基于PC机的GPS/CAPS双模软件接收机

摘要

本发明一基于PC机的GPS/CAPS双模软件接收机，其特点是，采用现有专用GPS/CAPS双模天线模块、射频模块，其余模块完全在普通PC机上实现：利用双通道同步数据采集卡，分别采集GPS/CAPS射频模块的中频GPS/CAPS数据，数据存储到PC机硬盘上，利用PC机丰富的软件资源实现所有卫星导航信号的基带信号处理与定位解算工作。对于接收机中比较复杂的伪距提取问题，发明了一种软件事后处理方法：根据采集数据的隐含时间信息，恢复出各卫星帧头到达天线的时延差，从而构建了可以计算伪距的伪距提取方法，实现双模定位解算。本发明缩短了研发周期、降低了成本，利用两个系统的卫星星座，实现高精度定位。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，是针对GPS和CAPS两种独立的卫星导航系统，构建完全基于计算机的基带信号处理软件平台，实现了GPS/CAPS双模接收机功能。与普通接收机相比，基于PC的GPS/CAPS双模软件接收机具有更大灵活性、通用性、扩展性和易移植性，提高了用户的导航定位精度、完善性、可靠性和连续性。

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，其空间部分是6颗商用同步轨道卫星和3—4颗倾斜轨道卫星组成，星座的GDOP在中国区域大都小于4。而GPS是美国的全球定位系统，卫星数目较多，且分布合理，覆盖范围广，所以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，但是GPS是美国的定位系统，我们在很多方面使用时会受到限制，如GPS精码不开放，在战争时期对我们限制使用或关闭。

采用GPS/CAPS双模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，从而提高了用户的导航定位精度、改善了完善性、连续性和可靠性。

普通的商用GPS接收机主要由四部分组成：GPS天线、射频前端、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；射频前端实现信号的下变频，在当前的数字化接收机中还包括A/D转换，它是所有后端处理的基础；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，一般的相关器是利用GPS专用芯片。

GPS/CAPS双模软件接收机则是利用配置了数据采集卡的普通PC机取代了普通的商用接收机的基带处理器和微处理器。数字中频信号的处理完全在PC机的软件平台上完成。完全基于计算机软件的GPS/CAPS双模软件接收机虽然目前还不能进行实时处理，但非常方便于软件算法开发。

发明内容

本发明的目的是公开一种基于PC的GPS/CAPS双模软件接收机，充分利用GPS/CAPS两种独立卫星导航系统，不但可以提高用户导航定位的精度、改善完整性、可靠性和连续性，而且可以方便高性能算法研究开发。

为了解决上述任务，本发明的解决方案是：

一种基于PC机的GPS/CAPS双模软件接收机，包括GPS/CAPS双模天线模块、射频模块、PC机；其包括GPS天线模块和射频模块的天线系统和包括CAPS天线模块和射频模块的天线系统，分别与PC机的双通道数据采集卡连接，双通道数据采集卡与硬盘连接，硬盘内预装有基带信号处理软件；

利用C波段天线和L波段天线分别接收CAPS和GPS卫星信号，两路信号分别经过各自的射频模块完成射频到中频转换后，由数据采集卡对模拟中频信号进行两路同步采样，采集的数据由硬盘存储，再由计算机处理软件完成采样数据的预处理、捕获、跟踪、数据解调、卫星选择、伪距提取和PVT解算。

所述的双模软件接收机，其所述基带信号处理软件，是在软件接收机事后处理的情况下，完成全部基带信号处理：捕获、跟踪，以及双模定位解算；对于非实时的伪距计算，则是利用采集数据的时间信息，恢复出各卫星帧头到达天线的时延差，加上一合理的时间常量，从而计算出伪距。

