CN116482725A - 一种开放式卫星导航基带信号处理方法、装置及接收机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开放式卫星导航基带信号处理方法、装置及接收机；其中装置中包括一个主处理器和多个协处理器；协处理器分别连接在主处理器的高速总线上；主处理器中运行有嵌入式Linux操作系统，在所述嵌入式Linux操作系统中运行GNSS驱动、卫星导航信号处理和信息处理的相关进程，用于实现与协处理器的数据及控制交互，并同协处理器一起进行卫星导航基带信号处理的流程控制和信号信息处理；协处理器，用于通过与主处理器的数据及控制交互，执行导航卫星的信号捕获或跟踪的调度与控制任务。本发明实现了开放式的卫星导航基带信号处理的软件实现，降低了多源融合导航实现复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种开放式卫星导航基带信号处理方法、装置及接收机。
背景技术
作为卫星导航系统的用户段设备，卫星导航接收机(GNSS接收机)通过对导航卫星播发的射频信号依次进行信号处理和信息处理以获得用户的位置、速度和时间信息，是支撑卫星导航实际应用的基础性产品。GNSS接收机的主要构成部分包括：接收天线、信号放大和数字化采样模拟电路和基带处理模块构成，其中基带处理模块是用于实现卫星导航信号处理功能和信息处理功能的主要部件，通常采用专用芯片或FPGA+处理器的形式实现。目前，主流GNSS基带处理模块通常采用非开放式的实现架构：在硬件构成上，基带处理模块通常由一个主处理器(ARM核处理器或DSP处理器)和外围的通信控制和计算加速电路构成；在软件实现上，基带处理模块的主要功能均由运行在主处理器上的软件实现，主处理器软件既要实现维持对卫星信号捕获跟踪的底层卫星导航信号处理，又要实现求解用户位置、速度、钟差等信息的卫星导航信息处理，还需根据具体应用的需要按照规定的数据帧格式输出位置、速度、原始观测量等导航数据。因此，主处理器上的软件实现需进行高频度的硬件中断响应操作和大量硬件计算资源调度操作，涉及到大量的总线IO操作，基带处理模块内部的软件必须针对该模块外围硬件的具体情况进行设计，通常都是非开放式的，导致用户只能直接使用基带处理模块对外输出的导航信息，从而导致用户不能以二次开发的开放式方式将多导航源融合、通信导航融合增强等功能嵌入到基带处理模块中实现。
在不涉及卫星惯性组合导航的一般载体平台上运用时，GNSS接收机将作为载体平台的主导航设备使用，其基带处理模块的主处理器只需按照预先规定的协议对外输出导航结果即可。然而，当GNSS接收机应用于高价值的飞机、精确制导弹药等载体平台时，GNSS接收机仅作为载体平台综合导航系统的导航源之一，不再是载体平台的主用导航设备，此时，现有基带处理模块软件的非开放性将制约多源融合导航的优化实现。由于在多源融合导航信息处理时，基带处理模块的主处理器必须和载体中主导航设备(通常为惯性导航设备)深度交联。为实现载体主导航设备与基带处理模块的深度交联，目前通常采用的做法是增加基带处理模块与主导航设备之间的数据交互，一方面基带处理模块将导航卫星电文、伪距、载波相位、载噪比等原始观测数据传送到主导航设备中，由其进行融合导航处理，另一方面主导航设备将惯导设备测量的载体动态参数等传送到基带处理模块中，辅助基带处理模块进行缩小动态范围的信号捕获和增加动态适应性的信号跟踪处理。由此引入的主要问题有：一是载体主导航设备与基带芯片之间的频繁数据交互，且部分卫星导航信息处理功能需在主导航设备和基带芯片中重复进行，提升了软件实现的复杂度，且存在计算资源的浪费；二是未对多源融合导航算法使用卫星导航原始观测数据的软件接口进行标准化统一定义，使得在多源融合导航算法的工程实现中卫星导航算法与其他导航算法需深度耦合，使用卫星导航传感器的通用性和开放性不好，不便于算法的移植和推广。因此，传统GNSS接收机基带处理模块非开放式的实现架构与多源融合导航算法的工程实现需求不够匹配，有必要针对机载、弹载的多源融合导航需求设计提出开放式的卫星导航基带信号处理方法。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在公开一种开放式卫星导航基带信号处理方法、装置及接收机，解决当前卫星导航基带信号处理模块的软件实现不够开放，导致明显增加卫星惯性多源融合导航实现复杂度的问题。
本发明一方面公开了一种开放式卫星导航基带信号处理装置，包括一个主处理器和多个协处理器；
所述协处理器分别连接在主处理器的高速总线上；
所述主处理器中运行有嵌入式Linux操作系统，在所述嵌入式Linux操作系统中运行GNSS驱动、卫星导航信号处理和信息处理的相关进程，用于实现与协处理器的数据及控制交互，并同协处理器一起进行卫星导航基带信号处理的流程控制和信号信息处理；
所述协处理器，用于通过与主处理器的数据及控制交互，执行导航卫星的信号捕获或跟踪的调度与控制任务。
本发明的另一方面公开了一种基于如上所述的开放式卫星导航基带信号处理装置的信号处理方法，包括以下步骤：
步骤S1、在基带处理模块上电开机后，Linux操作系统自动找到外接的捕获调度与观测量提取协处理器和跟踪协处理器，并相应地加载GNSS驱动模块，并将GNSS驱动模块作为所运行的嵌入式Linux操作系统的一个扩展模块；完成GNSS驱动模块的加载后，在Linux系统的设备文件路径/dev下生成第一设备文件GnssNavProc和第二设备文件GnssPvtInfo；
