专利名称：一种导航卫星信号接收模块及用于该模块的信息处理方法
技术领域：
本发明涉及一种导航卫星信号接收模块及用于该模块的信息处理方法，尤其是内 置速度/方向/加速度等传感器的导航接收模块。
背景技术：
GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)能迅速、准确、 全天候地提供定位、导航和授时信息，近年来得到广泛的应用。但在城市高楼区、林荫道、涵 洞及深山峡谷等卫星信号不佳的地方，GNSS的上述功能常常失效。为了能够在上述情况下， 实现对车辆的定位与导航，就有必须采用某种特殊的方法来弥补单纯的GNSS定位的缺点。 将航位推算(DR，Dead-Reckoning)与GNSS定位相结合的组合式车辆导航定位是一种常用 而有效的车辆定位技术。为了实现航位推算我们就有必要去采集车子的速度、方向、加速度 等参数。另外在行车记录仪等一些GNSS应用领域，除了单纯的GNSS导航定位信息，速度、 方向、加速度等信息也是用户关注的。这样在导航定位接收终端上，除了单纯的GNSS导航接收模块，还常常会集成有速 度、方向、加速度等传感器。在通常情况下，导航定位接收终端上，用户的MCU会对GNSS定位信息和传感器信 息分别进行接收和处理。如图1所示GNSS卫星信号通过天线，进入到导航接收模块，经过 射频处理单元进行信号的放大、滤波、变频等处理之后，将卫星信号处理为数字中频信号； 基带处理单元接收数字中频信号，经过捕获、跟踪和定位解算后，计算出接收机的位置、速 度和时间参数等导航信息，并以 NMEA(The National Marine Electronics Association, 美国国家海洋电子协会)导航报文的形式通过UART (Universal AsynchronousReceiver/ Transmitter，通用异步接收/发送装置)接口输出上报给用户MCU。同时用户MCU通 过 SPI (Serial Peripheral interface,串行外围设备接口)/IIC (Inter-Integrated Circuit,内部集成电路)等接口控制接收速度、加速度、方向等传感器信息，并根据接收到 的传感器信息和定位解算的导航信息一起进行惯性导航推算或者利用传感器信息进行其 它的应用处理。最后再将处理结果与客户端进行交互。这样用户的MCU除了通过UART接 口接收NMEA定位导航报文外，还需要额外通过SPI/IIC等接口对传感器信息进行处理。这 就增加了用户MCU的端口占用和资源开支，增加了 GNSS接收终端系统设计的复杂度。

发明内容
本发明的目的是提供一种在GNSS应用中，将加速度/速度/方向等传感器信息融 合进NEMA导航定位报文中进行处理的方法，以及据此方法设计的内置速度/方向/加速度 等传感器功能的导航接收模块。本发明是这样实现的一种导航卫星信号接收模块，包括射频输入单元，用于接收导航卫星信号并输出数字中频信号；基带处理单元，用于从数字中频信号中获取卫星导航信息并定位解算出所 述接收模块的当前位置；所述接收模块还包括，传感器单元，用于获取当前接收模块的速 度、加速度、或方向信息，并输出所述速度、加速度、或方向信息给所述基带处理单元；信息 输出单元，用于输出所述接收模块的当前位置。更进一步，所述基带处理单元还包括惯性导航推算单元，所述惯性导航推算单元 利用所述速度、加速度、或方向信息推算所述接收模块的当前位置；所述惯性导航推算单元 还包括导航数据融合模块，其根据导航卫星信号的载噪比，对所述定位解算出的当前位置 信息以及所述惯性导航推算模块推算出来的当前位置进行融合，生成融合后的当前位置。更进一步，所述接收模块还包括信息输出选择单元，其根据用户MCU的请求，选择 性地输出所述定位解算出的当前位置或者所述融合后的当前位置。更进一步，所述信息输出选择单元根据用户MCU的请求，选择性的输出所述速度、 加速度、或方向信息。更进一步，所述信息输出单元以NMEA格式输出所述当前位置信息或者以自定义 的NMEA格式语句输出所述速度、加速度、或方向信息。更进一步，所述导航卫星信号为北斗二代导航卫星信号。