专利名称：星基增强卫星定位和gps兼容的软件接收机系统的制作方法
技术领域：
本发明属于导航定位的信号接收处理技术领域，具体涉及了兼容SBAS(星 基增强系统)和GPS (全球定位系统)多模式软件接收机的系统设计，它适用 于地面、临近空间、机载/星载等定位信号接收处理、分析与应用开发领域。
背景技术：
为增强现有GPS和GLONASS系统的导航性能，美国联邦航空局(FAA)、欧洲 和日本提出了三种SBAS: WAAS、 EGNOS和MSAS系统。SBAS (星基增强系统， Satellite Based Augmentation System),是使用地球静止轨道卫星建立的一 种现代化的广域差分增强系统。SBAS通过地球静止轨道卫星播发测距、广域差 幹和卫星完好性信息，可以显著改进现有的全球导航卫星系统GNSS (Global Navigation Satellite System)的定位精度、完好性和可靠性。
目前全球发展的SBAS有欧洲的EGNOS，覆盖欧洲大陆；美国的WAAS，覆盖美 洲大陆；日本的MSAS,覆盖亚洲大陆。以上三个系统完善后，可以实现全球无 缝隙增强服务，满足陆、海、空运输定位与导航等多方面的应用要求。
近年来，受软件无线电思想的影响，越来越多的GPS接收机使用软件方法来 实现，但是GPS软件接收机只能处理单一的GPS信号，在定位精度和可靠性上存 在很大不足。 发明内容:本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种SBAS和GPS兼容 的多模式软件接收机，能够同时接收处理SBAS和GPS信号，具有精度高和 可靠性好的特点。
本发明的多模式软件接收机，由一个GPS射频硬件模块和一个运行于计算 机平台的处理软件模块组成。
GPS射频硬件模块将通过天线进来的SBAS和GPS信号从射频变换到2bit
中频数字信号，并将中频数字信号打包成数据块，通过USB接口传输到计算机。
GPS射频硬件模块主要包括以下几个部分
一个Max2741为主芯片的RF射频前端，一个GRM7520为主芯片的RF射
频前端和一个GP2015为主芯片的RF射频前端，共三个射频前端。
一个可编程逻辑门阵列FPGA，负责读取三个射频前端的数据，并将数据打包
存储在FPGA的内部存储空间中。
一个USB控制器，负责将FPGA存储的中频数据块传输到计算机上。 处理软件模块运行于计算机上，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，并使用跟踪结果进行SBAS 和GPS的信号解码、定位计算和定位结果修正，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1(T12固定为SBAS通道，而通道广9固定为GPS通道；
步骤二启动三个线程，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。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。基带处理用状态机方式进行，设置 捕获、确认、推入、跟踪和空闲共五种状态，12通道轮流进入状态机进行处理。 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SBAS信号解码、SBAS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。
本发明的创新点在于
(1) 同时接收处理SBAS和GPS两种信号，利用SBAS信息对GPS定位 结果进行修正，以提高定位的精度和可靠性。
(2) 基于软件无线电思想，系统的硬件技术方案只有射频前端将射频信 号下变频至中频，后面的基带处理以及定位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。
本发明的技术效果
使用一个GPS射频硬件模块接收SBAS和GPS两种信号，并通过运行在计 算机上的软件，实现了同时处理SBAS和GPS两种模式的卫星信号，并且使用 SBAS信息对GPS定位结果进行修正，显著提高了定位精度。
:
图1是发明的软件接收机结构框图。图2是SBAS/GPS处理软件流程图。 图3是基带处理状态机图。 图4是定位处理流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。本发明使用自行开发设计 的GPS射频硬件模块和运行于计算机平台的SBAS+GPS处理软件，实现了同 时对SB AS和GPS两种模式的信号进行处理。
本发明的GPS射频硬件模块如附图1所示，SBAS和GPS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FIF0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。硬件主要包括以下几部分
一个Max2741为主芯片的RF射频前端模块，该模块的数字中频位3. 78MHz， 采样频率为13MHz 。
一个GRM7520为主芯片的RF射频前端模块，该模块的数字中频为4. 092MHz, 采样频率为16. 368腿z。
一个GP2015为主芯片的RF射频前端模块，该模块的数字中频为1. 405MHz， 采样频率为5. 714MHz。
一个CY7C68013A作为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的数据。