步骤S2、将信号处理模块在Linux系统下编译为可执行文件SigProcBase.elf，并配置操作系统在开机启动后，自动运行可执行文件SigProcBase.elf，启动信号处理进程；
步骤S3、将信息处理模块在Linux系统下编译为可执行文件GnssAppDemo.elf，并配置操作系统在开机启动并运行了SigProcBase.elf后，自动运行可执行文件GnssAppDemo.elf，启动信息处理进程。
本发明的另一方面公开了一种卫星导航接收机，包括接收天线、信号放大和数字化采样模拟电路、基带处理模块；所述基带处理模块中包括如上所述的开放式卫星导航基带信号处理装置。
本发明可实现以下有益效果之一：
本发明实现了开放式的卫星导航基带信号处理的软件实现，降低了多源融合导航实现复杂度。
通过将卫星导航基带处理模块的软件实现嵌入到Linux操作系统中，使得基带处理模块的嵌入式操作系统具有通过专门的独立运行的信号处理进程和底层驱动调度和控制大量体现卫星导航信号处理算法的基带信号处理专用计算加速外设，从而实现基础的卫星信号捕获、跟踪、时间同步控制等软件功能。
通过上述软硬件架构的优化设计，使得对卫星导航的信息处理可以在一个屏蔽了底层实现细节的软件开发环境中实现，即进行涉及卫星导航基带功能的二次开发时不再需要依赖涉及信号处理底层的软件源代码或软件开发支持包。
本发明的可广泛应用于在各种高端载体平台实现基于卫星导航基带处理模块的卫星惯性深组合、紧组合等多源融合导航的快速、高效率实现。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；
图1为本发明实施例中的开放式卫星导航基带信号处理装置组成连接示意框图；
图2为本发明实施例中开放式卫星导航基带信号处理方法流程图；
图3为本发明实施例中信号处理进程的执行过程流程图；
图4为本发明实施例中信息处理进程的执行过程流程图；
图5为本发明实施例中卫星导航接收机组成连接示意框图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
实施例一
本发明的一个实施例公开了一种开放式卫星导航基带信号处理装置。所述开放式卫星导航基带信号处理装置应用于GNSS接收机中的基带处理模块中。在本实施例中所述的GNSS接收机的顶层设计与传统GNSS接收机保持一致，仍然由接收天线、信号放大和数字化采样模拟电路、基带处理模块三大部分构成，并且在基带处理模块中除了包括所述开放式卫星导航基带信号处理装置外，还包括传统GNSS接收机架构中基带处理模块中主处理器外部总线所连接的本地时间计数器模块、信号跟踪通道相位累加和码流产生模块、信号捕获模块、信号跟踪相关器等基带信号处理专用计算加速外设。
针对在传统GNSS接收机的基带处理模块中，主处理器直接通过高速总线访问和控制外围的基带信号处理专用计算加速外设导致基带处理模块的软件实现存在开放性不足，不便于进行标准化的二次开发应用的问题，本实施例的开放式卫星导航基带信号处理装置包括一个主处理器和多个协处理器；所述协处理器分别连接在主处理器的高速总线上；
所述主处理器中运行有嵌入式Linux操作系统，在所述嵌入式Linux操作系统中运行GNSS驱动、卫星导航信号处理和信息处理的相关进程，用于实现与协处理器的数据及控制交互，并同协处理器一起进行卫星导航基带信号处理的流程控制和信号信息处理；
所述协处理器，用于通过与主处理器的数据及控制交互，执行导航卫星的信号捕获或跟踪的调度与控制任务。
在本实施例中，采用了先由主处理器通过总线与多个协处理器进行数据和控制交互，再间接通过协处理器调度和控制外围的卫星导航基带信号处理专用计算加速模块的硬件设计架构；通过降低主处理器响应硬件中断的频度和外部总线数据访问的吞吐量；在主处理器上部署运行嵌入式Linux操作系统，并进一步将基带处理模块的软件划分为主处理器Linux操作系统上的三个相互解耦、接口清晰的软件功能模块，具体为：GNSS驱动模块、信号处理模块和信息处理模块。利用Linux系统的开放性通过向用户开放信息处理模块与其他两个软件模块之间的接口，用户可根据具体的多源融合导航需求，自主获取信号处理模块产生的卫星观测数据和电文，进行卫星惯性深组合、紧组合等多源融合导航算法的实现，以获取载体的PVT(定位、测速和授时)信号和载体姿态等导航信息。
如图1所示，本实施例中一个具体的方案中，开放式卫星导航基带信号处理装置，包括一个主处理器和分别连接在主处理器的高速总线上的一个捕获调度与观测量提取协处理器和一组信号跟踪协处理器；所述跟踪协处理器的数量根据每一个跟踪处理器的跟踪通道数量和跟踪通道的总数量确定。
所述跟踪协处理器至少有1个，在更具体的举例中，每一个跟踪协处理器负责36个信号跟踪通道的跟踪协处理，装置中一共有72个跟踪通道，则使用2个跟踪协处理器。
所述主处理器中运行有嵌入式Linux操作系统，并基于所述嵌入式Linux操作系统中实现基带处理模块的全部软件功能，通过对软件功能的解耦合设计，将主处理器的基带软件功能划分为如下三个软件功能模块：
GNSS驱动模块：该软件模块是运行在系统内核态的一个字符串类型的驱动模块，属于主处理器中已部署Linux操作系统的一部分，由系统在开机时自动加载，用于实现主处理器对多个协处理器的底层控制和数据传输；
