CN101476893A - 无盲区导航的gps接收装置及接收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于陆用交通工具定位导航使用的无盲区导航的GPS装置及接收方法，包括卫星信号接收单元电路、与卫星信号接收单元电路相连接的卫星信号处理单元电路、与卫星信号处理单元电路相连接的二维加速度传感器电路，卫星信号处理单元电路包括基带处理器MPU PL－6313，在基带处理器MPU PL－6313上集成有A/D转换器，A/D转换器与二维加速度传感器的输出端相连接，基带处理器MPU PL－6313的输出端直接输出NMEA－0183格式导航数据，实现了在城市、山区定位的连续性，解决了在高架桥下和涵洞隧道、盘山公路存在GPS信号盲区难以定位导航的难题，提高了GPS应用范围和性能价格比，只要求电源输入，对车辆无任何改动要求，对安装位置无特殊要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于陆用交通工具定位导航使用的无盲区导航的GPS装置及接收方法。
背景技术
目前我国广泛使用的GPS(Global Positioning System，缩写GPS)导航装置，基本上完全依赖于GPS卫星信号，在城市立体交通发展日益加快、高层建筑发展迅猛等众多因素影响下，形成了很多GPS信号盲区，这种情况下单纯依靠GPS卫星信号接收机根本无法正常连续定位。因此，迫切需要一种可以可以在盲区工作的辅助定位装置，以保证导航的连续性。
目前，可以实现辅助定位的方法主要有：无线电测距辅助定位、地磁传感器辅助定位和电子传感器辅助定位。如依靠压电陶瓷角速度传感器辅助GPS定位导航。
无线测距辅助定位要求在已知的GPS盲区大面积安装无线发射设备，其成本难以控制，也不利于在山区等城区以外实施。另一辅助性定位装置为依赖大地磁场进行，即在本体内安装地磁传感器，这种装置在车辆等电磁干扰比较强或矿区附近，尤其是在铁、镍等铁磁矿区和钢架桥梁附近，因地磁传感器失灵根本无法进行辅助导航。
本发明人申请的专利号为20042001111.X，名称为《自律辅助导航的GPS接收装置》，它是一种采用压电陶瓷角速度传感器进行辅助GPS定位的装置，需要对车辆速度脉冲进行采集和对车辆进行改装，并且对要求装置与水平面平行；要求在GPS定位后匀速直线运行20公里，以达到初始化装置参数的目的。
发明内容
本发明的目的在于让GPS导航***实现无盲区、抗遮挡、无间断定位导航的采用二维加速度电子传感器辅助定位装置克服上述几种方案的缺点而提供的一种无盲区导航的GPS装置及接收方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种无盲区导航的GPS接收装置，包括卫星信号接收单元电路、与卫星信号接收单元电路相连接的卫星信号处理单元电路、与卫星信号处理单元电路相连接的二维加速度传感器电路，其特征在于：卫星信号处理单元电路包括基带处理器MPU PL-6313，在基带处理器MPU PL-6313上集成有A/D转换器，A/D转换器与二维加速度传感器的输出端相连接，基带处理器MPU PL-6313的输出端直接输出NMEA-0183格式导航数据。
卫星信号接收单元电路包括GPS接收天线、与GPS接收天线相连接的TC7SH08F前置放大器LAN、与TC7SH08 F前置放大器LAN输出端相连接的射频信号接收解调模块GRM-7520，射频信号接收解调模块GRM-7520包括带宽滤波器BPF、与带宽滤波器BPF相连接的混频器、与混频器输出端相连接的中频放大器IF、与混频器输入端相连接的压控时钟VCO、连接在压控时钟VCO输入输出端上进行调节的锁相环PLL、连接在锁相环PLL输入输出端上进行调节的标频器、连接在压控时钟VCO输出端和混频器的输入端上的分频器CLK，TC7SH08F前置放大器LAN输出端与带宽滤波器BPF的输入端相连接，中频放大器IF的输出端与基带处理器MPU