CN101082664B - 一种用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的装置及其方法。它基于分段匹配滤波器的设计，整个装置由下变频器、低通滤波器、抽取器、分段匹配滤波器、包络运算器、信号非相干累加检测器、中心控制器组成；它由匹配滤波器在一个积分相关时间T内对整个码片相位进行了遍历搜索，得到一个多普勒频偏下所有码相位的相关结果，并通过非相干累加检测器提高信噪比，判决信号是否存在；同时改变下变频器的中心频率在频率轴步进搜索。本发明把传统的在码相位和多普勒频偏上进行的二维搜索转化为在多普勒频偏上的一维搜索，大大地提高了信号的捕获速度，并通过分段匹配滤波器的设计，节省了大量的硬件资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的装置及其方法。
背景技术
高动态卫星导航技术在现代军事、航天、航空等领域具有广泛的应用，对国家安全具有重要意义。到目前为止，国外的高性能战机、先进的导弹等武器都采用了高性能的高动态卫星导航接收机进行制导，其可靠性和高精度等优越性能都受到一致好评，并获得了巨大的军事效益；同时，高动态卫星导航系统是航天飞机、航天飞船最理想的导航系统。现有卫星导航系统有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统，欧洲也在积极研发自己的伽利略卫星导航系统，而相应地，目前国内在高动态卫星导航技术方面处于起步阶段，并正在积极地开发自主的卫星导航系统(如北斗卫星导航系统)。随着研究的深入，研制具有自主知识产权的高动态卫星导航接收机将成为越来越紧迫的需求。
高动态环境下的卫星信号的捕获是高动态导航接收机研制的核心，它主要包括信号伪随机码相位和多普勒频偏的捕获，在高动态环境下，载体在起飞、加速和落地等时刻，运动状态比较复杂，不仅仅具有非常大的速度，还有较大的加速度和加加速度，体现在信号上就是不仅仅具有较大的多普勒频偏码偏，还有较大的多普勒频偏码偏的阶跃和斜升，所以能否快速的捕获高动态卫星信号，实现本地信号与接收信号的初同步，成为高动态导航接收机技术中关键。高动态卫星信号的捕获本质上是对接收信号在码相位和多普勒频偏上的一个二维搜索过程，传统的滑动串行搜索捕获策略，方法简单，所需硬件资源少，但是捕获时间长；而基于传统的匹配滤波器的捕获策略，捕获速度快，但是硬件开销大。所以寻找实现一种合适的用于高动态卫星信号快捕的装置及其方法已经成为学术界、工业界研究实现的热点，本文正是希望解决这个问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的装置及其方法。
用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的装置中的数字自动增益控制模块与数字下变频器相接，数字下变频器与I路滤波抽取模块、I路匹配滤波器模块、包络运算器模块、非相关累加检测器、中心控制器模块相接，数字下变频器与Q路滤波抽取模块、Q路匹配滤波器模块、包络运算器模块相接，中心控制器器模块与数字下变频器模块相接；其中I路匹配滤波器模块或者Q路匹配滤波器模块为p个部分匹配滤波器首尾级联，p个部分匹配滤波器的输出与多路累加器相接；其中匹配滤波器总长度为M，每个部分匹配滤波器的长度N＝M/p。
所述数字自动增益控制模块的电路为：乘法器模块与累加器模块、控制器模块相接，计数器模块与控制器模块相接，控制器模块与乘法器模块相接。
所述的滤波抽取模块的电路为：第一级滤波器与第一级抽取器、第二级滤波器、第二级抽取器相接。
部分匹配滤波器模块的电路为：移位寄存器模块与乘法器模块、累加器模块相接，部分码产生器模块与乘法器模块相接，控制器模块与移位寄存器模块、部分码产生器模块、累加器模块相接，计数器模块与控制器模块相接。
所述的包络运算器模块的电路为：平方和模块与限幅模块、地址产生器模块、平方根表模块相接。
用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的方法包括以下步骤：
(1)接收经过A/D采样之后的卫星中频信号；
(2)通过一个数字自动增益控制模块，控制信号的幅度大小；
(3)中频信号经过数字下变频后，得到同相I、正交Q两路基带数字信号；
