[發明專利]基于GNU Radio的GPS軟件接收機

有效

• 申請號: 201810440877.0
• 申請日: 2018-05-10
• 公開（公告）號: CN108732592B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 陳顥偉;裴悅琨;裴騰達
• 申請（專利權）人: 大連大學
• 主分類號: G01S19/13
• 分類號: G01S19/13;G01S19/29;G01S19/30
• 代理公司: 大連八方知識產權代理有限公司 21226
• 代理人: 衛茂才

1.基于GNU Radio的GPS軟件接收機，其特征在于：包括如下步驟：

第一步：GPS天線模塊接收到GPS信號后，經過低噪放大器與帶通濾波器輸出到射頻模塊；

第二步：射頻模塊處理信號：根據奈奎斯特采樣定理，對GPS C/A帶寬的2倍進行帶通采樣，采樣后的信號進行A/D轉換后可以利用GNU Radio提供的USRP硬件驅動UHD將數據進行本地保存以進行后處理；

第三步：基帶信號處理：采集的信號中需要判斷哪些是衛星信號，需要先經過捕獲，得到衛星的粗略多普勒頻率和碼相位，將得到的信息傳遞給跟蹤模塊，再得到多普勒頻移與碼相位的精確值以解調出導航電文，包括如下捕獲模塊與跟蹤模塊處理：

捕獲模塊處理方法：GPS L1 C/A信號捕獲是一個二維的過程，需要得到信號的碼相位以及載波頻率，捕獲模塊采樣基于FFT的碼相搜索算法，算法如下：

a.基于FFT并行碼相捕獲算法首先將在采集信號分別與本地載波相乘得到同向分量I，與相移90°載波相乘得到正交分量Q，得到基帶復信號I+jQ，對得到的復信號進行FFT變換；

b.對本地偽碼生成器生成的偽碼進行FFT變換，將其轉換到頻域，并取復共軛；

c.對a和b的結果進行相乘，并進行IFFT變換轉換到時域；

d.將IFFT后的輸出的值的平方表示輸入信號和PRN碼的相關性；如果相關值中存在峰值，則該峰值的坐標就對應輸入信號的碼相位與載波頻率；若沒有通過門限，需要重新設定本地載波再次搜索；

跟蹤模塊處理方法：捕獲模塊得到的碼相位和多普勒頻移一個粗略值，由于接收機和衛星的相對運動，碼相位和多普勒頻移是實時變化的，所以需要得到實時更新信號頻率、碼相位變化以解調出導航電文；跟蹤模塊采用載波跟蹤環和碼跟蹤相結合的跟蹤算法，算法過程為：首先根據捕獲過程中輸出的載波頻率值在本地復制同樣頻率的載波，將本地復制載波與輸入信號進行混頻，以剝離輸入信號中的載波，并根據載波的剝離效果進一步調整本地復制載波的參數，以達到最好的載波跟蹤效果；載波跟蹤環通常采用相位鎖定環路的形式，碼跟蹤環中，會復制3份不同相位的C/A碼，分別稱為超前碼、即時碼和滯后碼，并分別用字母E、P和L來表示；將這3份不同相位的C/A碼分別與輸入信號進行相關操作，并將即時碼的相關結果與超前碼和滯后碼的相關結果進行比較，就可以精確地確定相關結果的最大值；

第四步：導航電文解調與位置計算，其方法如下：

導航電文解調方法如下：

跟蹤環路的輸出的數據是一串01二進制數據，需要按照GPS信號格式進行解調恢復成導航電文，其中的解調步驟包括位同步、幀同步、奇偶校驗、導航電文讀取幾個步驟；其中位同步需要得到導航電文的跳變位置，導航電文每一位的周期為20ms，C/A碼每chip周期為1ms，導航電文每一位包含20個C/A碼，當某個C/A碼發生變化時，直方圖中20個格子相應的值加一，直到直方圖中某一個格子的值超過預定值認為位同步成功，對相應跳變位置進行統計，出現一次變化就加一，大于設定門限認定檢測成功；子幀同步：位同步成功后可以得到50bps的導航電文，為了獲取導航信息，需要獲取各個子幀在50bps導航電文中的具體位置，子幀周期6s，由于Costas對環路跳變不敏感，起始8位前導碼可能為10001011或者01110100，所以子幀同步需要對前導碼及其反碼進行搜索，但是搜索到的符合前導碼和其反碼格式也可能是數據碼，還需對后續22bit進行奇偶校驗，并對幾個子幀前導碼位置進行確認；奇偶校驗：假設接收獲得的30bit為數據為d1，d2，d3，......d30，按照奇偶檢驗算法，可以計算得到對應每一位計算值D1，D2，D3，......D30，如果接收到的檢校位和計算得到結果相同，則表示數據無誤；導航電文讀取：奇偶校驗成功后按照固定的格式對導航信息進行提取，如子幀1的197位起始的8bit數據為電離層時延參數T_gd；

位置解算方法如下：利用偽距定位原理，得到四顆衛星的位置信息即可結算處用戶位置信息，

其中(x_i,y_i,z_i)為第i顆衛星的三維坐標，(x_u,y_u,z_u)為用戶位置，t_u為用戶接收機的時鐘誤差與衛星原子鐘的時鐘鐘差，對(1)進行微分方程得到：

其中δx_u，δy_u，δz_u，δt_u是未知量，將(2)定義為矩陣形式

求解可得：

該方程不能直接求解，利用最小二乘法進行迭代求解，具體實現步驟為：

①給定用戶位置(x_u,y_u,z_u)和時鐘偏差t_u設置初值，可求解一組(δx_u,δy_u,δz_u,δt_u)，利用這些值對原來的值進行修正，新值看為已知量；

②重復①操作，如果大于預定門限，將δx_u,δy_u,δz_u,δt_u和x_u,y_u,z_u,t_u的初值相加，得到一組新值，將新值作為接下來計算的初值；

③重復①②操作，直到Δν小于門限值，此時認定求得解x_u,y_u,z_u,t_u。

2.根據權利要求1所述的基于GNU Radio的GPS軟件接收機，其特征在于：第二步所述的采樣后的信號進行A/D轉換后可以利用GNU Radio提供的USRP硬件驅動UHD將數據進行本地保存以進行后也可以根據采樣流進行實時處理。