CN111175793A - 一种船用北斗三号定位模块及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用北斗三号定位模块及定位方法，其主要技术特点为包括CPU、射频下变频电路、基带处理电路及外围电路；CPU包括主控CPU和备用CPU，其中主控CPU与基带处理电路采用总线连接；主控CPU与备用CPU通过串口相连接；基带处理电路包括外部中断管理功耗电路、TIC电路、译码电路、时钟切换电路、捕获电路、通道电路、跟踪电路、本地时钟电路、P码接口电路以及接口电路，基带处理电路与主控CPU通过总线连接；射频下变频电路包括信号接收电路、下变频电路、时钟电路，射频下变频电路与基带处理电路通过数字接口连接。本发明通过船用北斗三号定位模块及定位方法，实现船只能够使用北斗三号卫星进行定位。

Description

一种船用北斗三号定位模块及定位方法

技术领域

本发明属于船用定位领域，尤其是一种船用北斗三号定位模块及定位方法。

背景技术

北斗三号卫星导航系统播发全新的卫星导航信号B1C、B2a，其技术先进、性能优异，与GPS和Galileo具有极好的兼容与互操作性。

B1C信号的载波频率为1575.42MHz，与GPS L1和GalileoE1共享频点，带宽为32.736MHz。采用数据与导频正交的现代化信号结构：数据分量由导航电文和测距码经子载波调制产生，采用正弦BOC(1,1)调制；导频分量由测距码经子载波调制产生，采用QMBOC(6,1,4/33)调制。数据分量与导频分量的功率比为1:3，信号功率向导频倾斜，符合测距精度越高越好、解调性能够用即可的设计原则，有利于提升B1C信号的整体性能。

B2a信号载波频率1176.45MHz，与GPS L5和Galileo E5a共享频点，带宽为20.46MHz。也采用数据与导频正交的结构(QPSK)：数据分量由导航电文数据和测距码调制产生，采用BPSK(10)调制；导频分量仅包括测距码，也采用BPSK(10)调制。导频分量与数据分量的功率比为1:1。

目前市场尚未出现船用北斗三号模块及定位方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种船用北斗三号定位模块及定位方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种船用北斗三号定位模块，其特征在于：包括CPU、射频下变频电路、基带处理电路及外围电路；

所述CPU包括主控CPU和备用CPU，其中主控CPU与基带处理电路采用总线连接；主控CPU与备用CPU通过串口相连接；

基带处理电路包括外部中断管理功耗电路、TIC电路、译码电路、时钟切换电路、捕获电路、通道电路、跟踪电路、本地时钟电路、P码接口电路以及串口接口电路，基带处理电路与主控CPU通过总线连接，并与处理射频下变频电路串口连接；

射频下变频电路与基带处理电路通过数字接口连接。

而且，主控CPU采用GM4676芯片，备用CPU采用STM32F767芯片，射频下变频电路包括RX3902B芯片，基带处理电路包括两片5CEFA9U19的FPGA芯片，外围电路包括PRM芯片、MPD007芯片，5CEFA9U19的FPGA芯片的配置芯片，延迟电路，SDRAM，FLASH，内部时钟产生及切换电路。

而且，射频下变频电路包括：有源天线、低噪声放大器、功分器、带通滤波器、差分放大器、射频芯片RX3902B，射频芯片RX3902B包括低通滤波器、AGC自动增益放大器及AD转换器；其结构为：有源天线连接低噪声放大器的输入端，低噪声放大器的输出端连接功分器的输入端，功分器的输出端分别连接三个带通滤波器以及三个差分放大器，差分放大器的输出端连接射频芯片RX3902B的低通滤波器、AGC自动增益放大器及AD转换器，内部时钟及切换电路连接射频芯片RX3902B。

而且，所述射频下变频电路中两级低噪声放大器采用SGA0363Z，功分器采用WP4G+。

而且，所述基带处理电路包括：P码接口电路、时钟切换电路、本地时钟电路、TIC电路、外部中断管理功耗电路、通道电路、捕获电路、串口接口电路，译码电路、跟踪电路；其结构为：P码接口电路连接通道电路，时钟切换电路分别连接通道电路及捕获电路，本地时钟电路分别连接外部中断管理功耗电路、TIC电路、捕获电路、通道电路、串口接口电路，译码电路连接跟踪电路，TIC电路、捕获电路、跟踪电路、外部中断管理功耗电路及串口接口电路。

