一种基于dsp的多系统兼容gnss接收机及其接收系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及GNSS (Global Navigat1n Satellite System,全球导航卫星系统)接收机设计技术，更具体地，涉及一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机及其接收系统。
【背景技术】
[0002]全球导航卫星系统能够为地球表面和近地空间的各类用户提供全天候、全天时的位置、速度和授时等信息服务，在日常生活、交通运输、经济发展、国防建设等领域有着重要的作用。进入21世纪以来，全球卫星导航定位系统迅速发展，目前已经形成了 GPS、GLONASS和中国的北斗(BDS)三大导航系统兼容、共用的局面。
[0003]对多系统兼容接收机而言，它具有可用卫星数量多、覆盖好、定位精度高、可靠性高等优点，而单系统接收机由于卫星数目有限或是某些恶劣环境中信号受到严重干扰等问题，提供的卫星定位服务的精度、可靠性、安全性和可用性无法得到保障。同时，各个卫星导航系统单独工作时可能存在难以覆盖的空白带，而且用户在使用过程中会受到主控国的限制。
[0004]由于GPS、GL0NASS和BDS这三种星基导航系统在系统构置、导航定位机理、频段、调制方式、信号和星历数据结构等方面是基本相同或近似的，都以发射扩频测距码、测量卫星与用户之间的伪距来完成导航定位，所以就存在利用一部用户设备同时接收这三种卫星信号的可能性。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机及其接收系统，解决了单一系统存在的覆盖空白问题，而且使系统可靠性和完好性显著提高，弥补了单一星座定位时可见卫星数目偏少、卫星几何分布不佳，定位精度不高的缺点。
[0006]本发明通过以下技术方案实现:
[0007]一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收机，包括射频单元、基带处理单元、定位解算单元；其中:
[0008]射频单元:全频点天线接收导航系统的卫星信号，并将该卫星信号送入射频单元，经过射频单元中的前置带通滤波、低噪声放大后，与本机振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频信号，最后经模数转换器将模拟中频信号转变成数字中频信号，并将该数字中频信号送入基带处理单元；
[0009]基带处理单元对射频模块输出的数字中频信号进行捕获、跟踪，获得多普勒观测量；同时对数字中频信号进行解调解扩，从中获取原始导航电文，获得伪距观测量；
[0010]定位解算单元获取基带处理单元送出的多普勒管测量和伪距观测量及原始导航电文，将其进行处理之后，得到用于定位解算的伪距、多普勒及电文参数信息，经过解算之后将定位测速结果发送给用户。
[0011]进一步地，所述基带处理单元对射频模块输出的数字中频信号进行处理，进一步地，分为捕获、跟踪、位同步和帧同步四个阶段；捕获分为伪码捕获和载波捕获，用于确定接收信号的伪码相位和载波频率的粗略值，估计误差分别小于载波环和码环的牵入范围；跟踪包括伪码跟踪和载波跟踪，通过码环对伪码进行跟踪，通过载波环对载波进行跟踪，分别实现复现码相位和复现载波与接收信号的同步。
[0012]进一步地，其中信号的捕获是通过检查相关器的输出功率在何种复制载波频率和码相位下达到最大来实现的，如果最大输出功率超过信号捕获门限值，则认为捕获到相应的卫星。
[0013]进一步地，定位解算单元还完成以下任务:系统控制，选择工作模式，安排卫星的捕获；系统多任务调度，并应对导航过程中的突发状况；定位、测速、授时；系统完好性信息处理和自主完好性监测；存储星历和历书，存储当前的接收机状态；接收机工作状态的输出和监测，与用户进行交互。
[0014]一种基于DSP的多系统兼容GNSS接收系统，包括初始化模块、捕获安排模块、观测量处理模块、电文解析模块、定位测速模块、通信模块和存储模块；其中:
[0015]初始化模块完成系统的初始化工作，包括硬件初始化和软件初始化；所述的硬件初始化是对处理器、基带处理单元及外围器件的上电状态进行初始化配置；软件初始化是对软件中所有的全局变量、需要执行的定位模式、定位频度、定位信息输出类型和频度进行初始化赋值；