所述的双模软件接收机，其所述合理的时间常量，在67ms～125ms之间。

所述的双模软件接收机，其以仰角10度以上GDOP最小的至少4颗卫星为基准，进行定位测速计算。

本发明有别于现在的商品GPS接收机，其基带处理一般是利用专用相关器芯片实现GPS信号的捕获、跟踪，再配合微处理器完成用户定位解算。与普通GPS接收机相比，基于PC的软件接收机具有更大的灵活性、通用性、扩展性和易移植性，并方便升级维护，可以有力地支持新设计和新算法，可以缩短研发周期、降低研发成本。GPS/CAPS双模软件接收机充分利用两个系统的卫星星座，可实现高精度定位，实现高可靠性，对精密定轨、精密单点定位算法、星座优选、完善性评估，以及GNSS多模增强应用等都具有理论研究价值与实际意义。

附图说明

图1为GPS/CAPS双模软件接收机原理示意图。

具体实施方式

本发明的基于PC的GPS/CAPS双模软件接收机，在软件接收机架构下，完全基于PC机平台，用采集卡采集GPS和CAPS中频信号，数据存储到计算机硬盘，然后利用方便的软件平台，完成对数据的处理，实现对GPS数据的捕获、跟踪、数据解调、卫星选择、伪距提取和PVT解算，完成定位、测速计算，代替一个硬件接收机功能。

1)GPS/CAPS双模天线模块

该模块由C波段和L波段2路独立通道组成。分别经过低噪声放大器和带通滤波器处理，输出到射频模块。

2)射频模块

CAPS和GPS两路射频信号输入到本模块后，两路信号分别由各自射频模块处理，经射频模块下变频到低中频，采集卡的ADC采样后输出数字中频信号，数据临时存储在计算机硬盘中；采样率的选择只要根据射频模块输出的中频载波，满足乃亏斯特采样定律，同时考虑到简化频率综合器的设计，应尽量降低采样率，以便提高系统的可靠性，降低对硬件的要求。

3)基带信号处理

基于计算机软件平台，可利用C/C++或MATLAB语言，完成数据的预处理、完成GPS/CAPS信号的捕获、跟踪功能；完成导航信息处理，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(奇偶和CRC)、卫星选择、伪距提取、PVT解算等功能。

本发明所采用的方法是天线模块、射频模块仍用专用硬件来实现，利用数据采集卡采集射频模块输出的中频GPS/CAPS卫星信号，采样得到的数据由硬盘临时存储，存储的数据由计算机软件平台处理，最终实现普通双模接收机的功能。

本发明的基于PC的GPS/CAPS双模软件接收机，其原理示意图如图1所示：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。分别经过低噪声放大器(LNA 3’和LNA 4’)和带通滤波器(5’和6’)处理。分别输出到CAPS射频模块7’和GPS射频模块8’，并利用配置在PC机9’上的数据采集卡10’的ADC 11’和ADC 12’采样，采集得到的数据存储在硬盘13’中，最后在PC机上完成基带信号处理软件模块14’，最终实现用户的PVT解算。下面着重介绍软件模块部分：

(1)卫星信号捕获方法

CAPS和GPS信号的C/A码都是直接序列扩频信号，因此，处理过程基本相同，为了使两种信号不混淆，两组数据要分别处理，因此使用了双通道数据采集卡，其中一个通道采集GPS信号，另外一个通道采集CAPS信号。CAPS和GPS接收机的解扩是建立在收发两端伪码精确同步的基础上。同步通过两个阶段完成：捕获与跟踪。捕获是粗同步，可以将接收信号和本地信号相位差缩小到伪码的一个码片或更小范围内；跟踪是精细同步，让本地参考信号精确跟踪接收信号的相位变化。

GPS/CAPS信号C/A码捕获是包括两维搜索的过程——确定粗的多普勒频偏(频率域)和C/A码的起点即初相(时间域)。

传统GPS或CAPS卫星接收机的信号捕获采用相关器，是通过硬件实现的，对输入数据连续进行1ms相关运算，一旦相关值超过设定的门限，表明捕获到了信号，相关值的最大点处即为C/A码起始点。