信号处理模块：该软件模块是一个运行在系统用户态的普通应用程序进程，在系统开机时自动启动，该软件模块在GNSS驱动模块的支撑下，用于调度多个协处理器完成电文解调、提取伪距和载波相位观测量，并根据钟差信息实时调整本地时钟计数器，确保对外输出的秒脉冲信号与卫星导航系统时间对齐；
信息处理模块：该软件模块也是一个运行在系统用户态的普通应用程序进程，该软件模块用于根据信号处理模块产生的导航卫星观测数据，进行导航信息的解算，并将得到的当前时间、钟差等信息反馈到信号处理模块。
通过上述的软件功能模块划分设计，在信息处理模块中对用户屏蔽了大量与信号处理及底层时间设置和校时操作的实现细节，从而支持可将信息处理的软件实现开放给用户，由用户在完成基本的卫星导航信息处理的同时，扩展实现对惯性导航等多种导航源的融合处理。
在本实施例的一个具体的方案中，所述主处理器作为载体平台主导航设备的主处理器，采用高性能低功耗的多核心处理器实现，具体为Xilinx的Zynq7035可编程SOC芯片中的PS部分(具有2个ARM处理器核)，其Linux操作系统基于对称多核心处理架构(SMP)实现，可充分发挥多核处理器的计算能力。
所述捕获调度与观测量提取协处理器，根据主处理器中信号处理模块设置的工作模式及反馈的跟踪通道工作状态，自主选择待捕获卫星，调度控制对卫星信号的捕获处理，完成伪距和载波观测量的初步计算和提取，并可根据主处理器信息处理模块设置的本地时间和校时参数，调整本地时间计数模块的时间计数，实时修正秒脉冲的输出误差。
由于该协处理器只需专注于完成调度与控制任务，不需要进行浮点运算等计算量大的操作，可采用占用资源很少的软核处理器实现。
在本实施例的一个具体的方案中，所述捕获调度与观测量提取协处理器采用在Xilinx的Zynq7035可编程SOC芯片的PL部分例化实现一个MicroBlaze软核及外围控制电路实现。
在每个所述信号跟踪协处理器中设置有一组信号跟踪通道；所述信号跟踪协处理器，用于完成其中设置的一组信号跟踪通道的伪码解扩和环路滤波处理，确保跟踪通道的本地载波和伪码相位保持与被跟踪真实信号一致，同时将对信号进行伪码解扩和次级码剥离以后所得到的相关值信息传输到主处理器中，再由主处理器中的信号处理模块进行基于FFT的多普勒估计、bit同步、电文同步、电文译码等处理。
由于该协处理器只需专注于完成调度与控制任务，不需要进行浮点运算等计算量大的操作，可采用占用资源很少的软核处理器实现。由于该协处理器只需专注于完成调度与控制任务，不需要进行浮点运算等计算量大的操作，可采用占用资源很少的软核处理器实现。
在本实施例的一个具体的方案中，所述捕获调度与观测量提取协处理器采用在Xilinx的Zynq7035可编程SOC芯片的PL部分例化实现一个MicroBlaze软核及外围控制电路实现。
所述捕获调度与观测量提取协处理器通过一个双口RAM存储器MeasData和对应的控制寄存器实现与主处理器的数据及控制交互；
所述双口RAM存储器MeasData用于数据交互的数据范围分为4段；其中，
第一段用于存储包括卫星信号捕获工作模式、以及设置和校正本地时间的配置参数；第二段用于存储包括各信号跟踪通道的捕获成功、失锁和同步状态在内的跟踪通道工作状态参数；第三段用于存储包括当前时间、信号跟踪通道在内的启动配置参数、以及用于观测量计算的参数；第四段用于存储包括各跟踪通道的伪码和载波相位累加数据、多普勒、载噪比在内的用于计算卫星的伪码伪距和载波相位伪距的观测数据的原始数据；
所述控制寄存器包括寄存器PvtSync和寄存器NavSync，用于分别通知捕获调度与观测量提取协处理器，主处理器搬移到MeasData中的第一段和第二段数据范围中数据；所述捕获调度与观测量提取协处理器定时向主处理器产生一个中断tic_irq；通过中断tic_irq，由捕获调度与观测量提取协处理器向MeasData的第三段和第四段数据范围中写入数据，供主处理器读取。
在本实施例的一个具体的方案中，MeasData的大小为0x1000 byte，与之相关的控制寄存器有PvtSync和NavSync，其中用于数据交互的数据范围分为4段，具体定义如下表所示：
与传统的GNSS基带处理模块中主处理器直接通过总线访问普通的硬件外设不同，上述的主处理器与捕获调度与观测量提取协处理器之间的数据和控制交互接口定义是可由软件重新配置的(通过由软件重新定义双口Ram中的数据定义即可实现)，具有较好的开放性，且绝大部分数据访问操作都是访问双口Ram内存，总线操作效率较高。
所述信号跟踪协处理器通过一个双口RAM存储器TrackData和对应的跟踪控制寄存器实现与主处理器的数据及控制交互；
在双口RAM存储器TrackData中为每个信号跟踪协处理器中的每个信号跟踪通道划分出了一块固定大小的地址空间；
所述跟踪控制寄存器包括寄存器ChCmd和寄存器ChReq；主处理器通过向寄存器ChCmd写入命令类型数据通知信号跟踪处理接收所写入的数据或改变工作状态；信号跟踪协处理器通过向寄存器ChReq写入请求类型数据产生tcp_irq中断；GNSS驱动模块响应tcp_irq中断缓存ChReq寄存器的数值，供信号处理模块读取和处理。
