Gps导航电文采集装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种GPS导航电文采集装置，包括天线模块、接收GPS信号的射频前端模块、GPS基带信号处理模块、外部通信串口模块、时钟模块、存储模块、二次开发接口和模式选择接口，天线模块、射频前端相连、GPS基带信号处理模块依次相连，时钟模块、存储模块、二次开发接口、模式选择接口、外部通信串口模块均连接GPS基带信号处理模块。本实用新型可实现实时定位且定位精度<10m，输出导航电文数据可选择，扩展性强，支持二次开发，支持长时间导航电文存储。
【专利说明】GPS导航电文采集装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于卫星导航定位【技术领域】，更具体的是一种GPS导航电文采集装置。
【背景技术】
[0002]全球定位系统(Global Positioning System,简称GPS)具有全天候、高精度、高增益等特点，GPS接收机已经普遍应用于军事、航海、航天、测量、交通等领域，GPS军事意义与经济效益越来愈大，国内对这方面的需求也越来越大。然而我国的GPS接收机芯片几乎都来自外国公司，很少有自主知识产权的GPS接收机芯片。国内GPS接收机的研究主要是基于PC机的软件GPS接收机，但限于PC机的运行速度无法满足实时定位，只能局限于实验室；现有的GPS接收机芯片高度集成化，功能单一。
实用新型内容
[0003]本实用新型的目的是提供一种实时定位、输出数据可选择、可二次开发，可扩展的GPS导航电文采集装置。
[0004]为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案:
[0005]GPS导航电文采集装置，包括天线模块、接收GPS信号的射频前端模块、GPS基带信号处理模块、外部通信串口模块、时钟模块、存储模块、二次开发接口和模式选择接口，天线模块、射频前端相连、GPS基带信号处理模块依次相连，时钟模块、存储模块、二次开发接口、模式选择接口、外部通信串口模块均连接GPS基带信号处理模块。
[0006]上述射频前端模块包括依次相连的低噪声功率放大器、GPS射频滤波器、混频器、自动增益放大器、AD采样器，其中，低噪声功率放大器用来放大天线模块接收的微弱GPS信号；GPS射频滤波器抑制GPS信号频点以外的干扰信号；混频器用来降低GPS信号中心频率；自动增益放大器用来稳定混频器输出的GPS信号功率;AD采样器用来将自动增益放大器输出的模拟信号转换成数字信号。
[0007]为了提高本振频率精度，射频前端模块中的混频器优选为三级混频。
[0008]上述GPS基带信号处理模块基于FPGA实现，包括基带相关器单元和基带处理单元，其中，基带相关器单元用于对GPS信号进行载波剥离和伪码剥离，并产生中断给基带处理单元；基带处理单元调整载波频率和码频率微调基带相关器单元，以达到锁定目的；基带处理单元在GPS信号锁定后对卫星参数进行解算，提取卫星伪距观测量、卫星多普勒观测量、卫星俯仰角、卫星GPS信号信噪比、接收机位置及速度。
[0009]所述的基带相关器单元由多路基带相关器构成，基带相关器包括锁存器、第一乘法器、本地载波数字控制振荡器、低通滤波器、本地码数字控制振荡器和多路伪码剥离模块，锁存器、第一乘法器、低通滤波器、多路伪码剥离模块依次相连，各路伪码剥离模块包括依次相连的第二乘法器和加法器，本地载波数字控制振荡器输出端连接第一乘法器、输入端连接基带处理单元，本地码数字控制振荡器输出端连接各路伪码剥离模块的第二乘法器、输入端连接基带处理单元。
[0010]上述二次开发接口为带有可烧写接口的固化芯片。
[0011 ] 上述模式选择接口由拨码开关构成。
[0012]上述存储模块为SD卡存储模块。
[0013]本实用新型GPS导航电文采集装置通过模式选择接口选择性输出不同的导航信息；通过二次开发接口重新配置GPS基带信号处理模块，可根据需要加入新程序，便于二次灵活开发；通过存储模块存储采集的导航电文，可长时间(一年以上)存储导航电文，便于需要时进行数据分析。
[0014]与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果:
[0015]1、实时定位且定位精度<10m。
[0016]2、灵活配置，可选择多种导航电文输出。
[0017]3、可扩展性强，支持二次开发。
[0018]4、支持长时间导航电文存储，便于事后数据分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型结构框图；
[0020]图2为本实用新型射频前端模块的具体结构框图；
