专利名称：具有差分测速功能的高动态gps接收机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及卫星定位和导航技术领域，特别是涉及一种具有差分测速功能的 高动态GPS接收机。
背景技术：
一直以来，全球定位系统(Global Positioning System, GPS)技术的研究人员都 在研究如何应用GPS接收机在高动态环境下进行精准定位，这一研究工作具有相当重要的 意义。高动态GPS接收机在航天飞行器的精密定轨和精确定姿方面具有广阔的应用前景。目前国外一些公司和研究机构在高动态GPS接收机的设计方面已经取得了卓有 成效的进展。国内一些研究机构也纷纷投入这方面的研究。但是直到目前，国内许多GPS 的应用项目还需要依赖国外OEM产品的进口，而且许多GPS接收机的定时性能和定位精度 还是不高。要提高GPS接收机的性能以及实现更多的功能，需要对应用软件改进和升级。软 件升级就对微处理器的运算处理能力提出了更高的要求。而且在高动态GPS接收机中，由 于要对多通道连续跟踪，实时数据运算处理量大，因此对微处理器的性能要求较高。除性能 夕卜，对功耗和体积也有很高要求。当前，迫切需要开发出一种GPS接收机，可以实现在高动态的环境下接收GPS信号。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种具有差分测速功能的高动态GPS接收 机，可以在高动态的环境下接收GPS信号，并通过GPRS模块实现差分测速，在航天飞行器的 精密定轨和精确定姿方面具有广阔的应用前景，具有重大的生产实践意义。为此，本实用新型提供了一种具有差分测速功能的高动态GPS接收机，包括信号接收单元，用于接收来自于卫星的导航信号，并将其放大后传递给射频前 端；射频前端，用于将所接收到的射频卫星导航信号转变成中频卫星导航信号，并将 其进一步转换成数字卫星导航信号后传送给信号通道；信号通道，用于接收射频前端所发送的数字卫星导航信号，并提取出卫星导航电 文，然后将其传递给导航处理模块；导航处理模块，用于接收信号通道所输出的导航电文，提取获得导航数据，最终为 用户提供包括导航、定位在内的各种服务；存储单元，用于存储导航处理模块所接收到的数据信息；接口单元，用于为导航处理模块提供与外接设备进行数据交互的接口。优选地，还包括有无线网络传输单元，用于将导航处理模块所获得的导航数据通 过无线网络传输给虚拟参考站VRS网络的数据服务器控制中心，并将该数据服务器控制中心输出的差分改正信息传回给导航处理模块。 优选地，所述信号接收单元包括有GPS接收机天线和前置放大器，其中，所述GPS接收机天线，用于将电磁波形式的GPS卫星信号转化为相同变化规律的 电流信号，并传送给前置放大器；所述前置放大器，用于将电流信号形式的GPS卫星信号进行放大。优选地，所述前置放大器为低噪声前置放大器。优选地，射频前端包括有基准频率振荡源、频率合成器、信号放大和模数转换子单 元，其中，所述基准频率振荡源，用于提供时间和频率基准给频率合成器；所述频率合成器，用于根据基准频率振荡源所提供的时间和频率基准，产生本振 频率和系统时钟信号，并将一个或者多个本振频率与射频卫星导航信号进行混频，形成中 频卫星导航信号；所述信号放大和模数转换子单元，用于将中频卫星导航信号进行放大并进行模数 转换，形成数字卫星导航信号并传送给信号通道。优选地，所述基准频率振荡源为温度补偿型石英晶体谐振器TCX0。优选地，所述信号通道通过伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路来剥离数字卫星导 航信号中的载波和伪噪声码，还原出原始数据码，最终提取出卫星导航电文。优选地，所述信号通道为相关型信号通道。优选地，所述导航处理模块为ARM微处理器。优选地，无线网络传输单元为采用通用分组无线服务GPRS方式的无线网络传输单元。由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提供了 一种具有差分测速功能的高动态GPS接收机，可以在高动态的环境下接收GPS信号，并通过 GPRS模块实现差分测速，在航天飞行器的精密定轨和精确定姿方面具有广阔的应用前景， 具有重大的生产实践意义。
图1是本实用新型提供的一种具有差分测速功能的高动态GPS接收机的结构示意 图；图2为本实用新型提供的一种具有差分测速功能的高动态GPS接收机的具体组成 结构示意图；图3是本实用新型提供的一种具有差分测速功能的高动态GPS接收机实施例的具 体示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，