PL-6313的输入端相连接，分频器CLK的输出端与基带处理器MPU PL-6313的输入端相连接；GPS天线收到信号后，由TC7SH08 F前置放大器LAN对1575.42±1MHz的信号放大，经过带宽滤波器BPF滤波后，通过与带宽滤波器BPF相连接的混频器，混频后输入到中频放大器IF的输入端和分频器CLK的输入端共同完成解调任务，将信号送入卫星信号处理单元电路中的基带处理器MPU PL-6313的输入端。
在卫星信号处理单元电路中，基带处理器MPU PL-6313集成包括：伪随机码的扩展波解码器、A/D转换器、程序存储器和数据存储器，基带处理器MPUPL-6313完成导航电文解调、完成A/D转换功能、完成A/D转换后的积分计算、负责输出NMEA-0183格式的导航数据。
二维加速度传感器电路的输出端和基带处理器MPU PL-6313集成的A/D转换器的输入端相连接。
一种无盲区导航的GPS接收方法，GPS接收电路包括卫星信号接收单元电路、卫星信号处理单元电路和二维加速度传感器，其特征在于：
GPS天线收到信号后，由TC7SH08F前置放大器LAN有选择地对1575.42±1MHz的信号进行放大；放大后的信号输入到射频信号接收解调模块GRM-7520的输入端；标频器将产生的标准频率经所相环后获得所需解调的相位，通过压控时钟进入混频器、分频器，通过混频器将卫星有效信号加载到所需解调的相位上，中频放大器IF对混频后的信号进行放大后输入到基带处理器MPU PL-6313，分频器输出的信号输入到基带处理器MPU PL-6313，基带处理器MPU PL-6313利用分频器的输入频率对中频放大器输入信号进行解调，得到卫星有效数据的数字信号；由基带处理器MPU PL-6313中的MPU完成了定位数据的计算，数据使用LTTL电平输出；这一过程就是GPS接收电路的接收处理方法；
二维加速度传感器对速度变化和方向变化进行采集，其输入端连接到基带处理器MPU PL-6313集成的A/D转换器的输出端上，由A/D转换器完成电压量向数字量的转换；在卫星信号不能达到定位标准时，由A/D转换器向基带处理器MPU PL-6313提供对位置计算所需要的关键量；由基带处理器MPU PL-6313中的MPU进行解码运算，并将处理后的数据使用LTTL电平输出。
本发明不需要进行初始化，只要载体每次使用时能完成一次正常的GPS定位，在得到准确的初始位置的基础上，就可以在进入盲区后进行正常的推导计算。这种装置克服了以前自律导航装置要求进行初始化的缺点，使用更加便利。对安装位置没有特别要求，不需要对参数进行初始化运算，简单易行、成本低、见效快、短时间内精度高、抗干扰性能好，不失是一种行之有效的定位接收装置及接收方法。本发明应用于陆地导航领域，可以实现当GPS接收机进入盲区时的连续定位。一般情况下，当GPS卫星信号被遮挡后，普通GPS接收机将陷于瘫痪。而本发明则在GPS信号中断前的数据基础上，通过对二维加速度传感器所测运行速度和运行方向的积分计算，实时推算并输出定位信息。本发明实现了在城市、山区定位的连续性，解决了在高架桥下和涵洞隧道、盘山公路等存在GPS信号盲区难以定位导航的难题，极大地提高了GPS应用范围和GPS设备的性能价格比。本发明只要求电源输入，对车辆无任何改动要求，对安装位置无特殊要求。
附图说明
图1为本发明的GPS接收装置的连接结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种无盲区导航的GPS接收装置，包括卫星信号接收单元电路、与卫星信号接收单元电路相连接的卫星信号处理单元电路、与卫星信号处理单元电路相连接的二维加速度传感器电路，其特征在于：卫星信号处理单元电路包括基带处理器MPU PL-6313，在基带处理器MPU PL-6313上集成有A/D转换器，A/D转换器与二维加速度传感器的输出端相连接，基带处理器MPU PL-6313的输出端直接输出NMEA-0183格式导航数据。
