專利名稱：Gps/caps雙模組合接收機的信號處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，是針對GPS和中國區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)(CAPS) 兩個獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種GPS/CAPS雙模組合定位的信號處理方法。
背景技術(shù)：
CAPS系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的中國區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)，其空間部分現(xiàn)有3顆 商用同步軌道衛(wèi)星組成導(dǎo)航星座，利用氣壓高度計提供高程輔助實現(xiàn)用戶的三 維定位。而GPS是美國的全球定位系統(tǒng)，衛(wèi)星數(shù)目較多，覆蓋范圍廣，地球上 任何地點均可同時觀測到至少4顆以上衛(wèi)星，從而保障全球覆蓋、全天候、連 續(xù)地實施三維定位。
普通的GPS接收機主要由四部分組成GPS天線、GPS射頻模塊、GPS相關(guān) 器和微處理器。其中，天線主要負(fù)責(zé)接收來自GPS衛(wèi)星的GPS射頻信號；射頻 模塊實現(xiàn)信號的下變頻，在當(dāng)前的數(shù)字化接收機中還包括A/D轉(zhuǎn)換；相關(guān)器是 進行信號捕獲、跟蹤的硬件部分，包括偽碼、載波等各種原始數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù) 的輸出，并傳送給微處理器；微處理器最后完成導(dǎo)航解算工作，主要包括數(shù)據(jù) 的解調(diào)、偽距的提取以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解算等，它的處理基礎(chǔ)是相關(guān)器，所有的 原始數(shù)據(jù)來自相關(guān)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種GPS/CAPS雙模組合接收機的信號處理方法，該信 號處理方法與普通接收機的信號處理方法相比，利用現(xiàn)有GPS成熟的模塊，在 GPS相關(guān)器中完成兩個系統(tǒng)的信號捕獲、跟蹤，結(jié)構(gòu)簡單，組合定位改善了用戶 的導(dǎo)航定位精度，提高了系統(tǒng)完善性、可靠性。 為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種GPS/CAPS雙模組合接收機的信號處理方法，其包括步驟
A)先將CAPS信號下變頻到L波段，然后將CAPS信號和GPS合為一路信號，使用GPS射頻模塊完成數(shù)字低中頻轉(zhuǎn)換，并在GPS專用相關(guān)器中完成兩個 系統(tǒng)的信號捕獲、跟蹤；
B)利用GPS/CAPS兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星星座，綜合利用GPS衛(wèi)星偽距、CAPS 衛(wèi)星偽距、在同一時間歷元進行聯(lián)合解算，實現(xiàn)雙模組合定位。
所述的GPS/CAPS雙模組合接收機的信號處理方法，其GPS/CAPS雙模組合 定位接收機包括L波段天線模塊和C波段天線模塊；C波段射頻模塊，完成CAPS 信號從C波段下變頻到L波段；L波段合路器，將變頻后的CAPS信號和GPS信 號合為一路；接下來就使用GPS的射頻模塊和GPS相關(guān)器處理合路的信號；GPS 相關(guān)器一般包含12個以上的相關(guān)器通道，每個相關(guān)器通道獨立完成一個信號的 搜索與跟蹤。
