(定义一个静态变量指示导航系统)，如果电文已经更新则进行存储，5秒之后检查下一个导航系统，以此循环。设计流程如图9所示。

对于基带处理单元，无论是新的原始观测量和原始电文，还是捕获结果和通道的失锁标志都是以中断的形式通知定位解算单元的，并且这些中断全部对应后端微处理器的同一个外部中断。因此，基带处理单元触发中断之后，后端软件系统会查询基带处理单元的中断向量表，以获取是何种形式的中断，并做出应答。中断线程设计框图如图10所示。

在观测量中断里，软件系统获取基带处理单元送来的每个通道的原始观测量和内部的TIC时间，生成伪距和多普勒，并通过载波相位对伪距进行平滑。同时，如果根据TIC时间查询到需要在当前历元进行定位或者测速的话，则将该历元的观测量进行保存。当主函数中的定位测速线程检测到保存的观测量时，就根据保存的观测量和星历进行PVT解算。观测量中断的流程设计如图11所示。

电文中断触发以后，软件系统首先查询原始电文来自于哪个通道，并记录通道号、卫星号、频点和码型，随后将一个子帧(或者一个字符串)电文拼接好存入缓存队列，缓存队列的大小需根据实际情况开辟内存空间，缓存队列太小，主函数电文解析线程处理不过来，则容易造成新电文将旧电文覆盖的情况；缓存队列太大又造成资源的浪费。本系统按照24个通道，北斗GEO卫星电文速率500bps(即0.6s一个子帧)，1s一次电文中断的极限情况进行设计，将缓存队列长度设为48。

对于GPS，一帧电文包含5个子帧，其中星历参数分布在1～3子帧，而电离层延时校正参数、UTC时间转换参数与历书一起分布在4～5子帧。对于GLONASS，一个超帧电文包含5个帧，每帧包含15个字符串。其中，1～4帧的1～5字符串是相同的内容，1～4字符串为GLONASS的星历参数，第5字符串是GLONASS时间与UTC(SU)、GPST之间的转换参数；1～4帧的6～15字符串和第5帧包含GLONASS 24颗卫星的历书参数。

在系统运行过程中，当电文解析线程提取了一帧(或一串)原始电文后，根据卫星系统的不同分别执行不同的解析函数。对于GPS，则首先判断电文的帧号，如果是前三子帧，则将三子帧电文收齐再一齐进行星历参数的解析；如果判断是第4子帧，则进行电离层延时校正参数和UTC转换参数的解析，然后保存下来与第5子帧一齐对历书参数进行解析。而对于GLONASS，则首先判断电文的字符串号，如果是前1～4串，则将4串电文收齐后一并进行星历参数的解析；如果判断是第5串，则进行时间转换参数的解析；如果判断是6～15串，则进行不同卫星的历书参数的解析。对于北斗则首先需要判断是GEO卫星还是非GEO卫星，再根据子帧号的不同进行电文参数的解析。具体流程如图12所示。

GPS一套星历的有效期是以为中间时刻的前后2小时，北斗一套星历的有效期是以为中间时刻的前后1小时，GLONASS一套星历有效期是以为中间时刻的前后m分钟，m取决于第1串电文的第2个参数。

软件系统需要实时监测电文的更新状况，将新电文替代旧电文。因此，系统每收齐一套原始星历就跟当前的星历进行比对，如果不一样则说明电文发生了突变。但是，此时并不能确定电文突变是星历更新造成的，也有可能是由于电文出现误码，此时，系统将发生突变的这套星历进行保存，等待收齐下一套星历，并跟突变星历进行比对。如果比对结果一样的话则说明电文突变确实是由星历更新造成的，此时用新电文代替旧电文，进行接收机端星历的更新；如果比对结果不同，则将突变星历舍弃，并将第二套星历与当前星历进行比对，若比对结果相同，则说明星历没有更新，若比对结果不同，则将其作为突变星历，重复上述步骤。因此，接收机当前使用的星历一定是经过多次比对之后的，以确保星历准确无误。当然，在接收机没有定位之前，为了能够尽快定位，只需收齐一套星历即可，但后续过程仍需继续进行比对，确保当前使用的星历准确无误。具体的比对过程如图13所示。

