CN109143284A - 一种嵌入式北斗gps定位系统及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种嵌入式北斗GPS定位系统及定位方法，该入式北斗GPS定位系统包括GPS卫星和北斗卫星，以及包括无人测绘飞行器、地面指挥控制中心，利用GPS卫星对无人测绘飞行器进行定位，无人测绘飞行器将采集到的测绘信息通过北斗传输到地面指挥控制中心。本发明将北斗和GPS两系统结合，充分利用两种导航系统的技术优势，应用于测绘飞行器遥测系统，将提高测绘飞行器系统的定位性能，同时拓展测绘飞行器遥测系统的应用。尤其是，本发明自由研发北斗指挥型用户机，采用基带环路的设计，提高北斗指挥型用户机的捕获、跟踪性能和导航解算速度。

Description

一种嵌入式北斗GPS定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及定位系统领域技术，尤其是指一种嵌入式北斗GPS定位系统及定位方法。

背景技术

在以前，人们在规划测量土地时，常采用地尺人工测量，但是，随着土地承包式，土地面积不断扩大，就不在适用人工测量了。由于现在的土地承包的面积越来越大，对大面积的土地进行规划测量已经使用了飞行器。然而现有飞行器测绘的方式是直接采用GPS定位，通过拍照的方式将信息存在飞行器的存储器中，当飞行器回收到，再连线下载到电脑。然而这种GPS定位飞行器虽然定位精度较高，但是由于GPS导航定位系统在不具备短消息传送功能，也给飞行器测绘实时数据传输造成阻碍。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种嵌入式北斗GPS定位系统及定位方法，其不但可以实时定位，而且实时数据传输，并且能达到高精度数据处理功能。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种嵌入式北斗GPS定位系统，包括GPS卫星和北斗卫星，以及包括

一无人测绘飞行器，包括安装在该无人测绘飞行器机身中的摄像头、距离传感器、蓄电池、GPS卫星定位天线、北斗信号传输天线、无人测绘飞行器控制终端、数据采集与输出接口板，所述摄像头、距离传感器、蓄电池、GPS卫星定位天线、北斗信号传输天线、无人测绘飞行器控制终端均与数据采集与输出接口板相连，将GPS定位数据、影像数据、距离数据、电池监控数据传输到数据采集与输出接口板，该数据采集与输出接口板将各种数据通过北斗信号传输天线发射到北斗卫星，由北斗卫星将信号反射到地面指挥控制中心；

一地面指挥控制中心，包括指挥中心显示屏、主机、北斗指挥型用户机、北斗卫星接收天线，所述北斗卫星接收天线与北斗指挥型用户机相连，用于向无人测绘飞行器发送指令信息以及接收来自无人测绘飞行器的信息，所述北斗指挥型用户机与主机串行连接，所述主机与指挥中心显示屏相连接，将无人测绘飞行器的信息下载到主机，以及显示到指挥中心显示屏上，方便监控人实时了解无人测绘飞行器的相关信息；

所述北斗指挥型用户机的电路结构包括依次串联的带通滤波器、下变频器、低通滤波器、A/D转换器、数字信号处理器、导航解算单元，所述下变频器相接有频率合成器，该频率合成器与基准振荡相接；所述下变频器同时相接增益控制电路，该增益控制电路通过接口电路与数字信号处理器相接，以及接口电路相接有输入输出接口，数字信号处理器外围有信号跟踪环路，该数字信号处理器还相接存储单元。

作为一种优选方案，所述北斗卫星接收天线连接有低噪声放大器，对接收到的北斗卫星微弱的电信号低噪放大。

作为一种优选方案，所述信号跟踪环路包括相位鉴别器、环路滤波器、压控振荡器，该相位鉴别器、环路滤波器、压控振荡器依次相连，以及该压控振荡器的输出相接于相位鉴别器的输入，形成锁相环电路结构，锁相环电路结构可以鉴别相位差异，尽可能保持本地复制载波与接收北斗卫星信号载波保持一致。

作为一种优选方案，所述数字信号处理器选用TI公司的高性能浮点TMS320C6747DSP主处理芯片，它的内核电压在1.2V时具有375MHz的高速处理速度，能够满足北斗指挥型用户机的实时高速处理要求，同时拥有可供选择的更加丰富的外围。

作为一种优选方案，所述无人测绘飞行器的数据采集与输出接口板选用了速度快、功耗低和连接功能丰富全面的Xilinx公司的Spartan 6E单片机，它具有超强的并行处理和编程配置能力，同时能够提供全新且更高效的双寄存器输入查找表逻辑和一系列丰富的内置系统级模块。