卫星信号接收单元电路包括GPS接收天线、与GPS接收天线相连接的TC7SH08 F前置放大器LAN、与TC7SH08 F前置放大器LAN输出端相连接的射频信号接收解调模块GRM-7520，射频信号接收解调模块GRM-7520包括带宽滤波器BPF、与带宽滤波器BPF相连接的混频器、与混频器输出端相连接的中频放大器IF、与混频器输入端相连接的压控时钟VCO、连接在压控时钟VCO输入输出端上进行调节的锁相环PLL、连接在锁相环PLL输入输出端上进行调节的标频器、连接在压控时钟VCO输出端和混频器的输入端上的分频器CLK，TC7SH08F前置放大器LAN输出端与带宽滤波器BPF的输入端相连接，中频放大器IF的输出端与基带处理器MPU PL-6313的输入端相连接，分频器CLK的输出端与基带处理器MPU PL-6313的输入端相连接；GPS天线收到信号后，由TC7SH08 F前置放大器LAN对1575.42±1MHz的信号放大，经过带宽滤波器BPF滤波后，通过与带宽滤波器BPF相连接的混频器，混频后输入到中频放大器IF的输入端和分频器CLK的输入端共同完成解调任务，将信号送入卫星信号处理单元电路中的基带处理器MPU PL-6313的输入端。
在卫星信号处理单元电路中，基带处理器MPU PL-6313集成包括：伪随机码的扩展波解码器、A/D转换器、程序存储器和数据存储器，基带处理器MPUPL-6313完成导航电文解调、完成A/D转换功能、完成A/D转换后的积分计算、负责输出NMEA-0183格式的导航数据。
二维加速度传感器电路的输出端和基带处理器MPU PL-6313集成的A/D转换器的输入端相连接。
一种无盲区导航的GPS接收方法，GPS接收电路包括卫星信号接收单元电路、卫星信号处理单元电路和二维加速度传感器，其特征在于：GPS天线收到信号后，由TC7SH08 F前置放大器LAN有选择地对1575.42±1MHz的信号进行放大；放大后的信号输入到射频信号接收解调模块GRM-7520的输入端；标频器将产生的标准频率经所相环后获得所需解调的相位，通过压控时钟进入混频器、分频器，通过混频器将卫星有效信号加载到所需解调的相位上，中频放大器IF对混频后的信号进行放大后输入到基带处理器MPU PL-6313，分频器输出的信号输入到基带处理器MPU PL-6313，基带处理器MPU PL-6313利用分频器的输入频率对中频放大器输入信号进行解调，得到卫星有效数据的数字信号；由基带处理器MPU PL-6313中的MPU完成了定位数据的计算，数据使用LTTL电平输出；这一过程就是GPS接收电路的接收处理方法；二维加速度传感器对速度变化和方向变化进行采集，其输入端连接到基带处理器MPU PL-6313集成的A/D转换器的输出端上，由A/D转换器完成电压量向数字量的转换；在卫星信号不能达到定位标准时，由A/D转换器向基带处理器MPU PL-6313提供对位置计算所需要的关键量；由基带处理器MPU PL-6313中的MPU进行解码运算，并将处理后的数据使用LTTL电平输出。
本发明的关键之处是：首先设计完成适合自律辅助导航使用的GPS接收机，同时利用GPS内部的集成A/D转换器，与板上集成的二维加速度传感器连接，通过对速度和方向的积分运算在初始速度和方向的基础上计算出经纬度的变化量，从而得到当前的实际经纬度。
在GPS接收机定位后，在寄存器中始终刷新并保留当前时刻和上时刻的速度、速度方向、经度和纬度数据。在GPS卫星信号质量下降不能满足定位需要时，根据对二维加速度传感器信号的采集，得到速度和速度方向的变化量，根据寄存器中保存的上一时刻速度、速度方向、经度和纬度，进行积分运算得到当前速度、当前速度方向和位移，根据对下面公式的推导，可以完成当前经度和纬度的计算。