在本实施例的一个具体的方案中，TrackData的大小为0x8000 byte，信号跟踪协处理器以轮询的方式处理分配到该协处理器的多个跟踪通道的信号跟踪任务，在TrackData中为每个信号跟踪通道划分出了一块大小为0x80 byte的地址空间和ChCmd、ChReq两个由协处理器和主处理器共享的控制寄存器，用于信号跟踪协处理器与主处理器之间进行双向的数据交互，记上述对应于每个信号跟踪处理通道的大小为0x80 byte的部分双口Ram为ChTcpBuf。通过采用Linux驱动设计的memory map技术，将整个TrackData直接映射为主处理器上信号处理模块可以直接访问的内存。
在上述ChTcpBuf中，地址范围0x0至0x1f的数据由主处理器写入，并被信号跟踪协处理器读取，用于调度和控制相应跟踪通道的信号跟踪处理。主处理器通过向寄存器ChCmd写入命令类型数据通知信号跟踪处理接收所写入的数据或改变工作状态，在上述地址范围内的数据具体定义主要由ChCmd数值的低16位确定，同时ChCmd的高位(即ChCmd>>16)还用于指示主处理器是否完成了对应跟踪通道的载波频率跟踪偏差估计(利用对解扩端输出相关值的FFT处理，估计本地载波与信号真实载波的频率偏差，简称频率跟踪偏差)，具体定义如下表所示：
在上述ChTcpBuf中，地址范围0x20至0x7f的数据由信号跟踪协处理器写入，并被主处理器读取，用于将各跟踪通道所产生的经信号解扩和次级码解调后所获得的相关值信息提供给主处理器。信号跟踪协处理器在完成数据写入后，通过向寄存器ChReq写入请求类型数据，可产生tcp_irqtcp_irq中断。在GNSS驱动模块响应tcp_irqtcp_irq中断时，将ChReq寄存器的数值缓存起来，并通过Linux系统的底层信号量传递机制，使得信号处理模块及时获得所读取的ChReq寄存器值，然后进行相应的软件处理。因此，写入到ChTcpBuf中得数据内容得具体含义取决于寄存器ChReq低8位得数值，同时ChReq的高位数据(即ChReq>>8)用于实现信号处理模块中各跟踪通道的状态切换控制，具体情况如下表所示：
与传统的GNSS基带处理模块中主处理器直接通过总线访问普通的硬件外设不同，上述的主处理器与信号跟踪协处理器之间的数据和控制交互接口定义是可由软件重新配置的(通过由软件重新定义双口Ram中的数据定义即可实现)，具有较好的开放性，且绝大部分数据访问操作都是访问双口Ram内存，总线操作效率较高。
所述GNSS驱动模块在基带处理模块上电初始化加载后，在Linux系统的设备文件路径/dev下生成第一设备文件GnssNavProc和第二设备文件GnssPvtInfo；其中，
第一设备文件中关联有包括open、mmap、ioctl和close在内的系统函数，以用于信号处理模块与GNSS驱动模块之间的相互操作；
第二设备文件中关联有包括open、mmap、ioctl和close在内的系统函数，以用于信息处理模块与GNSS驱动模块之间的相互操作。
具体的，
在信号处理模块中涉及到调用第一设备文件操作函数调用包括：
1)通过open函数打开第一设备文件GnssNavProc获得文件号DrvFd；
信号处理模块通过如下形式的系统函数调用，可以打开第一设备文件，获得文件号DrvFd。
DrvFd＝open("/dev/GnssNavProc",O_RDWR|O_SYNC)；
打开第一设备文件GnssNavProc后，GNSS驱动模块会完成创建将名为SemTcpReqMark、SemMarkTic、SemObsVld、SemPvtReq、SemTimeSync的5个操作系统信号量并对齐进行初始化，将处于复位状态的基带信号处理专用计算加速外设设置为正常工作状态，使能tic_irq中断和tcp_irq中断等驱动模块的初始化处理任务；
2)通过mmap函数获取供应用程序使用的内存空间；所述第一设备文件内，包括三块可用于向用户空间共享使用的内存空间；
可通过如下形式的mmap函数调用，完成内存映射，获得指向相应内存空间的指针。
mmap(NULL,Size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,DrvFd,Offset)；
其中，第一块内存空间p_mDataTrkCp为主处理器与跟踪协处理器之间的TrackData双口RAM直接映射到用户空间得到。
第二块内存空间p_mTrkCmm为GNSS驱动模块从操作系统申请的一片连续的地址空间，用于信号处理模块获取与GNSS驱动模块之间共享其他参数信息，支持应用程序完成信号处理；详细的数据结构设计根据具体实现情况确定。
第三块内存空间p_mObsNav为GNSS驱动模块从操作系统申请的一片连续的地址空间，用于存储信号处理模块在完成卫星导航信号处理任务时产生的包括电文、伪距和载波相位在内的原始观测数据；此数据同时可通过第二设备文件映射到信息处理模块所在进程中。
3)通过ioctl函数实现信号处理模块对GNSS驱动模块的控制操作；
所述第一设备文件，支持包括事件等待、数据传递等两类ioctl操作的函数，信号处理模块通过调用相应的ioctl操作的函数，实现相关的底层软件操作。
如下表所示，给出了具体的第一设备文件支持各类型的ioctl操作，各操作的ioctl函数调用方式以及相应实现的功能。
4)通过close函数关闭第一设备文件。
应用层程序通过如下形式的系统函数调用，可以关闭此设备文件。
close(DrvFd)；
此时GNSS驱动模块会在将基带信号处理专用计算加速外设设置为复位状态，并关闭tic_irq中断和tcp_irq中断后，关闭此设备文件。
