专利名称：Gps/caps双模组合接收机的信号处理方法
技术领域：
本发明涉及卫星导航技术领域，是针对GPS和中国区域导航系统(CAPS) 两个独立的卫星导航系统的一种GPS/CAPS双模组合定位的信号处理方法。
背景技术：
CAPS系统是中国自主研发的中国区域导航定位系统，其空间部分现有3颗 商用同步轨道卫星组成导航星座，利用气压高度计提供高程辅助实现用户的三 维定位。而GPS是美国的全球定位系统，卫星数目较多，覆盖范围广，地球上 任何地点均可同时观测到至少4颗以上卫星，从而保障全球覆盖、全天候、连 续地实施三维定位。
普通的GPS接收机主要由四部分组成GPS天线、GPS射频模块、GPS相关 器和微处理器。其中，天线主要负责接收来自GPS卫星的GPS射频信号；射频 模块实现信号的下变频，在当前的数字化接收机中还包括A/D转换；相关器是 进行信号捕获、跟踪的硬件部分，包括伪码、载波等各种原始数据和测量数据 的输出，并传送给微处理器；微处理器最后完成导航解算工作，主要包括数据 的解调、伪距的提取以及导航数据的解算等，它的处理基础是相关器，所有的 原始数据来自相关器。
发明内容
本发明的目的是公开一种GPS/CAPS双模组合接收机的信号处理方法，该信 号处理方法与普通接收机的信号处理方法相比，利用现有GPS成熟的模块，在 GPS相关器中完成两个系统的信号捕获、跟踪，结构简单，组合定位改善了用户 的导航定位精度，提高了系统完善性、可靠性。 为达到上述目的，本发明的技术解决方案是 一种GPS/CAPS双模组合接收机的信号处理方法，其包括步骤
A)先将CAPS信号下变频到L波段，然后将CAPS信号和GPS合为一路信号，使用GPS射频模块完成数字低中频转换，并在GPS专用相关器中完成两个 系统的信号捕获、跟踪；
B)利用GPS/CAPS两个系统的卫星星座，综合利用GPS卫星伪距、CAPS 卫星伪距、在同一时间历元进行联合解算，实现双模组合定位。
所述的GPS/CAPS双模组合接收机的信号处理方法，其GPS/CAPS双模组合 定位接收机包括L波段天线模块和C波段天线模块；C波段射频模块，完成CAPS 信号从C波段下变频到L波段；L波段合路器，将变频后的CAPS信号和GPS信 号合为一路；接下来就使用GPS的射频模块和GPS相关器处理合路的信号；GPS 相关器一般包含12个以上的相关器通道，每个相关器通道独立完成一个信号的 搜索与跟踪。
所述的GPS/CAPS双模组合接收机的信号处理方法，其GPS/CAPS的中频信 号在GPS专用相关器模块中统一进行基带信号处理，方法是在1号相关器通 道中搜索GPS/CAPS公共的PRN号为3的C/A码信号，当搜索到信号后，把测量 的多普勒频率和码相位传递给2号相关器通道，启动2相关器通道的跟踪环节 跟踪该信号；然后1号通道仍继续搜索信号，再次搜索到信号后则启动跟踪环 节跟踪信号；这两次搜索到的信号， 一个是GPS信号，另一个是CAPS信号，对 其的区分，则是依据GPS和CAPS不同的同步头来进行区别，并根据各系统不同 的电文参数接口文件进行解码，并进行联合定位解算，实现双系统组合定位。
所述的GPS/CAPS双模组合接收机的信号处理方法，其所述两信号的区分以 及解调步骤如下
(1) 位同步第一步从数据序列中判断第一个导航数据跳变点；第二步判 断其它导航数据跳变点是否发生在20ms的整数倍上，如不是，丢弃该数据回到 上一个环节；第三步将每20个数据点转换为+1或-l;
(2) 帧同步是要实现帧同步，找到帧起点；GPS导航电文的每个子帧的 第l 8bit为前导码10001001，是子帧起点；
而CAPS导航电文的每个子帧的前导码是1110101110010000，是子帧起点；