以下结合附图和实施方式 对本实用新型作进一步的详细说明。图1是本实用新型提供的一种具有差分测速功能的高动态GPS接收机的结构示意 图。[0034]参见图1，本实用新型提供了一种具有差分测速功能的高动态GPS接收机，包括有信号接收单元101、射频前端102、信号通道103、导航处理模块104、存储单元105、接口单元 106和无线网络传输单元107，其中信号接收单元101，用于接收来自于卫星的导航信号(即GPS信号)，并将其放大后传递给射频前端102 ；该信号接收单元101包括有GPS接收机天线1011和前置放大器1012 ；所述GPS接收机天线1011，用于将电磁波形式的GPS卫星信号转化为相同变化规 律的电流信号，并传送给前置放大器1012 ；所述前置放大器1012，与GPS接收机天线1011相连接，用于将电流信号形式的 GPS卫星信号进行放大。在本实用新型中，所述前置放大器1012为低噪声前置放大器。在本实用新型中，上述GPS接收机天线1011的主要技术要求为接收频率为 1575. 42MHz的信号；天线辐射方向应能够保证全向接收来自空中的右旋圆极化电波；天线 馈线的阻抗应为50 Ω。在当弱达2. 7X10-21到2. 8X 10-21W/M2 · HZ的GPS卫星信号到 达该接收机天线时，接收机天线能将GPS卫星信号的电磁波能量转化为相同变化规律的电 流，并送至前置放大器1012。由前置放大器1012将极微弱的GPS卫星信号电流予以放大。在本实用新型中，为了保证GPS接收机的灵敏度，通常将GPS接收机天线1011与 低噪声前置放大器1012做成一体，从而使接收器天线输出端至低噪声放大器输入端之间 连线尽量缩短，以降低馈线损耗。射频前端102，与信号接收单元101相连接，用于将所接收到的射频(高频)卫星 导航信号转变成中频卫星导航信号，并将其进一步转换成数字卫星导航信号后传送给信号 通道103 ；在本实用新型中，射频前端102包括有基准频率振荡源1021、频率合成器1022、信 号放大和模数转换子单元1023，其中所述基准频率振荡源1021，用于提供时间和频率基准给频率合成器1022 ；参见图3，在本实用新型中，所述基准频率振荡源1021优选为温度补偿型石英晶 体谐振器TCXO。所述频率合成器1022，与基准频率振荡源1021相连接，用于根据基准频率振荡源 1021所提供的时间和频率基准，产生本振频率(LO)和系统时钟信号，并将一个或者多个本 振频率与射频卫星导航信号进行混频，形成中频卫星导航信号；所述信号放大和模数转换子单元1023，用于将中频卫星导航信号进行放大并进行 模数转换，形成数字卫星导航信号并传送给信号通道103。在本实用新型中，射频前端102所接收的射频信号(RF)的频率为1575. 42MHz时， 所形成的中频信号(IF)频率为4. 309MHz，具体实现上，主要采用GPS射频芯片GP2015来进
行信号转变。信号通道103，与射频前端102相连接，用于接收射频前端102所发送的数字卫星 导航信号，并提取出卫星导航电文，然后将其传递给导航处理模块104 ；在本实用新型中，所述信号通道103通过伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路来剥 离数字卫星导航信号中的载波和伪噪声码，还原出原始数据码，最终提取出卫星导航电文(表现为原始数据码)。需要说明的是，在本实用新型中，载波跟踪环路用来跟踪卫星信号载波频率和 载波相位，使环路中载波数控振荡器VCO产生的本地参考信号频率与卫星信号载波频率 保持相等，且相位差接近于零，达到载波同步。而在载波同步的情况下就可以对调制在 1575. 42MHz载波上的1. 023Mbps的BPSK调制信号进行解调，得到基带信号。伪码延时跟踪 环路用来使本地C/A码的相位与GPS接收机接收到的GPS卫星信号中的C/A码相位保持同 相，以实现对卫星信号的解扩和进行伪距测量。 需要说明的是，所述C/A码为GPS卫星发出的一种伪随机码。在本实用新型中，上述信号通道(Channel) 103是本实用新型提供的GPS接收机的 核心部分，它不是一种简单的信号通道，而是一种软硬件相结合的有机体。目前，不同类型 的GPS接收机主要有相关型、平方律和码相位等三种类型的信号通道。其中，相关型通道被 广泛地应用于现代的GPS接收机。它不同于其他两种通道之处在于，它能够从伪噪声码中 提取卫星电文，及时测得运动载体的实时位置。因此，相关型通道较为复杂，主要由载波跟 踪环路和伪噪声码跟踪环路组成。在本实用新型中，所述信号通道103优选为相关型的信号通道。