一个Spartan3 XC3S400的FPGA芯片，用于控制和读取三个射频RF模块 的数据。Spartan3 XC3S400内部的块存储空间(block Memory)配置为2块FIFO， 分别为A和B，使用乒乓方式进行数据存储。FIFOA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
FIFOB进行数据记录，而FIFO A的数据传输给CY7C68013A，如此轮流切换。
SBAS/GPS处理软件流程图如附图2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SBAS和GPS的信号解码、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1(T12固定为SBAS通道，而通道广9固定为GPS通道；
步骤二启动三个线程，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SBAS信号解码、SBAS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。
如图3所示，基带处理是一个状态机流程，有捕获、确认、推入、跟踪和 空闲共五种状态，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捕获状态，而未启用的通道初始状态设置为空闲状态。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。 如图4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SBAS信号解码，使用Viterbi算法进行解码。
步骤四SBAS信息提取，根据需要提取的SBAS信息类型包括类型6 一卫星完好性信息，类型18—电离层网格点屏蔽标识，类型24—快順混合校 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。
权利要求
1.一种星基增强卫星定位和GPS兼容的软件接收机系统，包括一个GPS射频硬件模块和一个运行于计算机平台的处理软件模块，其特征在于星基增强卫星定位和GPS信号通过同一个天线进入GPS射频转换芯片，变换到2bit的中频数字信号，中频信号输出到一个FPGA，FPGA将2bit中频信号进行打包形成数据块，并将数据块传输给USB控制芯片，USB控制芯片再将数据传输至计算机，运行于计算机上的处理软件读取并处理中频数据，完成基带处理、定位计算和定位修正。
2. 根据权利要求1所述的一种星基增强卫星定位和GPS兼容的软件接收 机系统，其特征在于，所述的GPS射频硬件模块的结构如下一个Max2741为主芯片的RF射频前端， 一个GRM7520为主芯片的RF射 频前端和一个GP2015为主芯片的RF射频前端，共三个射频前端；一个可编程逻辑门阵列FPGA，负责读取三个射频前端的数据，并将数据打包 存储在FPGA的内部存储空间中；一个USB控制器，负责将FPGA存储的中频数据块传输到计算机上。
3. 根据权利要求1所述的一种星基增强卫星定位和GPS兼容的软件接收 机系统，其特征在于，所述的运行于计算机平台的处理软件模块工作流程如下步骤l: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SBAS通道，而通道1 9固定为GPS通道；步骤2:启动三个线程，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，基带处理用状态机方式进行，设置捕获、确认、推入、跟踪和空闲共五种状态，12通道轮流进入状态机进行处理，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SBAS信号解码、SBAS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3: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。
4.根据权利要求1所述的一种星基增强卫星定位和GPS兼容的软件接收机 系统，其特征在于，所述的2bit的数字中频信号被FPGA合并为lByte数据，并打 包成数据块，数据块包含4ms整数倍如4ms、 8ms的采样数据。
5.根据权利要求4所述的一种星基增强卫星定位和GPS兼容的软件接收 机系统，其特征在于，所述的数据块存储在FPGA的内部存储空间中，FPGA的内 部存储空间被配置为2块FIF0，分别为A和B，使用乒乓方式进行数据存储，A记 录中频数据的同时，B的数据传输给USB控制器，A记录满一个数据块的数据后， 切换为B进行数据记录，而A的数据传输给USB控制器，如此轮流切换。
全文摘要
本发明公开了一种SBAS(星基增强)和GPS兼容的多模式软件接收机系统，属于卫星定位与导航领域。该软件接收机由一个GPS射频硬件模块和一个运行于计算机平台的处理软件模块组成。本发明主要解决了在计算机平台的软件架构上对SBAS/GPS信号进处理，尤其是利用SBAS信号对定位结果进行修正的问题。相对于一般的定位软件接收机，本发明的软件接收机能够同时处理SBAS和GPS两种模式的信号，因此显著地提高了单一GPS定位系统的定位精度、可靠性和完好性。
文档编号G01S5/14GK101408607SQ200810203388
公开日2009年4月15日 申请日期2008年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者雷 张, 宁 戴, 王建宇, 邓江平 申请人:中国科学院上海技术物理研究所