式中角度变化量——
。当本载有本装置的载体进入GPS卫星信号盲区，假设进入盲区前最后一次定位的数据为：速度——V0、方位角——αs，(速度方向也称为方位角，指运动方向与正北的夹角。顺时针为正，逆时针为负。)经度——YLon；纬度——XLat；则：速度变化量ΔV＝加速度；加速度值直接由二维加速度传感器经过A/D转化得到。位移变化量ΔS为：ΔS＝ΔV·T，T＝1秒；
根据GPS信号被屏蔽的区域并不是大区域，其范围有限，影响时间短这一特点，令ΔS等于地球大圆短弧线长，则其辅助导航算法的公式为：
纬度
经度
方位角
，顺时针
为正，逆时针为负。
速度V＝ΔV+V0
其中f为地球扁率，为常数，WGS-84测地系中f＝1/298.257223563；
τ为千分之一分对应的距离，为推导常数，WGS-84测地系中地球半径
a＝6378137m，则推导常数τ＝1.852m；
λ：当前一秒内速度脉冲累计值；
这个公式为局部地区地理经纬度的一般推算，其中忽略了地球质量分布不均、温差、潮汐等现实因素的影响，在实际应用中是可行的。
在设计GPS的时候，高频接收的RF单元、解码部分直接采用成熟技术处理。在数据处理方面和扩展I/O方面利用基带处理器MPU——PL-6313为客户预留的A/D转换器扩展了速度、方向接口，完成了动态数据的采集计算。
其处理的简单流程为：GPS天线收到信号后，由TC7SH08 F有选择地对1575.42±1MHz的信号放大；经过GRM-7520内置的BPF带宽滤波器(1577MHz)滤波后，由PL-6313内集成的解调器进行伪随机码调制，解调解扩后解调、PL-6313进行解码运算，并将处理后的数据使用LTTL电平输出。标准频率器由台湾友桂公司提供，此有源振荡器的特点是：不会因环境温度的变化导致所产生振荡频率的漂移，这样我们在解扩的同时也有效地抑制了零点漂移。在解码后，判断可以接收到信号卫星数量、信号强度等是否满足定位需要，不能满足定位需要时，判断是否在内存中存有最后一次定位的经纬度数据和数据的时效性，满足条件就切换采用无盲区导航；不能满足以上条件，继续搜索卫星。标频器即标准频率器所产生的标准频率不仅要混频后参与GRM-7520的放大处理，而且要与基带处理器MPU PL-6313卫星通道处理相关联。一旦其频漂超过50Hz，整机的卫星信号捕捉能力和跟踪能力将成非线性关系下降，也就说当频漂在50Hz时，冷启动定位时间在47秒，再定位时间达到5秒，定位精度15米；一旦达到70Hz，其冷启动时间延长到150秒，再定位时间到10秒，定位精度下降到70米；当下降到85Hz时，无法完成卫星信号的捕捉，不能实现GPS卫星定位。GRM-7520是成熟的现有技术产品，其内部已经集成：BPF带宽滤波器、混频器、锁相环(PLL)、放大器和压控时钟集成，其输入的信号已经在前级被放大，其输入信号构成由：C/A码信号、邻站信号干扰、噪声干扰和其他干扰信号组成。基带处理器MPU PL-6313：完成导航电文解调，完成A/D转换功能，完成A/D转换后的累加计算，导入程序存储器程序，导入RAM区工作参数，解码后负责提供频标1Hz脉冲——1PPS的服务，负责输出NMEA-0183导航数据。
采用电子二维加速度传感器，此传感器封装为SOP8共有8只管脚，电源地各使用一个脚位，二个补偿输入、二个脚位为输出，直接联入的基带处理器MPUPL-6313，其信号变化范围在0.20～0.80V以内，匀速直线运动状态输出的电压为0.50V，每秒钟感测范围小于75度，每度电压变化单位为40mV，顺时针旋转电压升高，逆时针旋转电压降低。发生角度偏转后，由PL-6313内置的A/D变换器对此电压量进行数模转换，并进行积分运算，求得加速度和角加速度。
Claims (5)