而且，所述捕获电路包括：DDC、伪码子载波发生器、滤波器、缓存采样转换器、并行相关单元、位移寄存器、缓存、运算电路、相关峰查找电路，并行相关单元包括并行相关器I/并行相关器Q，其结构为：伪码子载波发生器连接缓存采样转换器后连接位移寄存器，DDC连接滤波器及缓存采样转换器，然后分为两路连接两路并行相关单元、缓存、运算电路及相关峰查找电路。

而且，所述跟踪电路包括：DDC、观测量计数器、码NCO、子载波NCO、通道相关器组、码产生器、N选1电路、积分电路、跟踪环路及RAM,积分电路包括位同步帧同步译码电路、FLL、PLL、DLL、SLL；DDC分为两路连接观测量计数器及通道相关器组，码NCO分为两路连接观测量计数器及码产生器，通道相关器组连接N选1电路、积分电路、跟踪环路及RAM。

一种船用北斗三号定位模块的定位方法，所述定位方法的具体步骤为：定位信号通过射频下变频电路的信号接收电路接收，接收到的定位信号经初步处理后输入至射频下变频电路，初步处理的定位信号通过射频下变频电路变为数字中频信号，数字中频信号通过基带处理电路提取产生的观测量、电文信息进行位置、速度、钟差解算，通过基带处理电路提取的解算结果通过CPU的串口输出；

射频下变频电路的步骤为：信号通过有源天线进入两级低噪声放大器放大信号，通过功分器将接收信号分为三路，再经过带通滤波器滤除掉带外信号和镜像噪声后经差分放大器将信号差分后送入射频芯片RX3902B，射频芯片接收到射频信号后，采用同相/正交(I/Q)形式进行混频处理，将射频信号下变频为低中频信号，中频再经过低通滤波器将不需要的高频成分滤掉，再对中频信号使用AGC自动增益进行放大，最后I/Q支路分别通过AD器件模数转换，得到I/Q支路的数字中频信号；

基带处理电路的步骤为：射频下变频处理后的信号通过时钟切换电路后分别输入至捕获电路以及通道电路中，外部中断管理功耗电路、TIC电路、捕获电路、跟踪电路、串口接口电路将输出的结果送入译码电路提取基带单元产生的观测量、电文信息进行位置、速度、钟差解算，并且最终将解算结果通过串口输出；

捕获电路的步骤为：当信号捕获单元收到信号捕获指令，捕获单元首先进入数据存储过程，数字中频信号与本地产生的所有需要捕获卫星信号的码同时存入缓存中，存数完成之后，信号捕获单元进入相关运算过程，捕获电路依次将所存储的卫星数据和子码送入相关器进行相关运算，时域相关使用两路并行相关单元，每路包含512个并行复数相关器，每次相位搜索完成后，硬件电路会控制子码偏移后重新取数进行相关，直到搜索完所有相位；相关器输出的积分清零结果被分段存储在缓存当中，当一次相关完成后通知频域FFT模块进行FFT运算；

跟踪电路的步骤：每个相关通道中的通道相关器跟踪信号及解调支路获取电文；码产生器产生相位相同的导频码和数据码，在跟踪导频进行数据解调；观测量计数器观测量计数和锁存所有NCO的相位值；各个通道的相关值分时送入跟踪环路中进行鉴相滤波和数据解调等操作；跟踪环路获取电文解调译码电路电文信息；同步电路建立接收信号的帧同步和位同步；FLL和PLL跟踪载波；DLL跟踪PN码；SLL跟踪子载波；跟踪获得的环路滤波器的输出值通过总线反馈至各个相关通道的NCO实现本地对接收信号载波、子载波和PN码的复现。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过由CPU、射频下变频电路、基带处理单元及外围电路组成船用北斗三号定位模块，能够实现船只使用北斗三号卫星进行定位。

