CN205809307U - 北斗二代与gps公用频点的实时信号接收处理系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种北斗二代和GPS公用频点的实时信号接收处理系统，北斗二代和GPS公用频点信号通过同一天线进入三个RF射频前端模块，再经过一系列放大、滤波和下变频处理，并通过A/D转换为2bit的中频数字信号，中频数字信号在FPGA的控制下，被采集到FPGA的内部存储器中，以乒乓方式存储成一定长度的数据块，最后通过USB控制器，按块传输到计算机上，本专利的优点在于：它在计算机平台的软件架构上对北斗二代和GPS公用频点信号进行快速捕获和实时数据处理等技术问题，显著地提高了单一定位系统的定位精度、可靠性、完好性和可用性；也由于是基于软件无线电技术的软件开发，摆脱了传统硬件接收机的算法和实现了可重配置性的研究模式。

Description

北斗二代与GPS公用频点的实时信号接收处理系统

技术领域：

本专利涉及一种导航定位的信号接收处理系统，具体涉及一种北斗二代与GPS公用频点实时信号接收处理系统。

背景技术：

《2006年中国航天白皮书》宣布将在未来5年启动五大航天工程，其中具有军事用途的第二代“北斗”卫星导航系统将在4年内完成部署。有专家表示，二代“北斗”卫星系统部署完成后，中国将能对小目标发动精准攻击，而美国也有媒体认为中国用北斗计划来压制美国卫星的军事优势。随着我国综合国力的提升和卫星导航定位系统全面渗透普通人的生活，还有科索沃战争和第二次海湾战争美国GPS制导高精度打击武器的诱惑，构建一个类似GPS的全球卫星导航定位系统开始提上日程，从2007年开始正式建设“北斗”卫星导航定位系统(“北斗二号”)。

“北斗”卫星导航定位系统需要发射35颗卫星，足足要比GPS多出11颗。按照规划，“北斗”卫星导航定位系统将有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，采用“东方红”-3号卫星平台。30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道卫星(MEO)和3颗倾斜轨道同步卫星(IGSO)组成，27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度21500公里。“北斗”卫星导航定位系统将提供开放服务和授权服务。开放服务在服务区免费提供定位，测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务则是军事用途的马甲，将向授权用户提供更安全与更高精度的定位，测速，授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。

北斗二代采用与GPS相同的载波频率和调制方式，但是使用不同的伪随机码和数据编码方式，GPS接收机不能处理北斗二代信号。而少量能处理北斗二代信号的接收机也只是通过通用GPS接收机作后处理，但还是不能作为实时应用。一般地，GPS硬件接收机的冷启动时间在几十秒，热启动1秒左右，自动定位的处理时间大于10秒。因此，采用软件研究快速捕获方法是很有应用价值，尤其是基于软件无线电思想的兼容北斗二代/GPS定位信号的软件处理方法，不仅还没有产品级的终端出现，而且也具有可重配置性的开发与应用优势。

发明内容：

本专利的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供了一种北斗二代和GPS公用频点实时信号接收处理系统。

本专利一种北斗二代和GPS公用频点实时接收处理信号系统，包括一个Max2741为主芯片的北斗二代和GPS公用频点第一RF射频前端模块，一个GRM7520为主芯片的北斗二代和GPS公用频点第二RF射频前端模块，一个GP2015为主芯片的北斗二代和GPS公用频点第三RF射频前端模块，一个Spartan3系列FPGA芯片，一个作为USB控制器的CY7C68013A。

北斗二代和GPS公用频点实时信号通过同一天线进入三个RF射频前端模块，经过一系列放大、滤波和下变频处理，并通过A/D转换为2bit的中频数字信号，中频数字信号在FPGA的控制下，被采集到FPGA的内部存储器中，以乒乓方式存储成一定长度的数据块，最后通过USB控制器，按块传输到计算机上；其中：

北斗二代和GPS公用频点第一RF射频前端模块Max2741芯片中的两位中频数字信号线、中频采样时钟线以及三根SPI编程接口控制线都分别引出，并连接到Spartan3系列FPGA的可编程I/O口上；

北斗二代和GPS公用频点第二RF射频前端模块GRM7520芯片的两位中频数字信号线和中频采样时钟线分别引出，并连接到Spartan3系列FPGA的可编程I/O口上；

