GNSS軟件接收機通用模塊設(shè)計與實現(xiàn)①

王 穎，伍蔡倫，王賽宇

（1.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081）

0 引 言

目前使用的接收機可以分為兩種；硬件接收機和軟件接收機。盡管大部分硬件接收機在使用中性能良好，但它們兼容性欠佳，且升級成本高。隨著時間的推移，部件會逐漸老化，這會降低接收機的可靠度和精度。相比之下，軟件接收機借助軟件的可配置特性，具有操作上的靈活性和系統(tǒng)間的兼容性。當(dāng)需要更換導(dǎo)航信號時，使用者所要做的僅僅是通過人機界面修改相關(guān)的參數(shù)配置。

軟件接收機系統(tǒng)包括天線、射頻、中頻信號采樣模塊和軟件四大部分，軟件是核心部分，它包括數(shù)據(jù)采集管理、導(dǎo)航信號處理、導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理、配置管理與信息收集、通訊模塊和人機交互模塊。

1 系統(tǒng)設(shè)計

GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）軟件接收機軟件接收數(shù)據(jù)采集模塊上報的采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶的設(shè)置對其進行導(dǎo)航信號處理和導(dǎo)航信息解算，完成包括對衛(wèi)星信號的捕獲、跟蹤、同步、電文解調(diào)、解交織以及維特比譯碼等信號處理任務(wù)和用戶位置速度時間解算、自主完好性檢測等信息處理任務(wù)，并將處理結(jié)果顯示給用戶。

圖1 GNSS軟件接收機系統(tǒng)組成圖

天線是商用的車載天線，為右旋圓極化類型。射頻模塊將信號從射頻變換到中頻。數(shù)據(jù)采集卡帶有高速的A／D采樣芯片，其頻率為100MHz。除了A／D采樣以外，在數(shù)據(jù)采集卡上還自帶了一片現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，可以對采樣數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

軟件處理部分包括數(shù)據(jù)采集管理、導(dǎo)航信號處理、導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理、配置管理與信息收集、通訊模塊和人機交互模塊。

2 模塊設(shè)計

GNSS軟件接收機由以下模塊實現(xiàn)：射頻、中頻信號采樣處理、數(shù)據(jù)采集管理、導(dǎo)航信號處理、導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理、配置管理與信息收集、通訊模塊和人機交互模塊［1]，其中射頻和中頻信號采樣處理模塊通過硬件實現(xiàn)［2]，其余模塊均通過軟件實現(xiàn)，組成圖如圖2所示。

圖2 軟件接收機軟件的模塊組成圖

1）射頻模塊

射頻模塊的主要功能是信號經(jīng)過下變頻、放大和濾波，最終輸出中頻信號。射頻模塊具有AGC功能，以適應(yīng)輸入信號電平的變化。GNSS軟件導(dǎo)航接收機的射頻模塊具有4個獨立的射頻通道，以同時處理GPS L1、L2、L5信號和Galileo E1、E5信號。

2）中頻信號采樣處理模塊

中頻信號采樣處理模塊的功能是對射頻分系統(tǒng)輸出的四路中頻信號分別進行采樣，并可按照用戶要求對采樣后的原始數(shù)據(jù)進行下變頻、采樣率變換、濾波等操作，最終可將原始數(shù)據(jù)或經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)接口上傳給軟件接收機的處理主機。

3）數(shù)據(jù)采集管理模塊

數(shù)據(jù)采集管理模塊的主要功能是將數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)放入先入先出隊列（FIFO）中緩存等待處理，其主要目的是與后續(xù)的信號處理模塊達成處理速率上的匹配以防止丟幀。如圖3所示，數(shù)據(jù)采集卡按照指定的頻度將特定通道的基帶信號以數(shù)據(jù)塊的形式上傳到PC機上等待信號處理模塊來處理。利用數(shù)據(jù)采集管理模塊，可以有效控制信號處理模塊處理數(shù)據(jù)塊的粒度，利用數(shù)據(jù)塊緩存有效的平滑掉信號處理模塊存在的計算復(fù)雜度的突發(fā)變化，同時數(shù)據(jù)采集管理模塊通過對數(shù)據(jù)塊緩存狀態(tài)的監(jiān)控，可以向上層軟件提供目前軟件接收機運行負載情況。

義109-3井固井技術(shù)研究……………………………………………………………………………桂成梁，孫 鈺，趙清忠（1.8）

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊組成圖

4）導(dǎo)航信號處理模塊

導(dǎo)航信號處理模塊是GNSS軟件接收機應(yīng)用軟件中計算復(fù)雜度最高的模塊，因而也是GNSS軟件接收機設(shè)計中的重點和難點。導(dǎo)航信號處理模塊需要實時處理來自數(shù)據(jù)采集管理模塊的多個通道的采樣信號，完成對指定的GPS、Galileo信號處理，包括偽碼捕獲、偽碼和載波跟蹤、比特同步、幀同步、偽距和多普勒測量、電文解調(diào)、解交織以及維特比譯碼等功能［1]。