2、本发明通过使用主控及备用CPU使得两个CPU在发生故障时能够相互切换，不影响船只定位的工作。

3、本发明通过使用RX3902B构成射频下变频电路，使得定位精度高，接收信号反应快。

4、本发明通过使用5CEFA9U19的FPGA芯片构成基带处理电路，使得其处理速度较快，并且可附加其他功能。

5、本发明通过使用附加PRM芯片、MPD007芯片，实现了支持支持北斗二号军码信号，能够实现军用精准定位。

附图说明

图1是本发明的北斗三号定位模块原理框图；

图2是本发明的射频单元原理图；

图3是本发明的基带处理电路原理图；

图4是本发明的BOC信号捕获原理图；

图5是本发明的跟踪电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详述。

如图1所示，一种船用北斗三号定位模块包括CPU、射频下变频电路、基带处理电路及外围电路；所述CPU包括主控CPU和备用CPU，其中主控CPU与基带处理电路采用总线连接；主控CPU与备用CPU通过串口相连接；基带处理电路包括外部中断管理功耗电路、TIC电路、译码电路、时钟切换电路、捕获电路、通道电路、跟踪电路、本地时钟电路、P码接口电路以及接口电路，基带处理电路与主控CPU通过总线连接，并与处理射频下变频电路串口连接；射频下变频电路包括信号接收电路、下变频电路、时钟电路，射频下变频电路通与基带处理电路通过数字接口连接。定位信号通过射频下变频电路的信号接收电路接收，接收到的定位信号经初步处理后输入至下变频电路，初步处理的定位信号通过下变频电路变为数字中频信号，数字中频信号通过基带处理电路提取产生的观测量、电文信息进行位置、速度、钟差解算，通过基带处理电路提取的解算结果通过CPU的串口输出。

主控CPU采用GM4676芯片，备用CPU采用STM32F767芯片，射频下变频电路包括RX3902B芯片，基带处理电路包括两片5CEFA9U19的FPGA芯片，外围电路包括PRM芯片、MPD007芯片，5CEFA9U19的FPGA芯片的配置芯片，延迟电路，SDRAM，FLASH，内部时钟产生及切换电路，其中板卡内部产生10Mhz的时钟，同时可通过ARM-M7切换为外部10MHz输入；配置的PRM芯片和MPD007芯片是为了兼容支持北斗二号军码信号。

如图2所示，射频下变频电路包括：有源天线、低噪声放大器、功分器、带通滤波器、差分放大器、射频芯片RX3902B、低通滤波器、AGC自动增益放大器及AD转换器；其结构为：有源天线连接低噪声放大器的输入端，低噪声放大器的输出端连接功分器的输入端，功分器的输出端分别连接三个带通滤波器以及三个差分放大器，差分放大器的输出端连接射频芯片RX3902B的信号输入端，射频芯片RX3902B的信号输出端连接低通滤波器、AGC自动增益放大器及AD转换器，内部时钟及切换电路连接射频芯片RX3902B。射频下变频电路中两级低噪声放大器采用SGA0363Z，功分器采用WP4G+。

射频下变频电路的步骤为：信号通过有源天线进入两级低噪声放大器放大低噪声，通过功分器将接收信号分为三路，再经过带通滤波器滤除掉带外信号和镜像噪声后经差分放大器将信号差分后送入射频芯片RX3902B，射频芯片接收到射频信号后，采用同相/正交(I/Q)形式进行混频处理,将射频信号下变频为低中频信号，中频再经过低通滤波器将不需要的高频成分滤掉，再对中频信号使用AGC自动增益进行放大，最后I/Q支路分别通过AD器件模数转换，得到I/Q支路的数字中频信号。

如图3所示，基带处理电路包括：P码接口电路、时钟切换电路、本地时钟电路、TIC电路、外部中断管理功耗电路、通道电路、捕获电路、接口电路，译码电路、跟踪电路；其结构为：P码接口电路连接通道电路，时钟切换电路分别连接通道电路及捕获电路，本地时钟电路分别连接外部中断管理功耗电路、TIC电路、捕获电路、通道电路、接口电路，译码电路连接跟踪电路，TIC电路、捕获电路、跟踪电路、外部中断管理功耗电路及接口电路。