通过以下两个步骤确保电文的可用性：第一，帧头判断，系统每提取一子帧(串)原始电文，将首先对子帧头进行判断，GPS和北斗每个子帧以E24和8B作为开头，GLONASS则在一串电文的最后发送8位的汉明码校验位，通过帧头的判断对电文可用性做初步的判断，这里主要是对于误码的判断。第二，健康标志，GPS和北斗系统星历的健康标志位于第1子帧电文中，分别用6bit和1bit来表示，GLONASS星历的健康标志位于第三字符串中，用1bit来表示。当星历不健康时，软件需将卫星剔除，避免对定位结果造成影响。

捕获安排线程向基带处理单元安排下捕获任务后便开始等待捕获中断，捕获中断触发后，通过读取基带处理单元的寄存器获取捕获成功与否的标志位。若捕获成功，则记录下通道状态(卫星号、码型、频点等)，并将该卫星设置为“热星”；若捕获不成功，则将该通道设为空闲通道，以便捕获其他的卫星。

若某一颗卫星的信号在跟踪的过程中突然中断，通道处于失锁状态，基带处理单元会触发失锁中断，向定位解算单元发送该通道的失锁标志位。软件系统查询到失锁标志位会将该卫星添加到捕获队列中去重新进行捕获。

以上详细说明了本发明的工作过程，但这只是为了便于理解而举的一个具体实例，不应视为是对本发明的限制。任何所属技术领域的普通专用人员均可根据本发明的技术方案及其实例的描述，做出各种可能的同等改变或替换，但所有这些改变或替换都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机，其特征在于，包括射频单元、基带处理单元、定位解算单元；其中：

射频单元：全频点天线接收导航系统的卫星信号，并将该卫星信号送入射频单元，经过射频单元中的前置带通滤波、低噪声放大后，与本机振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频信号，最后经模数转换器将模拟中频信号转变成数字中频信号，并将该数字中频信号送入基带处理单元；

基带处理单元对射频模块输出的数字中频信号进行捕获、跟踪，获得多普勒观测量；同时对数字中频信号进行解调解扩，从中获取原始导航电文，获得伪距观测量；

定位解算单元获取基带处理单元送出的多普勒管测量和伪距观测量及原始导航电文，将其进行处理之后，得到用于定位解算的伪距、多普勒及电文参数信息，经过解算之后将定位测速结果发送给用户。

2.如权利要求1所述的一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机，其特征在于，进一步地，所述基带处理单元对射频模块输出的数字中频信号进行处理，进一步地，分为捕获、跟踪、位同步和帧同步四个阶段；捕获分为伪码捕获和载波捕获，用于确定接收信号的伪码相位和载波频率的粗略值，估计误差分别小于载波环和码环的牵入范围；跟踪包括伪码跟踪和载波跟踪，通过码环对伪码进行跟踪，通过载波环对载波进行跟踪，分别实现复现码相位和复现载波与接收信号的同步。

3.如权利要求2所述的一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机，其特征在于，进一步地，其中信号的捕获是通过检查相关器的输出功率在何种复制载波频率和码相位下达到最大来实现的，如果最大输出功率超过信号捕获门限值，则认为捕获到相应的卫星。

4.如权利要求1或2或3所述的一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机，其特征在于，进一步地，定位解算单元还完成以下任务：系统控制，选择工作模式，安排卫星的捕获；系统多任务调度，并应对导航过程中的突发状况；定位、测速、授时；系统完好性信息处理和自主完好性监测；存储星历和历书，存储当前的接收机状态；接收机工作状态的输出和监测，与用户进行交互。

5.一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收系统，包括初始化模块、捕获安排模块、观测量处理模块、电文解析模块、定位测速模块、通信模块和存储模块；其中：

初始化模块完成系统的初始化工作，包括硬件初始化和软件初始化；所述的硬件初始化是对处理器、基带处理单元及外围器件的上电状态进行初始化配置；软件初始化是对软件中所有的全局变量、需要执行的定位模式、定位频度、定位信息输出类型和频度进行初始化赋值；