本发明还提供一种导航卫星信号接收模块的信息处理方法，该方法包括接收导 航卫星信号，并定位解算所述接收模块的当前位置；获取接收模块的当前速度、加速度、或 方向的传感器信息，并利用该信息推算所述接收模块的当前位置；获取导航卫星信号的载 噪比，对所述定位解算出的当前位置信息以及所述惯性导航推算模块推算出来的当前位置 进行融合，生成融合后的当前位置；以NMEA格式选择输出所述定位解算出的当前位置或者 融合后的当前位置。更进一步，以自定义NMEA格式语句选择输出所述获取的接收模块的当前速度、加 速度、或方向的传感器信息。本发明还提供一种导航卫星信号接收模块的信息处理方法，该方法包括捕获单 元221对导航卫星进行捕获；跟踪单元222对导航卫星进行跟踪，获得导航报文；定位解算 单元223根据导航报文计算出接收机的位置、速度和时间参数；惯性导航推算单元224，通 过IIC或者SPI接口控制并采集传感器数据；判断用户MCU输出的惯性导航使能信号是否 有效；如果无效，判断传感器输出使能是否有效；如果传感器输出使能无效，则基带处理单 元不利用传感器信息进行惯性导航的推算，直接将定位解算单元解算出的导航定位数据通 过NMEA上报给用户MCU ；如果传感器输出使能有效，则基带处理单元不利用传感器信息进 行惯性导航的推算，直接将传感器数据和解算出的导航定位数据融合进NMEA上报给用户 MCU ；如果用户要求惯性导航使能有效，判断定位解算出的导航卫星信号的强弱；根据导航 卫星信号强弱，确定惯性导航权重和导航卫星导航权重；根据权重，进行导航数据和惯性导 航推算数据的融合；判断传感器输出使能是否有效；如果传感器输出使能信号无效，则将 经过惯性导航融合校正后的导航定位数据通过NMEA语句上报给用户MCU ；如果传感器输出 使能信号有效，则将传感器数据和经过惯性导航融合校正后的导航定位数据一起通过NMEA 语句上报给用户MCU。更进一步，所述方法还包括当导航卫星信号强度为强，则惯性导航权重为0. 01， 导航卫星定位解算权重为0. 99 ；当导航卫星信号强度为盲区，则惯性导航权重为1，导航卫星定位解算权重为0 ；当导航卫星信号强度为弱，则权重根据用于确定位置精度的位置精 度因子确定。更进一步，所述方法还包括判断导航卫星信号强弱，根据定位解算出的导航卫星 报文数据，得出导航信号的载噪比C/N范围；如果C/N ^ 35，确定导航卫星信号为强；如果 20 ( C/N < 35，确定导航卫星信号为弱；如果C/N < 20，确定为导航卫星信号盲区。采用本发明的技术方案后，用户MCU可以省去对传感器信息的处理，只用处理导 航报文上报的UART接口，即可同时获得NMEA-0183的导航定位信息和传感器信息。另外， 用户根据需要，可以控制惯性导航功能是否使能，如果使能，则获得的导航定位信息是经过 惯性导航融合校正后的信息。也可以控制传感器信息输出是否使能，如果使能，则上报导航 报文的同时，通过自定义的NMEA-0183语句上报传感器信息。这样可以灵活针对用户需求， 既提高了定位的准确度，又节省了用户MCU的端口占用和处理开支。


图1是导航定位接收终端的硬件框图；图2为本发明的导航接收终端的硬件框图；图3为本发明的导航接收终端的信息处理流程图；图4为数据校正融合流程图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。图2为本发明的导航接收终端的硬件框图。通过天线接收GNSS卫星信号，在板上 经过放大、滤波、变频等处理，将卫星信号处理为中频数字信号。GNSS卫星信号通过天线输 入模块1，进入到导航接收模块2，经过射频处理单元21进行信号的放大、滤波、变频等处 理之后，将卫星信号处理为数字中频信号。数字中频信号进入基带处理单元22，经过捕获 单元221和跟踪单元222后获得50HZ的卫星导航信号，再由定位解算单元223计算出接 收机的位置、速度和时间参数等。同时，传感器数据单元225通过SPI/IIC等接口，接收传 感器信息，对速度、加速度、方向等传感器单元23进行控制处理，用户MCU 3可以通过控制 开关231来控制传感器信息输出是否使能，如果使能，则在上报导航信息的同时，在标准的 NMEA-0183码中添加自定义的传感器信息语句，和导航定位信息一起输出给用户MCU 3。