基带处理电路的步骤为：射频下变频处理后的信号通过时钟切换电路后分别输入至捕获电路以及通道电路中，外部中断管理功耗电路、TIC电路、捕获电路、跟踪电路、接口电路将输出的结果送入译码电路提取基带单元产生的观测量、电文信息进行位置、速度、钟差解算，并且最终将解算结果通过串口输出。

全球体制信号捕获电路采用基于相关器和FFT的二维并行搜索电路进行BOC信号的捕获。结合存储、时域并行相关器和频域FFT算法，加快搜索过程，一次性完成码相位的时域和频率搜索。如图4所示，捕获电路包括：DDC、伪码子载波发生器、滤波器、缓存采样转换器、并行相关单元、位移寄存器、缓存、运算电路、相关峰查找电路，并行相关单元包括并行相关器I/并行相关器Q,其结构为：伪码子载波发生器连接缓存采样转换器后连接位移寄存器，DDC连接滤波器及缓存采样转换器，然后分为两路连接两路并行相关单元、缓存、运算电路及相关峰查找电路；

捕获电路的步骤为：当信号捕获单元收到信号捕获指令，捕获单元首先进入数据存储过程，数字中频信号与本地产生的所有需要捕获卫星信号的码同时存入缓存中，存数完成之后，信号捕获单元进入相关运算过程，捕获电路依次将所存储的卫星数据和子码送入相关器进行相关运算，时域相关使用两路并行相关单元，每路包含512个并行复数相关器，每次相位搜索完成后，硬件电路会控制子码偏移后重新取数进行相关，直到搜索完所有相位；相关器输出的积分清零结果被分段存储在缓存当中，当一次相关完成后通知频域FFT模块进行FFT运算。

全球体制导航信号包括多种信号调制方式，接收机对各种调制信号的具体跟踪方法不尽相同，但都是通过对载波、子载波和码的跟踪实现对导航信号的跟踪。在各个频点的基带处理电路中，跟踪电路主要由多个独立的相关通道和跟踪环路组成。如图5所示，追踪电路包括：DDC、观测量计数器、码NCO、子载波NCO、通道相关器组、码产生器、N选1电路、积分电路、跟踪环路及RAM,积分电路包括位同步帧同步译码电路、FLL、PLL、DLL、SLL；DDC分为两路连接观测量计数器及通道相关器组，码NCO分为两路连接观测量计数器及码产生器，通道相关器组连接N选1电路、积分电路、跟踪环路及RAM；

跟踪电路的步骤：每个相关通道中的通道相关器组运算跟踪信号及解调支路获取电文；码产生器产生相位相同的导频码和数据码，在跟踪导频进行数据解调；观测量计数器观测量计数和锁存所有NCO的相位值；各个通道的相关值分时送入跟踪环路中进行鉴相滤波和数据解调等操作；跟踪环路获取电文解调译码电路电文信息；同步电路建立接收信号的帧同步和位同步；FLL和PLL跟踪载波；DLL跟踪PN码；SLL跟踪子载波；跟踪获得的环路滤波器的输出值通过总线反馈至各个相关通道的NCO实现本地对接收信号载波、子载波和PN码的复现。

一种船用北斗三号定位方法的具体步骤为：定位信号通过射频下变频电路的信号接收电路接收，接收到的定位信号经初步处理后输入至下变频电路，初步处理的定位信号通过下变频电路变为数字中频信号，数字中频信号通过基带处理电路提取产生的观测量、电文信息进行位置、速度、钟差解算，通过基带处理电路提取的解算结果通过CPU的串口输出，其中：

射频下变频电路处理步骤为：信号通过有源天线进入两级低噪声放大器放大信号，通过功分器将接收信号分为三路，再经过带通滤波器滤除掉带外信号和镜像噪声后经差分放大器将信号差分后送入射频芯片RX3902B，射频芯片接收到射频信号后，采用同相/正交(I/Q)形式进行混频处理，将射频信号下变频为低中频信号，中频再经过低通滤波器将不需要的高频成分滤掉，再对中频信号使用AGC自动增益进行放大，最后I/Q支路分别通过AD器件模数转换，得到I/Q支路的数字中频信号；