在信息处理模块中涉及到调用第二设备文件操作函数调用包括：
1)通过open函数打开第二设备文件GnssPvtInfo获得文件号DrvFd；
应用层程序通过如下形式的系统函数调用，可以打开第二设备文件，获得文件号DrvFd。
DrvFd＝open("/dev/GnssPvtInfo",O_RDWR|O_SYNC)；
在GNSS驱动模块打开第二设备文件时，会将驱动模块所申请的对应于p_mObsNav结构体的内存中的gUsrRdy分量设置为1，即进行p_mObsNav->gUsrRdy＝1的软件操作，以此来通知信号处理模块，信息处理模块已开始正常工作。
2)通过mmap函数获取供应用程序使用的内存空间；所述第二设备文件中可映射的内存空间定义与第一设备文件中可映射的内存空间完全相同，在此不再一一赘述。在信息处理模块中，通常只将第三块内存空间p_mObsNav映射到应用程序中，通过在应用程序中使用p_mObsNav的卫星观测量数据和电文数据，进行卫星导航的定位解算等信息处理任务。
3)通过ioctl函数实现信息处理模块对GNSS驱动模块的控制操作；
所述第二设备文件，支持包括等待观测量、获取电文、设置时间同步参数等三个ioctl操作的函数。信息处理模块通过调用相应的ioctl操作的函数，实现相关的底层软件操作。
如下表所示，给出了具体的第二设备文件支持各类型的ioctl操作，各操作的ioctl函数调用方式以及相应实现的功能。
4)通过close函数关闭第二设备文件。
应用层程序通过如下形式的系统函数调用，可以关闭此设备文件。
close(DrvFd)。
在GNSS驱动模块关闭第二设备文件时，会将驱动模块所申请的对应于p_mObsNav结构体的内存中的gUsrRdy分量设置为0，即进行p_mObsNav->gUsrRdy＝0的软件操作，以此来通知信号处理模块，信息处理模块已停止工作。
所述GNSS驱动模块内部设计有对应于tic_req和tcp_irqtcp_irq的中断处理函数，可完成对应于这两个中断的中断响应处理；其中：
tic_req中断由捕获调度与观测量提取协处理器发起，每10ms定时产生一次，对应的中断处理函数的执行过程如下：
S1)通过写相关的外设寄存器，完成中断清除；
S2)将MeasData中对应于stChStartPara结构体的当前时间、信号跟踪通道的启动配置参数拷贝到主处理器的本地内存中(记变量名称为StartCmd)；
S3)根据StartCmd中的数据，判断捕或调度与观测量提取协处理器是否发起了启动一个信号跟踪通道或复位一个信号跟踪通道的请求，若有则对名为SemMarkTic的操作系统信号量进行一次V操作，同时将StartCmd拷贝到p_mTrkCmm所指向内存空间中；
S4)判断缓存区中是否有需传递给捕获调度与观测量提取协处理器的信号跟踪调度参数，若有则将其拷贝到MeasData中对应于结构体stParaForTcpReq的相应地址范围，并通过写NavSync寄存器通知捕获调度与观测量提取协处理器。
S5)根据StartCmd中的相关标志位是否有效，将MeasData中对应于结构体stRawObsMem的相应地址范围的原始观测量数据拷贝到p_mTrkCmm所指向内存空间中的本地变量，并设置用于提供给信息处理模块使用的p_mObsNav中的部分数据，当具备由信号处理模块进一步计算伪距、载波等观测量的条件时，对名为SemObsVld的操作系统信号量进行一次V操作。
tcp_irqtcp_irq中断由一组跟踪协处理器发起，在协处理器写ChReq寄存器时产生，对应的中断处理函数的执行过程如下：
S1)通过写相关的外设寄存器，完成中断清除，并识别出是那些信号跟踪通道产生了tcp_irqtcp_irq中断；
S2)依次对每一个产生了tcp_irqtcp_irq中断的信号跟踪通道执行：读取ChReq寄存器数据并将其写入缓存驱和对名为TcpReqMark的操作系统信号量进行一次V操作。
与传统的GNSS基带模块中主处理器相比：通过引入捕或调度与观测量提取协处理器，主处理器在tic_req中断种的处理任务由原来较为复杂的外设状态监测和控制调度任务降级为数据搬移等简单的控制任务，虽然没有降低中断的频度，但明显降低了需在中断种完成的软件处理任务；通过引入跟踪协处理器，在正常跟踪状态下，每个通道每16毫秒才产生一次tcp_irqtcp_irq中断，而在传统的实现方案中每个跟踪通道至少需要每2毫秒产生一次中断，新方案将对应于跟踪处理任务的中断频度减低了至少8倍。因此，在传统的GNSS基带处理模块实现架构中，通常由于主处理器需要相应的硬件中断频度高和中断处理任务量多等原因，而不能应用Linux操作系统。
本发明提出的一种开放式卫星导航基带信号处理装置解决了上述问题，成功运用Linux操作系统将卫星导航基带处理模块的软件实现划分为相互解耦，可独立运行的3个软件模块。在本实施例的一个具体方案中，在GNSS基带处理模块内部实现72个跟踪通道，可正常实现基于双天线的定位与定向应用，此时每个天线对应36个通道，其中：16个通道用于接收BDS的B3频点信号，16个通道用于接收BDS的B1频点信号，8个通道用于接收GPS的L1-C/A信号。在系统正常运行的情况下，信号处理模块所对应的进程所占用的CPU资源不超过5％，信息处理模块所对应的进程所占用的CPU资源不超过1.5％，因此主处理器上还有大量的处理器资源可用于后续扩展多源融合导航处理。
