专利名称：Gps导航定位接收机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种导航定位设备，尤其是涉及一种GPS导航定位接收机。
背景技术：
卫星定位系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统，能为陆、海、空的各类载体提供全天候、不间断、高精度、实时导航定位服务。目前，应用最广的卫星定位系统是美国的GPS，已经渗透到国民经济与日常生活的各个领域，如海上航行、城市交通管理、商业物流管理、船舶远洋导航、精密受时、大地测量、精细农业等。高速移动等情况下GPS容易出现丢星或者定位错误的情况。中华人民共和国国家知识产权局于2005年12月14日公开了公开号为CN1708696A的专利文献，名称是GPS接收 机，此文献公开了一种具有一根全向天线和一根定向天线的GPS接收机，其被配置成单独从所述定向天线的输出获取一个第一 GPS信号，或者从该定向天线的输出与所述全向天线的输出相结合获取一个第一 GPS信号，以及单独从所述全向天线的输出获取一个第二 GPS信号。此方案的不足之处在于，当由于移动而出现丢星问题时，难以给出定位结果并重新定位。
发明内容本实用新型主要是解决现有技术所存在的GPS接收机由于移动而出现丢星不能及时重新给出准确定位结果的不足，提供一种丢星后仍然可以给出定位结果并迅速进行重新定位的GPS导航定位接收机。本实用新型针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的一种GPS导航定位接收机，包括依次连接的天线、放大器、射频前端电路、基带信号处理电路和定位显示电路，所述基带信号处理电路包括跟踪和捕获模块、同步与导航电文提取模块、选星计算模块、观测量计算模块、误差校正模块和导航定位解算模块，所述捕获和跟踪模块连接有辅助信息模块，所述辅助信息模块包括惯性测量单元。惯性测量单元可以将接收机的速度等信息准确传递给捕获和跟踪模块，捕获和跟踪模块根据速度等信息快速的重新捕获GPS信号，从而可以迅速进行重新定位。采用惯性测量单元辅助GPS导航定位接收机可以提高其定位灵敏度和抗干扰的能力，并可提高整个系统的定位精度和连续性。作为优选，所述跟踪和捕获模块包括第一乘法器和第二乘法器，所述第一乘法器的输出端连接第一鉴别器和第二鉴别器，所述第二乘法器的输出端连接第一鉴别器和第二鉴别器，所述第一鉴别器和第二鉴别器的输出端都与环路滤波器连接，所述环路滤波器还分别连接本地码生成电路和本地载波生成电路，所述本地码生成电路与所述第一乘法器和所述第二乘法器连接，所述本地载波生成电路与所述第一乘法器和第二乘法器连接，所述第一乘法器和所述第二乘法器与射频前端电路连接，惯性测量单元与所述本地载波生成电路连接。作为优选，所述辅助信息模块还包括相互连接的星历数据模块和多普勒频率估计模块，所述惯性测量单元与所述星历数据模块连接，所述星历数据模块与所述本地载波生成模块连接。作为优选，所述环路滤波器为自适应卡尔曼滤波器。作为优选，所述第一鉴别器和第二鉴别器都包括四象限反正切鉴别器和点积型鉴相器。在微弱信号的条件下采用四象限反正切鉴相器作为环路鉴别器；而在高信噪比的条件下，采用点积型鉴相器作为环路鉴别器。
本实用新型带来的有益效果是，GPS导航定位接收机采用开放的、基于FPGA+DSP结构的通用集成电路芯片，可以方便做2次开发或与其他系统组合以便提高性能；通过惯性测量单元可以在丢星时给出定位结果并迅速重新定位，可以提高正常收星时的定位精度。

图I是本实用新型的一种模块示意图；图2是本实用新型的一种基带信号处理电路的模块示意图；图3是本实用新型的一种捕获和跟踪模块结构示意图；图中1、天线，2、低噪声系数放大器，3、射频前端电路，4、基带信号处理电路，5、定位显示电路，41、跟踪和捕获模块，42、同步与导航电文提取模块，43、选星计算模块，44、观测量计算模块，45、误差校正模块，46、导航定位解算模块，101、第一乘法器，102、第二乘法器，103、第一鉴别器，104、第二鉴别器，105、环路滤波器，106、本地载波生成电路，107、本地码生成电路，108、星历数据模块，109、多普勒频率估计模块，110、惯性测量单元。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。实施例本实施例的一种GPS导航定位接收机，如图I所示，包括依次连接的天线
