基于软件配置的卫星信号通用接收平台

摘要

本申请涉及全球卫星导航应用技术领域，公开一种基于软件配置的卫星信号通用接收平台，包括：三模接收模块，被配置为接收来自于GPS、GLONASS和北斗卫星导航系统的卫星信号，并对所述卫星信号进行高增益低噪放大处理和滤波以得到射频输入信号；射频前端接收模块，被配置为与所述三模接收模块通信连接，并将所述射频输入信号转换为中频信号；中频信号处理模块，被配置为获取所述中频信号，并对所述中频信号进行差分接收处理以转换为对应的数字信号；通用基带信号处理模块，被配置为根据所述卫星信号的类型调用对应的算法，通过对应的算法对所述数字信号进行数据处理以及定位解算，得到导航定位数据；终端设备，被配置为与所述通用基带信号处理模块通信连接。

说明书

技术领域

本申请涉及全球卫星导航应用技术领域，例如涉及一种基于软件配置的卫星信号通用接收平台。

背景技术

目前，卫星导航系统可为用户提供高精度、全天时、全天候的导航、定位、授时和通信服务。卫星导航系统是全世界各国信息化发展的核心内容之一，也是国防技术的技术支持，是国家安全的重要保障技术。随着GPS(Global Positioning System，全球定位系统)的现代化、GLONASS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)的更新发展以及北斗卫星导航系统全面建成和开通，未来在全球卫星导航领域必将是更趋向于通用化和一体化。

其中，在相关的设备研究方面，文献《北斗二代导航接收机技术研究与实现》(2015年)主要针对北斗导航接收机技术展开研究，《GPS/北斗导航接收机捕获器的可配置硬件设计》(2013年)主要围绕北斗导航接收机硬件设计展开研究，《提高卫星导航终端接收机基带信号处理能力的装置与方法》、《用于高动态卫星导航接收机基带信号处理的方法及装置》、《卫星导航系统基带信号处理系统及方法》主要研究了卫星系统信号处理方法。

在实现本公开实施例的过程中，发现相关技术中至少存在如下问题：

现有技术中均未实现全球导航卫星系统的接收系统的通用化和一体化。

发明内容

为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。

本公开实施例提供一种基于软件配置的卫星信号通用接收平台，以解决全球导航卫星系统的接收系统的通用化和一体化问题。

在一些实施例中，所述基于软件配置的卫星信号通用接收平台包括：

三模接收模块，被配置为接收来自于GPS、GLONASS和北斗卫星导航系统的卫星信号，并对所述卫星信号进行高增益低噪声放大处理和滤波以得到射频输入信号；

射频前端接收模块，被配置为与所述三模接收模块通信连接，以获取所述射频输入信号，并将所述射频输入信号转换为中频信号；

中频信号处理模块，被配置为与所述射频前端接收模块通信连接，以获取所述中频信号，并对所述中频信号进行差分接收处理以转换为对应的数字信号；

通用基带信号处理模块，被配置为根据所述卫星信号的类型调用对应的算法，通过对应的算法对所述数字信号进行数据处理以及定位解算，得到导航定位数据；

终端设备，被配置为与所述通用基带信号处理模块通信连接，通过所述终端设备的人机交互界面显示所述导航定位数据，并将基于人机交互界面产生的操作指令反馈至所述通用基带信号处理模块。

可选地，所述三模接收模块，包括：

第一低噪声放大器，被配置为将通过三频天线接收到的来自于GPS的卫星信号进行放大处理；

第二低噪声放大器，被配置为将通过三频天线接收到的来自于GLONASS的卫星信号进行放大处理；

第三低噪声放大器，被配置为将通过三频天线接收到的来自于北斗卫星导航系统的卫星信号进行放大处理；

带通滤波器，被配置为分别与所述第一低噪声放大器、第二低噪声放大器和第二低噪声放大器通信连接，以对所述来自于GPS的卫星信号、来自于GLONASS的卫星信号或来自于北斗卫星导航系统的卫星信号进行滤波，得到所述射频输入信号。