综上所述，本发明实施例中的开放式卫星导航基带信号处理装置实现了将卫星导航基带处理模块的软件实现嵌入到Linux操作系统中，通过开发GNSS驱动模块，使得基带处理模块的嵌入式操作系统具有通过专门的独立运行的信号处理进程和底层驱动调度和控制大量体现卫星导航信号处理算法的基带信号处理专用计算加速外设，从而实现基础的卫星信号捕获、跟踪、时间同步控制等软件功能。通过上述软硬件架构的优化设计，使得对卫星导航的信息处理可以在一个屏蔽了底层实现细节的软件开发环境中实现，即进行涉及卫星导航基带功能的二次开发时不再需要依赖涉及信号处理底层的软件源代码或软件开发支持包。本发明的开放式卫星导航基带信号处理装置可广泛应用于在弹载、机载等高端载体平台实现基于卫星导航基带处理模块的卫星惯性深组合、紧组合等多源融合导航的快速、高效率实现。
实施例二
本发明实施例公开了一种基于上一实施例所述的开放式卫星导航基带信号处理装置的信号处理方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤S1、在基带处理模块上电开机后，Linux操作系统自动依据系统设计时定义的设备树找到外接的捕获调度与观测量提取协处理器和跟踪协处理器，并相应地加载GNSS驱动模块，并将该模块作为所运行的嵌入式Linux操作系统的一个扩展模块。完成GNSS驱动模块的加载后，在Linux系统的设备文件路径/dev下生成第一设备文件GnssNavProc和第二设备文件GnssPvtInfo；
步骤S2、将对应于上一实施例中的信号处理模块在Linux系统下编译为可执行文件SigProcBase.elf，并配置操作系统在开机启动后，自动运行可执行文件SigProcBase.elf，启动信号处理进程；
步骤S3、将对应于上一实施例中的信息处理模块在Linux系统下编译为可执行文件GnssAppDemo.elf，并配置操作系统在开机启动并运行了SigProcBase.elf后，自动运行可执行文件GnssAppDemo.elf，启动信息处理进程。
如图3所示，在步骤S2中，具体的信号处理进程的执行过程，包括：
1)通过调用open系统函数，打开第一设备文件GnssNavProc，由GNSS驱动模块执行相关的驱动层初始化处理；
2)通过调用mmap系统函数，从第一设备文件GnssNavProc中映射产生三块用户空间的内存区域；
第一块内存空间p_mDataTrkCp使应用程序直接与跟踪协处理器直接实现数据和控制命令的传送；
第二块内存空间p_mTrkCmm使应用程序获取与GNSS驱动模块之间共享的支持应用程序完成信号处理的参数信息；
第三块内存空间p_mObsNav用于存储包括电文、伪距和载波相位在内的原始观测数据；
3)完成本进程的包括数据结构创建和全局变量初始化在内的其他软件初始化处理；
在进行他软件初始化处理中，可采用现有的初始化处理方法。
4)启动4个采用SCHED_FIFO实时调度策略的线程，名称分别为：TicMark_proc、NavTrk_proc、GetObs_proc和AdjCnt_proc，优先级分别设置为99、98、97、97，具体功能划分如下:
TicMark_proc线程通过调用第一设备文件的操作名称为TcpWaitObsIntr的ioctl函数，保持与tic_irq中断的同步，配合GNSS驱动模块完成跟踪通道的启动、复位等调度任务。
NavTrk_proc线程通过调用第一设备文件的操作名称为TcpWaitReqIntr的ioctl函数，保持与tcp_irq中断的同步，在GNSS驱动模块的配合下，根据从缓存区取出的各通道的ChReq寄存器的数值和TrackData中的命令关联数据，执行信号跟踪的虚警验证、毫秒计数同步、帧内Bit计数同步、电文译码或校验等处理任务。
GetObs_proc线程通过调用第一设备文件的操作名称为TcpObsRdy的ioctl函数，保持与捕获调度与观测量提取协处理器完成观测量提取和初步计算的时刻同步，对原始观测量再进行相关的量纲转换后，填充到GNSS驱动模块中的第三块内存空间p_mObsNav中。
AdjCnt_proc线程通过调用第一设备文件的操作名称为TcpCmdWaitUpdTime的ioctl函数，等待信息处理模块进程将设置捕获模式、调整本地时间相关的参数写入GNSS驱动模块中的第三块内存空间p_mObsNav中，然后执行设置捕获工作模式，调整本地时间等操作。
上述4个线程均为死循环线程，启动后均不结束。
如图4所示，步骤S3中，具体的信息处理进程的执行过程，包括：
1)通过调用open系统函数，打开第二设备文件GnssPvtInfo；
2)通过调用mmap系统函数，从第二设备文件GnssPvtInfo中将GNSS驱动模块中的第三块内存空间p_mObsNav映射到信息处理模块进程中；
3)通过第二设备文件的操作名称为TicCmdWaitObsNav的ioctl函数，等待信号处理进程完成一次原始观测量提取任务，然后调用第二设备文件的操作名称为TicMoveNavMess的ioctl函数将GNSS驱动模块中已缓存的导航电文数据填充到p_mObsNav结构体的NavMsgBuf分量中，在此基础上信息处理进程进行PVT解算(位置、速度和时间差解算)；
在进行PVT解算可采用现有的按照卫星导航系统的相关信息处理算法进行；
