CN116400391A - 一种基于arm的嵌入式gnss数据处理与传输系统 - Google Patents

一种基于arm的嵌入式gnss数据处理与传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统，包括电源模块、卫星接收天线、GNSS接收机、Modbus转USB桥接器和ARM嵌入式系统模块，卫星接收天线接收卫星导航信号；GNSS接收机包括依次连接的低噪放模块、变频采样模块和捕获跟踪处理模块；Modbus转USB桥接器对解调和解扩处理后的中频数字信号进行协议转换，并将转换后的数字卫星导航信号输入至ARM嵌入式系统模块；ARM嵌入式系统模块用于对FPGA芯片进行通道分配、通道状态读取以及通道控制，并用于对数字卫星导航信号进行数据处理。本发明将卫星导航信号进行本地处理，降低了系统对网络带宽的依赖，提高了系统的灵活性、稳定性和适应性。

Description

一种基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统。
背景技术
卫星导航定位技术已在全球广泛应用，而广泛应用的物质基础就是卫星导航接收机。现有的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)的硬件架构大多采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)处理器+FPGA(FieldProgrammable Gate Array，可编程阵列逻辑)相关通道的形式，或者采用基于卫星导航芯片的形式。然而，由于GNSS的实时传输数据量巨大，导致无法适用于常用的物联网的网络带宽，进而导致数据传输和处理效率低下；此外，采用DSP处理器+FPGA相关通道的硬件架构存在硬件成本较高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的由于GNSS的实时传输数据量巨大，导致无法适用于常用的物联网的网络带宽，进而导致数据传输和处理效率低下；此外，采用DSP处理器+FPGA相关通道的硬件架构存在硬件成本较高的技术问题，旨在提供一种基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统，以至少达到提高物联网下的GNSS数据处理与传输系统的数据传输和处理效率，同时降低系统的硬件成本。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一方面提供一种基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统，包括电源模块、卫星接收天线、GNSS接收机、Modbus转USB桥接器以及ARM嵌入式系统模块，所述电源模块分别与所述GNSS接收机、Modbus转USB桥接器以及ARM嵌入式系统模块连接，所述卫星接收天线与所述GNSS接收机连接，所述GNSS接收机与所述Modbus转USB桥接器连接，所述Modbus转USB桥接器与所述ARM嵌入式系统模块连接；
所述卫星接收天线用于接收各种类型的卫星导航信号，其中，卫星导航信号至少包括GPS信号、BDS信号、GALILEO信号和/或GlONASS信号；
所述GNSS接收机包括依次连接的低噪放模块、变频采样模块和捕获跟踪处理模块；所述低噪放模块用于对接收的卫星导航信号进行滤波和放大处理，以便输入的射频信号满足变频采样模块的信号处理要求；所述变频采样模块用于将滤波放大处理后的卫星导航信号变频处理为中频信号，并对中频信号进行采样、量化以及输出数字形式的中频信号；所述捕获跟踪处理模块用于采用FPGA芯片对数字形式的中频信号进行解调和解扩处理；
所述Modbus转USB桥接器用于对解调和解扩处理后的中频数字信号进行协议转换，并将转换后的数字卫星导航信号输入至所述ARM嵌入式系统模块；
所述ARM嵌入式系统模块用于对FPGA芯片进行通道分配、通道状态读取以及通道控制，并用于对数字卫星导航信号进行数据处理。
