GNSS软件接收机通用模块设计与实现

GNSS软件接收机通用模块设计与实现

王颖;伍蔡伦;王赛宇

【摘要】通过研究通用GNSS软件接收机软件的建模方法,提出了一种适用于GPS/Galileo软件接收机的架构设计方法以及一套通用的模块设计方法。为今后实现实时的多模软件接收机打下了基础,而且其中的各类算法模块、处理模块、图形模块具有很强的通用性,可复用于其他接收机系统。软件运行结果达到各项指标要求和具有硬件接收机数字中频信号采样后的所有功能。%The GNSS software receiver system includes antenna,RF module,DAC（Data Acquistion Card）and software.The kernel of the system is software,and it includes data collection management,navigation signal process,navigation data process,configuration management,communication and user interface models.By researching universal GNSS software receiver modeling,this paper presents a kind of architecture and module design technique of GPS/Galileo software receiver.These results are valuable to research multiple-mode software receiver.Some arithmetic modules,process modules and plot modules of this software receiver are very universal,they can be used in other receiver systems.

【期刊名称】《全球定位系统》

【年(卷),期】2011(036)005

【总页数】4页(P72-74,79)

【关键词】导航;全球导航卫星系统;软件接收机;建模

【作者】王颖;伍蔡伦;王赛宇

【作者单位】河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心,河北石家庄050081;

中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;河北省卫星导航技术

与装备工程技术研究中心,河北石家庄050081;中国电子科技集团公司第五十四研

究所,河北石家庄050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081

【正文语种】中文

【中图分类】TN967.1

0 引言

目前使用的接收机可以分为两种；硬件接收机和软件接收机。尽管大部分硬件接收机在使用中性能良好，但它们兼容性欠佳，且升级成本高。随着时间的推移，部件会逐渐老化，这会降低接收机的可靠度和精度。相比之下，软件接收机借助软件的可配置特性，具有操作上的灵活性和系统间的兼容性。当需要更换导航信号时，使用者所要做的仅仅是通过人机界面修改相关的参数配置。

软件接收机系统包括天线、射频、中频信号采样模块和软件四大部分，软件是核心部分，它包括数据采集管理、导航信号处理、导航数据处理、配置管理与信息收集、通讯模块和人机交互模块。

1 系统设计

GNSS（全球导航卫星系统）软件接收机软件接收数据采集模块上报的采样数据，根据用户的设置对其进行导航信号处理和导航信息解算，完成包括对卫星信号的捕获、跟踪、同步、电文解调、解交织以及维特比译码等信号处理任务和用户位置速

度时间解算、自主完好性检测等信息处理任务，并将处理结果显示给用户。GNSS软件接收机包括天线、射频、中频信号采样模块和软件四大部分，其中软件是核心部分，软件接收机的系统组成图如图1所示。

图1 GNSS软件接收机系统组成图

天线是商用的车载天线，为右旋圆极化类型。射频模块将信号从射频变换到中频。数据采集卡带有高速的A／D采样芯片，其频率为100MHz。除了A／D采样以外，在数据采集卡上还自带了一片现场可编程门阵列FPGA，可以对采样数据进行预处理。

软件处理部分包括数据采集管理、导航信号处理、导航数据处理、配置管理与信息收集、通讯模块和人机交互模块。

2 模块设计

GNSS软件接收机由以下模块实现：射频、中频信号采样处理、数据采集管理、导航信号处理、导航数据处理、配置管理与信息收集、通讯模块和人机交互模块［1]，其中射频和中频信号采样处理模块通过硬件实现［2]，其余模块均通过软件实现，组成图如图2所示。

图2 软件接收机软件的模块组成图

1）射频模块

射频模块的主要功能是信号经过下变频、放大和滤波，最终输出中频信号。射频模块具有AGC功能，以适应输入信号电平的变化。GNSS软件导航接收机的射频模块具有4个独立的射频通道，以同时处理GPS L1、L2、L5信号和Galileo E1、

E5信号。

2）中频信号采样处理模块

中频信号采样处理模块的功能是对射频分系统输出的四路中频信号分别进行采样，并可按照用户要求对采样后的原始数据进行下变频、采样率变换、滤波等操作，最

终可将原始数据或经处理后的数据通过高速数据接口上传给软件接收机的处理主机。3）数据采集管理模块

数据采集管理模块的主要功能是将数据采集卡采集的数据放入先入先出队列（FIFO）中缓存等待处理，其主要目的是与后续的信号处理模块达成处理速率上

的匹配以防止丢帧。如图3所示，数据采集卡按照指定的频度将特定通道的基带

信号以数据块的形式上传到PC机上等待信号处理模块来处理。利用数据采集管理模块，可以有效控制信号处理模块处理数据块的粒度，利用数据块缓存有效的平滑掉信号处理模块存在的计算复杂度的突发变化，同时数据采集管理模块通过对数据块缓存状态的监控，可以向上层软件提供目前软件接收机运行负载情况。

图3 数据采集模块组成图

4）导航信号处理模块

导航信号处理模块是GNSS软件接收机应用软件中计算复杂度最高的模块，因而

也是GNSS软件接收机设计中的重点和难点。导航信号处理模块需要实时处理来

自数据采集管理模块的多个通道的采样信号，完成对指定的GPS、Galileo信号处理，包括伪码捕获、伪码和载波跟踪、比特同步、帧同步、伪距和多普勒测量、电文解调、解交织以及维特比译码等功能［1]。

5）导航数据处理模块

GNSS软件接收机具有两种定位解算模式，即单星座PVT模式（基于Galileo或GPS）和双星座兼容PVT模式。以单星座PVT解算为例，当观测卫星数大于或等于4颗时，可对非线性方程组［1]求解。

式中：u（xu，yu，zu）为接收机三维位置；Sj（xj，yj，zj）为第j颗卫星的三维位置；ρj为第j颗卫星的伪距观测量；tu为接收机钟差；bu＝ctu，c为光速。

6）配置管理与信息收集模块