作为一种优选方案，所述数据采集与输出接口板的电路硬件结构包括多个模拟量输入端口、A/D转换器、译码器、单片机、电平转换芯片、GPS定位数据采集电路，所述模拟量输入端口相接于A/D转换器，该A/D转换器相接于译码器，该译码器相接于单片机，该单片机相接电平转换芯片和GPS定位数据采集电路，该电平转换芯片相接有北斗信号传输天线。

作为一种优选方案，GPS卫星定位天线和北斗信号传输天线均采用右旋圆极化天线。

一种嵌入式北斗GPS定位系统的定位方法，由无人测绘飞行器将GPS定位数据、影像数据、距离数据、电池监控数据传输到数据采集与输出接口板，该数据采集与输出接口板将各种数据通过北斗信号传输天线发射到北斗卫星，由北斗卫星将信号反射到地面指挥控制中心；地面指挥控制中心接收到微弱的北斗卫星反射信号，

首先将微弱的电信号低噪放大，利用带通滤波器滤除带外干扰信号；其次利用下变频器和频率合成器将接收到各种导航射频信号与基准振荡产生的正弦信号进行混频，并利用低通滤波器滤波滤除高频分量得到中频模拟信号；最后经过A/D转换器和增益控制电路将模拟中频信号采样和数字化处理，并输出适合数字基带处理的数字中频信号；

接着，由数字信号处理器将数字中频信号进行处理，处理过程是首先要进行信号搜索并捕获得到北斗卫星粗略的信号码相位和载波频率；其次，在捕获到伪码相位和粗略载波频率的基础上，接着进入跟踪环路，跟踪并得到精确的码相位和载波频率等原始观测量；最后，经过位同步和帧同步等解调出导航解算所用的导航电文数据；

再接着；导航解算单元的根据处理所得到的GNSS观测值和导航电文，按照一定的算法进行相应的解算，最终输出无人测绘飞行器的三维位置、速度、时间、测绘、视频信息；

主机将无人测绘飞行的三维位置、速度、时间、测绘、视频信息下载到本地，以及显示到指挥中心显示屏上，方便监控人实时了解无人测绘飞行器的相关信息。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，针对测绘飞行器测绘需求，为保证航区安全，防止发生撞击区区其它目标的事情，需要实时监测测绘飞行器的位置信息。然而GPS导航定位系统在定位精度方面具有优势，但不具备短消息传送功能。而北斗区域导航定位通信系统作为我国自主开发的卫星导航系统所具有的信息远程传送功能正好可以完成遥测系统的信息传送工作。将上述两系统结合，充分利用两种导航系统的技术优势，应用于测绘飞行器遥测系统，将提高测绘飞行器系统的定位性能，同时拓展测绘飞行器遥测系统的应用。尤其是，本发明自由研发北斗指挥型用户机，采用带通滤波器、下变频器、低通滤波器、A/D转换器、数字信号处理器、导航解算单元等模块设计，实现信息的高精度接收和转换，通过基带环路的设计，提高北斗指挥型用户机的捕获、跟踪性能和导航解算速度。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明之实施例的嵌入式北斗GPS定位系统示意图。

图2是本发明之实施例的北斗指挥型用户机的结构框图。

图3是本发明之实施例的信号跟踪环路结构框图。

图4是本发明之实施例的数据采集与输出接口板结构框图。

附图标识说明：

10、GPS卫星 20、北斗卫星

30、无人测绘飞行器 31、摄像头

32、距离传感器 33、蓄电池

34、GPS卫星定位天线 35、北斗信号传输天线

36、无人测绘飞行器控制终端 37、数据采集与输出接口板

371、模拟量输入端口 372、A/D转换器

373、译码器 374、单片机

375、电平转换芯片 376、GPS定位数据采集电路

40、地面指挥控制中心 41、指挥中心显示屏

42、主机 43、北斗指挥型用户机

431、带通滤波器 432、下变频器

433、低通滤波器 434、A/D转换器

435、数字信号处理器 436、导航解算单元

437、频率合成器 438、基准振荡

439、增益控制电路 440、接口电路

441、输入输出接口 442、信号跟踪环路

4421、相位鉴别器 4422、环路滤波器

4423、压控振荡器 443、存储单元

44、北斗卫星接收天线 440、低噪声放大器。

具体实施方式

请参照图1至图4所示，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构，是一种嵌入式北斗GPS定位系统，包括GPS卫星10和北斗卫星20，以及包括无人测绘飞行器30、地面指挥控制中心40。