(4)对I、Q两路信号分别先经过第一级归一化截至频率为1/D1的低通滤波器，然后进行D1倍抽取，接着经过第二级归一化截至频率为1/D2的低通滤波器，再进行D2倍的抽取，得到数字基带信号的数据率为k；
(5)将抽取之后的I、Q两路信号分别通过I、Q两路匹配滤波器模块，其内部所有p个部分匹配滤波器并行运算，在1/k的时间内，得到p个部分相关结果，并且将p个部分相关结果输入多路累加器得到一个全相关结果；
(6)将I、Q两路匹配滤波器的输出通过包络运算器模块计算信号包络，在一个扩频码周期T内得到M个包络值，其中M＝k·T；
(7)将M个包络值通过L个扩频码周期的非相干累加，检测器根据预设门限，判断信号是否存在，并输出最大相关值；
(8)将检测器的输出输入到中心控制器模块，如果信号存在，则采取虚警保护：搜索相邻频点，得到相邻频点的最大相关值，并检测是否超过门限；如果超过门限，则与原频点的最大相关值比较，取其中大者的频点作为捕获频点，如果没有超过门限，则取原频点作为捕获频点；宣布捕获成功，同时提供捕获码相位，如果信号不存在，则改变下变频器的中频，在多普勒频偏轴上步进搜索下一个频点，其中多普勒频率步进为500Hz。
所述的通过一个数字自动增益控制模块，控制信号的幅度大小的方法步骤如下：
(1)初始化乘法器可调系数C为1，计数器置1，累加器置0；
(2)将输入信号与系数C相乘得到Xi，将Xi作为输出，并取绝对值后入累加器，同时计数器加1；
(3)判断计数器是否达到计时门限；如果达到计时门限，则将累加结果取均值，与期望均值区间比较，如果在期望均值区间内，则环路锁定；反之如果大于期望均值区间的最大值，则以一定的步进下调系数C，如果小于期望均值区间的最小值，则以一定的步进上调系数C，同时计数器清零，累加器清零；
(4)如果环路未锁定，则重复步骤(2)；反之，将输入信号与乘法器已锁定的系数C相乘得到Xi，把Xi作为模块输出。
所述的得到部分相关结果的方法步骤如下：
(1)初始化部分码产生器，赋予确定已知的一个初始码相位；累加器和计数器清零；新信号值输入移位寄存器；
(2)同时将移位寄存器的输出和部分码产生器的输出输入乘法器模块作相关，并将结果加入累加器，同时计数器加1；
(3)如果计数器达到部分匹配滤波器长度N，控制器将累加结果输出，计数器清零；否则重复步骤(2)；
所述的将I、Q两路匹配滤波器的输出通过包络运算器模块计算信号包络的方法步骤如下：
(1)对I、Q两路匹配滤波器输出的分别平方后相加；
(2)将得到的平方和进行限幅，超出系统设定的有效数值范围上限的平方和被强制赋值为上限数值；
(3)将限幅之后的数据右移n位之后作为地址，读预先存在RAM中的开根号表，得到平方根。其中n为平方根表格索引和数值的一个固定对应关系，如果在表格中位置x里存的数为y，则y为
，其中
表示取整。
本发明很好地改善了卫星信号捕获的性能，主要包括：信号下变频之后没有直接入匹配滤波，而是通过了级联的两级滤波抽取，既改善了滤波性能，降低了滤波器实现的复杂度，又降低了数据率，节省了后端匹配滤波器硬件资源；相对于传统的全匹配滤波器，我们采取分段匹配滤波的方式，所有部分匹配滤波器模块并行工作，同时给出部分相关结果，之后通过多路累加器得到全相关结果，保证了在一个扩频码周期内，能得到所有码相位的相关结果，使整个捕获过程中的二维搜索变成一维的多普勒频偏的搜索，极大的减少搜索时间；而部分匹配滤波器模块内，通过移位寄存器串行地给出信号，同时与部分码产生器给出的抽头系数进行相关并累加，分别只用了一个乘法器和累加器，大大地节省了硬件资源；在检测过程中，我们通过对相关结果的非相干累加，大大地提高了信噪比和灵敏度，并且在信号判决中，提出了一个虚警保护机制，在相关结果超过门限的情况下，通过对相邻频点的进一步搜索，能够在信号信噪比高而我们的门限比较低的情况下，避免错误频点的捕获，保证后端跟踪解算的稳定性。
附图说明
图1是本发明所述的一种用于高动态卫星信号的快捕装置及其方法的电路方框图；
图2是本发明所述的数字自动增益控制模块的电路方框图；
图3是本发明所述的滤波抽取模块的电路方框图；
图4是本发明所述的匹配滤波器总体模块的电路方框图；
图5是本发明所述的部分匹配滤波器模块的电路方框图；
图6是本发明所述的包络运算器模块的电路方框图；
图7是本发明所述的中心控制器的软件流程图。
具体实施方式