可选地，所述中频信号处理模块，包括：

第一差分转换器，被配置为将所述中频信号单端转换成第一差分信号；

第二差分转换器，被配置为将所述中频信号单端转换成第二差分信号；

第一模数转换器，被配置为将所述第一差分信号转换为对应的数字信号并传输至FPGA中间层板卡的接口；

第二模数转换器，被配置为将所述第二差分信号转换为对应的数字信号并传输至FPGA中间层板卡的接口；

锁相环，被配置为通过晶振输出采样时钟信号至所述第一模数转换器和第二模数转换器以提供参考时钟。

可选地，所述通用基带信号处理模块，包括：

FPGA芯片，被配置为从FPGA中间层板卡的接口获取所述数字信号，以对所述数字信号进行捕获、跟踪和伪距测量处理；

DSP芯片，被配置为与所述FPGA芯片之间通过SRIO协议通信连接，以对所述数字信号进行导航定位解算，并且所述DSP芯片通过用户数据报协议与所述终端设备通信连接，以实现基于人机交互界面的数据交互和操作指令反馈。

可选地，所述FPGA芯片，包括：

采样率变换模块，被配置为将接收到的数字信号进行采样率变换，生成对应的数字量；

三模接收兼容通道，被配置为根据卫星信号的类型对所述数字量进行信号捕获、跟踪和伪距测量处理；

SRIO接口模块，被配置为将处理后的数字量传输至DSP芯片，以使DSP芯片进行导航解算，得到导航定位数据。

可选地，所述三模接收兼容通道，包括：

载波振荡器模块，被配置为根据DSP芯片通过捕获/跟踪总线发送的频率控制字，以输出的载波相位对正弦表模块进行寻址输出两路正交信号I和正交信号Q；

数字下变频模块，被配置为根据所述数字量、正交信号I和正交信号Q，将所述中频信号下变频为基带信号。

可选地，所述三模接收兼容通道，还包括：

码振荡器模块，被配置为根据DSP芯片通过捕获/跟踪总线发送的频率控制字，输出用于驱动伪码生成器的码片时钟信号；

伪码生成器，被配置为根据DSP芯片通过捕获/跟踪总线发送的相位码控制字，生成超前码、滞后码和即时码，并与所述数字下变频模块输出的正交信号I和正交信号Q进行积分运算；

位/帧同步模块，被配置为将积分运算的积分运算结果进行位/帧同步处理，得到导航电文，并将所述导航电文和原始观测量通过SRIO接口模块传输至DSP芯片。

可选地，所述DSP芯片，包括：

导航数据解算模块，被配置为通过所述FPGA芯片的通过SRIO接口模块获取导航电文和原始观测量，并根据卫星信号的类型调用相应的算法对所述导航电文和原始观测量进行数据解算，生成导航定位数据；

中转调度模块，被配置为通过SYS/BIOS系统实现终端设备、DSP芯片和FPGA芯片之间的数据交互与操作指令传送，并采用IPC核间通信的方式实现DSP芯片内部的用于数据解算的算法的调用。

可选地，其特征在于，所述通用基带信号处理模块，还包括：

PCIe交换芯片，被配置为通过PCIe总线分别与所述FPGA芯片和DSP芯片通信连接，并通过标准CPCI接口与所述终端设备通信连接，以实现所述终端设备通过PCIe总线与FPGA芯片进行数据交互和操作指令反馈；

PCIE/PCI桥接芯片，被配置为通过PCIe总线分别与所述PCIe交换芯片通信连接，并通过标准CPCI接口与所述终端设备通信连接。

可选地，所述终端设备至少包括个人电脑、卫星信号接收设备和导航接收机；

其中，所述个人电脑配置有用于实现控制操作和导航定位数据显示的人机交互界面。

本公开实施例提供的基于软件配置的卫星信号通用接收平台，可以实现以下技术效果：通过集成相应的信号接收模块，封装对应的算法解算模块，形成了基于软件配置的GPS、GLONASS和北斗导航系统的三位一体通用接收平台，可以满足GPS、GLONASS、北斗导航卫星系统的通用接收需求，通过编程、软件配置即可完成系统的升级更新，解决了基带信号处理算法无法升级的问题，能够提升设备的性能指标，具有较低的开发周期和开发成本以及广泛的应用价值。