基带处理电路处理步骤为：射频下变频处理后的信号通过时钟切换电路后分别输入至捕获电路以及通道电路中，外部中断管理功耗电路、TIC电路、捕获电路、跟踪电路、串口接口电路将输出的结果送入译码电路提取基带单元产生的观测量、电文信息进行位置、速度、钟差解算，并且最终将解算结果通过串口输出；

捕获电路的处理步骤为：当信号捕获单元收到信号捕获指令，捕获单元首先进入数据存储过程，数字中频信号与本地产生的所有需要捕获卫星信号的码同时存入缓存中，存数完成之后，信号捕获单元进入相关运算过程，捕获电路依次将所存储的卫星数据和子码送入相关器进行相关运算，时域相关使用两路并行相关单元，每路包含512个并行复数相关器，每次相位搜索完成后，硬件电路会控制子码偏移后重新取数进行相关，直到搜索完所有相位；相关器输出的积分清零结果被分段存储在缓存当中，当一次相关完成后通知频域FFT模块进行FFT运算；

跟踪电路的处理步骤为：每个相关通道中的通道相关器跟踪信号及解调支路获取电文；码产生器产生相位相同的导频码和数据码，在跟踪导频进行数据解调；观测量计数器观测量计数和锁存所有NCO的相位值；各个通道的相关值分时送入跟踪环路中进行鉴相滤波和数据解调等操作；跟踪环路获取电文解调译码电路电文信息；同步电路建立接收信号的帧同步和位同步；FLL和PLL跟踪载波；DLL跟踪PN码；SLL跟踪子载波；跟踪获得的环路滤波器的输出值通过总线反馈至各个相关通道的NCO实现本地对接收信号载波、子载波和PN码的复现。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种船用北斗三号定位模块，其特征在于：包括CPU、射频下变频电路、基带处理电路及外围电路；

所述CPU包括主控CPU和备用CPU，其中主控CPU与基带处理电路采用总线连接；主控CPU与备用CPU通过串口相连接；

基带处理电路包括外部中断管理功耗电路、TIC电路、译码电路、时钟切换电路、捕获电路、通道电路、跟踪电路、本地时钟电路、P码接口电路以及串口接口电路，基带处理电路与主控CPU通过总线连接，并与处理射频下变频电路串口连接；

射频下变频电路与基带处理电路通过数字接口连接。

2.根据权利要求1所述的船用北斗三号定位模块，其特征在于：主控CPU采用GM4676芯片，备用CPU采用STM32F767芯片，射频下变频电路包括RX3902B芯片，基带处理电路包括两片5CEFA9U19的FPGA芯片，外围电路包括PRM芯片、MPD007芯片，5CEFA9U19的FPGA芯片的配置芯片，延迟电路，SDRAM，FLASH，内部时钟产生及切换电路。

3.根据权利要求1或2所述的船用北斗三号定位模块，其特征在于：射频下变频电路包括：有源天线、低噪声放大器、功分器、带通滤波器、差分放大器、射频芯片RX3902B，射频芯片RX3902B包括低通滤波器、AGC自动增益放大器及AD转换器；其结构为：有源天线连接低噪声放大器的输入端，低噪声放大器的输出端连接功分器的输入端，功分器的输出端分别连接三个带通滤波器以及三个差分放大器，差分放大器的输出端连接射频芯片RX3902B的低通滤波器、AGC自动增益放大器及AD转换器，内部时钟及切换电路连接射频芯片RX3902B。

4.根据权利要求3所述的船用北斗三号定位模块，其特征在于：所述射频下变频电路中两级低噪声放大器采用SGA0363Z，功分器采用WP4G+。

5.根据权利要求1所述的船用北斗三号定位模块，其特征在于：所述基带处理电路包括：P码接口电路、时钟切换电路、本地时钟电路、TIC电路、外部中断管理功耗电路、通道电路、捕获电路、串口接口电路，译码电路、跟踪电路；其结构为：P码接口电路连接通道电路，时钟切换电路分别连接通道电路及捕获电路，本地时钟电路分别连接外部中断管理功耗电路、TIC电路、捕获电路、通道电路、串口接口电路，译码电路连接跟踪电路，TIC电路、捕获电路、跟踪电路、外部中断管理功耗电路及串口接口电路。