1、一种无盲区导航的GPS接收装置，包括卫星信号接收单元电路、与卫星信号接收单元电路相连接的卫星信号处理单元电路、与卫星信号处理单元电路相连接的二维加速度传感器电路，其特征在于：卫星信号处理单元电路包括基带处理器MPU PL-6313，在基带处理器MPU PL-6313上集成有A/D转换器，A/D转换器与二维加速度传感器的输出端相连接，基带处理器MPUPL-6313的输出端直接输出NMEA-0183格式导航数据。
2、根据权利要求1所述的无盲区导航的GPS接收装置，其特征在于：卫星信号接收单元电路包括GPS接收天线、与GPS接收天线相连接的TC7SH08F前置放大器LAN、与TC7SH08F前置放大器LAN输出端相连接的射频信号接收解调模块GRM-7520，射频信号接收解调模块GRM-7520包括带宽滤波器BPF、与带宽滤波器BPF相连接的混频器、与混频器输出端相连接的中频放大器IF、与混频器输入端相连接的压控时钟VCO、连接在压控时钟VCO输入输出端上进行调节的锁相环PLL、连接在锁相环PLL输入输出端上进行调节的标频器、连接在压控时钟VCO输出端和混频器的输入端上的分频器CLK，TC7SH08 F前置放大器LAN输出端与带宽滤波器BPF的输入端相连接，中频放大器IF的输出端与基带处理器MPU PL-6313的输入端相连接，分频器CLK的输出端与基带处理器MPU PL-6313的输入端相连接；GPS天线收到信号后，由TC7SH08F前置放大器LAN对1575.42±1MHz的信号放大，经过带宽滤波器BPF滤波后，通过与带宽滤波器BPF相连接的混频器，混频后输入到中频放大器IF的输入端和分频器CLK的输入端共同完成解调任务，将信号送入卫星信号处理单元电路中的基带处理器MPU PL-6313的输入端。
3、根据权利要求1所述的无盲区导航的GPS接收装置，其特征在于：在卫星信号处理单元电路中，基带处理器MPU PL-6313集成包括：伪随机码的扩展波解码器、A/D转换器、程序存储器和数据存储器，基带处理器MPUPL-6313完成导航电文解调、完成A/D转换功能、完成A/D转换后的积分计算、负责输出NMEA-0183格式的导航数据。
4、根据权利要求1所述的无盲区导航的GPS接收装置，其特征在于：二维加速度传感器电路的输出端和基带处理器MPU PL-6313集成的A/D转换器的输入端相连接。
5、一种无盲区导航的GPS接收方法，GPS接收电路包括卫星信号接收单元电路、卫星信号处理单元电路和二维加速度传感器，其特征在于：
GPS天线收到信号后，由TC7SH08F前置放大器LAN有选择地对1575.42±1MHz的信号进行放大；放大后的信号输入到射频信号接收解调模块GRM-7520的输入端；标频器将产生的标准频率经所相环后获得所需解调的相位，通过压控时钟进入混频器、分频器，通过混频器将卫星有效信号加载到所需解调的相位上，中频放大器IF对混频后的信号进行放大后输入到基带处理器MPU PL-6313，分频器输出的信号输入到基带处理器MPU PL-6313，基带处理器MPU PL-6313利用分频器的输入频率对中频放大器输入信号进行解调，得到卫星有效数据的数字信号；由基带处理器MPU PL-6313中的MPU完成了定位数据的计算，数据使用LTTL电平输出；这一过程就是GPS接收电路的接收处理方法；
二维加速度传感器对速度变化和方向变化进行采集，其输入端连接到基带处理器MPU PL-6313集成的A/D转换器的输出端上，由A/D转换器完成电压量向数字量的转换；在卫星信号不能达到定位标准时，由A/D转换器向基带处理器MPU PL-6313提供对位置计算所需要的关键量；由基带处理器MPUPL-6313中的MPU进行解码运算，并将处理后的数据使用LTTL电平输出。
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