基于上述公开的内容，本发明通过卫星接收天线接收卫星导航信号，通过GNSS接收机的低噪放模块对接收的卫星导航信号进行滤波和放大处理，以便输入的射频信号满足变频采样模块的信号处理要求；通过变频采样模块将滤波放大处理后的卫星导航信号变频处理为中频信号，并对中频信号进行采样、量化以及输出数字形式的中频信号；通过捕获跟踪处理模块采用FPGA芯片对数字形式的中频信号进行解调和解扩处理；通过Modbus转USB桥接器对解调和解扩处理后的中频数字信号进行协议转换，并将转换后的数字卫星导航信号输入至ARM嵌入式系统模块；通过ARM嵌入式系统模块对FPGA芯片进行通道分配、通道状态读取以及通道控制，并用于对数字卫星导航信号进行数据处理。即本发明通过采用ARM嵌入式系统模块，利用ARM嵌入式系统模块内置的信号处理算法程序，可以将卫星导航信号进行本地处理，从而降低了系统对网络带宽的依赖，提高了系统的灵活性、稳定性和适应性，进而提高了物联网下的GNSS数据处理与传输系统的数据传输和处理效率，相较于传统采用DSP处理器+FPGA相关通道的系统架构，降低了系统的硬件成本。
在一种可能的设计中，还包括4G模块，所述4G模块与所述ARM嵌入式系统模块连接，用于将所述ARM嵌入式系统模块的数据处理结果上传至上位机服务器，以便上位机服务器对数据处理结果作进一步分析和处理。
基于上述公开的内容，本申请实施例在将卫星导航信号进行本地处理之后，将数据处理结果基于4G模块上传至上位机服务器，从而分散了服务器的计算压力，提高了数据处理效率。
在一种可能的设计中，所述上位机服务器采用Transformer机制优化的双向长短时记忆网络模型对数据处理结果作进一步分析和处理。
基于上述公开的内容，通过上位机服务器采用Transformer机制优化的双向长短时记忆网络模型对数据处理结果作进一步分析和处理，能够实现对更加复杂数据的处理，提高数据处理效率。
在一种可能的设计中，所述ARM嵌入式系统模块包括基于四核64位的ARM Cortex系列处理器、内存管理模块以及内存模块，其中，ARM Cortex系列处理器的内核通过内存管理模块访问内存模块。
基于上述公开的内容，ARM Cortex系列处理器的内核通过内存管理模块访问内存模块，能够有效减少外部内存模块的访问时间，缩短程序运行周期。
在一种可能的设计中，ARM Cortex系列处理器包括Arm Cortex-M0+处理器或ARMCortex-A72处理器。
基于上述公开的内容，采用Arm Cortex-M0+处理器能够降低模块功耗，采用ARMCortex-A72处理器能够提高系统响应速度和实时性。
在一种可能的设计中，所述内存管理模块采用物理地址到虚拟地址的映射机制来进行内存管理。
在一种可能的设计中，ARM Cortex系列处理器的内核通过内存管理模块访问内存模块，包括：
若内存管理模块未配置和未使能，则ARM Cortex系列处理器的内核通过物理地址访问内存模块；
若内存管理模块已配置和已使能，则ARM Cortex系列处理器的内核通过虚拟地址访问内存管理模块，并通过内存管理模块将虚拟地址映射为物理地址以访问内存模块。
在一种可能的设计中，所述内存模块包括RAM单元和ROM单元，其中，RAM单元的访问权限配置为直写回写CB模式，ROM单元的访问权限配置为不可直可回写NCB模式。
附图说明
图1为本申请实施例中的基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统的结构框图；
图2为本申请实施例中的GNSS接收机的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。
为了克服现有技术存在的由于GNSS的实时传输数据量巨大，导致无法适用于常用的物联网的网络带宽，进而导致数据传输和处理效率低下；此外，采用DSP处理器+FPGA相关通道的硬件架构存在硬件成本较高的技术问题，本申请实施例提供一种基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统，以至少达到通过采用ARM嵌入式系统模块，利用ARM嵌入式系统模块内置的信号处理算法程序，可以将卫星导航信号进行本地处理，从而降低了系统对网络带宽的依赖，提高了系统的灵活性、稳定性和适应性，进而提高了物联网下的GNSS数据处理与传输系统的数据传输和处理效率，相较于传统采用DSP处理器+FPGA相关通道的系统架构，降低了系统的硬件成本的有益效果。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