本发明是高动态卫星导航接收机中一个关键的组成部分，它实现高动态卫星信号的快速和准确的捕获，使本地码和载波与接收信号实现粗同步，并对多普勒频偏进行一定精度的估计，从而辅助卫星导航接收机中后续部分的处理模块(精跟踪、PVT解算等)。在实施例中，采用两级级联滤波抽取，来降低数据率，利用分段匹配滤波在一个扩频码周期内得到所有码相位的相关值，通过改变下变频器的中频值补偿多普勒频偏，并经过非相干累加检测器对包络进行检测判决，能够快速捕获信号，初步判定其码相位位置，估计其多普勒频偏。
卫星导航系统由3个区段组成：卫星星座，地面控制中心与用户接收设备(接收机)。卫星星座包括一些在轨卫星，向用户设备提供测距信号和数据电文，本地接收机接收来自卫星的导航信号进行定位导航。卫星信号一般使用相移键控调制(PSK)，在实施例中，导航信号为双相相移键控调制(BPSK)。实际上，进入到部分相关器的基带信号由卫星信号与环境噪声组成，环境噪声可能为高斯分布、瑞利分布等，因为在轨卫星与本地接收机的距离很远，用户接收机接收到导航信号与环境噪声相比非常微弱(信噪比达到-25dB或者更差)，所以需要利用扩频码的相关特性捕获信号。
如图1所示，一种用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的装置的电路方框图：数字自动增益控制模块与数字下变频器相接，数字下变频器与I路滤波抽取模块、I路匹配滤波器模块、包络运算器模块、非相关累加检测器、中心控制器模块相接，数字下变频器与Q路滤波抽取模块、Q路匹配滤波器模块、包络运算器模块相接，中心控制器器模块与数字下变频器模块相接。
相应的，本发明的信号处理流程包含以下处理步骤：
1、本发明中，中频信号从输入装置输入，输入装置包括天线，射频模块(晶禾科技BD/GLONASS双模接收通道模块)，A/D转换器(AD9283)所组成。通过天线接收、射频模块模拟混频和A/D采样之后，无线卫星信号从无线模拟射频信号变到数字中频信号，进入数字自动增益控制模块。
如图2所示，乘法器模块与累加器模块、控制器模块相接，计数器模块与控制器模块相接，控制器模块与乘法器模块相接。其中累加器由一个加法器和一个寄存器组成，加法器的一端由信号输入，另外一端接寄存器的输出，而加法器的输出又接寄存器的输入，以此完成累加操作。
数字自动增益控制模块完成对信号的幅度控制，数字中频信号从输入装置进入乘法器模块，与内置的可调系数C相乘之后输出取绝对值后进入累加器模块，同时计数器加1；当计数器到达计数门限，控制器模块将累加器输出结果取均值并与期望均值区间比较，如果在期望均值区间内，则判决环路锁定，不再调整系数C，并且将信号与系数C相乘之后输出，从而起到一个调幅的作用；反之如果大于期望均值区间中的最大值，则以一定的步进下调系数C，如果小于期望区间的最小值，则以一定的步进上调系数C，同时累加器和计数器清零。
2、数字中频信号通过下变频器模块之后分同相I、正交Q两路数字基带信号，之后分别输入I路滤波抽取模块和Q路滤波抽取模块。在理想情况下，就是卫星信号载波和本地参考载波不存在多普勒频偏，否则下变频后I、Q两路信号并不为零频。且I、Q两路基带信号为非整数倍采样，即采样率和码率的比值为非整数。
下变频器模块是数字下变频器DDC，它由数控振荡器NCO产生本地载波的正余弦值将数字中频混到基带I、Q两路信号。
如图3所示，滤波抽取模块由两级滤波抽取器所组成：第一级滤波器与第一级抽取器、第二级滤波器、第二级抽取器相接。第一级低通滤波器的归一化截止频率为1/D1，第一级抽取的倍数为D1，第二级低通滤波器的归一化截止频率为1/D2，第二级抽取的倍数为D2；低通滤波器主要起抗混叠和滤除带外噪声的作用，抽取主要起降低采样率的作用。低通滤波器采用传统的数字FIR滤波器设计，基于窗函数的设计模型。
3、滤波抽取后I、Q两路基带信号分别通过I路匹配滤波器模块和Q路匹配滤波器模块作相关。
如图4所示，I路匹配滤波器或者Q路匹配滤波器有p个部分匹配滤波器和多路累加器组成，信号从第一个部分匹配滤波器输入，p个部分匹配滤波器首尾级联，p个部分匹配滤波器的相关输出与多路累加器相接；其中匹配滤波器总长度为M，每个部分匹配滤波器的长度N＝M/p。
p个部分匹配滤波器并行工作，在1/k的时间内，得到p个部分相关结果，并且将p个相关结果输入多路累加器得到一个全相关结果。