4)再完成一次PVT解算以后，将周计数、周内秒、钟差等时间信息写入到GNSS驱动模块的第三块内存空间p_mObsNav中，并通过调用第二设备文件的操作名称为TicCmdTimeSync的ioctl函数通知信号处理进程中的AdjCnt_proc线程，由其通过GNSS驱动模块执行相关的底层操作。再完成此步操作后，信息处理进程再跳转到执行步骤3)，以构成一个死循环，持续进行卫星导航的信息处理。
可以看出，在对应于信息处理模块的可执行程序中，软件只需专注于完成于卫星导航信息处理相关的功能，其他底层的处理均由同步在运行的信号处理进程完成，信息处理相关的输入输出数据均在GNSS驱动模块的第三块内存空间p_mObsNav中，由此使得卫星导航的信息处理可以在一个开发性很好的软件开发环境中实现，用户的二次开发可非常方便地实现。
本实施例中其他的技术细节和有益效果与实施例一的内容相同，请具体参照，在此就不一一赘述了。
实施例三
本发明实施例中公开了一种卫星导航接收机，如图5所示，包括接收天线、信号放大和数字化采样模拟电路、以及基带处理模块；其中，在所述基带处理模块中包括如实施例一所述的开放式卫星导航基带信号处理装置和基带信号处理专用计算加速外设；
所述基带信号处理专用计算加速外设包括与传统GNSS接收机架构中设置相同的本地时间计数器模块、信号跟踪通道相位累加和码流产生模块、信号捕获模块、信号跟踪相关器等。
所述基带信号处理专用计算加速外设通过主处理器的外部总线与开放式卫星导航基带信号处理装置通信连接。
所述基带处理模块还包括与外部设备连接的包括网口、串口在内的外部数据交互接口。
本实施例中其他的技术细节和有益效果与实施例一的内容相同，请具体参照，在此就不一一赘述了。
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。
Claims (10)
1.一种开放式卫星导航基带信号处理装置，其特征在于，
包括一个主处理器和多个协处理器；
所述协处理器分别连接在主处理器的高速总线上；
所述主处理器中运行有嵌入式Linux操作系统，在所述嵌入式Linux操作系统中运行GNSS驱动、卫星导航信号处理和信息处理的相关进程，用于实现与协处理器的数据及控制交互，并同协处理器一起进行卫星导航基带信号处理的流程控制和信号信息处理；
所述协处理器，用于通过与主处理器的数据及控制交互，执行导航卫星的信号捕获或跟踪的调度与控制任务。
2.根据权利要求1所述的开放式卫星导航基带信号处理装置，其特征在于，所述主处理器中包括GNSS驱动模块、信号处理模块和信息处理模块；
所述GNSS驱动模块是运行在Linux系统内核态的一个字符串类型的驱动模块，由Linux系统在开机时自动加载，用于实现主处理器对多个协处理器的底层控制和数据传输；
所述信号处理模块，用于调度多个协处理器执行电文解调、提取包括伪距和载波相位观测量在内的航卫星观测数据，并根据钟差信息实时调整本地时钟计数器，确保对外输出的秒脉冲信号与卫星导航系统时间对齐；
所述信息处理模块，用于根据信号处理模块提取的导航卫星观测数据，进行导航信息的解算，并将得到的包括当前时间和钟差在内的信息反馈到信号处理模块。
3.根据权利要求2所述的开放式卫星导航基带信号处理装置，其特征在于，
多个协处理器包括一个捕获调度与观测量提取协处理器和至少一个信号跟踪协处理器；其中，
所述捕获调度与观测量提取协处理器，根据所述信号处理模块设置的工作模式及反馈的跟踪通道工作状态，自主选择待捕获卫星，调度控制对卫星信号的捕获处理，完成伪距和载波观测量的初步计算和提取，并根据主处理器信息处理模块设置的本地时间和校时参数，调整本地时间计数模块的时间计数，实时修正秒脉冲的输出误差；
在每个所述信号跟踪协处理器中设置有一组信号跟踪通道；所述信号跟踪协处理器用于完成其中设置的一组信号跟踪通道的伪码解扩和环路滤波处理，确保跟踪通道的本地载波和伪码相位保持与被跟踪真实信号一致，同时将对信号进行伪码解扩和次级码剥离以后所得到的相关值信息传输到主处理器的信号处理模块进行包括基于FFT的多普勒估计、bit同步、电文同步和电文译码在内的处理。
4.根据权利要求3所述的开放式卫星导航基带信号处理装置，其特征在于，
所述捕获调度与观测量提取协处理器通过一个双口RAM存储器MeasData和对应的控制寄存器实现与主处理器的数据及控制交互；
所述双口RAM存储器MeasData用于数据交互的数据范围分为4段；其中，
第一段用于存储包括卫星信号捕获工作模式、以及设置和校正本地时间的配置参数；
第二段用于存储包括各信号跟踪通道的捕获成功、失锁和同步状态在内的跟踪通道工作状态参数；
第三段用于存储包括当前时间、信号跟踪通道在内的启动配置参数、以及用于观测量计算的参数；
第四段用于存储包括各跟踪通道的伪码和载波相位累加数据、多普勒、载噪比在内的用于计算卫星的伪码伪距和载波相位伪距的观测数据的原始数据；
所述控制寄存器包括寄存器PvtSync和寄存器NavSync，用于分别通知捕获调度与观测量提取协处理器，主处理器搬移到MeasData中的第一段和第二段数据范围中的数据；
所述捕获调度与观测量提取协处理器定时向主处理器产生一个中断tic_irq；通过中断tic_irq，由捕获调度与观测量提取协处理器向MeasData的第三段和第四段数据范围中写入数据，供主处理器读取。
5.根据权利要求3所述的开放式卫星导航基带信号处理装置，其特征在于，