I、低噪声系数放大器2、射频前端电路3、基带信号处理电路4和定位显示电路5。如图2所示，基带信号处理电路包括跟踪和捕获模块41、同步与导航电文提取模块42、选星计算模块43、观测量计算模块44、误差校正模块45和导航定位解算模块46。如图3所示，跟踪和捕获模块包括第一乘法器101和第二乘法器102，第一乘法器的输出端连接第一鉴别器103和第二鉴别器104，第二乘法器的输出端连接第一鉴别器和第二鉴别器，第一鉴别器和第二鉴别器的输出端都与环路滤波器105连接，环路滤波器还分别连接本地码生成电路107和本地载波生成电路106，本地码生成电路与第一乘法器和第二乘法器连接，本地载波生成电路与第一乘法器和第二乘法器连接，第一乘法器和第二乘法器与射频前端电路连接。跟踪和捕获模块连接有辅助信息模块，辅助信息模块包括依次连接的惯性测量单元110、多普勒频率估计模块109和星历数据模块108，惯性测量单元与本地载波生成电路连接。环路滤波器为自适应卡尔曼滤波器。第一鉴别器和第二鉴别器都包括四象限反正切鉴别器和点积型鉴相器两种鉴别器。本实施例的GPS导航定位接收机采用开放的、基于FPGA+DSP结构的通用集成电路芯片，可以方便的做2次开发或与其它系统组合以便提高性能；在GPS接收机内部嵌入低成本、低精度的微机电惯性测量装置单元aMU)，丢星时可由MU给出定位结果，并且辅助GPS接收模块以便提高其重新捕获GPS信号的速度和灵敏度，从而提高整个系统的定位精度和连续性，正常收星时采用GPS定位结果估计并校正IMU的器件误差，提高其定位精度。接收机本地解码需要一个与接收信号同频同相的本地载波和伪码，但由于多普勒效应等因素的影响，实际接收信号的频率和伪码相位具有不确定性，因此，捕获过程是伪码相位空间和频率空间的二维搜索过程(载波搜索40多次，伪码码片搜索1000多次)，严重影响到定位的实时性及接收机工作的可靠性。为解决该问题，本专利采用IMU辅助导航接收机捕获，缩小搜索空间，提高捕获速度利用以前存储的星历数据提取并用最小二乘法预测卫星速度，而MU可输出接收机的 运动速度，因此，可以计算出接收机与卫星之间的相对运动速度，根据多普勒原理可以计算得到因相对运动引起的频率变化即多普勒频率，并加入到伪码和载波NCO电路中，修正本地伪码相位和本地载波频率，缩小了搜索范围，控制捕获电路实现快速捕获。即使接收机时钟存在±1分钟的误差、位置误差为±100Km，利用星历或一周内卫星历书数据估计的卫星运动多普勒频率的精度仍然优于±150Hz ;在微惯导MU辅助的卫星接收机中，载体动态性引起的多普勒频移变化的估计精度优于2Hz (不致于导致信号失锁)，而捕获的频率分辨率为±500Hz。可见，本专利所提方案可实现高动态下的快速捕获。由前所述，多普勒频移变化范围较大，这就要求GPS接收机跟踪环路具有较宽的带宽，以减小动态响应误差，但这会导致环路滤波器带宽增大，削弱了 GPS接收机虑除噪声的能力，严重时噪声引起的跟踪误差亦会使捕获的信号丢失。为解决该问题，本专利中采用IMU辅助GPS跟踪环路。由于微惯导IMU辅助下载体动态性引起的多普勒频移变化的估计精度小于2Hz，低于跟踪环路带宽，可防止卫星信号失锁，因此，该方案可消除卫星与载体间相对运动弓I入的多普勒频率，消除动态响应误差。闭环组合能够修正IMU的内部参数，使IMU的导航误差始终保持在较小水平，缺点是元件的状态在不断的调整当中，系统稳定性差，在工程上较难实现，滤波器故障或测量信息有较大误差时会导致对MU的误校正，使系统可靠性降低。为了克服这一弊端，本专利设计GPS接收模块与IMU单元的闭环组合方案第一级滤波采用载体运动模型和相应GNSS星站间时钟误差模型为状态方程，以伪距、伪距率为观测量，选用开环方式以便保证系统的稳定性与可靠性，第二级滤波采用简化的惯导误差传播模型和器件误差模型作为系统状态方程，以伪距、伪距率的测量值与MU估计值的差作为观测量，采用闭环校正惯导的方式以减小惯导误差，降低丢星后MU单元定位误差增长速度，从而减小组合系统因丢星、受干扰导致卫星数据不可用时的定位误差。