6.根据权利要求5所述的船用北斗三号定位模块，其特征在于：所述捕获电路包括：DDC、伪码子载波发生器、滤波器、缓存采样转换器、并行相关单元、位移寄存器、缓存、运算电路、相关峰查找电路，并行相关单元包括并行相关器I/并行相关器Q，其结构为：伪码子载波发生器连接缓存采样转换器后连接位移寄存器，DDC连接滤波器及缓存采样转换器，然后分为两路连接两路并行相关单元、缓存、运算电路及相关峰查找电路。

7.根据权利要求5所述的船用北斗三号定位模块，其特征在于：所述跟踪电路包括：DDC、观测量计数器、码NCO、子载波NCO、通道相关器组、码产生器、N选1电路、积分电路、跟踪环路及RAM,积分电路包括位同步帧同步译码电路、FLL、PLL、DLL、SLL；DDC分为两路连接观测量计数器及通道相关器组，码NCO分为两路连接观测量计数器及码产生器，通道相关器组连接N选1电路、积分电路、跟踪环路及RAM。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述船用北斗三号定位模块的定位方法，其特征在于：所述定位方法的具体步骤为：定位信号通过射频下变频电路的信号接收电路接收，接收到的定位信号经初步处理后输入至射频下变频电路，初步处理的定位信号通过射频下变频电路变为数字中频信号，数字中频信号通过基带处理电路提取产生的观测量、电文信息进行位置、速度、钟差解算，通过基带处理电路提取的解算结果通过CPU的串口输出；

射频下变频电路的步骤为：信号通过有源天线进入两级低噪声放大器放大信号，通过功分器将接收信号分为三路，再经过带通滤波器滤除掉带外信号和镜像噪声后经差分放大器将信号差分后送入射频芯片RX3902B，射频芯片接收到射频信号后，采用同相/正交(I/Q)形式进行混频处理，将射频信号下变频为低中频信号，中频再经过低通滤波器将不需要的高频成分滤掉，再对中频信号使用AGC自动增益进行放大，最后I/Q支路分别通过AD器件模数转换，得到I/Q支路的数字中频信号；

基带处理电路的步骤为：射频下变频处理后的信号通过时钟切换电路后分别输入至捕获电路以及通道电路中，外部中断管理功耗电路、TIC电路、捕获电路、跟踪电路、串口接口电路将输出的结果送入译码电路提取基带单元产生的观测量、电文信息进行位置、速度、钟差解算，并且最终将解算结果通过串口输出；

捕获电路的步骤为：当信号捕获单元收到信号捕获指令，捕获单元首先进入数据存储过程，数字中频信号与本地产生的所有需要捕获卫星信号的码同时存入缓存中，存数完成之后，信号捕获单元进入相关运算过程，捕获电路依次将所存储的卫星数据和子码送入相关器进行相关运算，时域相关使用两路并行相关单元，每路包含512个并行复数相关器，每次相位搜索完成后，硬件电路会控制子码偏移后重新取数进行相关，直到搜索完所有相位；相关器输出的积分清零结果被分段存储在缓存当中，当一次相关完成后通知频域FFT模块进行FFT运算；

跟踪电路的步骤：每个相关通道中的通道相关器跟踪信号及解调支路获取电文；码产生器产生相位相同的导频码和数据码，在跟踪导频进行数据解调；观测量计数器观测量计数和锁存所有NCO的相位值；各个通道的相关值分时送入跟踪环路中进行鉴相滤波和数据解调等操作；跟踪环路获取电文解调译码电路电文信息；同步电路建立接收信号的帧同步和位同步；FLL和PLL跟踪载波；DLL跟踪PN码；SLL跟踪子载波；跟踪获得的环路滤波器的输出值通过总线反馈至各个相关通道的NCO实现本地对接收信号载波、子载波和PN码的复现。

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