专利名称：Gps测速实现方法及gps测速仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及GPS卫星导航领域，具体涉及一种GPS测速实现方法及GPS测速仪。
背景技术：
GPS由于具有全天候、高精度、自动化和高效益等特点，广泛应用于航空和航海导航、车辆导航与调度、大地测量、海洋测绘、农业、军事等领域。美国的GPS由于开发早，GPS已占据卫星导航应用的绝大部分市场，所占份额已超过95%。随着GPS芯片的发展，现在的GPS接收机发展迅速，接收机无论是体积、功耗、灵敏度、精度等指标都有了很大提升。虽然，GPS接收机已经用于各行各业，特别在车辆、航运等交通管理中发挥了巨大作用，但是，GPS接收机的测速却没有统一的标准，各家单位仅以自己的标准标定自研接收机的测速指标，这为GPS接收机的测速标定带来了困难。·
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种GPS测速实现方法及GPS测速仪，其能够为GPS接收机提供测速标准。本发明的发明构思是根据用户测速要求，上位机完成运动场景和其他控制参数设置，并通过串口发给GPS测速仪；GPS测速仪是由基带信号处理单元、AD单元和射频单元构成。其中，基带信号处理单元是基于DSP+FPGA软件无线电平台，该模块根据上位机传来的设置参数，模拟用户运动状态和轨迹，经导航电文编码、扩频调制和载波调制后生成GPS中频数字信号，GPS中频数字信号经AD单元变换后为中频模拟信号，再经射频单元变换后为GPS模拟射频信号；GPS接收机实时接收该模拟信号实现接收机测速，接收机测速结果通过上位机软件与模拟的用户速度比对，并生成测速精度统计文件或报表，从而最终实现对接收机测速精度的评估，为GPS接收机提供速度测量标准。为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的一种GPS测速实现方法，包括如下步骤①GPS测速仪的DSP处理模块根据上位机设定的用户运动场景，模拟并生成用户仿真时刻的运动轨迹；根据上位机发来的导航电文，提取星历参数，完成GPS导航电文的编码；根据提取出的星历参数计算卫星的位置信息，并结合生成的用户仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见，进而计算全部可见卫星在卫星信号发送时刻的初始载波相位和初始伪码相位；②GPS测速仪的FPGA处理模块将每颗可见卫星分配到相应的信号生成通道；各个通道再根据所分配到的可见卫星的频率信息生成相应的载波和伪码信号；最后将各个通道生成的载波和伪码调制在同步的导航电文上，生成GPS中频数字信号；③GPS测速仪的数模转换模块将步骤③生成的GPS中频数字信号转变为GPS中频模拟信号，该GPS中频模拟信号经上变频模块变频到GPS的标准射频频率，并通过发射天线或射频电缆输出给GPS接收机；
④GPS接收机接收GPS测速仪即步骤④发射的射频信号，进行速度解算，并把测速结果发到上位机上；⑤上位机接收GPS接收机返回的测速结果和GPS测速仪反馈回来的用户模拟速度，并将两者进行比对和统计；最后将比对和统计结果形成测速评估文件进行存储，最终完成对GPS接收机测速结果的评估和标定。上述步骤①中所述上位机设定的用户运动场景包括设定用户的运动形态和运动模式。上述运动形态为直线、曲线或圆形；上述运动模式为匀速、匀加速或变加速。
作为上述方案的改进，步骤⑥所述测速评估文件中还记录有GPS接收机的速度误差参数σ，即 (ν< ui) σ = \ —-