其中，所述无人测绘飞行器30包括安装在该无人测绘飞行器30机身中的摄像头31、距离传感器32、蓄电池33、GPS卫星定位天线34、北斗信号传输天线35、无人测绘飞行器控制终端36、数据采集与输出接口板37。所述摄像头31、距离传感器32、蓄电池33、GPS卫星定位天线34、北斗信号传输天线35、无人测绘飞行器控制终端36均与数据采集与输出接口板37相连。工作时，将GPS定位数据、影像数据、距离数据、电池监控数据传输到数据采集与输出接口板37，该数据采集与输出接口板37将各种数据通过北斗信号传输天线35发射到北斗卫星20，由北斗卫星20将信号反射到地面指挥控制中心40。

所述地面指挥控制中心40包括指挥中心显示屏41、主机42、北斗指挥型用户机43、北斗卫星接收天线44。所述北斗卫星接收天线44与北斗指挥型用户机43相连，用于向无人测绘飞行器30发送指令信息以及接收来自无人测绘飞行器30的信息，所述北斗指挥型用户机43与主机42串行连接，所述主机42与指挥中心显示屏41相连接，将无人测绘飞行器30的信息下载到主机42，以及显示到指挥中心显示屏41上，方便监控人实时了解无人测绘飞行器30的相关信息。

如图2所示，所述北斗卫星接收天线44连接有低噪声放大器440，对接收到的北斗卫星20微弱的电信号低噪放大。所述北斗指挥型用户机43的电路结构包括依次串联的带通滤波器431、下变频器432、低通滤波器433、A/D转换器434、数字信号处理器435、导航解算单元436，所述下变频器432相接有频率合成器437，该频率合成器437与基准振荡438相接；所述下变频器432同时相接增益控制电路439，该增益控制电路439通过接口电路440与数字信号处理器435相接，以及接口电路440相接有输入输出接口441，数字信号处理器435外围有信号跟踪环路442，该数字信号处理器435还相接存储单元443。

所述北斗指挥型用户机43的主要功能是：首先利用带通滤波器431滤除带外干扰信号；其次利用下变频器432和频率合成器437将接收到各种导航射频信号与基准振荡438产生的正弦信号进行混频，并利用低通滤波器433滤波滤除高频分量得到中频模拟信号；最后经过A/D转换器434和增益控制电路439将模拟中频信号采样和数字化处理，并输出适合数字基带处理的数字中频信号。

接着，由数字信号处理器435将数字中频信号进行处理，处理过程是首先要进行信号搜索并捕获得到北斗卫星20粗略的信号码相位和载波频率；其次，在捕获到伪码相位和粗略载波频率的基础上，接着进入跟踪环路，跟踪并得到精确的码相位和载波频率等原始观测量；最后，经过位同步和帧同步等解调出导航解算所用的导航电文数据。

再接着；导航解算单元436的根据处理所得到的GNSS观测值和导航电文，按照一定的算法进行相应的解算，最终输出无人测绘飞行器30的三维位置、速度、时间、测绘、视频信息。

如图3所示，所述信号跟踪环路442包括相位鉴别器4421、环路滤波器4422、压控振荡器4423，该相位鉴别器4421、环路滤波器4422、压控振荡器4423依次相连，以及该压控振荡器4423的输出相接于相位鉴别器4421的输入，形成锁相环电路结构，锁相环电路结构可以鉴别相位差异，尽可能保持本地复制载波与接收北斗卫星20信号载波保持一致。

本实施例中，所述数字信号处理器435选用TI公司的高性能浮点TMS320C6747DSP主处理芯片，它的内核电压在1.2V时具有375MHz的高速处理速度，能够满足北斗指挥型用户机43的实时高速处理要求，同时拥有可供选择的更加丰富的外围。

如图4所示，所述无人测绘飞行器30的数据采集与输出接口板37选用了速度快、功耗低和连接功能丰富全面的Xilinx公司的Spartan 6E单片机374，它具有超强的并行处理和编程配置能力，同时能够提供全新且更高效的双寄存器输入查找表逻辑和一系列丰富的内置系统级模块。