如图1和图2所示，本申请实施例一方面提供一种基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统，包括电源模块、卫星接收天线、GNSS接收机、Modbus转USB桥接器以及ARM嵌入式系统模块，所述电源模块分别与所述GNSS接收机、Modbus转USB桥接器以及ARM嵌入式系统模块连接，优选的，电源模块采用型号为台湾明伟多路开关电源模块5V/5A12V/3A，所述卫星接收天线与所述GNSS接收机连接，所述GNSS接收机与所述Modbus转USB桥接器连接，所述Modbus转USB桥接器与所述ARM嵌入式系统模块连接；
所述卫星接收天线用于接收各种类型的卫星导航信号，其中，卫星导航信号至少包括GPS(Global Positioning System，全球定位系统)信号、BDS(Beidou NavigationSatellite System，北斗卫星导航系统)信号、GALILEO(Galileo satellite navigationsystem，伽利略卫星导航系统)信号和/或GlONASS(格洛纳斯)信号，即所述卫星接收天线采用涵盖上述信号的全频外置测量天线；
所述GNSS接收机包括依次连接的低噪放模块、变频采样模块和捕获跟踪处理模块；所述低噪放模块用于对接收的卫星导航信号进行滤波和放大处理，以便输入的射频信号满足变频采样模块的信号处理要求，优选的，所述低噪放单元采用的增益为30dB；所述变频采样模块用于将滤波放大处理后的卫星导航信号变频处理为中频信号，并对中频信号进行采样、量化以及输出数字形式的中频信号，优选的，所述变频采样模块的输入可以是L波段卫星导航信号，输出为数字形式的中频信号；所述捕获跟踪处理模块用于采用FPGA芯片对数字形式的中频信号进行解调和解扩处理，优选的，所述捕获跟踪处理模块的通道数设为GPS(Global Positioning System，全球定位系统)信号12个、BDS(Beidou NavigationSatellite System，北斗卫星导航系统)信号12个、GALILEO(Galileo satellitenavigation system，伽利略卫星导航系统)信号12个和/或GlONASS(格洛纳斯)信号12个；
所述Modbus转USB桥接器用于对解调和解扩处理后的中频数字信号进行协议转换，并将转换后的数字卫星导航信号输入至所述ARM嵌入式系统模块，具体的，Modbus转USB桥接对解调和解扩处理后的中频数字信号从ASCII数据转换为可被ARM嵌入式系统模块兼容处理的数据，从而增加基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统的灵活性；
所述ARM嵌入式系统模块用于对FPGA芯片进行通道分配、通道状态读取以及通道控制，并用于对数字卫星导航信号进行数据处理；优选的，基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统采用基于四核64位的ARM Cortex系列处理器，并在处理器中嵌入多种GNSS信号处理程序，包括但不限于RTKlib(标准&精密定位开源程序包)和GAMP程序包，其程序算法原理采用现有的算法原理，此处不再赘述。通过集成在该ARM嵌入式系统模块的数据处理软件对数字卫星导航信号进行数据处理，使得卫星导航信号在本地得到了处理，降低了物联网下的GNSS数据处理系统对网络带宽的需求。
在一种具体的实施方式中，还包括4G模块，所述4G模块与所述ARM嵌入式系统模块连接，用于将所述ARM嵌入式系统模块的数据处理结果上传至上位机服务器，以便上位机服务器对数据处理结果作进一步分析和处理；其中，优选的，所述4G模块采用移动通信EC20全网通4G模块，其参数可以设置为频率为698-960/1710-2700MHz；增益为5dBi；阻抗为50ohm。其中，优选的，所述上位机服务器采用Transformer机制优化的双向长短时记忆网络模型对数据处理结果作进一步分析和处理。