(3) 根据GPS前导码10001001和CAPS前导码1110101110010000区分GPS 和CAPS信号；
(4) 校验GPS采用奇偶校验，在每第2个字码中第29 30为奇偶检验码; CAPS采用CRC校验，CAPS每一子帧是300bit，其中每100bit为一个校验单元， 每一校验单元包括4位固定位，固定位不参与CRC校验，若校验出错，紧接着对下一子帧进行操作；
(5) 电文解调，经帧同步，有了帧同步头和帧ID号，分别按CAPS和GPS 电文结构规范从帧中读取电文信息；
(6) 电文解调后，对两个系统信号的伪距提取、星历解码以及双模组合定位。
本发明方法，充分利用GPS/CAPS两个系统的卫星星座，并且仅利用GPS专 用相关器完成两个系统信号的基带信号处理，结构简单，可实现高精度定位， 提供用户定位的可靠性。
图1为本发明方法使用的GPS/CAPS双模组合接收机原理示意图。
具体实施例方式
本发明GPS/CAPS双模组合接收机的信号处理方法，利用C波段天线和L波 段天线分别接收CAPS和GPS卫星信号，先将C波段的CAPS信号通过射频模块 变频到GPS信号所在的Ll频率1575. 42MHz,然后将该变频信号和GPS信号在L 波段合路器中合为一路信号，进入GPS射频模块下变频到低中频，并完成A/D 转换，送入GPS相关器完成信号的捕获、跟踪等基带信号处理工作。
由于CAPS系统的C/A码也采用与GPS —样的体制导航电文为50bps，伪 码速率为1. 023MIIz，因此可以使用GPS系统现有成熟的相关器模块来完成CAPS
信号的基带信号处理。
CAPS系统和GPS拥有公共的PRN为3、 4、 5的伪码信号，为了在GPS相关
器中完成两个系统的信号的捕获、跟踪，使用的策略是当分配公共C/A码的 相关器通道捕获到一个信号时，把该信号的伪码相位、多普勒频率传递给另一 个通道，来跟踪该信号；本通道则继续搜索下一个可能的信号，并进行跟踪， 这样避免了对两个系统公共信号的遗漏。由于GPS和CAPS信号的电文参数不同， 对两个信号的区分可以用GPS/CAPS不同的同步头来区分，并分别进行后续电文 解码。
在微处理器中完成对GPS/CAPS系统电文参数解调、卫星位置计算、伪距提 取等工作。采用GPS/CAPS双模组合接收机可以保证在中国区域内的任何地点、任何时
间，用户都能实现全天候的、连续的三维定位。利用双模组合定位的好处是 当其中一个系统的卫星数目不足以定位时，组合两个系统的卫星，可能达到定 位要求的卫星数目，实现定位；当两个系统分别可以定位时，组合两个系统的 卫星星座，则可以改善卫星几何分布因子，最终提高用户的导航定位精度，因 此两个系统双模组合定位大大改善了用户定位精度，提高了用户导航的可用性、 可靠性、完善性。
GPS/CAPS双模组合接收机的硬件部分包括GPS天线、CAPS天线，C波段
下变频到L波段的C波段变频器；L波段合路器；GPS射频模块；GPS相关器和
微处理器等。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
GPS/CAPS双模组合接收机原理示意图如图1所示，其硬件部分包括GPS 天线、CAPS天线，C波段下变频到L波段的C波段变频器；L波段合路器；GPS 射频模块；GPS相关器和微处理器等。系统各模块的功能描述如下 1) GPS/CAPS双模天线模块
该模块为接收CAPS信号的C波段天线和GPS天线，经各自独立通道，经过
低噪声放大器和带通滤波器处理。
2) 射频信号处理模块
射频模块包括处理CAPS信号的C波段射频模块、合路器、GPS专用射频模 块组成。C波段射频模块将CAPS信号变频到GPS信号所在的1575. 42MHz频率， 然后和GPS信号进行合路，合路后的信号输入到GPS专用的射频模块，完成信 号由L波段到低中频信号下变频。在GPS专用射频模块中一般含A/D模块，输 出低中频的数字信号给相关器完成基带信号处理。