Il η(I)式中，Vi为第i时刻GPS测速仪反馈的用户模拟速度值；Ui为第i时刻GPS接收机返回的测速结构值；n为观测次数。一种GPS测速仪，主要由电源模块，以及与电源模块相连的DSP处理模块、FPGA处理模块、数模转换模块和上变频模块组成；FPGA处理模块与上位机相连接；DSP处理模块和FPGA处理模块相互连接；FPGA处理模块的输出端经由数模转换模块连接上变频模块；上变频模块上接有发射天线或射频电缆；其中，DSP处理模块，根据上位机设定的用户运动场景，模拟并生成用户仿真时刻的运动轨迹；根据上位机发来的导航电文，提取星历参数，完成GPS导航电文的编码；根据提取出的星历参数计算卫星的位置信息，并结合生成的用户仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见，进而计算全部可见卫星在卫星信号发送时刻的初始载波相位和初始伪码相位；FPGA处理模块，将每颗可见卫星分配到相应的信号生成通道；各个通道再根据所分配到的可见卫星的频率信息生成相应的载波和伪码信号；最后将各个通道生成的载波和伪码调制在同步的导航电文上，生成GPS中频数字信号；数模转换模块，将生成的GPS中频数字信号转变为GPS中频模拟信号后送入到上变频模块中； 上变频模块，将GPS中频模拟信号变频到GPS的标准射频频率，并通过发射天线或射频电缆输出给GPS接收机。上述方案中，上述FPGA处理模块通过串口通信模块与上位机相连接。与现有技术相比，本发明具有如下特点I、GPS测速仪模拟产生用户各种运动场景，并根据仿真时间实时生成GPS接收机天线接收到的射频信号，GPS接收机接收GPS测速仪生成的模拟信号，完成用户的实时速度测量，GPS测速仪模拟的用户速度与GPS接收机的测速结果统一在上位机上统计和评估，并把比对结果和评估结果以报表或文件的形式存放，以便实现GPS接收机测速标定。2、GPS测速仪可以模拟多种用户运动场景，可以标定用户在不同运动状况下的速度；和普通的GPS模拟器相比，本发明设计中的GPS测速仪不但可以实现GPS模拟器所有功能，还能根据上位机设置的用户运动模式，产生相应的运动场景，并通过卫星发射时间延迟计算、卫星位置和速度计算、码的NCO生成、载波NCO生成、信息编码、信号调制、AD和上变频后产生接收机天线接收到的射频信号，GPS接收机接收到该信号后，完成用户的实时速度计算。
图I为本发明一种GPS测速实现方法应用实例图。图2为一种GPS测速仪。
具体实施方式
参见图1，一种GPS测速系统主要由上位机、GPS测速仪和待测的GPS接收机构成。其中上位机通过串口与GPS测速仪相互连接；GPS测速仪的输出端与GPS接收机的输入端连接；GPS接收机的输出端连接上位机。上位机通过上位机软件完成运动场景和其他控制参数设置，并通过串口发给GPS测速仪；GPS测速仪接收这些参数后完成GPS射频信号的生成，生成的GPS射频信号通过天线或射频电缆输入到GPS接收机；GPS接收机接收该信号，完成接收机的测速，并通过串口把测速结果发到上位机上；同时上位机还接收来自GPS测速仪的用户模拟速度，这两组数据以报表或文件的方式存放，通过对两组数据的比对，以大量数据统计的方法获得GPS接收机测速的均方差，从而完成对GPS接收机测速的标定。上述GPS测速仪主要由电源模块，以及与电源模块相连的DSP处理模块、FPGA处理模块、数模转换模块和上变频模块组成。FPGA处理模块通过串口通信模块与上位机相连接；DSP处理模块和FPGA处理模块相互连接；FPGA处理模块的输出端经由数模转换模块连接上变频模块；上变频模块上接有发射天线或射频电缆。如图2所示。①DSP处理模块DSP处理模块完成各种信息处理，计算信号控制参数。