一種北斗二代與gps公用頻點的實時信號接收處理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航定位的信號接收處理系統(tǒng)，具體涉及一種北斗二代與GPS公 用頻點實時信號接收處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 《2006年中國航天白皮書》宣布將在未來5年啟動五大航天工程，其中具有軍事用 途的第二代"北斗"衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將在4年內(nèi)完成部署。有專家表示，二代"北斗"衛(wèi)星系 統(tǒng)部署完成后，中國將能對小目標發(fā)動精準攻擊，而美國也有媒體認為中國用北斗計劃來 壓制美國衛(wèi)星的軍事優(yōu)勢。隨著我國綜合國力的提升和衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)全面滲透普通人 的生活，還有科索沃戰(zhàn)爭和第二次海灣戰(zhàn)爭美國GPS制導(dǎo)高精度打擊武器的誘惑，構(gòu)建一 個類似GPS的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)開始提上日程，從2007年開始正式建設(shè)"北斗"衛(wèi)星 導(dǎo)航定位系統(tǒng)（"北斗二號"）。
[0003] "北斗"衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)需要發(fā)射35顆衛(wèi)星，足足要比GPS多出11顆。按照規(guī) 劃，"北斗"衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將有5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，采用"東 方紅"-3號衛(wèi)星平臺。30顆非靜止軌道衛(wèi)星又細分為27顆中軌道衛(wèi)星（ΜΕ0)和3顆傾斜 軌道同步衛(wèi)星（IGS0)組成，27顆ΜΕ0衛(wèi)星平均分布在傾角55度的三個平面上，軌道高度 21500公里。"北斗"衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將提供開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開放服務(wù)在服務(wù)區(qū)免 費提供定位，測速和授時服務(wù)，定位精度為10米，授時精度為50納秒，測速精度為0. 2米/ 秒。授權(quán)服務(wù)則是軍事用途的馬甲，將向授權(quán)用戶提供更安全與更高精度的定位，測速，授 時服務(wù)，外加繼承自北斗試驗系統(tǒng)的通信服務(wù)功能。
[0004] 北斗二代采用與GPS相同的載波頻率和調(diào)制方式，但是使用不同的偽隨機碼和數(shù) 據(jù)編碼方式，GPS接收機不能處理北斗二代信號。而少量能處理北斗二代信號的接收機也 只是通過通用GPS接收機作后處理，但還是不能作為實時應(yīng)用。一般地，GPS硬件接收機的 冷啟動時間在幾十秒，熱啟動1秒左右，自動定位的處理時間大于10秒。因此，采用軟件研 究快速捕獲方法是很有應(yīng)用價值，尤其是基于軟件無線電思想的兼容北斗二代/GPS定位 信號的軟件處理方法，不僅還沒有產(chǎn)品級的終端出現(xiàn)，而且也具有可重配置性的開發(fā)與應(yīng) 用優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供了一種北斗二代和GPS公用頻 點實時信號接收處理系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明一種北斗二代和GPS公用頻點實時接收處理信號系統(tǒng)，包括一個Max2741 為主芯片的北斗二代和GPS公用頻點第一RF射頻前端模塊，一個GRM7520為主芯片的北 斗二代和GPS公用頻點第二RF射頻前端模塊，一個GP2015為主芯片的北斗二代和GPS 公用頻點第三RF射頻前端模塊，一個Spartan3系列FPGA芯片，一個作為USB控制器的 CY7C68013A。
[0007] 北斗二代和GPS公用頻點實時信號通過同一天線進入三個RF射頻前端模塊，經(jīng)過 一系列放大、濾波和下變頻處理，并通過A/D轉(zhuǎn)換為2bit的中頻數(shù)字信號，中頻數(shù)字信號在 FPGA的控制下，被采集到FPGA的內(nèi)部存儲器中，以乒乓方式存儲成一定長度的數(shù)據(jù)塊，最 后通過USB控制器，按塊傳輸?shù)接嬎銠C上；其中：
[0008] 北斗二代和GPS公用頻點第一RF射頻前端模塊Max2741芯片中的兩位中頻數(shù)字 信號線、中頻采樣時鐘線以及三根SPI編程接口控制線都分別引出，并連接到Spartan3系 列FPGA的可編程I/O口上；
[0009] 北斗二代和GPS公用頻點第二RF射頻前端模塊GRM7520芯片的兩位中頻數(shù)字信 號線和中頻采樣時鐘線分別引出，并連接到Spartan3系列FPGA的可編程I/O口上；