3) 基带信号处理
基带信号处理是指完成导航信号的捕获、跟踪。由于CAPS系统和GPS拥有公 共的PRN为3、 4、 5的伪码信号，为了在GPS相关器中完成两个系统的信号的捕获、 跟踪，使用的策略是当分配公共C/A码的相关器通道捕获到一个信号时，把该 信号的伪码相位、多普勒频率传递给另一个通道，来跟踪该信号；本通道则继 续搜索下一个可能的信号，并进行跟踪。由于GPS和CAPS信号的电文参数不同， 对两个信号的区分可以用GPS/CAPS不同的同步头来区分。
4) 微处理器完成导航信息处理以及定位解算任务。主要包括解扩解调后的比特同步、 帧同步、电文信息提取、校验(奇偶校验和CRC校验)、卫星选择、伪距提取、
PVT解算等功能。与普通GPS接收机不同的是，双模组合接收机是根据接收到 GPS/CAPS系统卫星信号的情况，可以把两个系统的测量数据统一组织起来，进 行定位解算。
本发明中，GPS和CAPS卫星信号分别由C波段天线1，和L波段天线2'两 路独立接收，信号分别经过低噪声放大器(LNA3'和LNA4')和带通滤波器(5' 和6，)处理。CAPS信号输出到CAPS射频模块7，变频到1575. 42MHz，然后和 GPS信号输入到合路器8'合为一路信号，合路信号经GPS射频模块9'下变频 到低中频，并进行A/D变换转换成数据信号送入GPS专用的相关器10'进行基 带信号处理，完成GPS和CAPS信号的捕获、跟踪，在微处理器11，中进行GPS/CAPS 导航电位解调、测量参数提取以及双系统组合定位解算。
GPS信号与CAPS信号具有公共的PRN号，对信号的区分主要是依据两个系 统的不同前导码来实现的。跟踪环路输出的数据实际上为一些0和1的数据点 序列，信号解调(同步)的目的是将这些信号按GPS或CAPS信号规范拼接为帧 数据，并实时解释该帧包含电文含义。信号的区分以及解调主要步骤如下
(1) 位同步由于1个CA码周期对应lms，而CAPS和GPS导航电文都是 50bps速率，即lbit/20ms。位同步第一步是从数据序列中判断第一个导航数据 跳变点；第二步是判断其它导航数据跳变点是否发生在20ms的整数倍上，如若 不是，应该丢弃数据回到上一个环节；第三步是将每20个数据点转换为+1或-1。
(2) 帧同步下一步就是要实现帧同步，就是找到帧起点。GPS导航电文 一个主帧分为5个子帧，每子帧(6秒)包含10个字码，每个字码30bit， 一 共300bit。每个子帧的第1 8bit为前导码(10001001)，子帧起点。
而CAPS导航电文一个超帧分为2个主帧，每个主帧有5个子帧(6秒)包 含300bit，前导码(1110101110010000)。
(3) 根据GPS前导码(10001001)和CAPS前导码(1110101110010000) 区分GPS和CAPS信号。
(4) 校验GPS采用的是奇偶校验，在每第2个字码(HOW)中第29 30 为奇偶检验码(OO);CAPS采用CRC校验，CAPS每一子帧是300bit，其中每100bit
(其中包括4位固定位)为一个校验单元，固定位不参与CRC校验，若校验出错，紧接着对下一子帧进行操作。
(5) 电文解调，经帧同步，有了帧同步头和帧ID号，可以分别按CAPS和 GPS电文结构规范从帧中读取电文信息，并用于伪距的提取；
(6) 电文解调后，对两个系统信号的伪距提取、星历解码以及双模组合定 位功能。
权利要求