所述数据采集与输出接口板37的电路硬件结构包括多个模拟量输入端口371、A/D转换器372、译码器373、单片机374、电平转换芯片375、GPS定位数据采集电路376，所述模拟量输入端口371相接于A/D转换器372，该A/D转换器372相接于译码器373，该译码器373相接于单片机374，该单片机374相接电平转换芯片375和GPS定位数据采集电路376，该电平转换芯片375相接有北斗信号传输天线35。

该数据采集与输出接口板37的工作原理是：摄像头31、距离传感器32、蓄电池33、GPS卫星定位天线34将各种数据输入到该数据采集与输出接口板37，对于模拟数据将通过A/D转换器372和译码器373转换为能够被识别的数据信号，输送到单片机374，单片机374通过双串口连接电平转换芯片375将这些数据通过北斗信号传输天线35发送给北斗卫星20；与此同时，GPS定位信号被GPS定位数据采集电路376采集，输送到单片机374中处理，同理通过北斗信号传输天线35发送给北斗卫星20。

本实施例中，GPS卫星定位天线34和北斗信号传输天线35均采用右旋圆极化天线。此种天线能接收来自空中一定仰角卫星的导航信号，包括GPSL1、L2信号和北斗B1、B2等卫星信号。

基于上述嵌入式北斗GPS定位系统，本发明提出一种嵌入式北斗GPS定位系统的定位方法，由无人测绘飞行器30将GPS定位数据、影像数据、距离数据、电池监控数据传输到数据采集与输出接口板37，该数据采集与输出接口板37将各种数据通过北斗信号传输天线35发射到北斗卫星20，由北斗卫星20将信号反射到地面指挥控制中心40；地面指挥控制中心40接收到微弱的北斗卫星20反射信号，

首先将微弱的电信号低噪放大，利用带通滤波器431滤除带外干扰信号；其次利用下变频器432和频率合成器437将接收到各种导航射频信号与基准振荡438产生的正弦信号进行混频，并利用低通滤波器433滤波滤除高频分量得到中频模拟信号；最后经过A/D转换器434和增益控制电路439将模拟中频信号采样和数字化处理，并输出适合数字基带处理的数字中频信号；

接着，由数字信号处理器435将数字中频信号进行处理，处理过程是首先要进行信号搜索并捕获得到北斗卫星20粗略的信号码相位和载波频率；其次，在捕获到伪码相位和粗略载波频率的基础上，接着进入跟踪环路，跟踪并得到精确的码相位和载波频率等原始观测量；最后，经过位同步和帧同步等解调出导航解算所用的导航电文数据；

再接着；导航解算单元436的根据处理所得到的GNSS观测值和导航电文，按照一定的算法进行相应的解算，最终输出无人测绘飞行器30的三维位置、速度、时间、测绘、视频信息；

主机42将无人测绘飞行的三维位置、速度、时间、测绘、视频信息下载到本地，以及显示到指挥中心显示屏41上，方便监控人实时了解无人测绘飞行器30的相关信息。

本发明的设计重点在于：针对测绘飞行器测绘需求，为保证航区安全，防止发生撞击区区其它目标的事情，需要实时监测测绘飞行器的位置信息。然而GPS导航定位系统在定位精度方面具有优势，但不具备短消息传送功能。而北斗区域导航定位通信系统作为我国自主开发的卫星导航系统所具有的信息远程传送功能正好可以完成遥测系统的信息传送工作。将上述两系统结合，充分利用两种导航系统的技术优势，应用于测绘飞行器遥测系统，将提高测绘飞行器系统的定位性能，同时拓展测绘飞行器遥测系统的应用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种嵌入式北斗GPS定位系统，其特征在于：包括GPS卫星和北斗卫星，以及包括

一无人测绘飞行器，包括安装在该无人测绘飞行器机身中的摄像头、距离传感器、蓄电池、GPS卫星定位天线、北斗信号传输天线、无人测绘飞行器控制终端、数据采集与输出接口板，所述摄像头、距离传感器、蓄电池、GPS卫星定位天线、北斗信号传输天线、无人测绘飞行器控制终端均与数据采集与输出接口板相连，将GPS定位数据、影像数据、距离数据、电池监控数据传输到数据采集与输出接口板，该数据采集与输出接口板将各种数据通过北斗信号传输天线发射到北斗卫星，由北斗卫星将信号反射到地面指挥控制中心；