北斗二代和GPS公用频点第三RF射频前端模块GP2015中的两位中频数字信号线、两根差分时钟输出线和一个中频采样时钟输入线分别引出，并连接到Spartan3系列FPGA的可编程I/O口上；

USB控制器CY7C68013A芯片连接在Spartan3系列FPGA的可编程I/O口上；

Spartan3系列FPGA芯片读取哪个RF射频前端模块的数据，则由上位机程序同过USB发送指令控制；FPGA将读取到的2bit中频数据按时间先后由低位到高位合并为1Byte数据，即最先读取到的2bit数据放置在1Byte数据的最低2位；数据以乒乓方式存储到FPGA内部的FIFO中，形成数据块，一个数据块包含4ms的整数倍的数据；当数据存满一个数据块时，提交给USB控制器，USB控制器以Slave FIFO方式从FPGA获得数据，并以块传输方式向计算机传输数据，每次数据传输为一个数据块数据。

计算机对接收到的数据块数据进行处理，具体步骤如下：

步骤一：软件初始化。读取配置文件，根据配置文件初始化12通道对应的PRN值，其中通道10～12固定为北斗二代通道，而通道1～9固定为GPS通道；读取本地载波查找表文件和CA码查找表文件；

步骤二：启动对应三个RF射频前端模块的三个线程，分别为数据读取和基带处理线程、定位处理线程、数据显示线程；

数据读取和基带处理线程设置为最高优先级，循环执行读取中频数据块和进行基带处理这一过程；基带处理是一个状态机流程，有快速捕获、等待、串行捕获、确认、推入、跟踪和空闲共七种状态，12通道轮流进入状态机进行处理；软件启动时，所有启用的通道初始状态设置为快速捕获状态，而未启用的通道初始状态设置为空闲状态。该线程在每一秒钟时间到来后触发一次定位处理事件；

定位处理线程设置为次高优先级，循环执行等待定位处理事件和进行定位处理。每次定位解算事件到来时，进行定位处理；定位处理根据各通道跟踪结果完成北斗二代信号解码、北斗二代信息提取、GPS信息提取、伪距计算、位置解算和位置修正，并触发一次显示事件；

数据显示线程设置为最低优先级，循环执行等待显示事件和显示有用信息。每次显示事件到来后更新一次显示数据；

步骤三：判断软件是否退出，如果退出则停止所有线程，并释放软件占用的存储空间。

在步骤二中北斗二代和GPS公用频点实时信号的快速捕获处理方法步骤如下：

步骤一：按每2bit转换为1字节的方法，将数据块的每个字节分解为4个中频数据；

步骤二：对中频数据进行再采样，使每毫秒的数据长度由N变为L，L为小于n的2的幂次方长度，采样率为N/L，由于采样后的数据长度为2的幂次方，大大减少了FFT的处理时间；

步骤三：在频率域使用圆卷积方法进行相关计算，并将4毫秒的数据块进行非相干叠加，提高信噪比。其实现函数为：

$|R\[m\]|=\underset{i=0}{\overset{3}{\Σ}}\left|IFFT\right\{\left(FFT\right(S_i\[n\]\·\exp \[j\·2\mathrm{\π}fn\])\×{\mathrm{FFT}}^{*}(CA\[n\])\left\}\right|$

式中R[m]表示相关输出结果，S_i[n]表示输入中频信号，CA[n]表示本地产生的C/A码，f表示本地产生的载波频率；

步骤四：将R[m]中的最大值与R[m]的平均值进行相除，即Max(R[m])/Avg(R[m])，如果比值大于判定阈值则认为捕获到卫星信号，设m＝m₁时R[m]取得最大值，则CA码的起始点为m₁×N/L；否则更新本地载波频率，搜索下一个频率点。

本专利的优点在于：

(1)基于软件无线电思想，系统的硬件技术方案只有射频前端下变频至中频模块，后面的数据采集以及定位信号处理均在软件环境中实现，不再依赖于通用硬件接收机的框架。

(2)采用“多射频前端+FPGA”的系统构架，采用中频数据根据查表方式得到的本地载波和CA码进行相关累积，结合实时释放内存的软件处理方法，将诸多先进的软件处理方法集成其中，实现系统级的方法创新。

(3)在软件冷启动后5秒钟内完成所有北斗二代和GPS公用频点实时信号的搜索。

(4)由于本地载波和CA码都事先产生并存储在载波查找表和CA码查找表文件中，不需要实时产生，另外使用改进的位运算方法，大大减少了软件的运算量，提高了软件的处理速度和效率。