1、一种GPS/CAPS双模组合接收机的信号处理方法，其特征在于，包括步骤A)先将CAPS信号下变频到L波段，然后将CAPS信号和GPS合为一路信号，使用GPS射频模块完成数字低中频转换，并在GPS专用相关器中完成两个系统的信号捕获、跟踪；B)利用GPS/CAPS两个系统的卫星星座，综合利用GPS卫星伪距、CAPS卫星伪距、在同一时间历元进行联合解算，实现双模组合定位。
2、 根据权利要求1所述的GPS/CAPS双模组合接收机的信号处理方法， 其特征在于，GPS/CAPS双模组合定位接收机包括L波段天线模块和C波段天线 模块；C波段射频模块，完成CAPS信号从C波段下变频到L波段；L波段合路 器，将变频后的CAPS信号和GPS信号合为一路；接下来就使用GPS的射频模块 和GPS相关器处理合路的信号；GPS相关器一般包含12个以上的相关器通道， 每个相关器通道独立完成一个信号的搜索与跟踪。
3、 根据权利要求1所述的GPS/CAPS双模组合接收机的信号处理方法， 其特征在于，GPS/CAPS的中频信号在GPS专用相关器模块中统一进行基带信号 处理，方法是在l号相关器通道中搜索GPS/CAPS公共的PRN号为3的C/A码 信号，当搜索到信号后，把测量的多普勒频率和码相位传递给2号相关器通道， 启动2相关器通道的跟踪环节跟踪该信号；然后1号通道仍继续搜索信号，再 次搜索到信号后则启动跟踪环节跟踪信号；这两次搜索到的信号， 一个是GPS 信号，另-个是CAPS信号，对其的区分，则是依据GPS和CAPS不同的同步头 来进行区别，并根据各系统不同的电文参数接口文件进行解码，并进行联合定 位解算，实现双系统组合定位。
4、 根据权利要求3所述的GPS/CAPS双模组合接收机的信号处理方法， 其特征在于，所述两信号的区分以及解调步骤如下(1) 位同步第一步从数据序列中判断第一个导航数据跳变点；第二步判 断其它导航数据跳变点是否发生在20ms的整数倍上，如不是，丢弃该数据回到 上一个环节；第三步将每20个数据点转换为+1或-l;(2) 帧同歩是实现帧同步，找到帧起点；GPS导航电文的每个子帧的第 1 8bit为前导码10001001，是子帧起点；而CAPS导航电文的每个子帧的前导码是1110101110010000，是子帧起点；(3) 根据GPS前导码10001001和CAPS前导码1110101110010000区分GPS 和CAPS信号；(4) 校验GPS采用奇偶校验，在每第2个字码中第29 30为奇偶检验码; CAPS采用CRC校验，CAPS每一子帧是300bit，其中每100bit为一个校验单元， 每一校验单元包括4位固定位，固定位不参与CRC校验，若校验出错，紧接着对下一子帧进行操作；(5) 电文解调，经帧同步，有了帧同步头和帧ID号，分别按CAPS和GPS电文结构规范从帧中读取电文信息；(6) 电文解调后，对两个系统信号的伪距提取、星历解码以及双模组合定位。
全文摘要
本发明为一种GPS/CAPS双模组合接收机信号处理方法，涉及卫星导航技术，其特点是先将CAPS信号下变频到L波段，然后将GPS和CAPS信号合为一路信号，使用GPS射频模块完成数字低中频转换，在GPS相关器中完成两个系统的信号捕获、跟踪，使两个系统的信号可以在同一时间历元进行计算，实现双模组合定位。本发明方法使用的GPS/CAPS双模组合接收机与普通GPS接收机相比，充分利用两个系统的卫星星座，并且仅利用GPS专用相关器完成两个系统信号的基带信号处理，结构简单，可实现高精度定位，提供用户定位的可靠性。
文档编号G01S5/02GK101634696SQ200810117069
公开日2010年1月27日 申请日期2008年7月23日 优先权日2008年7月23日
发明者孙希延, 峰 庞, 施浒立, 王晓岚, 纪元法 申请人:中国科学院国家天文台