以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：

图1是本公开实施例提供基于软件配置的卫星信号通用接收平台的结构框图；

图2是本公开实施例提供的三模接收模块的结构框图；

图3是本公开实施例提供的中频信号处理模块的结构框图；

图4是本公开实施例提供的通用基带信号处理模块的结构框图；

图5是本公开实施例提供的通用基带信号处理模块的FPGA芯片的内部结构框图；

图6是本公开实施例提供FPGA芯片的通三模接收兼容通道的结构框图。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本公开实施例中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本公开实施例及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本公开实施例中的具体含义。

另外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开实施例中的具体含义。

除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

本公开实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。

术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

结合图1所示，本公开实施例提供一种基于软件配置的卫星信号通用接收平台，包括三模接收模块、射频前端接收模块、中频信号处理模块、通用基带信号处理模块和终端设备，其中，所述三模接收模块，被配置为接收来自于GPS、GLONASS和北斗卫星导航系统的卫星信号，并对所述卫星信号进行高增益低噪放大处理和滤波以得到射频输入信号；所述射频前端接收模块，被配置为与所述三模接收模块通信连接，以获取所述射频输入信号，并将所述射频输入信号转换为中频信号；所述中频信号处理模块，被配置为与所述射频前端接收模块通信连接，以获取所述中频信号，并对所述中频信号进行差分接收处理以转换为对应的数字信号；所述通用基带信号处理模块，被配置为根据所述卫星信号的类型调用对应的算法，通过对应的算法对所述数字信号进行数据处理以及定位解算，得到导航定位数据；所述终端设备，被配置为与所述通用基带信号处理模块通信连接，通过所述终端设备的人机交互界面显示所述导航定位数据，并将基于人机交互界面产生的操作指令反馈至所述通用基带信号处理模块。

可选地，在本申请的实施例中，所述三模接收模块的工作频率范围是2MHz～3GHz，可以满足北斗导航系统、GPS导航系统和GLONASS导航系统的频率覆盖，所述三模接收模块将接收到的卫星信号转换为射频输入信号输入到射频前端接收模块中，所述射频前端接收模块将射频输入信号转换为中频信号(70MHz或者220MHz)后输出到中频信号处理模块，中频信号处理模块将输入的中频信号经过差分接收处理后转换为数字信号输出到通用基带信号处理模块，通用基带信号处理模块根据卫星信号的类型，对输入数字信号调用相应的算法进行捕获、跟踪、同步、伪距测量和导航解算等操作后，输出导航定位数据到终端设备，终端设备向通用基带信号处理模块发送操作指令。

采用本公开实施例提供的基于软件配置的卫星信号通用接收平台，通过集成相应的信号接收模块，封装对应的算法解算模块，形成了基于软件配置的GPS、GLONASS和北斗导航系统的三位一体通用接收平台，可以满足GPS、GLONASS、北斗导航卫星系统的通用接收需求，通过编程、软件配置即可完成系统的升级更新，解决了基带信号处理算法无法升级的问题，能够提升设备的性能指标，具有较低的开发周期和开发成本以及广泛的应用价值。

在本申请的实施例中，如图2所示，所述三模接收模块，包括第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器和带通滤波器，其中，所述第一低噪声放大器，被配置为将通过三频天线接收到的来自于GPS的卫星信号进行放大处理；所述第二低噪声放大器，被配置为将通过三频天线接收到的来自于GLONASS的卫星信号进行放大处理；所述第三低噪声放大器，被配置为将通过三频天线接收到的来自于北斗卫星导航系统的卫星信号进行放大处理；所述带通滤波器，被配置为分别与所述第一低噪声放大器、第二低噪声放大器和第二低噪声放大器通信连接，以对所述来自于GPS的卫星信号、来自于GLONASS的卫星信号或来自于北斗卫星导航系统的卫星信号进行滤波，得到所述射频输入信号。

可选地，在三模接收模块内集成有适用于GPS的第一低噪声放大器，适用于GLONASS的第二低噪声放大器以及适用于北斗卫星导航系统的第三低噪声放大器，其工作频率范围是2MHz～3GHz，可以满足北斗二代卫星导航系统的B1频点、B2频点和B3频点的频率覆盖，其中，B1频点的工作频率为1561.098±2.046MHz、B2频点的工作频率为1207.14±2.046MHz、B3频点的工作频率为1268.52±10.23MHz；也可以满足GPS的L1、L2和L5频段的频率覆盖，其中，L1的工作频率为1575.42MHz±1.023MHz，L2的工作频率为1227.60MHz±1.023MHz，L5的工作频率为1176.45MHz±1.023MHz的频率覆盖；可以满足GLONASS的L1和L2工作频段的频率覆盖，其中，L1的工作频率为1602+0.5625*k(MHz)，L2的工作频率为1246+0.4375*k(MHz)。