当捕获完成后，接收机就进入跟踪阶段。因为捕获阶段得到的仅是比较粗的多普勒频偏和C/A码的起点(初相)，而且由于卫星和接收机的相对运动，伪码相位在随时变化，为了保持对码相位的跟踪并跟踪更精细的多普勒频率，必须在跟踪阶段利用伪码和载波跟踪环实现对信号的跟踪，继而解调出导航电文。对于伪码跟踪过程一般采用延迟锁定环(DelayLock Loop，DLL)来完成，对于载波跟踪，一般常采用经典的Costas锁相环。

(2)伪码跟踪环

延迟锁定环(DLL)在跟踪两个相关波形的时延差时，是一种最佳电路，包括对准(Prompt)、超前(Early)和滞后(Late)三个相关器，即，数字下变频器所产生的同相(I)、正交(Q)两支路信号送到DLL环路，分别跟本地的超前码(E)、对准码(P)，滞后码(L)进行相关运算。

相关值输入到延迟锁定环的鉴相器(Discrimination)，鉴相器根据伪码的自相关特性，获得伪码的相位误差，该误差经环路滤波器后控制本地伪码的数控振荡器(NCO)，以驱动本地的伪码生成速率，使对准相关器的本地伪码保持跟踪输入信号的相位变化，保持对信号的精确同步跟踪。

(3)载波跟踪环

GPS和CAPS接收机载波跟踪环采用Costas环。这是因为信号作载波和伪码信号剥离后，50Hz的导航电文调制信号还保留着。如果I和Q信号的预检测积分时间不跨越数据的翻转位，Costas环对信号的180°相位翻转不敏感。

通常，环路滤波器的作用是用来降低噪声，以便能够在其输出端对原始信号产生更加精确的估计，环路滤波器的阶数和噪声带宽也决定了环路滤波器对信号的动态响应。

(4)电文解调

跟踪环路输出的数据信号实际上为一些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。

整个数据解释工作分几步进行：位同步—帧同步—校验—相位检测—读帧数据，并且这几个步骤实时进行。

位同步：由于1个CA码周期对应1ms，而CAPS和GPS导航电文都是50bps速率，即1bit/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。

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)。

校验：GPS奇偶校验

在每第2个字码(HOW)中第29～30为奇偶检验码(00)。

CAPS的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。

读帧数据：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了，就可以用于伪距的提取。

(5)相对伪距提取

在软件接收机中，如果是对采集数据进行事后处理，则没有本地参考时间，要完成伪距计算，可以利用每个卫星的相同子帧到达接收机天线的时延差来计算。因为每一子帧可以看作是同时从卫星发出的(除去卫星星钟误差)，GPS卫星信号到达地面接收机的传播时间一般为67～86ms，而CAPS一般为125ms左右，可以人为设置一常量假设70ms或125ms加上时延差作为信号的传播时间，根据解算原理，解出用户位置和钟差，该钟差即为这里人为设置的常量的偏差，这样软件接收机的定位原理和普通接收机仍是一致的。

子帧起点对应的采样数据点的搜索步骤如下：

a)经过帧同步，找到第一子帧起点在导航数据中的bit序数，其分辨率为20ms；

b)经过bit同步，找到子帧起点对应于bit中的ms序数，分辨率为C/A码周期，即1ms；

c)跟踪结果中得到的相位信息，即采样数据的C/A码起点，其时间分辨率为采样频率的倒数。

为了更精确定位，可以进行NCO微调，在跟踪环节只是根据鉴相器的结果调整采样点。

(6)卫星位置计算以及卫星的选择

找到导航电文子帧起点后，分别根据GPS系统和CAPS系统导航电文的格式，就可以计算导航电文包含的所有卫星星历、卫星时钟改正参数、电离层延迟改正参数，以及时间信息等，可以计算任意时元的卫星位置。

(7)位置、速度解算

位置计算即采集数据时天线的位置和速度的计算。根据各卫星到天线的伪距以及卫星位置，就可以计算出天线的位置、速度。由于是双模系统，可以分别采用紧耦合或松耦合方式进行解算，便于比较或集合两个系统的优势。根据所有CAPS和GPS卫星的位置，计算卫星的GDOP值，选取在卫星仰角10度以上GDOP最小的4颗，或4颗以上卫星，以获得更高的定位测速精度。