所述信号跟踪协处理器通过一个双口RAM存储器TrackData和对应的跟踪控制寄存器实现与主处理器的数据及控制交互；
在双口RAM存储器TrackData中为每个信号跟踪协处理器中的每个信号跟踪通道划分出了一块固定大小的地址空间；
所述跟踪控制寄存器包括寄存器ChCmd和寄存器ChReq；
主处理器通过向寄存器ChCmd写入命令类型数据通知信号跟踪处理接收所写入的数据或改变工作状态；
信号跟踪协处理器通过向寄存器ChReq写入请求类型数据产生tcp_irq中断；GNSS驱动模块响应tcp_irq中断缓存ChReq寄存器的数值，供信号处理模块读取和处理。
6.根据权利要求3所述的开放式卫星导航基带信号处理装置，其特征在于，
GNSS驱动模块在Linux系统的设备文件路径/dev下生成第一设备文件GnssNavProc和第二设备文件GnssPvtInfo；其中，
第一设备文件连接在信号处理模块与GNSS驱动模块之间，通过关联的包括open、mmap、ioctl和close在内的系统函数，实现信号处理模块与GNSS驱动模块之间的相互操作；
第二设备文件连接在信息处理模块与GNSS驱动模块之间，通过关联的包括open、mmap、ioctl和close在内的系统函数，实现信息处理模块与GNSS驱动模块之间的相互操作。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的开放式卫星导航基带信号处理装置的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在基带处理模块上电开机后，Linux操作系统自动找到外接的捕获调度与观测量提取协处理器和跟踪协处理器，并相应地加载GNSS驱动模块，并将GNSS驱动模块作为所运行的嵌入式Linux操作系统的一个扩展模块；完成GNSS驱动模块的加载后，在Linux系统的设备文件路径/dev下生成第一设备文件GnssNavProc和第二设备文件GnssPvtInfo；
步骤S2、将信号处理模块在Linux系统下编译为可执行文件SigProcBase.elf，并配置操作系统在开机启动后，自动运行可执行文件SigProcBase.elf，启动信号处理进程；
步骤S3、将信息处理模块在Linux系统下编译为可执行文件GnssAppDemo.elf，并配置操作系统在开机启动并运行SigProcBase.elf后，自动运行可执行文件GnssAppDemo.elf，启动信息处理进程。
8.根据权利要求7所述的信号处理方法，其特征在于，
在步骤S2中，具体的信号处理进程的执行过程，包括：
1)通过调用open系统函数，打开第一设备文件GnssNavProc，由GNSS驱动模块执行相关的驱动层初始化处理；
2)通过调用mmap系统函数，从第一设备文件GnssNavProc中映射产生三块用户空间的内存区域；其中，
第一块内存空间p_mDataTrkCp使应用程序直接与跟踪协处理器直接实现数据和控制命令的传送；
第二块内存空间p_mTrkCmm使应用程序获取与GNSS驱动模块之间共享的支持应用程序完成信号处理的参数信息；
第三块内存空间p_mObsNav用于存储包括电文、伪距和载波相位在内的原始观测数据；
3)完成本进程的包括数据结构创建和全局变量初始化在内的其他软件初始化处理；
4)启动TicMark_proc、NavTrk_proc、GetObs_proc和AdjCnt_proc4个死循环线程，进行卫星导航的信号处理；其中，
TicMark_proc线程保持与tic_irq中断的同步，用于配合GNSS驱动模块完成跟踪通道的启动和复位的调度任务；
NavTrk_proc线程保持与tcp_irq中断的同步，用于在GNSS驱动模块的配合下，执行信号跟踪的虚警验证、毫秒计数同步、帧内Bit计数同步、电文译码和校验在内的处理任务；
GetObs_proc线程用于保持与捕获调度与观测量提取协处理器完成观测量提取和初步计算的时刻同步；
AdjCnt_proc线程用于在第三块内存空间p_mObsNav中写入捕获模式和调整本地时间在内的相关参数后，执行设置捕获工作模式和调整本地时间在内的操作。
9.根据权利要求8所述的信号处理方法，其特征在于，
步骤S3中，具体的信息处理进程的执行过程，包括：
1)通过调用open系统函数，打开第二设备文件GnssPvtInfo；
2)通过调用mmap系统函数，从第二设备文件GnssPvtInfo中将GNSS驱动模块中的第三块内存空间p_mObsNav映射到信息处理进程中；
3)等待信号处理进程完成一次原始观测量提取任务，将GNSS驱动模块中已缓存的导航电文数据填充到第三块内存空间p_mObsNav结构体的NavMsgBuf分量中，在此基础上信息处理进程进行PVT解算；
4)在完成一次PVT解算以后，将时间信息写入到第三块内存空间p_mObsNav中，并通知信号处理进程通过GNSS驱动模块执行相关的底层操作；
完成此步骤4)后，信息处理进程再跳转到执行步骤3)，以构成一个死循环，持续进行卫星导航的信息处理。
10.一种卫星导航接收机，包括接收天线、信号放大和数字化采样模拟电路、基带处理电路，其特征在于，所述基带处理电路中包括如权利要求1-6任一项所述的开放式卫星导航基带信号处理装置。
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