[0021]图3为本实用新型GPS基带信号处理模块的具体结构框图；
[0022]图4为本实用新型GPS基带相关器单元结构框图；
[0023]图5为本实用新型模式选择接口结构框图。
[0024]图中，1-天线模块，2-射频前端模块，3-GPS基带信号处理模块，4_外部通信串口模块，5-存储模块，6-时钟模块，7-二次开发接口，8-模式选择接口 ；9_锁存器；10-第一乘法器；11-低通滤波器；12-第二乘法器；13-加法器；14-本地载波数字控制振荡器；15_本地码数字控制振荡器。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和【具体实施方式】进一步说明本实用新型。
[0026]见图1，本实用新型GPS导航电文采集装置包括天线模块(I)、接收GPS信号的射频前端模块(2 )、基于FPGA的GPS基带信号处理模块(3 )、外部通信串口模块(4)、存储模块
(5)、时钟模块(6)、二次开发接口(7)、模式选择接口(8)，天线模块(I)输出端连接射频前端模块(2)输入端，射频前端模块(2)输出的GPS信号输入GPS基带信号处理模块(3)，存储模块(5 )、时钟模块(6 )、二次开发接口( 7 )、模式选择接口( 8 )、外部通信串口模块(4 )均连接GPS基带信号处理模块(3)。本具体实施中，外部通信串口模块(4)遵循RS422协议；时钟模块(6)不间断向系统提供时间；天线模块(I)采用具有接近半球形增益覆盖性质的右旋圆极化全向有源天线，其增益约30dB。
[0027]见图2，射频前端模块(2)进一步包括依次相连的低噪声功率放大器、GPS射频滤波器、混频器、自动增益放大器、AD采样器，本具体实施中，低噪声功率放大器将天线模块接收的微弱GPS信号放大12-20dB ；GPS射频滤波器接收低噪声功率放大器的输出信号，用来抑制GPS信号频点以外的干扰信号，本具体实施中采用HMC478ST89型号的GPS射频滤波器，可抑制GPS LI频点以外的干扰信号；混频器接收GPS射频滤波器的输出信号，并输出频点为4.309Mhz的中频信号；自动增益放大器接收混频器的输出数据,用来将混频器输出的GPS信号功率稳定在_25dB附近；AD采样器采样率为5.714Mhz，采样数据为2位数字信号，将自动增益放大器输出的模拟信号转换为数字信号。
[0028]为了提高本振频率精度，混频器采用三级混频器，第一级混频器的本振为1400Mhz，输出信号中心频率175.42Mhz ;第二级混频器的本振为140Mhz，输出中频信号频点为35.42Mhz ;第三级混频器的本振为31.lllMhz，输出中频信号频点为4.309Mhz。GPS信号的载波频点为1575.42Mhz，三级本振1400,140,31.1111的倍数关系分别为1:10:45，混频器对本振的频率稳定性要求很高，HOOMhz本振本来是IOMhz的本地温补晶振倍频得到，其余的都是1400M整数分频得到，整数分频，频率更精确，也易于实现。
[0029]见图3，GPS基带信号处理模块(3)基于FPGA实现，包括基带相关器单元和基带处理单元，基带相关器单元由多路基带相关器组成。基带相关器单元用于对GPS信号进行载波剥离和伪码剥离，并通过数据总线产生中断给基带处理单元，并向基带处理单元传递跟踪捕获的GPS信号的状态参数和数据，本具体实施中，基带相关器单元由12路基带相关器组成，可同时对12颗卫星信号进行跟踪捕获。基带处理单元响应基带相关器的中断，接收GPS信号的状态参数和数据，调整载波频率和码频率来微调基带相关器，以达到锁定的目的；基带处理单元在GPS信号锁定后对卫星参数进行解算。
[0030]下面以一路基带相关器为例对基带相关器单元进行说明，见图4。射频前端模块(2 )输出的AD采样数据r (tk)进入锁存器(9 )进行锁存，锁存器(9 )采样频率同AD采样时钟频率，本地载波数字控制振荡器(14)产生的正弦、余弦信号分别与锁存器(9)输出的数据在第一乘法器(10)中相乘进行1、Q解调，解调后的I路、Q路数据通过低通滤波器(11)滤除GPS信号的带外干扰信号，分别进入不同路的伪码剥离模块。本地码数字控制振荡器
(15)产生早码(E)、即时码(P)和晚码(L)三种本地C/A码，早码(E)、即时码(P)和晚码(L)依次相隔半个码元，分别与低通滤波器(11)输出信号依次经过伪码剥离模块进行剥离伪码，伪码剥离模块包括相连的第二乘法器(12)和加法器(13)，加法器(13)对第二乘法器