所述的GPS/CAPS雙模組合接收機的信號處理方法，其GPS/CAPS的中頻信 號在GPS專用相關(guān)器模塊中統(tǒng)一進行基帶信號處理，方法是在1號相關(guān)器通 道中搜索GPS/CAPS公共的PRN號為3的C/A碼信號，當(dāng)搜索到信號后，把測量 的多普勒頻率和碼相位傳遞給2號相關(guān)器通道，啟動2相關(guān)器通道的跟蹤環(huán)節(jié) 跟蹤該信號；然后1號通道仍繼續(xù)搜索信號，再次搜索到信號后則啟動跟蹤環(huán) 節(jié)跟蹤信號；這兩次搜索到的信號， 一個是GPS信號，另一個是CAPS信號，對 其的區(qū)分，則是依據(jù)GPS和CAPS不同的同步頭來進行區(qū)別，并根據(jù)各系統(tǒng)不同 的電文參數(shù)接口文件進行解碼，并進行聯(lián)合定位解算，實現(xiàn)雙系統(tǒng)組合定位。
所述的GPS/CAPS雙模組合接收機的信號處理方法，其所述兩信號的區(qū)分以 及解調(diào)步驟如下
(1) 位同步第一步從數(shù)據(jù)序列中判斷第一個導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變點；第二步判 斷其它導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變點是否發(fā)生在20ms的整數(shù)倍上，如不是，丟棄該數(shù)據(jù)回到 上一個環(huán)節(jié)；第三步將每20個數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)換為+1或-l;
(2) 幀同步是要實現(xiàn)幀同步，找到幀起點；GPS導(dǎo)航電文的每個子幀的 第l 8bit為前導(dǎo)碼10001001，是子幀起點；
而CAPS導(dǎo)航電文的每個子幀的前導(dǎo)碼是1110101110010000，是子幀起點；
(3) 根據(jù)GPS前導(dǎo)碼10001001和CAPS前導(dǎo)碼1110101110010000區(qū)分GPS 和CAPS信號；
(4) 校驗GPS采用奇偶校驗，在每第2個字碼中第29 30為奇偶檢驗碼; CAPS采用CRC校驗，CAPS每一子幀是300bit，其中每100bit為一個校驗單元， 每一校驗單元包括4位固定位，固定位不參與CRC校驗，若校驗出錯，緊接著對下一子幀進行操作；
(5) 電文解調(diào)，經(jīng)幀同步，有了幀同步頭和幀ID號，分別按CAPS和GPS 電文結(jié)構(gòu)規(guī)范從幀中讀取電文信息；
(6) 電文解調(diào)后，對兩個系統(tǒng)信號的偽距提取、星歷解碼以及雙模組合定位。
本發(fā)明方法，充分利用GPS/CAPS兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星星座，并且僅利用GPS專 用相關(guān)器完成兩個系統(tǒng)信號的基帶信號處理，結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)高精度定位， 提供用戶定位的可靠性。


圖1為本發(fā)明方法使用的GPS/CAPS雙模組合接收機原理示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明GPS/CAPS雙模組合接收機的信號處理方法，利用C波段天線和L波 段天線分別接收CAPS和GPS衛(wèi)星信號，先將C波段的CAPS信號通過射頻模塊 變頻到GPS信號所在的Ll頻率1575. 42MHz,然后將該變頻信號和GPS信號在L 波段合路器中合為一路信號，進入GPS射頻模塊下變頻到低中頻，并完成A/D 轉(zhuǎn)換，送入GPS相關(guān)器完成信號的捕獲、跟蹤等基帶信號處理工作。
由于CAPS系統(tǒng)的C/A碼也采用與GPS —樣的體制導(dǎo)航電文為50bps，偽 碼速率為1. 023MIIz，因此可以使用GPS系統(tǒng)現(xiàn)有成熟的相關(guān)器模塊來完成CAPS
信號的基帶信號處理。
CAPS系統(tǒng)和GPS擁有公共的PRN為3、 4、 5的偽碼信號，為了在GPS相關(guān)
器中完成兩個系統(tǒng)的信號的捕獲、跟蹤，使用的策略是當(dāng)分配公共C/A碼的 相關(guān)器通道捕獲到一個信號時，把該信號的偽碼相位、多普勒頻率傳遞給另一 個通道，來跟蹤該信號；本通道則繼續(xù)搜索下一個可能的信號，并進行跟蹤， 這樣避免了對兩個系統(tǒng)公共信號的遺漏。由于GPS和CAPS信號的電文參數(shù)不同， 對兩個信號的區(qū)分可以用GPS/CAPS不同的同步頭來區(qū)分，并分別進行后續(xù)電文 解碼。