该相关型的信号 通道将接收到的卫星信号(调制信号)与接收机所产生的复制码(即接收机信号)相乘， 可以获得高质量的信号。导航处理模块104，与信号通道103相连接，用于接收信号通道103所输出的导航 电文，提取获得导航数据，最终为用户提供包括导航、定位在内的各种服务。在本实用新型中，具体技术实现上，该导航处理模块104与相关器GP2021 (其为12 通道C/A码基带相关器)、数据寄存器相连接，所述相关器GP2021用于在每个时钟从导航 电文中取样信号时刻、测量值并存储到数据寄存器中，且每隔一段时间向导航处理模块104 发送一个中断请求；导航处理模块104根据所述中断请求来读取数据寄存器中存储的测量 值，获得导航数据。在本实用新型中，所述导航处理模块104即为微处理器，微处理器主要是通过引 脚的选择以及软件的编程来实现对通道的选择以及对数据的判断运算等操作的。在本实用新型中，微处理器单元的性能对GPS接收机整机的性能有至关重要的影 响。一般而言，微处理器性能越高，GPS接收机定位越快，越适合于实际应用。本实用新型的导航处理模块104优选为采用ARM微处理器，该ARM微处理器具有 性能高、体积小、功耗低、成本低的特点，从而选择ARM微处理器来设计本实用新型的高动 态GPS接收机。需要说明的是，尽管GPS是一种星基导航系统，GPS接收机也可以应用在其他场 合。一些典型的非导航应用例如为时间和频率传输、静态或动态测量、差分GPS系统、基站 用参考GPS接收机、GPS卫星信号完整性监测。存储单元105，与导航处理模块104相连接，用于存储导航处理模块104所接收到 的数据信息(例如导航电文和其他相关数据)，参见图3。需要说明的，GPS接收机为用户提供定位、导航或其他服务。这些服务需要通过相 关的应用程序(这些程序的作用就是处理接收到的GPS信号，比如测速，需要知道一定时间 内两个点的位置，然后用位置除以时间)处理导航数据后才能实现，因此在GPS接收机内需要有一定容量的存储器存储相关的数据和运行程序(例如为存储接收到的GPS信号。另 夕卜，在某些应用服务中，GPS接收机需要存储定位现场所采集的伪距、载波相位测量和其他 数据，以及所解译的GPS卫星星历等。这些数据都存储在存储器里面，或者通过外接计算机 直接储存到磁盘上。 接口单元106，与导航处理模块104相连接，用于为导航处理模块104提供与外接 设备进行数据交互的接口。例如，GPS接收机可以通过串行接口向外界设备(如计算机)发送或读取数据。该 接口单元106还可以提供人机接口的服务，使用户可以通过操作键盘来使用GPS接收机和 通过显示屏了解到定位、导航或其他信息。无线网络传输单元107，与导航处理模块104相连接，用于将导航处理模块104所 获得的导航数据通过无线网络传输给虚拟参考站(VirtualReference Station, VRS)网络 的数据服务器控制中心，并将该数据服务器控制中心输出的差分改正信息传回给导航处理 模块104。在本实用新型中，无线网络传输单元107为采用通用分组无线服务(General Packet Radio Service,GPRS)方式的无线网络传输单元。需要说明的是，GPRS采用无线分 组交换技术，每个用户可同时占用多个无线通道，同一个信道又可以由多个用户共享以有 效提高无线信道的利用率，数据传输效率理论上可以达到实际应用大约在170Kbs(实际应 用大概在10-70Kbs)，特别适合于间断的、突发性的和频繁性的、少量的数据传输，也适合于 偶尔的大量数据量传输。本实用新型提供的高动态GPS接收机的工作原理及工作过程如下1，由信号接收单元101的天线1011将GPS卫星信号极微弱的电磁波能转化为相 应的电流，通过前置放大器1012将GPS卫星信号电流予以放大，有时还兼有变频作用，然后 将射频GPS卫星信号传递给射频前端102 ；2，射频前端102将自己所生产的一个或多个本振频率信号与射频信号进行混频， 完成射频信号到中频信号的变换，同时将中频信号放大和进行模数转换，并通过抽样频率 对该中频信号进行抽样，以便后续数字化处理(具体为用位于射频前端的GP2015进行数字 化处理)，然后将中频信号传递给信号通道103 ；3，信号通道103通过伪噪声码跟踪环路和载波跟踪环路来剥离载波和伪噪声码， 还原出原始数据码，然后将所获得的导航电文(即原始数据码)送入导航处理模块104进 行处理； 4，导航处理模块104和存储单元105、接口单元106相配合进行星历的解算及相关 处理，获得关于位置方向的导航数据。 5，导航处理模块104(微控制器)驱动无线网络传输单元107 (即无线通讯模 块)连接到Internet实现上网，通过无线网络把其概率位置传送到虚拟参考站(Virtual Reference Station, VRS)网络的数据服务器控制中心，该中心接到数据后进行软件差分运 算校正输出差分改正信息(以地面基准站做为参考，得到修正数据，发送给GPS接收机就是 差分运算)，通过无线网络把其信息传回到微控制器，微控制器通过串口与GPS-OEM板(GPS 母板)的串口直接相连，把差分改正信息直接传入到GPS-OEM板，从而传输给导航处理模块 104，实现差分数据的实时传输。[0073]具体实现上，在GPS-OEM板中进行软件差分运算，然后通过串口输出精确位置速