一地面指挥控制中心，包括指挥中心显示屏、主机、北斗指挥型用户机、北斗卫星接收天线，所述北斗卫星接收天线与北斗指挥型用户机相连，用于向无人测绘飞行器发送指令信息以及接收来自无人测绘飞行器的信息，所述北斗指挥型用户机与主机串行连接，所述主机与指挥中心显示屏相连接，将无人测绘飞行器的信息下载到主机，以及显示到指挥中心显示屏上，方便监控人实时了解无人测绘飞行器的相关信息；

所述北斗指挥型用户机的电路结构包括依次串联的带通滤波器、下变频器、低通滤波器、A/D转换器、数字信号处理器、导航解算单元，所述下变频器相接有频率合成器，该频率合成器与基准振荡相接；所述下变频器同时相接增益控制电路，该增益控制电路通过接口电路与数字信号处理器相接，以及接口电路相接有输入输出接口，数字信号处理器外围有信号跟踪环路，该数字信号处理器还相接存储单元。

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式北斗GPS定位系统，其特征在于：所述北斗卫星接收天线连接有低噪声放大器，对接收到的北斗卫星微弱的电信号低噪放大。

3.根据权利要求1所述的一种嵌入式北斗GPS定位系统，其特征在于：所述信号跟踪环路包括相位鉴别器、环路滤波器、压控振荡器，该相位鉴别器、环路滤波器、压控振荡器依次相连，以及该压控振荡器的输出相接于相位鉴别器的输入，形成锁相环电路结构，锁相环电路结构可以鉴别相位差异，尽可能保持本地复制载波与接收北斗卫星信号载波保持一致。

4.根据权利要求1所述的一种嵌入式北斗GPS定位系统，其特征在于：所述数字信号处理器选用TI公司的高性能浮点TMS320C6747DSP主处理芯片，它的内核电压在1.2V时具有375MHz的高速处理速度，能够满足北斗指挥型用户机的实时高速处理要求，同时拥有可供选择的更加丰富的外围。

5.根据权利要求1所述的一种嵌入式北斗GPS定位系统，其特征在于：所述无人测绘飞行器的数据采集与输出接口板选用了速度快、功耗低和连接功能丰富全面的Xilinx公司的Spartan 6E单片机，它具有超强的并行处理和编程配置能力，同时能够提供全新且更高效的双寄存器输入查找表逻辑和一系列丰富的内置系统级模块。

6.根据权利要求1所述的一种嵌入式北斗GPS定位系统，其特征在于：所述数据采集与输出接口板的电路硬件结构包括多个模拟量输入端口、A/D转换器、译码器、单片机、电平转换芯片、GPS定位数据采集电路，所述模拟量输入端口相接于A/D转换器，该A/D转换器相接于译码器，该译码器相接于单片机，该单片机相接电平转换芯片和GPS定位数据采集电路，该电平转换芯片相接有北斗信号传输天线。

7.根据权利要求1所述的一种嵌入式北斗GPS定位系统，其特征在于：GPS卫星定位天线和北斗信号传输天线均采用右旋圆极化天线。

8.一种嵌入式北斗GPS定位系统的定位方法，其特征在于：由无人测绘飞行器将GPS定位数据、影像数据、距离数据、电池监控数据传输到数据采集与输出接口板，该数据采集与输出接口板将各种数据通过北斗信号传输天线发射到北斗卫星，由北斗卫星将信号反射到地面指挥控制中心；地面指挥控制中心接收到微弱的北斗卫星反射信号，

首先将微弱的电信号低噪放大，利用带通滤波器滤除带外干扰信号；其次利用下变频器和频率合成器将接收到各种导航射频信号与基准振荡产生的正弦信号进行混频，并利用低通滤波器滤波滤除高频分量得到中频模拟信号；最后经过A/D转换器和增益控制电路将模拟中频信号采样和数字化处理，并输出适合数字基带处理的数字中频信号；

接着，由数字信号处理器将数字中频信号进行处理，处理过程是首先要进行信号搜索并捕获得到北斗卫星粗略的信号码相位和载波频率；其次，在捕获到伪码相位和粗略载波频率的基础上，接着进入跟踪环路，跟踪并得到精确的码相位和载波频率等原始观测量；最后，经过位同步和帧同步等解调出导航解算所用的导航电文数据；

再接着；导航解算单元的根据处理所得到的GNSS观测值和导航电文，按照一定的算法进行相应的解算，最终输出无人测绘飞行器的三维位置、速度、时间、测绘、视频信息；

主机将无人测绘飞行的三维位置、速度、时间、测绘、视频信息下载到本地，以及显示到指挥中心显示屏上，方便监控人实时了解无人测绘飞行器的相关信息。