DSP处理模块接收上位机发过来的用户运动设置参数，模拟用户的运动状态和轨迹；根据上位机发来的导航电文，提取星历参数和星钟参数信息；根据星历参数计算所模拟卫星的位置、速度，并判断卫星的可见性，并结合用户的位置、速度、时间信息，建立卫星信息。进而推算出卫星到用户的伪距和伪距变化率等基本信息，并计算出全部卫星信号发送时刻的信号状态(码相位和载波相位)；根据提取的星历参数和星钟信息，重新进行导航数据计算，打入电文时标，生成卫星的导航信息；计算卫星信号发射时刻各颗卫星各种模拟仿真信号参数和控制信息；建立各类误差源的误差模型，根据各类误差源，由误差模型生成相应的误差模拟信号；根据上位机提供的用户运动轨迹参数，进行高动态码NCO和载波NCO模拟。②FPGA处理模块FPGA处理模块完成信号处理，时序控制等功能，合成数字的中频信号。因GPS用户在地球上的任何一点可见GPS卫星数为8-12颗，所以，FPGA处理模块内部总共12个通道，可同时模拟12颗卫星，但是每个通道对应的星号不固定，DSP处理模块在初始阶段会向FPGA处理模块每个通道发送卫星号。FPGA处理模块内部通道根据收到的卫星号，选择相应的码表，再根据收到的初始控制字，选择对应的码相位和载波相位作为起始，开始进行模拟。然后在时序模块的控制下，按照一定频率更新控制字和电文信息，最后通过直接序列合成生成数字中频信号。DSP处理模块和FPGA处理模块之间的通信使用DSP的EMIF方式实现。GPS测速仪中的信号处理计算工作主要由FPGA负责实现，具体实现功能包括伪码和载波发生器设计，高动态码NCO和载波NCO模拟，进行中频信号调制，系统时序控制和同步。另外，FPGA处理模块还是GPS测速仪中各模块间数据通信的中转，负责实现相关数据的交互和缓存，以实现个子系统间的数据通信。DSP处理模块在初始阶段会向FPGA处理模块每个通道发送通道信息(包括测速仪功能，模拟卫星号，通道开关状态等)，FPGA处理模块内部通道根据收到的卫星号，选择相应的伪码和载波发生器，再根据收到的初始码片相位和载波相位，选择该码表和载波内的起始点，开始进行NCO累加。生成的伪码和载波调制在同步导航电文数据上，形成数字中频信号。③数模转换模块 将生成的GPS中频数字信号转变为GPS中频模拟信号后送入到上变频模块中。④上变频模块在GPS测速仪中，产生信号的精确发射和传输是一个重要指标。考虑到GPS测速仪具有多通道信号传输的特点，中频、射频电路的设计对相噪参数等参数指标的实现是一个非常关键的环节。数字中频调制方式为BPSK的模拟中频信号，信号带宽为2. 046MHz。射频信号端口输出LI (I. 57542GHz)射频频率信号，可以作为GPS接收机的射频输入。系统的设计需要满足信号幅度(模拟源输出信号幅度精度、准确性、变化范围)、相噪指标、频率稳定度，信号带宽等指标要求。GPS测速仪模拟信号参数及导航电文通过串口送入板卡上的缓冲区中；DSP将这些数据从缓存区读出，产生相应的C/A码，并完成选星及对FPGA处理模块的通道控制等；码速率及码相位的控制、数字载波调制、多通道数字信号合成可以在FPGA处理模块中完成；信号经过模拟中频信号调制、射频信号调制等上变频、滤波及增益控制后即得到载频为1575. 42MHz 的 GPSLl 射频信号。⑤串口通信模块串口通信控制模块完成上位机软件与GPS测速仪基带部分之间的通信，上位机软件产生的各项参数按照一定的通信协议，以帧格式的形式通过串口 RS232接口发送给GPS测速仪基带部分，传送方式为批量传输，即用来传送量的数据的一种传送方式。通信控制模块主要有两个作用一是根据用户设定的运动场景，向GPS测速仪数字处理部分发送信号状态信息参数及各种控制命令参数；二是分别从信号GPS测速仪基带部分和GPS接收机中读取速度等信息数据，在上位机软件中进行实时显示。