[0016]捕获安排模块根据定位模式安排卫星的捕获；根据用户指定的定位模式对相应GNSS系统的卫星进行捕获和跟踪；在系统初上电时，捕获模块搜索可见星以完成首次定位；定位以后，捕获安排模块降低捕获频度，搜索除参与定位以外的可见星；
[0017]观测量处理模块完成对伪距、多普勒的计算，利用载波相位平滑伪距；
[0018]电文解析模块对原始电文进行解析，获取电文参数；电文解析模块接收到原始电文之后，对每一帧或每个字符串的二进制信息进行截取，将编排的每个电文参数解析出来，用于卫星位置的解算、星历健康情况的判断或者时间信息的获取；
[0019]定位测速模块利用伪距、多普勒观测量信息对用户三维坐标、三维速度以及接收机钟差、钟漂进行解算，并利用钟差信息对接收机时钟进行修正，完成授时功能；
[0020]通信模块用于串口信息的收发；通信模块将用户位置、速度、当前时间信息通知用户，并接收用户对接收机发出的各种指令；
[0021]存储模块对电文、用户状态、模式配置进行存储，使得接收机在下次开启时尽快地实现定位、测速和授时。
[0022]进一步地，在导航过程中，若遇到遮挡、干扰原因造成卫星信号的失锁，捕获安排模块将对失锁的卫星进行重新捕获；在发现某颗卫星的电文不健康、RAIM监测出现故障或者仰角低于可用门限时，捕获安排模块则将该卫星抛弃，并利用该卫星所在的通道捕获其他可见星。
[0023]进一步地，电文解析模块实时检测卫星导航电文的更新情况，并对当前的星历或历书进行更新，以确保定位测速的正确性。
[0024]进一步地，该系统工作状态共有6种，其中3种为启动状态:热启动、温启动和冷启动，一种正常工作状态，两种异常处理状态:辅助定位状态和定位异常处理状态；其中:
[0025]正常工作状态下，系统无间断地利用空闲通道搜索可见星，进行正常的电文解析及观测量提取，处于正常跟踪状态的卫星数量满足三维定位的要求，实现正常定位、测速及授时，结果满足精度要求；如果在一定时间内尚无法实现三维定位时转入定位异常处理状态；如果在正常导航过程中出现信号中断则转入辅助定位状态；其他工作状态结束后也都将进入正常工作状态；
[0026]冷启动状态下，GNSS接收机获取不到关于任何一个系统卫星有效的先验信息，系统将根据用户设定的定位模式对相应系统的所有卫星按照预定的顺序进行尝试性捕获，直至当所有的卫星全都捕获一轮或者接收机没有空闲通道，冷启动状态结束并切换至正常工作状态；
[0027]温启动状态下，GNSS接收机存有有效的历书，导航终端根据历书和用户概略位置预测天上处于用户视野之内的卫星，并尝试进行捕获，直到将预测的卫星全部捕获一轮，切换至正常工作状态；若根据历书预测不到有可见星的存在，则由温启动转入冷启动；
[0028]热启动状态下，GNSS接收机内存有若干颗卫星的有效星历，系统将对相应的卫星进行捕获，直至将这些卫星全部捕获一轮或几轮，切换至温启动状态或者正常工作状态；
[0029]辅助定位状态下，正常跟踪的卫星数量不足以满足正常的三维定位，通过二维定位算法和外推维持定位，同时等待信号恢复，重新定位，若在一定时间内定位恢复，则切换回正常工作状态，反之，若等待超时，则切换至热启动状态；
[0030]定位异常处理状态下，GNSS接收机尝试解决定位测速中出现的异常，如出现不符合常规的定位测速结果，或者虽然卫星数量满足要求却无法定位的情况，若成功解决则切换回正常工作状态，若超时则切换至热启动状态。
[0031]进一步地，当温启动失败时进入冷启动状态。
[0032]本发明的有益效果:
[0033]本发明将接收机拆分成3各模块，便于接收机故障的排查，并且基于DSP设计，便于程序的升级；同时接收系统中捕获模块中热星的设计，可加快捕获速度。
【附图说明】
[0034]图1是接收机组成框图；
[0035]图2是接收机软件系统功能模块；
[0036]图3是接收机系统工作状态切换；
[0037]图4是DSP主函数设计框图；
[0038]图5是接收机选择启动模式流程；
[0039]图6是接收机捕获安排线程；
[0040]图7是接收机定位测速线程流程；
[0041]图8是接收机电文解析线程；
[0042]图9