该方案优点为(1)可以根据收星情况自由决定是否采用次滤波进行闭环校正，而且不影响系统的稳定性；(2) IMU的导航参数误差始终保持在较小水平；(3)闭环丢星时的定位误差比开环丢星时的定位误差明显的小。该组合方案下，MU测量得到的角增量、速度增量经过误差补偿后，进行惯导导航解算；卫星信号经过射频前端放大并采样后进行捕获跟踪，当成功跟踪信号时，解算得到伪距、伪距率等信息。然后，将MU输出的导航参数与伪距、伪距率等输入至组合导航卡尔曼滤波器进行最优估计，一方面估计得到导航定位输出结果(位置、速度等)，另一方面估计得到MU器件误差，将此误差估计值反馈回IMU单元去校正IMU器件误差，而且，将依据星历速度信息和IMU的速度信息反馈回接收机去辅助GNSS信号捕获和跟踪，以便保持跟踪环路的稳定。[0025]修正惯导的速度误差采用脉冲反馈校正，即用系统估计得到的速度误差反馈到IMU惯导编排方程中的速度即时修正模块，校正相应的速度增量(直接从速度增量中扣除即可)。姿态计算流程一般如下( I)按一定间隔对陀螺输出采样；(2)根据采样值计算某一较短时间At内各个陀螺转过的角度(角增量)；(3)求取旋转合成矢量和更新四元数。在上面的第(2)步中，如果将计算得到角增量(陀螺转过的角度)减去估计得到的误差角(经过坐标转换后的)，那么将实现对陀螺输出的校正，从而校正了姿态误差。 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。尽管本文较多地使用了跟踪和捕获模块、惯性测量单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。
权利要求1.一种GPS导航定位接收机，包括依次连接的天线、放大器、射频前端电路、基带信号处理电路和定位显示电路，其特征在于，所述基带信号处理电路包括跟踪和捕获模块和同步与导航电文提取模块，所述捕获和跟踪模块连接有辅助信息模块，所述辅助信息模块包括惯性测量单元。
2.根据权利要求I所述的GPS导航定位接收机，其特征在于，所述跟踪和捕获模块包括第一乘法器和第二乘法器，所述第一乘法器的 输出端连接第一鉴别器和第二鉴别器，所述第二乘法器的输出端连接第一鉴别器和第二鉴别器，所述第一鉴别器和第二鉴别器的输出端都与环路滤波器连接，所述环路滤波器还分别连接本地码生 成电路和本地载波生成电路，所述本地码生成电路与所述第一乘法器和所述第二乘法器连接，所述本地载波生成电路与所述第一乘法器和第二乘法器连接，所述第一乘法器和所述第二乘法器与射频前端电路连接，惯性测量单元与所述本地载波生成电路连接。
3 .根据权利要求2所述的GPS导航定位接收机，其特征在于，所述环路滤波器为自适应卡尔曼滤波器。
4.根据权利要求2所述的GPS导航定位接收机，其特征在于，所述第一鉴别器和第二鉴别器都包括四象限反正切鉴别器和点积型鉴相器。
5.根据权利要求3所述的GPS导航定位接收机，其特征在于，所述第一鉴别器和第二鉴别器都包括四象限反正切鉴别器和点积型鉴相器。
专利摘要本实用新型公开了一种GPS导航定位接收机，旨在提供一种丢星后仍然可以给出定位结果并迅速进行重新定位的GPS导航定位接收机。它包括依次连接的天线、放大器、射频前端电路、基带信号处理电路和定位显示电路，基带信号处理电路包括跟踪和捕获模块、同步与导航电文提取模块、选星计算模块、观测量计算模块、误差校正模块和导航定位解算模块，捕获和跟踪模块连接有辅助信息模块，辅助信息模块包括惯性测量单元。惯性测量单元可以将接收机的速度等信息准确传递给捕获和跟踪模块，使得捕获和跟踪模块快速的重新捕获GPS信号，从而可以迅速进行重新定位，提高了整个系统的定位精度和连续性。本实用新型适用于所有需要导航定位的环境。
文档编号G01S19/24GK202383295SQ201120456468
公开日2012年8月15日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者高法钦 申请人:浙江理工大学