惯 性导航推算单元224利用传感器数据单元225接收到的传感器信息和定位解算单元223解 析出的导航信号强弱，对导航数据和传感器得出的数据进行校正融合，生成最终的导航信 息，并以NMEA-0183的格式通过UART接口输出上报给用户MCU 3。用户MCU 3可以通过惯 性导航使能信号，控制选择开关230选择上报的导航数据为定位解算单元223解算出的原 始导航信息或者是经过惯性导航推算单元224校正融合后的导航信息。这样用户MCU只需 对UART接口的NMEA数据进行处理，即可获得更为精确的惯性导航定位数据。通过上述描 述不难看出，用户MCU 3根据需要，可以选择获得原始的导航信息或者经过校正融合后的 导航信息，还可以选择是否获取传感器数据；这样，用户MCU 3可以利用传感器信息以及原
6始导航信息自行进行惯性导航的推算或者对传感器信息进行其它的使用，并将最终的导航 信息或者合并传感器信息输出到客户端4。NMEA-0183协议是为了在不同的GPS(全球定位系统)导航设备中建立统一 的BTCM(海事无线电技术委员会)标准，由美国国家海洋电子协会(NMEA-TheNational Marine Electronics Association)制定的一套通讯协议。GPS 接收机根据 NMEA-0183 协 议的标准规范，将位置、速度等信息通过串口传送到PC机、PDA等导航定位终端设备。大多 数常见的GPS接收机、GPS数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。统一标 准格式NMEA-0183输出采用ASCII码，其串行通信的参数为波特率=4800bps，数据位= 8bit，开始位=Ibit，停止位=lbit，无奇偶校验。数据传输以“语句”的方式进行，每个语 句均以“$”开头，然后是两个字母的“识别符”和三个字母的“语句名”，接着就是以逗号分 割的数据体，语句末尾为校验和，整条语句以回车换行符结束。NMEA-0183的数据信息有十几种，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有 $GPGGA, $GPGSA, $GPGSV、$GPRMC、$GPVTG、$GPGLL 等。这些信息的作用分别是$GPGGA 输 出GPS的定位信息；$GPGLL 输出大地坐标信息；$GPZDA 输出UTC时间信息；$GPGSV 输出 可见的卫星信息；$GPGST 输出定位标准差信息；$GPGSA 输出卫星DOP值信息；$GPALM 输 出卫星星历信息；$GPRMC 输出GPS推荐的最短数据信息等。参照NMEA-0183协议，我们定义了传感器信息的NMEA语句。包括OUTPUT、INPUT 两种语句。其中
OUTPUT语句①读取传感器的状态；②读取传感器的chip id(同时也是为了验证 传感器的工作状态是否正常)；③读取传感器的数值。INPUT语句①根据传感器的配置寄存器，设置传感器的工作属性，如rang(范 围)bandwidth (带宽)等；②根据传感器的配置寄存器，设置传感器的精度、阈值；③根据 传感器的配置寄存器，设置工作模式(如中断类型等)。这样，就可以把传感器信息和导航定位信息一样用NMEA语句上报出去。如下面的 例子，就是一个内置速度/方向/加速度传感器的GNSS定位模块，通过串口打印出的NMEA 信息。最后一个语句的$GPSNS0R，即是自定义的传感器语句。07:20:49 $GPGGA,072048. 70,2233. 50531，N,11356. 09798，Ε,1,6,2. 11,155. 8，Μ，48· 0，Μ，，0*5Ε07:20:49 $GPGLL，2233. 50531，N,11356. 09798，Ε,072048. 70，Α, Α*6Α07:20:49 $GPGSA,Α，3，23，19,20,32,31,13，，，，，，，2· 29,2. 11,0. 88*0307:20:49 GPGSV,3,1，9，01，22，050，41，13，41，302，41，19，65，202，41，20，04,219,44*4207:20:49 GPGSV，3，2，9，21，02，049，，23，56，264，45，24，24，103,,31,19，115，31*4107:20:49 $GPGSV，3，3，9，32，04，199，37*7007:20:49 $GPRMC,072048. 70，A,2233. 50531，N, 11356. 09798，Ε，0·50，，150710，，，Α*4407:20:49 $GPVTG，79. 84，Τ，，Μ，0. 495，N，0. 917，K，Α*0807:20:49 $GPZDA，072048. 70，15，07，2010，00，00*68