在微處理器中完成對GPS/CAPS系統(tǒng)電文參數(shù)解調(diào)、衛(wèi)星位置計算、偽距提 取等工作。采用GPS/CAPS雙模組合接收機可以保證在中國區(qū)域內(nèi)的任何地點、任何時
間，用戶都能實現(xiàn)全天候的、連續(xù)的三維定位。利用雙模組合定位的好處是 當(dāng)其中一個系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)目不足以定位時，組合兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星，可能達到定 位要求的衛(wèi)星數(shù)目，實現(xiàn)定位；當(dāng)兩個系統(tǒng)分別可以定位時，組合兩個系統(tǒng)的 衛(wèi)星星座，則可以改善衛(wèi)星幾何分布因子，最終提高用戶的導(dǎo)航定位精度，因 此兩個系統(tǒng)雙模組合定位大大改善了用戶定位精度，提高了用戶導(dǎo)航的可用性、 可靠性、完善性。
GPS/CAPS雙模組合接收機的硬件部分包括GPS天線、CAPS天線，C波段
下變頻到L波段的C波段變頻器；L波段合路器；GPS射頻模塊；GPS相關(guān)器和
微處理器等。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
GPS/CAPS雙模組合接收機原理示意圖如圖1所示，其硬件部分包括GPS 天線、CAPS天線，C波段下變頻到L波段的C波段變頻器；L波段合路器；GPS 射頻模塊；GPS相關(guān)器和微處理器等。系統(tǒng)各模塊的功能描述如下 1) GPS/CAPS雙模天線模塊
該模塊為接收CAPS信號的C波段天線和GPS天線，經(jīng)各自獨立通道，經(jīng)過
低噪聲放大器和帶通濾波器處理。
2) 射頻信號處理模塊
射頻模塊包括處理CAPS信號的C波段射頻模塊、合路器、GPS專用射頻模 塊組成。C波段射頻模塊將CAPS信號變頻到GPS信號所在的1575. 42MHz頻率， 然后和GPS信號進行合路，合路后的信號輸入到GPS專用的射頻模塊，完成信 號由L波段到低中頻信號下變頻。在GPS專用射頻模塊中一般含A/D模塊，輸 出低中頻的數(shù)字信號給相關(guān)器完成基帶信號處理。
3) 基帶信號處理
基帶信號處理是指完成導(dǎo)航信號的捕獲、跟蹤。由于CAPS系統(tǒng)和GPS擁有公 共的PRN為3、 4、 5的偽碼信號，為了在GPS相關(guān)器中完成兩個系統(tǒng)的信號的捕獲、 跟蹤，使用的策略是當(dāng)分配公共C/A碼的相關(guān)器通道捕獲到一個信號時，把該 信號的偽碼相位、多普勒頻率傳遞給另一個通道，來跟蹤該信號；本通道則繼 續(xù)搜索下一個可能的信號，并進行跟蹤。由于GPS和CAPS信號的電文參數(shù)不同， 對兩個信號的區(qū)分可以用GPS/CAPS不同的同步頭來區(qū)分。
4) 微處理器完成導(dǎo)航信息處理以及定位解算任務(wù)。主要包括解擴解調(diào)后的比特同步、 幀同步、電文信息提取、校驗(奇偶校驗和CRC校驗)、衛(wèi)星選擇、偽距提取、
PVT解算等功能。與普通GPS接收機不同的是，雙模組合接收機是根據(jù)接收到 GPS/CAPS系統(tǒng)衛(wèi)星信號的情況，可以把兩個系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織起來，進 行定位解算。
本發(fā)明中，GPS和CAPS衛(wèi)星信號分別由C波段天線1，和L波段天線2'兩 路獨立接收，信號分別經(jīng)過低噪聲放大器(LNA3'和LNA4')和帶通濾波器(5' 和6，)處理。CAPS信號輸出到CAPS射頻模塊7，變頻到1575. 42MHz，然后和 GPS信號輸入到合路器8'合為一路信號，合路信號經(jīng)GPS射頻模塊9'下變頻 到低中頻，并進行A/D變換轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號送入GPS專用的相關(guān)器10'進行基 帶信號處理，完成GPS和CAPS信號的捕獲、跟蹤，在微處理器11，中進行GPS/CAPS 導(dǎo)航電位解調(diào)、測量參數(shù)提取以及雙系統(tǒng)組合定位解算。