附图说明：

图1是专利方法实现的系统结构框图；

图中：1——第一RF射频模块Max2741；

2——第二RF射频模块GRM7520；

3——第三RF射频模块GP2015；

4——FPGA模块；

5——USB总线控制器。

图2是第一RF模块Max2741电路原理图。

图3是第二RF模块GRM7520电路原理图。

图4是第三RF模块GP2015电路原理图。

图5是USB总线控制器CY7C68013A电路原理图。

图6是FPGA-X3CS400控制电路原理图。

图7是软件技术方案流程图。

图8是基带处理状态机图。

图9是定位处理流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施实例对本专利进一步说明。本专利包括硬件技术方案和软件技术方案两部分。

硬件技术方案如图1所示，北斗二代和GPS公用频点实时信号通过同一天线进入射频前端(RF)模块，经过一系列放大、滤波和下变频处理，并通过A/D转换为2bit的中频数字信号。中频数字信号在FPGA的控制下，被采集到FPGA的内部FIFO中，以乒乓方式存储成一定长度的数据块。最后通过USB控制器，按块传输到计算机上。该硬件方案主要包括以下几部分：

如图2所示，一个Max2741为主芯片的北斗二代和GPS公用频点第一RF射频前端模块，该模块使用的中频采样频率为13MHz。Max2741的两位中频数字信号线、中频采样时钟线以及三根SPI编程接口控制线都分别引出，并连接到FPGA的可编程I/O口上。

如图3所示，一个GRM7520为主芯片的北斗二代和GPS公用频点第二RF射频前端模块，该模块使用的中频采样频率为16.368MHz。GRM7520的两位中频数字信号线和中频采样时钟线分别引出，并连接到FPGA的可编程I/O口上。

如图4所示，一个GP2015为主芯片的北斗二代和GPS公用频点第三RF射频前端模块，该模块使用的采样频率为5.714MHz。GP2015的两位中频数字信号线、两根差分时钟输出线和一个中频采样时钟输入线分别引出，并连接到FPGA的可编程I/O口上。

如图5所示，一个CY7C68013A作为USB控制器，CY7C68013A内部FIFO配置为512x4缓冲，FIFO的8位数据线和写控制线与FPGA相连。以Slave FIFO方式从FPGA获得数据，并以块传输方式向计算机传输数据，每次数据传输为一个数据块的数据。

如图6所示，一个Spartan3XC3S400的FPGA芯片，上面连接了三个RF射频前端的中频数据线、中频采样时钟线、控制线、CY7C68013A的读写控制线、接口时钟线和数据线。FPGA根据与其相连的CY7C68013A的PA1和PA7的电平状态，来选择读取三个射频模块。PA1|PA7＝00时,选择GRM7520模块；PA1|PA7＝01时，选择GP2015模块；PA1|PA7＝10时，选择Max2741模块。

Spartan3XC3S400内部的块存储空间(block Memory)配置为2块FIFO，分别为A和B，每块FIFO的大小为16384x8bit。

Spartan3XC3S400将读取到的2bit中频数据按时间先后由低位到高位合并为1Byte数据，即最先读取到的2bit数据放置在1Byte数据的最低2位，这一过程通过一个8bit移位寄存器实现。

合并后的1Byte数据存储到FPGA内部的FIFO中，形成数据块。如果读取的是GRM7520模块的数据，则一个数据块包含4ms的数据，长度为16368Byte；如果读取的是Max2741模块的数据，则一个数据块包含4ms的数据，长度为13000Byte；如果读取的是GP2015模块的数据，则一个数据块包含8ms的数据，长度为11428Byte。

FPGA内部2个FIFO A和B的操作使用乒乓方式。FIFO A记录中频数据的同时，FIFOB的数据传输给CY7C68013A。FIFO A记录满一个数据块的数据后，切换为FIFO B进行数据记录，而FIFO A的数据传输给CY7C68013A，之后轮流切换。如果FIFO A数据记录满了，而此时FIFO B的数据还没传输完毕，则FIFO A中的数据整块丢弃，由于整块数据是CA码周期的整数倍，因此不会引起CA码相位的变化。