在一种具体的实施方式中，所述ARM嵌入式系统模块包括基于四核64位的ARMCortex系列处理器、内存管理模块以及内存模块，其中，ARM Cortex系列处理器的内核通过内存管理模块访问内存模块。优选的，ARM Cortex系列处理器包括Arm Cortex-M0+处理器或ARM Cortex-A72处理器；内存模块采用2GB的内存模块；其中，采用基于Arm Cortex-M0+处理器的STM32G0嵌入式平台能够降低模块功耗；采用ARM Cortex-A72处理器能够提高系统的响应速度和实时性。从而基于上述公开的内容，相较于传统的GNSS数据接收和处理系统，本申请实施例的系统灵活性更高，同时降低了本地设备对网络的依赖程度，提高了系统稳定性和适应性。
在一种具体的实施方式中，所述内存管理模块采用物理地址到虚拟地址的映射机制来进行内存管理。优选的，ARM Cortex系列处理器的内核通过内存管理模块访问内存模块，包括：
若内存管理模块未配置和未使能，则ARM Cortex系列处理器的内核通过物理地址访问内存模块；
若内存管理模块已配置和已使能，则ARM Cortex系列处理器的内核通过虚拟地址访问内存管理模块，并通过内存管理模块将虚拟地址映射为物理地址以访问内存模块。
具体的，ARM Cortex系列处理器的时钟设置为200MHz-400MHz，若采用ARM Cortex系列处理器拟实现双系统24通道、定位更新率20Hz或者三系统36通道以及定位更新率10Hz，则传统的配置方法难以实现。本申请实施例的ARM Cortex系列处理器在内置程序执行过程中，ARM Cortex系列处理器的内核通过地址来访问外部单元，该外部单元优选为内存单元，其中，若内存管理模块未配置和未使能，则ARM Cortex系列处理器的内核通过物理地址访问内存模块；若内存管理模块已配置和已使能，则ARM Cortex系列处理器的内核通过虚拟地址访问内存管理模块，并通过内存管理模块将虚拟地址映射为物理地址以访问内存模块，基于上述公开的内容，能够有效减少对外部内存模块的访问时间，进而缩短处理器内置程序的运行周期。
在一种具体的实施方式中，所述内存模块包括RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)单元和ROM(Read-Only Memory，只读存储器)单元，其中，RAM单元的访问权限配置为直写回写CB模式，ROM单元的访问权限配置为不可直可回写NCB模式。其中，在访问权限配置过程中，页表基地址可以选择内存RAM的地址段，虚拟地址到物理地址采用直接映射的机制。
基于上述公开的内容，本申请实施例通过卫星接收天线接收卫星导航信号，通过GNSS接收机的低噪放模块对接收的卫星导航信号进行滤波和放大处理，以便输入的射频信号满足变频采样模块的信号处理要求；通过变频采样模块将滤波放大处理后的卫星导航信号变频处理为中频信号，并对中频信号进行采样、量化以及输出数字形式的中频信号；通过捕获跟踪处理模块采用FPGA芯片对数字形式的中频信号进行解调和解扩处理；通过Modbus转USB桥接器对解调和解扩处理后的中频数字信号进行协议转换，并将转换后的数字卫星导航信号输入至ARM嵌入式系统模块；通过ARM嵌入式系统模块对FPGA芯片进行通道分配、通道状态读取以及通道控制，并用于对数字卫星导航信号进行数据处理。基于上述公开的内容，本发明通过采用ARM嵌入式系统模块，利用ARM嵌入式系统模块内置的信号处理算法程序，可以将卫星导航信号进行本地处理，然后再将数据处理结果基于4G模块上传至上位机服务器，从而降低了系统对网络带宽的依赖，提高了系统的灵活性、稳定性和适应性，进而提高了物联网下的GNSS数据处理与传输系统的数据传输和处理效率，相较于传统采用DSP处理器+FPGA相关通道的系统架构，本申请的硬件架构降低了系统的硬件成本。
下面以对GPS卫星导航信号的数据处理与传输为例，对本申请实施例基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统进行详细说明。
