一种北斗二代与gps公用频点的实时信号接收处理系统的制作方法
【技术领域】：
[0001] 本发明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】：
[0002] 《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"）。
[0003] "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（ΜΕ0)和3颗倾斜 轨道同步卫星（IGS0)组成，27颗ΜΕ0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。
[0004] 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】
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[0005] 本发明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。
[0006] 本发明一种北斗二代和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。
[0007] 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：
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] USB控制器CY7C68013A芯片连接在Spartan3系列FPGA的可编程I/O口上；
[0012] 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lByte 数据，即最先读取到的2bit数据放置在lByte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SlaveFIFO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。
[0013] 计算机对接收到的数据块数据进行处理，具体步骤如下：
[0014] 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；
[0015]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；
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 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。
[0020] 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：
[0021] 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；
[0022] 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η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；
[0023] 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：
[0024]
[0025] 式中R[m]表不相关输出结果，Si[η]表不输入中频信号，CA[n]表不本地产生的C/ A码，f表示本地产生的载波频率；
[0026] 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= R[m]取得最大值， 则CA码的起始点为miXN/L;否则更新本地载波频率，搜索下一个频率点。
[0027] 本发明的优点在于:
[0028] (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。
[0029] (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