软件技术方案如图7所示，软件通过USB接口成块的读取中频采样数据，将中频数据以毫秒为单位，与用查找表方式得到的本地载波和CA码进行相关累积，使用相关累积的结果进行捕获、跟踪处理，使用跟踪结果进行北斗二代和GPS公用频点信号解码、定位计算和定位结果修正，并且每秒钟更新一次定位输出。软件执行的具体步骤如下：

步骤一：软件初始化。读取配置文件，根据配置文件初始化12通道对应的PRN值，其中通道10～12固定为北斗二代通道，而通道1～9固定为GPS通道；读取本地载波查找表文件和CA码查找表文件。

步骤二：启动对应三个RF射频前端模块的三个线程，分别为数据读取和基带处理线程、定位处理线程、数据显示线程。

数据读取和基带处理线程设置为最高优先级，循环执行读取中频数据块和进行基带处理这一过程。该线程在每一秒钟时间到来后触发一次定位处理事件。

定位处理线程设置为次高优先级，循环执行等待定位处理事件和进行定位处理。每次定位解算事件到来时，进行定位处理。定位处理根据各通道跟踪结果完成北斗二代信号解码、北斗二代信息提取、GPS信息提取、伪距计算、位置解算和位置修正，并触发一次显示事件。

数据显示线程设置为最低优先级，循环执行等待显示事件和显示有用信息。每次显示事件到来后更新一次显示数据。

步骤三：判断软件是否退出，如果退出则停止所有线程，并释放软件占用的存储空间。

在软件方案中所述的快速捕获处理算法具体实现如下：

步骤一：按每2bit转换为1字节的方法，将数据块的每个字节分解为4个中频数据。

步骤二：对中频数据进行再采样，使每毫秒的数据长度由N变为L，L为小于n的2的幂次方长度，采样率为N/L，由于采样后的数据长度为2的幂次方，大大减少了FFT的处理时间。

步骤三：在频率域使用圆卷积方法进行相关计算，并将4毫秒的数据块进行非相干叠加，提高信噪比。其实现函数为：

$|R\[m\]|=\underset{i=0}{\overset{3}{\Σ}}\left|IFFT\right\{\left(FFT\right(S_i\[n\]\·\exp \[j\·2\mathrm{\π}fn\])\×{\mathrm{FFT}}^{*}(CA\[n\])\left\}\right|$

式中R[m]表示相关输出结果，S_i[n]表示输入中频信号，CA[n]表示本地产生的C/A码，f表示本地产生的载波频率。

步骤四：将R[m]中的最大值与R[m]的平均值进行相除，即Max(R[m])/Avg(R[m])，如果比值大于判定阈值则认为捕获到卫星信号，设m＝m₁时R[m]取得最大值，则CA码的起始点为m₁×N/L。否则更新本地载波频率，搜索下一个频率点。

如图8所示，基带处理是一个状态机流程，有快速捕获、等待、串行捕获、确认、推入、跟踪和空闲共七种状态，12通道轮流进入状态机进行处理。软件启动时，所有启用的通道初始状态设置为快速捕获状态，而未启用的通道初始状态设置为空闲状态。在快速捕获状态中，如果通道捕获到卫星信号则进入等待状态。当所有卫星信号都完成了一次快速捕获处理后，则所有通道从等待状态进入推入状态，或者从快速捕获状态进入串行捕获状态，之后通道状态只在串行捕获、确认、推入和跟踪这四个状态中进行转换。

基带处理主要任务是进行相关累积，并利用累积结果进行捕获、跟踪处理。输入数据是以2bit为一个数据点，4个数据点存储成一个字节，如表1所示：

符号位	幅度位	值
			0	0	+1
0	1	+3
			1	0	-1
1	1	-3

表1中频采样信号

本地载波和CA码以1bit进行量化，以2bit为一个数据点进行存储，4个数据点存储成一个字节，如表格2所示：

符号位	幅度位	值
			0	0	+1
1	0	-1

表2本地载波和CA码信号

在本专利中，输入中频信号与本地载波和CA码进行的相关累积，是通过按位异或进行。其中符号位与符号位进行异或，幅度位与幅度位进行异或。在计算机上，每次使用一个字word进行异或操作，因此一次异或操作包括了8个数据点。异或操作完成后，按查表方式得到累积结果。

本地载波由同相的余弦信号和正交的正弦信号组成，以中频信号的中频IF为中心频率点，以100Hz为频率间隔，存储-10kHz～10kHz之间一个毫秒的载波采样值，如公式1所示，共有201个载波频率对应的载波采样值。