度等{曰息。综上所述，与现有技术相比较，本实用新型提供了一种具有差分测速功能的高动 态GPS接收机，可以在高动态的环境下接收GPS信号，并通过GPRS模块实现差分测速，在航 天飞行器的精密定轨和精确定姿方面具有广阔的应用前景，具有重大的生产实践意义。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和 润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求一种具有差分测速功能的高动态GPS接收机，其特征在于，包括信号接收单元，用于接收来自于卫星的导航信号，并将其放大后传递给射频前端；射频前端，用于将所接收到的射频卫星导航信号转变成中频卫星导航信号，并将其进一步转换成数字卫星导航信号后传送给信号通道；信号通道，用于接收射频前端所发送的数字卫星导航信号，并提取出卫星导航电文，然后将其传递给导航处理模块；导航处理模块，用于接收信号通道所输出的导航电文，提取获得导航数据，最终为用户提供包括导航、定位在内的各种服务；存储单元，用于存储导航处理模块所接收到的数据信息；接口单元，用于为导航处理模块提供与外接设备进行数据交互的接口。
2.如权利要求1所述的高动态GPS接收机，其特征在于，还包括有无线网络传输单元，与导航处理模块相连接，用于将导航处理模块所获得的导航数据 通过无线网络传输给虚拟参考站VRS网络的数据服务器控制中心，并将该数据服务器控制 中心输出的差分改正信息传回给导航处理模块。
3.如权利要求1所述的高动态GPS接收机，其特征在于，所述信号接收单元包括有GPS 接收机天线和前置放大器，其中，所述GPS接收机天线，用于将电磁波形式的GPS卫星信号转化为相同变化规律的电流 信号，并传送给前置放大器；所述前置放大器，用于将电流信号形式的GPS卫星信号进行放大。
4.如权利要求3所述的高动态GPS接收机，其特征在于，所述前置放大器为低噪声前置 放大器。
5.如权利要求1所述的高动态GPS接收机，其特征在于，射频前端包括有基准频率振荡 源、频率合成器、信号放大和模数转换子单元，其中，所述基准频率振荡源，用于提供时间和频率基准给频率合成器； 所述频率合成器，用于根据基准频率振荡源所提供的时间和频率基准，产生本振频率 和系统时钟信号，并将一个或者多个本振频率与射频卫星导航信号进行混频，形成中频卫 星导航信号；所述信号放大和模数转换子单元，用于将中频卫星导航信号进行放大并进行模数转 换，形成数字卫星导航信号并传送给信号通道。
6.如权利要求5所述的高动态GPS接收机，其特征在于，所述基准频率振荡源为温度补 偿型石英晶体谐振器TCXO。
7.如权利要求1所述的高动态GPS接收机，其特征在于，所述信号通道通过伪噪声码 跟踪环路和载波跟踪环路来剥离数字卫星导航信号中的载波和伪噪声码，还原出原始数据 码，最终提取出卫星导航电文。
8.如权利要求1至7中任一项所述的高动态GPS接收机，其特征在于，所述信号通道为 相关型信号通道。
9.如权利要求1至7中任一项所述的高动态GPS接收机，其特征在于，所述导航处理模 块为ARM微处理器。
10.如权利要求2所述的高动态GPS接收机，其特征在于，无线网络传输单元为采用通用分组无线服务GPRS方式的无线网络传输单元 。
专利摘要本实用新型公开了一种具有差分测速功能的高动态GPS接收机，包括有信号接收单元、射频前端、信号通道、导航处理模块、存储单元、接口单元。与现有技术相比较，本实用新型公开的一种具有差分测速功能的高动态GPS接收机，可以在高动态的环境下接收GPS信号，并通过GPRS模块实现差分测速，在航天飞行器的精密定轨和精确定姿方面具有广阔的应用前景，具有重大的生产实践意义。
文档编号G01S19/24GK201555952SQ20092025102
公开日2010年8月18日 申请日期2009年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者何宏, 刘皓, 张宝峰, 李丽 申请人:天津理工大学