GPS信號與CAPS信號具有公共的PRN號，對信號的區(qū)分主要是依據(jù)兩個系 統(tǒng)的不同前導(dǎo)碼來實現(xiàn)的。跟蹤環(huán)路輸出的數(shù)據(jù)實際上為一些0和1的數(shù)據(jù)點 序列，信號解調(diào)(同步)的目的是將這些信號按GPS或CAPS信號規(guī)范拼接為幀 數(shù)據(jù)，并實時解釋該幀包含電文含義。信號的區(qū)分以及解調(diào)主要步驟如下
(1) 位同步由于1個CA碼周期對應(yīng)lms，而CAPS和GPS導(dǎo)航電文都是 50bps速率，即lbit/20ms。位同步第一步是從數(shù)據(jù)序列中判斷第一個導(dǎo)航數(shù)據(jù) 跳變點；第二步是判斷其它導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變點是否發(fā)生在20ms的整數(shù)倍上，如若 不是，應(yīng)該丟棄數(shù)據(jù)回到上一個環(huán)節(jié)；第三步是將每20個數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)換為+1或-1。
(2) 幀同步下一步就是要實現(xiàn)幀同步，就是找到幀起點。GPS導(dǎo)航電文 一個主幀分為5個子幀，每子幀(6秒)包含10個字碼，每個字碼30bit， 一 共300bit。每個子幀的第1 8bit為前導(dǎo)碼(10001001)，子幀起點。
而CAPS導(dǎo)航電文一個超幀分為2個主幀，每個主幀有5個子幀(6秒)包 含300bit，前導(dǎo)碼(1110101110010000)。
(3) 根據(jù)GPS前導(dǎo)碼(10001001)和CAPS前導(dǎo)碼(1110101110010000) 區(qū)分GPS和CAPS信號。
(4) 校驗GPS采用的是奇偶校驗，在每第2個字碼(HOW)中第29 30 為奇偶檢驗碼(OO);CAPS采用CRC校驗，CAPS每一子幀是300bit，其中每100bit
(其中包括4位固定位)為一個校驗單元，固定位不參與CRC校驗，若校驗出錯，緊接著對下一子幀進行操作。
(5) 電文解調(diào)，經(jīng)幀同步，有了幀同步頭和幀ID號，可以分別按CAPS和 GPS電文結(jié)構(gòu)規(guī)范從幀中讀取電文信息，并用于偽距的提?。?br> (6) 電文解調(diào)后，對兩個系統(tǒng)信號的偽距提取、星歷解碼以及雙模組合定 位功能。
權(quán)利要求
1、一種GPS/CAPS雙模組合接收機的信號處理方法，其特征在于，包括步驟A)先將CAPS信號下變頻到L波段，然后將CAPS信號和GPS合為一路信號，使用GPS射頻模塊完成數(shù)字低中頻轉(zhuǎn)換，并在GPS專用相關(guān)器中完成兩個系統(tǒng)的信號捕獲、跟蹤；B)利用GPS/CAPS兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星星座，綜合利用GPS衛(wèi)星偽距、CAPS衛(wèi)星偽距、在同一時間歷元進行聯(lián)合解算，實現(xiàn)雙模組合定位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS/CAPS雙模組合接收機的信號處理方法， 其特征在于，GPS/CAPS雙模組合定位接收機包括L波段天線模塊和C波段天線 模塊；C波段射頻模塊，完成CAPS信號從C波段下變頻到L波段；L波段合路 器，將變頻后的CAPS信號和GPS信號合為一路；接下來就使用GPS的射頻模塊 和GPS相關(guān)器處理合路的信號；GPS相關(guān)器一般包含12個以上的相關(guān)器通道， 每個相關(guān)器通道獨立完成一個信號的搜索與跟蹤。