I_carrier[n]＝cos(2π·F_c·[n]/Fs)

Q_carrier[n]＝sin(2π·F_c·[n]/Fs) (1)

其中：Fc为本地载波频率，Fc＝中频±100×i(Hz),i＝-100,-99....+99,+100，Fs为采样频率，[n]＝0,1,2.....(N-1)，N为1ms的采样点数。

本地CA码以1/16个采样点为相位步长，存储初始相位从0～4个采样点的即时、超前和滞后CA码的一毫秒的采样值，如公式2所示，

$CA\_prompt\[n\]=CA(\frac{F_{CA}}{Fs}\·\[n\]+\mathrm{\τ})$

$CA\_late\[n\]=CA(\frac{F_{CA}}{Fs}\·\[n\]+\mathrm{\τ}+0.5)$

$CA\_early\[n\]=CA(\frac{F_{CA}}{Fs}\·\[n\]+\mathrm{\τ}-0.5)$

公式2

其中：CA()为CA码函数，F_CA为CA码频率，Fs为采样频率，τ为码起始相位τ＝i×F_CA/(16×F_S),i＝0,1,...63，[n]＝0,1,2.....(N-1)，N为1ms的采样点数。

如图9所示，定位处理流程具体执行步骤如下：

步骤一：GPS电文提取，根据通道的跟踪结果提取GPS导航电文，主要提取GPS电文的三个子帧，得到卫星时间和卫星星历。

步骤二：用户位置计算，根据跟踪结果计算用户到卫星的相对伪距，使用卫星种差对伪距进行修正，使用卫星星历计算卫星位置，使用相对伪距和卫星位置计算用户坐标。

步骤三：北斗二代信号解码，使用Viterbi算法进行解码。

步骤四：北斗二代信息提取，根据需要提取的北斗二代信息类型包括：类型6—卫星完好性信息，类型18—电离层网格点屏蔽标识，类型24—快/慢混合校正量，类型25—缓慢校正量，类型26—电离层延迟校正量。

步骤五：卫星钟差和星历修正，使用信息类型24对卫星钟差和卫星坐标进行修正。

步骤六：电离层修正，根据步骤二中得到的用户坐标和卫星位置，计算电离层穿透点(IPP)的纬度和经度，确定IPP位于哪4个网格点内，使用信息类型26获得4个网格点对应的电离层延时数据，利用内插法得到IPP对应的垂直电离层延时和卫星至用户的电离层延时。

步骤七：用户位置的修正，使用步骤五中得到的卫星钟差和步骤六中得到的电离层延时对步骤二中的相对伪距进行修正，使用修正后的相对伪距和修正后的卫星坐标重新计算用户位置，得到修正后的用户坐标。

Claims (1)

1.一种北斗二代和GPS公用频点实时信号接收处理系统，它包括一个Max2741为主芯片的北斗二代和GPS公用频点第一RF射频前端模块，一个GRM7520为主芯片的北斗二代和GPS公用频点第二RF射频前端模块，一个GP2015为主芯片的北斗二代和GPS公用频点第三RF信号处理模块，一个Spartan3系列FPGA芯片，一个作为USB控制器的CY7C68013A，其特征在于：

北斗二代和GPS公用频点实时信号通过同一天线进入三个RF射频前端模块，再经过一系列放大、滤波和下变频处理，并通过A/D转换为2bit的中频数字信号，中频数字信号在FPGA的控制下，被采集到FPGA的内部存储器中，以乒乓方式存储成一定长度的数据块，最后通过USB控制器，按块传输到计算机上；其中：

北斗二代和GPS公用频点的第一RF射频前端模块Max2741芯片中的两位中频数字信号线、中频采样时钟线以及三根SPI编程接口控制线都分别引出，并连接到Spartan3系列FPGA的可编程I/O口上；

北斗二代和GPS公用频点的第二RF射频前端模块GRM7520芯片的两位中频数字信号线和中频采样时钟线分别引出，并连接到Spartan3系列FPGA的可编程I/O口上；

北斗二代和GPS公用频点的第三RF信号处理模块GP2015中的两位中频数字信号线、两根差分时钟输出线和一个中频采样时钟输入线分别引出，并连接到Spartan3系列FPGA的可编程I/O口上；

USB控制器CY7C68013A芯片连接在Spartan3系列FPGA的可编程I/O口上。