⑥电源模块提供整个系统的二次供电，提供各个模块硬件芯片所需的电压。⑦上位机及软件上位机根据GPS接收机测速标定要求，上位机设置用户轨迹场景，涉及用户的运动模式可以匀速的、匀加速的、匀加加速的、变加速等多种场景，用户运动形态可以是直线的、曲线的和圆形的，并通过串口把设置参数下发给GPS测速仪。GPS测速仪上位机软件提供了良好的人机交互接口，可以使用户更方便的定义用户接收机的工作环境，上位机软件分为场景生成软件、用户交互界面和测速评估文件。场景生成软件根据用户通过计算机输入用户的初始位置坐标、卫星星历文件、用户运动轨迹、大气层延迟模型等初始条件，计算机根据这些条件求解出简化的模型参数，并将这些参数保存为场景文件，按照一定的通信传输协议传送给GPS测速仪，从而控制多通道GPS测速仪产生相应的数字中频信号。用户交互界面主要功能是提供用户与计算机之间的交互接口，通过该接口从GPS测速仪反馈回来的数据，如用户模拟速度，在用户交互界面上实时显示GPS接收机的速度、各通道卫星信号状态信息等。因此，用户可以完成对硬件平台的管理和控制，实现对软件仿真与测试任务、可视化及测试结果的管理。测速评估文件主要对GPS测速仪模拟速度和GPS接收机输出的速度结果进行统计和评估，其不仅可以简单记录比对和统计的结果，而且还可以可以进一步记录GPS接收机的速度误差σ，即
4 客( )σ = \ —-
η(I)式中，Vi为第i时刻GPS测速仪反馈的用户模拟速度值；Ui为第i时刻GPS接收机返回的测速结构值；n为观测次数。上述GPS测速系统所实现的GPS测速实现方法，包括如下步骤①GPS测速仪的DSP处理模块根据上位机设定的用户运动场景，模拟并生成用户仿真时刻的运动轨迹；根据上位机发来的导航电文，提取星历参数，完成GPS导航电文的编码；根据提取出的星历参数计算卫星的位置信息，并结合生成的用户仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见，进而计算全部可见卫星在卫星信号发送时刻的初始载波相位和初始伪码相位；③GPS测速仪的FPGA处理模块将每颗可见卫星分配到相应的信号生成通道；各个通道再根据所分配到的可见卫星的频率信息生成相应的载波和伪码信号；最后将各个通道生成的载波和伪码调制在同步的导航电文上，生成GPS中频数字信号；④GPS测速仪的数模转换模块将步骤③生成的GPS中频数字信号转变为GPS中频模拟信号，该GPS中频模拟信号经上变频模块变频到GPS的标准射频频率，并通过发射天线或射频电缆输出给GPS接收机；⑤GPS接收机接收GPS测速仪即步骤④发射的射频信号，进行速度解算，并把测速结果发到上位机上；⑥上位机接收GPS接收机返回的测速结果和GPS测速仪反馈回来的用户模拟速度，并将两者进行比对和统计；最后将比对和统计结果形成测速评估文件进行存储，最终完成对GPS接收机测速结果的评估和标定。
权利要求
1.一种GPS测速实现方法，其特征是包括如下步骤 ①GPS测速仪的DSP处理模块根据上位机设定的用户运动场景，模拟并生成用户仿真时刻的运动轨迹；根据上位机发来的导航电文，提取星历参数，完成GPS导航电文的编码；根据提取出的星历参数计算卫星的位置信息，并结合生成的用户仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见，进而计算全部可见卫星在卫星信号发送时刻的初始载波相位和初始伪码相位； ②GPS测速仪的FPGA处理模块将每颗可见卫星分配到相应的信号生成通道；各个通道再根据所分配到的可见卫星的频率信息生成