5）導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊

GNSS軟件接收機具有兩種定位解算模式，即單星座PVT模式（基于Galileo或GPS）和雙星座兼容PVT模式。以單星座PVT解算為例，當(dāng)觀測衛(wèi)星數(shù)大于或等于4顆時，可對非線性方程組［1]求解。

式中：u（xu，yu，zu）為接收機三維位置；Sj（xj，yj，zj）為第j顆衛(wèi)星的三維位置；ρj為第j顆衛(wèi)星的偽距觀測量；tu為接收機鐘差；bu＝ctu，c為光速。

6）配置管理與信息收集模塊

配置管理與信息收集模塊是核心處理模塊的控制中心。對外與通訊模塊相交互，接收來自用戶界面模塊的用戶配置信息，對核心處理模塊的數(shù)據(jù)采集管理模塊、導(dǎo)航信號處理模塊和導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理模塊的算法和參數(shù)進行配置，可配置參數(shù)包括工作模式、工作系統(tǒng)、接收機通道數(shù)、數(shù)據(jù)采集卡采樣率、量化比特、鑒別器、濾波器階數(shù)、相關(guān)值個數(shù)、非相干累加次數(shù)和相關(guān)器間距等。同時，本模塊還負責(zé)收集另外三個模塊的運行狀態(tài)信息、處理結(jié)果和其他用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)，通過通訊模塊上報給人機交互模塊。

7）通訊模塊

通訊模塊用于實現(xiàn)軟件的輸入／輸出數(shù)據(jù)流。由于用戶需求的多樣性和易變性，所以通訊模塊是作為一個獨立的功能模塊進行設(shè)計開發(fā)的。只要固化通訊模塊與其他模塊之間的接口，便能將復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理流程與外界隔離開，降低升級維護的成本。若想改變軟件的輸入輸出方式，只需修改通訊模塊即可。本工程中涉及到的數(shù)據(jù)通訊渠道包括管道、網(wǎng)絡(luò)、總線以及人機交互界面。

8）人機交互模塊

人機交互模塊用于實現(xiàn)導(dǎo)航應(yīng)用演示的功能，并提供用戶對接收機應(yīng)用軟件進行控制配置的能力。人機交互模塊與用戶的使用要求密切相關(guān)，用戶需求的多樣性和易變性決定了單獨設(shè)計用戶界面模塊的必要性。

3 運行結(jié)果

如圖4所示，軟件界面的上方為快捷工具欄，點擊快捷工具欄上的圖標(biāo)，會彈出控制臺對話框、輸出文件選擇對話框、衛(wèi)星星空圖、用戶PVT詳細示意圖以及相關(guān)值示意圖；下方為日志信息和通道信息列表；左側(cè)從上往下依次是實時的用戶PVT示意圖、衛(wèi)星星空圖、相關(guān)值示意圖、PC本地時間、接收機時間、鼠標(biāo)在電子地圖上所處位置的經(jīng)緯度信息；右側(cè)主視區(qū)為用戶運動軌跡及當(dāng)前位置示意圖。軟件的主界面上采用電子地圖的形式顯示用戶PVT信息，旗子標(biāo)識用戶當(dāng)前位置，曲線標(biāo)識用戶運動軌跡，用戶可通過單擊快捷工具欄上的圖標(biāo)選擇開始／暫停／停止繪制用戶軌跡。

圖4 軟件接收機主界面

本軟件支持接收機工作參數(shù)人工設(shè)置，數(shù)據(jù)源可選擇是實時接收還是數(shù)據(jù)回放；接收機的工作模式可選擇單頻、雙頻、雙模；工作頻點為L1、L2、L5、E1、E5a、E5b；通道數(shù)為1、4、8、12、16、32；接收機輸出數(shù)據(jù)類型包括PVT、星歷、導(dǎo)航電文、衛(wèi)星信息、通道常規(guī)信息和相關(guān)值。

4 結(jié) 論

軟件接收機系統(tǒng)中除了天線、射頻和中頻信號采樣之外，其余部分均采用軟件實現(xiàn)。這使得軟件接收機具有需要硬件資源少、可編程性、可移植性強和開發(fā)新算法成本低等諸多優(yōu)點。經(jīng)驗證：采用純軟件的方法可實現(xiàn)硬件接收機數(shù)字中頻信號采樣后的所有功能，而且性能也滿足指標(biāo)要求，5M采樣率下高程精度大約為10m，水平精度約為5m.

［1]孫 雷.GPS／Galileo軟件接收機的框架設(shè)計［J].承德民族師專學(xué)報，2009（2）：19－20.

［2]張 婷，陳秀萬，朱莊生，等.GNSS軟件接收機的框架結(jié)構(gòu)及原型系統(tǒng)開發(fā)［J].計算機工程，2008，34（7）266－268.

［3]錢 鐿，伍蔡倫，陸明泉，等.GPS軟件接收機信號處理算法［J].清華大學(xué)學(xué)報·自然科學(xué)版，2009，49（8）：1122－1125.