捕获安排模块根据定位模式安排卫星的捕获；根据用户指定的定位模式对相应GNSS系统的卫星进行捕获和跟踪；在系统初上电时，捕获模块搜索可见星以完成首次定位；定位以后，捕获安排模块降低捕获频度，搜索除参与定位以外的可见星；

观测量处理模块完成对伪距、多普勒的计算，利用载波相位平滑伪距；

电文解析模块对原始电文进行解析，获取电文参数；电文解析模块接收到原始电文之后，对每一帧或每个字符串的二进制信息进行截取，将编排的每个电文参数解析出来，用于卫星位置的解算、星历健康情况的判断或者时间信息的获取；

定位测速模块利用伪距、多普勒观测量信息对用户三维坐标、三维速度以及接收机钟差、钟漂进行解算，并利用钟差信息对接收机时钟进行修正，完成授时功能；

通信模块用于串口信息的收发；通信模块将用户位置、速度、当前时间信息通知用户，并接收用户对接收机发出的各种指令；

存储模块对电文、用户状态、模式配置进行存储，使得接收机在下次开启时尽快地实现定位、测速和授时。

6.如权利要求5所述的一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收系统，其特征在于，进一步地，在导航过程中，若遇到遮挡、干扰原因造成卫星信号的失锁，捕获安排模块将对失锁的卫星进行重新捕获；在发现某颗卫星的电文不健康、RAIM监测出现故障或者仰角低于可用门限时，捕获安排模块则将该卫星抛弃，并利用该卫星所在的通道捕获其他可见星。

7.如权利要求5所述的一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收系统，其特征在于，进一步地，电文解析模块实时检测卫星导航电文的更新情况，并对当前的星历或历书进行更新，以确保定位测速的正确性。

8.如权利要求5或6或7所述的一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收系统，其特征在于，进一步地，该系统工作状态共有6种，其中3种为启动状态：热启动、温启动和冷启动，一种正常工作状态，两种异常处理状态：辅助定位状态和定位异常处理状态；其中：

正常工作状态下，系统无间断地利用空闲通道搜索可见星，进行正常的电文解析及观测量提取，处于正常跟踪状态的卫星数量满足三维定位的要求，实现正常定位、测速及授时，结果满足精度要求；如果在一定时间内尚无法实现三维定位时转入定位异常处理状态；如果在正常导航过程中出现信号中断则转入辅助定位状态；其他工作状态结束后也都将进入正常工作状态；

冷启动状态下，GNSS接收机获取不到关于任何一个系统卫星有效的先验信息，系统将根据用户设定的定位模式对相应系统的所有卫星按照预定的顺序进行尝试性捕获，直至当所有的卫星全都捕获一轮或者接收机没有空闲通道，冷启动状态结束并切换至正常工作状态；

温启动状态下，GNSS接收机存有有效的历书，导航终端根据历书和用户概略位置预测天上处于用户视野之内的卫星，并尝试进行捕获，直到将预测的卫星全部捕获一轮，切换至正常工作状态；若根据历书预测不到有可见星的存在，则由温启动转入冷启动；

热启动状态下，GNSS接收机内存有若干颗卫星的有效星历，系统将对相应的卫星进行捕获，直至将这些卫星全部捕获一轮或几轮，切换至温启动状态或者正常工作状态；

辅助定位状态下，正常跟踪的卫星数量不足以满足正常的三维定位，通过二维定位算法和外推维持定位，同时等待信号恢复，重新定位，若在一定时间内定位恢复，则切换回正常工作状态，反之，若等待超时，则切换至热启动状态；

定位异常处理状态下，GNSS接收机尝试解决定位测速中出现的异常，如出现不符合常规的定位测速结果，或者虽然卫星数量满足要求却无法定位的情况，若成功解决则切换回正常工作状态，若超时则切换至热启动状态。

9.如权利要求8所述的一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收系统，其特征在于，进一步地，当温启动失败时进入冷启动状态。