相应的载波和伪码信号；最后将各个通道生成的载波和伪码调制在同步的导航电文上，生成GPS中频数字信号； ③GPS测速仪的数模转换模块将步骤③生成的GPS中频数字信号转变为GPS中频模拟信号，该GPS中频模拟信号经上变频模块变频到GPS的标准射频频率，并通过发射天线或射频电缆输出给GPS接收机； ④GPS接收机接收GPS测速仪即步骤④发射的射频信号，进行速度解算，并把测速结果发到上位机上； ⑤上位机接收GPS接收机返回的测速结果和GPS测速仪反馈回来的用户模拟速度，并将两者进行比对和统计；最后将比对和统计结果形成测速评估文件进行存储，最终完成对GPS接收机测速结果的评估和标定。
2.根据权利要求I所述的一种GPS测速实现方法，其特征是，步骤①中所述上位机设定的用户运动场景包括设定用户的运动形态和运动模式。
3.根据权利要求2所述的一种GPS测速实现方法，其特征是，所述运动形态为直线、曲线或圆形；所述运动模式为匀速、匀加速或变加速。
4.根据权利要求I所述的一种GPS测速实现方法，其特征是，步骤⑥所述测速评估文件中还进一步记录有GPS接收机的速度误差参数σ，SP 式中，Vi为第i时刻GPS测速仪反馈的用户模拟速度值；Ui为第i时刻GPS接收机返回的测速结构值；n为观测次数。
5 一种GPS测速仪，其特征是主要由电源模块，以及与电源模块相连的DSP处理模块、FPGA处理模块、数模转换模块和上变频模块组成；FPGA处理模块与上位机相连接；DSP处理模块和FPGA处理模块相互连接；FPGA处理模块的输出端经由数模转换模块连接上变频模块；上变频模块上接有发射天线或射频电缆；其中， DSP处理模块，根据上位机设定的用户运动场景，模拟并生成用户仿真时刻的运动轨迹；根据上位机发来的导航电文，提取星历参数，完成GPS导航电文的编码；根据提取出的星历参数计算卫星的位置信息，并结合生成的用户仿真时刻的运动轨迹，预测GPS卫星是否可见，进而计算全部可见卫星在卫星信号发送时刻的初始载波相位和初始伪码相位； FPGA处理模块，将每颗可见卫星分配到相应的信号生成通道；各个通道再根据所分配到的可见卫星的频率信息生成相应的载波和伪码信号；最后将各个通道生成的载波和伪码调制在同步的导航电文上，生成GPS中频数字信号；数模转换模块，将生成的GPS中频数字信号转变为GPS中频模拟信号后送入到上变频模块中； 上变频模块，将GPS中频模拟信号变频到GPS的标准射频频率，并通过发射天线或射频电缆输出给GPS接收机。
6.根据权利要求5所述的一种GPS测速仪，其特征是FPGA处理模块通过串口通信模块与上位机相连接。
全文摘要
本发明公开一种GPS测速实现方法及GPS测速仪，上位机根据用户测速要求完成运动场景和其他控制参数设置，并通过串口发给GPS测速仪；GPS测速仪由基带信号处理单元、AD单元和射频单元构成。基带信号处理单元基于DSP+FPGA软件无线电平台，该模块根据上位机传来的设置参数，模拟用户运动状态和轨迹，经导航电文编码、扩频调制和载波调制后生成GPS中频数字信号，GPS中频数字信号经AD单元变换后为中频模拟信号，再经射频单元变换后为GPS模拟射频信号；GPS接收机实时接收该模拟信号实现接收机测速，接收机测速结果通过上位机软件与模拟的用户速度比对，并生成测速精度统计文件或报表，从而最终实现对接收机测速精度的评估，为GPS接收机提供速度测量标准。
文档编号G01P21/02GK102841364SQ20121032623
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者纪元法, 王守华, 孙希延, 符强, 吴孙勇, 严素清 申请人:桂林电子科技大学