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS/CAPS雙模組合接收機的信號處理方法， 其特征在于，GPS/CAPS的中頻信號在GPS專用相關(guān)器模塊中統(tǒng)一進行基帶信號 處理，方法是在l號相關(guān)器通道中搜索GPS/CAPS公共的PRN號為3的C/A碼 信號，當(dāng)搜索到信號后，把測量的多普勒頻率和碼相位傳遞給2號相關(guān)器通道， 啟動2相關(guān)器通道的跟蹤環(huán)節(jié)跟蹤該信號；然后1號通道仍繼續(xù)搜索信號，再 次搜索到信號后則啟動跟蹤環(huán)節(jié)跟蹤信號；這兩次搜索到的信號， 一個是GPS 信號，另-個是CAPS信號，對其的區(qū)分，則是依據(jù)GPS和CAPS不同的同步頭 來進行區(qū)別，并根據(jù)各系統(tǒng)不同的電文參數(shù)接口文件進行解碼，并進行聯(lián)合定 位解算，實現(xiàn)雙系統(tǒng)組合定位。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的GPS/CAPS雙模組合接收機的信號處理方法， 其特征在于，所述兩信號的區(qū)分以及解調(diào)步驟如下(1) 位同步第一步從數(shù)據(jù)序列中判斷第一個導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變點；第二步判 斷其它導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變點是否發(fā)生在20ms的整數(shù)倍上，如不是，丟棄該數(shù)據(jù)回到 上一個環(huán)節(jié)；第三步將每20個數(shù)據(jù)點轉(zhuǎn)換為+1或-l;(2) 幀同歩是實現(xiàn)幀同步，找到幀起點；GPS導(dǎo)航電文的每個子幀的第 1 8bit為前導(dǎo)碼10001001，是子幀起點；而CAPS導(dǎo)航電文的每個子幀的前導(dǎo)碼是1110101110010000，是子幀起點；(3) 根據(jù)GPS前導(dǎo)碼10001001和CAPS前導(dǎo)碼1110101110010000區(qū)分GPS 和CAPS信號；(4) 校驗GPS采用奇偶校驗，在每第2個字碼中第29 30為奇偶檢驗碼; CAPS采用CRC校驗，CAPS每一子幀是300bit，其中每100bit為一個校驗單元， 每一校驗單元包括4位固定位，固定位不參與CRC校驗，若校驗出錯，緊接著對下一子幀進行操作；(5) 電文解調(diào)，經(jīng)幀同步，有了幀同步頭和幀ID號，分別按CAPS和GPS電文結(jié)構(gòu)規(guī)范從幀中讀取電文信息；(6) 電文解調(diào)后，對兩個系統(tǒng)信號的偽距提取、星歷解碼以及雙模組合定位。
全文摘要
本發(fā)明為一種GPS/CAPS雙模組合接收機信號處理方法，涉及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，其特點是先將CAPS信號下變頻到L波段，然后將GPS和CAPS信號合為一路信號，使用GPS射頻模塊完成數(shù)字低中頻轉(zhuǎn)換，在GPS相關(guān)器中完成兩個系統(tǒng)的信號捕獲、跟蹤，使兩個系統(tǒng)的信號可以在同一時間歷元進行計算，實現(xiàn)雙模組合定位。本發(fā)明方法使用的GPS/CAPS雙模組合接收機與普通GPS接收機相比，充分利用兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星星座，并且僅利用GPS專用相關(guān)器完成兩個系統(tǒng)信號的基帶信號處理，結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)高精度定位，提供用戶定位的可靠性。
文檔編號G01S5/02GK101634696SQ200810117069
公開日2010年1月27日 申請日期2008年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月23日
發(fā)明者孫希延, 峰 龐, 施滸立, 王曉嵐, 紀(jì)元法 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