这样，能更好地实现对三种通用主流卫星信号的采集和预处理，不仅能够覆盖多个频段，满足多系统兼容导航设备的需求，同时，通过低噪声放大器和带通滤波器有效的改善了卫星信号的噪音问题。

在本申请的实施例中，如图3所示，所述中频信号处理模块，包括第一差分转换器、第二差分转换器、第一模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)、第二模数转换器和锁相环，其中，所述第一差分转换器，被配置为将所述中频信号单端转换成第一差分信号；所述第二差分转换器，被配置为将所述中频信号单端转换成第二差分信号；所述第一模数转换器，被配置为将所述第一差分信号转换为对应的数字信号并传输至FPGA中间层板卡的接口；所述第二模数转换器，被配置为将所述第二差分信号转换为对应的数字信号并传输至FPGA中间层板卡(FPGA Mezzanine Card，FMC)的接口；所述锁相环(Phase LockedLoop，PLL)，被配置为通过晶振输出采样时钟信号至所述第一模数转换器和第二模数转换器以提供参考时钟。

可选地，晶振可以为锁相环提供20MHz的参考时钟，锁相环输出1GHz的采样时钟用于分别提供给两个高速ADC(即第一模数转换器和第二模数转换器)，第一差分转换器将中频信号单端转换成差分输出送到第一模数转换器中，第二差分转换器将中频信号单端转换成差分输出送到第二模数转换器中，第一模数转换器和第二模数转换器将输出的数字信号输入到FMC的接口，其中，两个高速ADC自带抽取器，可以输出四路250MHz/12bit数字量的数据。

这样，通过对中频信号进行差分处理，在经由两个高速ADC进行模数转换后输入至FPGA中间层板卡的接口，能更好地实现对中频信号的后续处理，提高了导航定位数据的可靠性。

在本申请的实施例中，如图4所示，所述通用基带信号处理模块，包括FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片和DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片，其中，所述FPGA芯片，被配置为从FPGA中间层板卡的接口获取所述数字信号，以对所述数字信号进行捕获、跟踪和伪距测量处理；所述DSP芯片，被配置为与所述FPGA芯片之间通过SRIO(Serial RapidI/O，串行快速输入输出口)协议通信连接，以对所述数字信号进行导航定位解算，并且所述DSP芯片通过用户数据报协议与所述终端设备通信连接，以实现基于人机交互界面的数据交互和操作指令反馈。

可选地，通用基带信号处理模块包括FMC的接口，通过利用FPGA芯片和DSP芯片来完成卫星信号的捕获、跟踪、同步、伪距测量以及导航解算等数据处理。

具体而言，所述FPGA芯片可以是阿尔特拉公司的EP2S90F1020I4型号的现场可编程门阵列，包括采样率变换模块、三模接收兼容通道和SRIO接口模块，其中，所述采样率变换模块，被配置为将接收到的数字信号进行采样率变换，生成对应的数字量；所述三模接收兼容通道，被配置为根据卫星信号的类型对所述数字量进行信号捕获、跟踪和伪距测量处理；所述SRIO接口模块，被配置为将处理后的数字量传输至DSP芯片，以使DSP芯片进行导航定位解算，得到导航定位数据。

其中，采样率变换模块将经中频信号处理模块输出的250MHz/12bit数字信号进行5倍下采样，得到50MHz/12bit的数字量输出，然后将得到的数字量并行输入三模接收兼容通道，只需要获得三模接收兼容通道中的四个通道信号即可完成数字信号的捕获、跟踪和伪距测量，然后将将处理后的数字量通过SRIO接口模块传输到DSP芯片并调用相应算法完成导航数据解算，最终得到导航定位数据。