如图5所示，部分匹配滤波器模块包含：移位寄存器模块与乘法器模块、累加器模块相接，部分码产生器模块与乘法器模块相接，控制器模块与移位寄存器模块、部分码产生器模块、累加器模块相接，计数器模块与控制器模块相接。其中移位寄存器模块是由基于RAM的IP核构建，长度即是部分匹配滤波器的长度N。部分码产生器模块中的码钟产生器由一个相位可配的码NCO产生，码产生则采用通用的GLONASS粗码产生器的方法生成。(见ICD-GLONASS-V5.Interface control document(version5.0).CoordinationScientificInformation Center，2002)
得到部分相关结果的方法步骤如下：
(1)初始化部分码产生器，赋予码NCO确定已知的一个初始码相位，同时累加器和计数器清零，新信号值输入移位寄存器模块；
(2)同时将移位寄存器的输出和部分码产生器的输出输入乘法器模块作相关，并将结果加入累加器；同时计数器加1；
(3)如果计数器达到部分匹配滤波器长度N，控制器将累加结果输出，计数器清零，累加器清零，完成一个周期操作；否则重复步骤(2)；
4、如图6所示，包络运算器模块由平方和模块、限幅模块、地址产生器模块、平方根表模块组成。平方和模块包括两个乘法器和一个加法器组成，平方根表模块基于RAM设计，预存有已知的开根号表。
将I、Q两路相关结果求平方和开方运算，以得到其包络。对输入的每个复数，分别计算其实部与虚部的平方并求和，输入限幅模块；限幅模块有一个系统设定的有效数值范围，对于超出有效范围边界数值的平方和，强制赋值为边界数值，限幅的目的在于集中硬件资源达到更好的精度；在移位地址产生模块中，限幅后的数值通过右移位n位之后作为地址，读预先存在RAM中的开根号表，得到平方根。其中n为平方根表格索引和数值的一个固定对应关系，如果在表格中位置x里存的数为y，则y为
，其中表示取整。
5、非相干累加检测器对包络运算器模块的输出结果进行非相干累加，它包括一个长度为M移位寄存器、一个加法器和一个比较判决器，移位寄存器的输出输入到加法器的一个输入端，而信号包络值输入到加法器的另一个输入端，加法器的输出连接移位寄存器的输入和比较判决器的一个输入端，同时有一个预先设定的门限输入到比较判决器的另一个输入端；随着包络值的输入和移位寄存器的移位操作，在一个扩频码周期T内的M个相关值被周期循环的非相关累加，从而一个非相干累加时间T′内能够得到M个非相干累加结果，从中取最大值，并根据预先设定的门限判决信号存在与否。在实施例中T′取30ms。
6、根据非相关累加检测器给出的最大相关值和判决结果，中心控制器(TMS320C6416)进行相应的控制操作，软件处理流程如图7所示；如果信号存在，则进入虚警保护：首先通过改变下变频器的NCO累加值改变中心频点来继续搜索相邻频点，得到相邻频点的最大相关值，并检测是否超过门限。接着如果超过门限，则与原频点的最大相关值比较，取其中大者的频点作为捕获频点。如果没有超过门限，则取原频点作为捕获频点。同时给出码相位位置，宣布捕获成功。如果信号在当前频点不存在，则以一定的频率步进在多普勒频率轴上对下一个频点搜索；实施例中多普勒频率轴上频率搜索步进为500Hz，给出的码相位为在一个扩频码周期内M的相关值中最大值的位置。
本发明能够进行高动态卫星信号的快速捕获装置及其方法的开发与卫星信号快速捕获研究平台的搭建。这里所述的设备与方法，彼此分离的单体部件可以完全是传统的，我们要求将它们的组合作为发明进行保护。以上所述仅为本发明对于GLONASS卫星信号的快速捕获装置及其方法较佳的具体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可以修改单体部件的算法，实现不同应用场合的卫星信号快速捕获方法与装置。本发明仅由后附权利要求书及其等效技术方案来限定，我们要求将这些作为本发明来保护。
Claims (5)