7
07:20:49 $GPSNS0R,0. 195,0. 547,0. 695，*6B下面描述如何校正GPS导航定位信息。导航接收模块2的基带处理单元22输出NMEA导航数据(原始的或者惯性导航校 正后的)和自定义的传感器数据给用户MCU 3的具体流程如图3所示。步骤S21，捕获单元221对导航卫星进行捕获。步骤S22，跟踪单元222对导航卫星进行跟踪，获得50HZ的导航报文。步骤S23，定位解算单元223根据导航报文计算出接收机的位置、速度和时间参数寸。步骤S24，惯性导航推算单元224，通过IIC或者SPI接口控制并采集传感器数据。步骤S25，判断用户MCU输出的惯性导航使能信号是否有效。步骤S26，如果无效，判断传感器输出使能是否有效。步骤S261，如果传感器输出使能无效，则基带处理单元不利用传感器信息进行惯 性导航的推算，直接将定位解算单元解算出的导航定位数据通过NMEA-0183上报给用户 MCU。步骤S262，如果传感器输出使能有效，则基带处理单元不利用传感器信息进行惯 性导航的推算，直接将传感器数据和解算出的导航定位数据融合进NMEA-0183上报给用户 MCU0用户MCU可以利用传感器数据自行进行惯性导航的推算，或者将传感器信息用于其它 的应用处理。如果用户要求惯性导航使能有效，则进入步骤S27，判断定位解算出的GPS信号的 强弱。步骤S28，根据GPS信号强弱，确定惯性导航权重和GPS导航权重。步骤S29，根据权重，进行导航数据和惯性导航推算数据的融合。步骤S30，判断传感器输出使能是否有效。步骤S301，如果传感器输出使能信号无效，则将经过惯性导航融合校正后的导航 定位数据通过NMEA-0183语句上报给用户MCU。用户MCU不用惯性导航推算，即可得到校正 后更为准确的导航数据。步骤S302，如果传感器输出使能信号有效，则将传感器数据和经过惯性导航融合 校正后的导航定位数据一起通过NMEA-0183语句上报给用户MCU。用户MCU不用惯性导航 推算，即可得到校正后更为准确的导航数据，同时也可以利用得到的传感器信息，进行其它 的应用处理。其中不同信号强度下的GPS导航数据和惯性导航数据的权重如下表1所示。
GPS信号强度位置精度因子GPS导航权重惯性导航权重强0. 990. 01盲区01弱P<20. 990. 012<P<52/P1-2/P
权利要求
一种导航卫星信号接收模块，包括射频输入单元，用于接收导航卫星信号并输出数字中频信号；基带处理单元，用于从数字中频信号中获取卫星导航信息并定位解算出所述接收模块的当前位置；其特征在于，所述接收模块还包括，传感器单元，用于获取当前接收模块的速度、加速度、或方向信息，并输出所述速度、加速度、或方向信息给所述基带处理单元；信息输出单元，用于输出所述接收模块的当前位置。
2.如权利要求1所述的导航卫星信号接收模块，其特征在于，所述基带处理单元还包 括惯性导航推算单元，所述惯性导航推算单元利用所述速度、加速度、或方向信息推算所述 接收模块的当前位置；所述惯性导航推算单元还包括导航数据融合模块，其根据导航卫星 信号的载噪比，对所述定位解算出的当前位置信息以及所述惯性导航推算模块推算出来的 当前位置进行融合，生成融合后的当前位置。
3.如权利要求2所述的导航卫星信号接收模块，其特征在于，所述接收模块还包括信 息输出选择单元，其根据用户MCU的请求，选择性地输出所述定位解算出的当前位置或者 所述融合后的当前位置。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的导航卫星信号接收模块，其特征在于，所述信息 输出选择单元根据用户MCU的请求，选择性的输出所述速度、加速度、或方向信息。