[0010] 北斗二代和GPS公用頻點第三RF射頻前端模塊GP2015中的兩位中頻數(shù)字信號 線、兩根差分時鐘輸出線和一個中頻采樣時鐘輸入線分別引出，并連接到Spartan3系列 FPGA的可編程I/O口上；
[0011] USB控制器CY7C68013A芯片連接在Spartan3系列FPGA的可編程I/O口上；
[0012] Spartan3系列FPGA芯片讀取哪個RF射頻前端模塊的數(shù)據(jù)，則由上位機程序同過 USB發(fā)送指令控制；FPGA將讀取到的2bit中頻數(shù)據(jù)按時間先后由低位到高位合并為lByte 數(shù)據(jù)，即最先讀取到的2bit數(shù)據(jù)放置在lByte數(shù)據(jù)的最低2位；數(shù)據(jù)以乒乓方式存儲到 FPGA內(nèi)部的FIFO中，形成數(shù)據(jù)塊，一個數(shù)據(jù)塊包含4ms的整數(shù)倍的數(shù)據(jù)；當數(shù)據(jù)存滿一個 數(shù)據(jù)塊時，提交給USB控制器，USB控制器以SlaveFIFO方式從FPGA獲得數(shù)據(jù)，并以塊傳 輸方式向計算機傳輸數(shù)據(jù)，每次數(shù)據(jù)傳輸為一個數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)。
[0013] 計算機對接收到的數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)進行處理，具體步驟如下：
[0014] 步驟一：軟件初始化。讀取配置文件，根據(jù)配置文件初始化12通道對應(yīng)的PRN值， 其中通道10~12固定為北斗二代通道，而通道1~9固定為GPS通道；讀取本地載波查找 表文件和CA碼查找表文件；
[0015]步驟二：啟動對應(yīng)三個RF射頻前端模塊的三個線程，分別為數(shù)據(jù)讀取和基帶處理 線程、定位處理線程、數(shù)據(jù)顯示線程；
[0016] 數(shù)據(jù)讀取和基帶處理線程設(shè)置為最高優(yōu)先級，循環(huán)執(zhí)行讀取中頻數(shù)據(jù)塊和進行基 帶處理這一過程；基帶處理是一個狀態(tài)機流程，有快速捕獲、等待、串行捕獲、確認、推入、跟 蹤和空閑共七種狀態(tài)，12通道輪流進入狀態(tài)機進行處理；軟件啟動時，所有啟用的通道初 始狀態(tài)設(shè)置為快速捕獲狀態(tài)，而未啟用的通道初始狀態(tài)設(shè)置為空閑狀態(tài)。該線程在每一秒 鐘時間到來后觸發(fā)一次定位處理事件；
[0017] 定位處理線程設(shè)置為次高優(yōu)先級，循環(huán)執(zhí)行等待定位處理事件和進行定位處理。 每次定位解算事件到來時，進行定位處理；定位處理根據(jù)各通道跟蹤結(jié)果完成北斗二代信 號解碼、北斗二代信息提取、GPS信息提取、偽距計算、位置解算和位置修正，并觸發(fā)一次顯 示事件；
[0018] 數(shù)據(jù)顯示線程設(shè)置為最低優(yōu)先級，循環(huán)執(zhí)行等待顯示事件和顯示有用信息。每次 顯示事件到來后更新一次顯示數(shù)據(jù)；
[0019] 步驟三：判斷軟件是否退出，如果退出則停止所有線程，并釋放軟件占用的存儲空 間。
[0020] 在步驟二中北斗二代和GPS公用頻點實時信號的快速捕獲處理方法步驟如下：
[0021] 步驟一：按每2bit轉(zhuǎn)換為1字節(jié)的方法，將數(shù)據(jù)塊的每個字節(jié)分解為4個中頻數(shù) 據(jù)；
[0022] 步驟二：對中頻數(shù)據(jù)進行再采樣，使每毫秒的數(shù)據(jù)長度由N變?yōu)長，L為小于η的2 的冪次方長度，采樣率為N/L，由于采樣后的數(shù)據(jù)長度為2的冪次方，大大減少了FFT的處理 時間；
[0023] 步驟三：在頻率域使用圓卷積方法進行相關(guān)計算，并將4毫秒的數(shù)據(jù)塊進行非相 干疊加，提高信噪比。其實現(xiàn)函數(shù)為：
[0024]
[0025] 式中R[m]表不相關(guān)輸出結(jié)果，Si[η]表不輸入中頻信號，CA[n]表不本地產(chǎn)生的C/ A碼，f表示本地產(chǎn)生的載波頻率；
[0026] 步驟四：將R[m]中的最大值與R[m]的平均值進行相除，即Max(R[m])/ Avg(R[m])，如果比值大于判定閾值則認為捕獲到衛(wèi)星信號，設(shè)m= R[m]取得最大值， 則CA碼的起始點為miXN/L;否則更新本地載波頻率，搜索下一個頻率點。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0028] (1)基于軟件無線電思想，系統(tǒng)的硬件技術(shù)方案只有射頻前端下變頻至中頻模塊， 后面的數(shù)據(jù)采集以及定位信號處理均在軟件環(huán)境中實現(xiàn)，不再依賴于通用硬件接收機的框 架。
[0029] (2)采用"多射頻前端+FPGA"的系統(tǒng)構(gòu)架，采用中頻數(shù)據(jù)根據(jù)查表方式得到的