1.一种用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的装置，其特征在于，数字自动增益控制模块与数字下变频器相接，数字下变频器、I路滤波抽取模块、I路匹配滤波器模块、包络运算器模块、非相关累加检测器、中心控制器模块顺次相接，数字下变频器、Q路滤波抽取模块、Q路匹配滤波器模块、包络运算器模块顺次相接，中心控制器器模块与数字下变频器模块相接；其中I路匹配滤波器模块或者Q路匹配滤波器模块为p个部分匹配滤波器首尾级联，p个部分匹配滤波器的输出与多路累加器相接；其中匹配滤波器总长度为M，每个部分匹配滤波器的长度N＝M/p；所述数字自动增益控制模块的电路为：乘法器模块、累加器模块、控制器模块顺次相接，计数器模块与控制器模块相接，控制器模块与乘法器模块相接；所述的滤波抽取模块的电路为：第一级滤波器、第一级抽取器、第二级滤波器、第二级抽取器顺次相接；所述的部分匹配滤波器模块的电路为：移位寄存器模块、乘法器模块、累加器模块顺次相接，部分码产生器模块与乘法器模块相接，控制器模块与移位寄存器模块、部分码产生器模块、累加器模块分别相接，计数器模块与控制器模块相接；所述的包络运算器模块的电路为：平方和模块与限幅模块、地址产生器模块、平方根表模块相接。
2.一种使用如权利要求1所述装置的用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)接收经过A/D采样之后的卫星中频信号；
(2)通过一个数字自动增益控制模块，控制信号的幅度大小；
(3)中频信号经过数字下变频后，得到同相I、正交Q两路基带数字信号；
(4)对I、Q两路信号分别先经过第一级归一化截至频率为1/D1的低通滤波器，然后进行D1倍抽取，接着经过第二级归一化截至频率为1/D2的低通滤波器，再进行D2倍的抽取，得到数字基带信号的数据率为k；
(5)将抽取之后的I、Q两路信号分别通过I、Q两路匹配滤波器模块，其内部所有p个部分匹配滤波器并行运算，在1/k的时间内，得到p个部分相关结果，并且将p个部分相关结果输入多路累加器得到一个全相关结果；
(6)将I、Q两路匹配滤波器的输出通过包络运算器模块计算信号包络，在一个扩频码周期T内得到M个包络值，其中M＝k·T；
(7)将M个包络值通过L个扩频码周期的非相干累加，检测器根据预设门限，判断信号是否存在，并输出最大相关值；
(8)将检测器的输出输入到中心控制器模块，如果信号存在，则采取虚警保护：搜索相邻频点，得到相邻频点的最大相关值，并检测是否超过门限；如果超过门限，则与原频点的最大相关值比较，取其中大者的频点作为捕获频点，如果没有超过门限，则取原频点作为捕获频点；宣布捕获成功，同时提供捕获码相位，如果信号不存在，则改变下变频器的中频，在多普勒频偏轴上步进搜索下一个频点，其中多普勒频率步进为500Hz。
3.根据权利要求2所述的一种用于高动态卫星导航接收机中信号快捕的方法，其特征在于，所述的通过一个数字自动增益控制模块，控制信号的幅度大小的方法步骤如下：
(1)初始化乘法器可调系数C为1，计数器置1，累加器置0；
(2)将输入信号与系数C相乘得到Xi，将Xi作为输出，并取绝对值后入累加器，同时计数器加1；
(3)判断计数器是否达到计数门限；如果达到计数门限，则将累加结果取均值，与期望均值区间比较，如果在期望均值区间内，则环路锁定；反之如果大于期望均值区间的最大值，则以一定的步进下调系数C，如果小于期望均值区间的最小值，则以一定的步进上调系数C，同时计数器清零，累加器清零；
(4)如果环路未锁定，则重复步骤(2)；反之，将输入信号与乘法器已锁定的系数C相乘得到Xi，把Xi作为模块输出。
4.根据权利要求2所述的一种高动态卫星导航接收机中信号快捕的方法，其特征在于，所述的得到部分相关结果的方法步骤如下：
(1)初始化部分码产生器，赋予确定已知的一个初始码相位；累加器和计数器清零；新信号值输入移位寄存器；
(2)同时将移位寄存器的输出和部分码产生器的输出输入乘法器模块作相关，并将结果加入累加器，同时计数器加1；
(3)如果计数器达到部分匹配滤波器长度N，控制器将累加结果输出，计数器清零；否则重复步骤(2)。
5.根据权利要求2所述的一种高动态卫星导航接收机中的信号快捕的方法，其特征在于，所述的将I、Q两路匹配滤波器的输出通过包络运算器模块计算信号包络的方法步骤如下：
(1)对I、Q两路匹配滤波器输出的分别平方后相加；
(2)将得到的平方和进行限幅，超出系统设定的有效数值范围上限的平方和被强制赋值为上限数值；
(3)将限幅之后的数据右移n位之后作为地址，读预先存在RAM中的开根号表，得到平方根，其中n为平方根表格索引和数值的一个固定对应关系，如果在表格中位置x里存的数为y，则y为 
其中|·|表示取整。
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