进一步地，所述三模接收兼容通道，包括载波振荡器(Numerically ControlledOscillator，NCO)模块、正弦表模块、数字下变频模块、码振荡器模块、伪码生成器、基带相关器模块、位/帧同步模块、SRIO接口模块以及捕获/跟踪总线接口，其中，所述载波振荡器模块，被配置为根据DSP芯片通过捕获/跟踪总线发送的频率控制字，以输出的载波相位对正弦表模块进行寻址输出两路正交信号I和正交信号Q；所述数字下变频模块，被配置为根据所述数字量、正交信号I和正交信号Q，将所述中频信号下变频为基带信号；所述码振荡器模块，被配置为根据DSP芯片通过捕获/跟踪总线发送的频率控制字，输出用于驱动伪码生成器的码片时钟信号；所述伪码生成器，被配置为根据DSP芯片通过捕获/跟踪总线发送的相位码控制字，生成超前码、滞后码和即时码，并与所述数字下变频模块输出的正交信号I和正交信号Q进行积分运算；所述位/帧同步模块，被配置为将积分运算的积分运算结果进行位/帧同步处理，得到导航电文，并将所述导航电文和原始观测量通过SRIO接口模块传输至DSP芯片。

在本申请的一个应用实施例中，采样率变换模块对250MHz/12bit的来自于北斗卫星导航系统的数字信号进行5倍下采样，得到50MHz/12bit的数字量输出，将其并行输入到三模接收兼容通道，由DSP芯片通过捕获/跟踪总线发送来的32bit频率控制字输入到载波振荡器模块，以输出载波相位对正弦表进行寻址输出两路正交信号I和正交信号Q，其中，50MHz/12bit的数字量、正交信号I和正交信号Q输入到数字下变频模块，将70MHz或220MHz中频信号下变频到基带信号，由捕获/跟踪总线得到的DSP芯片发送的32bit频率控制字输入到码振荡器模块，通过码片时钟驱动伪码生成器，同时将DSP芯片通过捕获/跟踪总线传过来的15bit相位码控制字输入到伪码生成器生成超前码、滞后码、即时码，并与下变频模块输出的I/Q信号进行相关积分运算，并将结果输出到位/帧同步模块，完成同步后得到导航电文，并将其与原始观测量共同通过SRIO接口模块送到基于DSP芯片的导航数据解算平台。

可选地，所述DSP芯片，包括导航数据解算模块和中转调度模块，其中，所述导航数据解算模块，被配置为通过所述FPGA芯片的通过SRIO接口模块获取导航电文和原始观测量，并根据卫星信号的类型调用相应的算法对所述导航电文和原始观测量进行数据解算，生成导航定位数据；所述中转调度模块，被配置为通过SYS/BIOS系统实现终端设备、DSP芯片和FPGA芯片之间的数据交互与操作指令传送，并采用IPC核间通信的方式实现DSP芯片内部的用于数据解算的算法的调用。

具体而言，DSP芯片可以是德州仪器公司的DSP-TMS320C66678芯片，其中，导航数据解算模块完成通道的初始化，各通道超前、即时和滞后相关值的读取和存储，载波跟踪环和码跟踪环的环路控制以及载波相位辅助伪距平滑处理，跟踪多谱勒卡尔曼滤波处理，并根据FPGA芯片通过SRIO接口模块输入的导航电文选择相应的算法进行定位解算和速度求解。

可选地，所述通用基带信号处理模块，还包括PLX公司的PCIe(PeripheralComponent Interconnect，外设部件互连标准)交换芯片和百利通半导体公司的PCIe/PCI(Peripheral Component Interconnect Express，外设部件高速连接标准)桥接芯片，其中，所述PCIe交换芯片，被配置为通过PCIe总线分别与所述FPGA芯片和DSP芯片通信连接，并通过标准CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect，紧凑型外围组件互连)接口与所述终端设备通信连接，以实现所述终端设备通过PCIe总线与FPGA芯片进行数据交互和操作指令反馈；所述PCIE/PCI桥接芯片，被配置为通过PCIe总线分别与所述PCIe交换芯片通信连接，并通过标准CPCI接口与所述终端设备通信连接。

这样，本申请通过DSP芯片采用基于软件配置的方式，一方面解决了更换接收芯片来实现接收不同卫星信号的开发周期与成本，另一方面本发明的基带信号处理模块完全可编程，能更好地解决单独某种导航系统专用芯片算法固化带来的不可升级的问题。

可选地，所述终端设备至少包括个人电脑、卫星信号接收设备和导航接收机，其中，所述个人电脑配置有用于实现控制操作和导航定位数据显示的人机交互界面。

以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开的实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。