其中，对于GPS信号，设置采集信号的参数如下：采用的载波频率为1575.42MHz，码率为50MHz，数据码速率为50/bps，时间系统采用GPST，星历坐标系采用WGS84，星历(卫星轨道参数)采用开普勒轨道及其摄动参数(每小时)，同步重复周期为6s，同步比特为8。其中，在无遮挡的自然收星条件下，某地区GNSS卫星导航终端对于GPS卫星信号的接收数量可以达到10颗卫星的信号，则系统程序的运算量较大，在定位更新要求较高和处理器速度受到限制时，需要采取合适的时间分配措施来满足上述技术指标要求。具体的，本申请实施例采用型号为基于四核64位的ARM Cortex-A72处理器，外挂2GB的RAM内存模块，基于内置的定位算法对采集的信号进行定位计算，计算方法如下：由于单点定位精度的统计参数主要是水平和高程方向的位置和速度参数，而GNSS接收机定位计算得出的WGS84坐标下的位置为X/Y/Z，速度为VX/VY/VZ。则将WGS84坐标下XYZ方向的参数转换为地方空间直角坐标，根据地方空间直角坐标的计算结果可以直观得到定位数据，其中，将WGS84坐标下XYZ方向的参数转换为地方空间直角坐标的方法采用现有计算方法，此处不再赘述。
基于上述公开的内容可知，采用本申请实施例的基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统对卫星导航信号进行计算时，由于是利用内置的程序算法进行本地计算，然后再将数据处理结果基于4G模块上传至上位机服务器，从而降低了系统对网络带宽的依赖，提高了系统的灵活性、稳定性和适应性，进而提高了物联网下的GNSS数据处理与传输系统的数据传输和处理效率，相较于传统采用DSP处理器+FPGA相关通道的系统架构，本申请的硬件架构降低了系统的硬件成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统，其特征在于，包括电源模块、卫星接收天线、GNSS接收机、Modbus转USB桥接器以及ARM嵌入式系统模块，所述电源模块分别与所述GNSS接收机、Modbus转USB桥接器以及ARM嵌入式系统模块连接，所述卫星接收天线与所述GNSS接收机连接，所述GNSS接收机与所述Modbus转USB桥接器连接，所述Modbus转USB桥接器与所述ARM嵌入式系统模块连接；
所述卫星接收天线用于接收各种类型的卫星导航信号，其中，卫星导航信号至少包括GPS信号、BDS信号、GALILEO信号和/或GLONASS信号；
所述GNSS接收机包括依次连接的低噪放模块、变频采样模块和捕获跟踪处理模块；所述低噪放模块用于对接收的卫星导航信号进行滤波和放大处理，以便输入的射频信号满足变频采样模块的信号处理要求；所述变频采样模块用于将滤波放大处理后的卫星导航信号变频处理为中频信号，并对中频信号进行采样、量化以及输出数字形式的中频信号；所述捕获跟踪处理模块用于采用FPGA芯片对数字形式的中频信号进行解调和解扩处理；
所述Modbus转USB桥接器用于对解调和解扩处理后的中频数字信号进行协议转换，并将转换后的数字卫星导航信号输入至所述ARM嵌入式系统模块；
所述ARM嵌入式系统模块用于对FPGA芯片进行通道分配、通道状态读取以及通道控制，并用于对数字卫星导航信号进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统，其特征在于，还包括4G模块，所述4G模块与所述ARM嵌入式系统模块连接，用于将所述ARM嵌入式系统模块的数据处理结果上传至上位机服务器，以便上位机服务器对数据处理结果作进一步分析和处理。
3.根据权利要求2所述的基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统，其特征在于，所述上位机服务器采用Transformer机制优化的双向长短时记忆网络模型对数据处理结果作进一步分析和处理。
4.根据权利要求1所述的基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统，其特征在于，所述ARM嵌入式系统模块包括基于四核64位的ARM Cortex系列处理器、内存管理模块以及内存模块，其中，ARM Cortex系列处理器的内核通过内存管理模块访问内存模块。
5.根据权利要求4所述的基于ARM的嵌入式GNSS数据处理与传输系统，其特征在于，ARMCortex系列处理器包括Arm Cortex-M0+处理器或ARM Cortex-A72处理器。
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