(12)输出数据进行积分和累加，本具体实施中伪码周期为1023，则加法器(13)中进行1023点积分。加法器(13)每隔Ims产生中断信号给基带处理单元，接收中断信号的基带处理单元读取第二乘法器(12)的输出，判断当前GPS信号是否已经锁定，如果没有，则调整基带相关器中本地载波数字控制振荡器(14)和本地码数字控制振荡器(15)产生的载波频率和码频率，以达到锁定的目的。
[0031]基带处理单元在GPS信号锁定后对卫星发射的50HZ的导航电文进行帧同步、解码，获得导航电文，包括卫星发射数据时间及卫星轨道参数；从载波频率变化量中提取多普勒观测量，利用数据发射时间与本地时间(本地时间由时钟模块获得)解算接收机当前的速度、位置和时间。
[0032]外部通信串口模块(4)与基于FPGA的GPS基带信号处理模块(3)相连，遵循RS422串口通信协议，用来输出当前时刻各卫星伪距观测量、各卫星多普勒频移、各卫星俯仰角、各卫星GPS信号的信噪比、接收机位置和速度中的任意一种或多种数据。
[0033]存储模块(5)为SD卡存储模块，与基于FPGA的GPS基带信号处理模块(3)相连，遵循SPI串口协议，采用FATFS文件系统，采取每小时生成一个以当前时刻命名的文件，每个文件中存储前一个小时的导航电文。
[0034]时钟模块(6)与基于FPGA的GPS基带信号处理模块(3)相连，包括纽扣电池和DS1302型号时间芯片，纽扣电池为时间芯片不间断提供电源，时间芯片为GPS基带信号处理模块(3)提供当前时刻，以此作为基准，解算接收机当前位置。
[0035]二次开发接口与基于FPGA的GPS基带信号处理模块(3)相连，包括带有可烧写接口的固化芯片，通过二次开发接口的可烧写接口可将外部指令导入置固化芯片，从而扩展本实用新型其他应用，或者实现验证算法，为用户二次开发提供了灵活的接口。本具体实施中采用二次开发接口的固化芯片为EP2S60N系列的PR0M。
[0036]见图5，模式选择接口(8)与基于FPGA的GPS基带信号处理模块(3)相连，通过模式选择接口选择性输出不同类型的导航信息。本具体实施中模式选择接口(8)由三个拨码开关KEY1、KEY2、KEY3组成，可选择5种模式，见表1，表中“O”表示对应的拨码开关为断开，“I”表示对应的拨码开关为接通，模式I表示选择输出卫星伪距观测量，模式2表示选择输出卫星多普勒频移，模式3表示选择输出卫星俯仰角，模式4表示选择输出卫星GPS信号信噪比，模式5表示选择输出接收机位置和速度，各模式对应的数据通过外部通信串口模块
(4)输出到PC端显示。
[0037]表1模式与各拨码开关的通道对应表
[0038]
【权利要求】
1.GPS导航电文采集装置，其特征在于: 包括天线模块、接收GPS信号的射频前端模块、GPS基带信号处理模块、外部通信串口模块、时钟模块、存储模块、二次开发接口和模式选择接口，天线模块、射频前端相连、GPS基带信号处理模块依次相连，时钟模块、存储模块、二次开发接口、模式选择接口、外部通信串口模块均连接GPS基带信号处理模块。
2.如权利要求1所述的GPS导航电文采集装置，其特征在于: 所述的射频前端模块进一步包括依次相连的低噪声功率放大器、GPS射频滤波器、混频器、自动增益放大器、AD采样器。
3.如权利要求2所述的GPS导航电文采集装置，其特征在于: 所述的混频器为三级混频器。
4.如权利要求1所述的GPS导航电文采集装置，其特征在于: 所述的GPS基带信号处理模块基于FPGA实现，包括相连接的基带相关器单元和基带处理单元。
5.如权利要求4所述的GPS导航电文采集装置，其特征在于: 所述的基带相关器单元由多路基带相关器构成，基带相关器包括锁存器、第一乘法器、本地载波数字控制振荡器、低通滤波器、本地码数字控制振荡器和多路伪码剥离模块，锁存器、第一乘法器、低通滤波器、多路伪码剥离模块依次相连，各路伪码剥离模块包括依次相连的第二乘法器和加法器，本地载波数字控制振荡器输出端连接第一乘法器、输入端连接基带处理单元，本地码数字控制振荡器输出端连接各路伪码剥离模块的第二乘法器、输入端连接基带处理单元。
6.如权利要求1所述的GPS导航电文采集装置，其特征在于: 所述的二次开发接口为带有可烧写接口的固化芯片。
7.如权利要求1所述的GPS导航电文采集装置，其特征在于: 所述的模式选择接口由拨码开关构成。
8.如权利要求1所述的GPS导航电文采集装置，其特征在于: 所述的存储模块为SD卡存储模块。
9.如权利要求1所述的GPS导航电文采集装置，其特征在于: 所述的天线模块为右旋圆极化全向有源天线。
【文档编号】G01S19/37GK203773056SQ201420171583
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月10日 优先权日:2014年4月10日
【发明者】郑建生, 朱玉建, 周博海, 何琪 申请人:武汉大学