5.如权利要求4所述的导航卫星信号接收模块，其特征在于，所述信息输出单元以 NMEA格式输出所述当前位置信息或者以自定义的NMEA格式语句输出所述速度、加速度、或 方向信息。
6.如权利要求5所述的导航卫星信号接收模块，其特征在于，所述导航卫星信号为北 斗二代导航卫星信号。
7.一种导航卫星信号接收模块的信息处理方法，该方法包括接收导航卫星信号，并 定位解算所述接收模块的当前位置；获取接收模块的当前速度、加速度、或方向的传感器信 息，并利用该信息推算所述接收模块的当前位置；获取导航卫星信号的载噪比，对所述定位 解算出的当前位置信息以及所述惯性导航推算模块推算出来的当前位置进行融合，生成融 合后的当前位置；其特征在于，该方法还包括以NMEA格式选择输出所述定位解算出的当 前位置或者融合后的当前位置。
8.如权利要求7所述的信息处理方法，其特征在于，该方法还包括以自定义的NMEA 格式语句选择输出所述获取的接收模块的当前速度、加速度、或方向的传感器信息。
9.一种导航卫星信号接收模块的信息处理方法，其特征在于，该方法包括捕获单元(221)对导航卫星进行捕获；跟踪单元(222)对导航卫星进行跟踪，获得导航报文；定位解算单元(223)根据导航报文计算出接收机的位置、速度和时间参数；惯性导航推算单元(224)，通过IIC或者SPI接口控制并采集传感器数据；判断用户MCU输出的惯性导航使能信号是否有效；如果无效，判断传感器输出使能是否有效；如果传感器输出使能无效，则基带处理单元不利用传感器信息进行惯性导航的推算， 直接将定位解算单元解算出的导航定位数据通过NMEA上报给用户MCU ；如果传感器输出使能有效，则基带处理单元不利用传感器信息进行惯性导航的推算， 直接将传感器数据和解算出的导航定位数据融合进NMEA上报给用户MCU ；如果用户要求惯性导航使能有效，判断定位解算出的导航卫星信号的强弱； 根据导航卫星信号强弱，确定惯性导航权重和导航卫星导航权重； 根据权重，进行导航数据和惯性导航推算数据的融合； 判断传感器输出使能是否有效；如果传感器输出使能信号无效，则将经过惯性导航融合校正后的导航定位数据通过 NMEA语句上报给用户MCU ；如果传感器输出使能信号有效，则将传感器数据和经过惯性导航融合校正后的导航定 位数据一起通过NMEA语句上报给用户MCU。
10.如权利要求9所述的导航卫星信号接收模块的信息处理方法，其特征在于，所述方 法还包括当导航卫星信号强度为强，则惯性导航权重为0. 01，导航卫星定位解算权重为0. 99 ； 当导航卫星信号强度为盲区，则惯性导航权重为1，导航卫星定位解算权重为0 ； 当导航卫星信号强度为弱，则权重根据用于确定位置精度的位置精度因子确定。
11.如权利要求10所述的导航卫星信号接收模块的信息处理方法，其特征在于，所述 方法还包括判断导航卫星信号强弱，根据定位解算出的导航卫星报文数据，得出导航信号的载噪 比C/N范围；如果C/N ^ 35，确定导航卫星信号为强； 如果20 ( C/N < 35，确定导航卫星信号为弱； 如果C/N < 20，确定为导航卫星信号盲区。
全文摘要
本发明涉及一种导航卫星信号接收模块，包括射频输入单元，用于接收导航卫星信号并输出数字中频信号；基带处理单元，用于从数字中频信号中获取卫星导航信息并定位解算出所述接收模块的当前位置；所述接收模块还包括，传感器单元，用于获取当前接收模块的速度、加速度、或方向信息，并输出所述速度、加速度、或方向信息给所述基带处理单元；信息输出单元，用于以NMEA格式输出所述接收模块的当前位置。采用本发明的技术方案后，用户MCU可以省去对传感器信息的处理，只用处理导航报文上报的UART接口，即可同时获得NMEA-0183的导航定位信息和传感器信息并选择上报。这样可以灵活针对用户需求，既提高了定位的准确度，又节省了用户MCU的端口占用和处理开支。本发明可以适用GPS、北斗卫星导航系统、GLONASS或者伽利略等导航卫星定位系统。
文档编号G01S19/35GK101950027SQ201010264839
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月18日 优先权日2010年8月18日
发明者朱莹 申请人:东莞市泰斗微电子科技有限公司