CN101320084A - 卫星定位信号的实时处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星定位信号的实时处理方法，该方法事先生成一维的累加表、二维的正/余弦表和三维的伪随机码表并存储，在进行卫星定位信号处理的时候通过查找表的方法得到本地载波和伪随机码，使用位异或操作完成卫星信号与本地载波和伪随机码的混合，混合后的结果直接输入累加表，将查表结果进行累加得到相关结果，根据相关结果进行捕获、跟踪和解调处理。本发明使用查找表和位操作方法，省去了实时生成本地载波和伪随机码所花费的时间，大大减少了进行相关运算的时间，能够用极小的运算量，完成卫星定位信号的捕获、跟踪和解调处理，适用于各种需要进行实时处理的卫星定位信号处理平台。

Description

卫星定位信号的实时处理方法

技术领域

本发明属于导航定位的信号接收与处理技术领域，具体指GPS(全球定位系统)卫星定位信号的实时处理方法。该发明方法适用于地面、临近空间、机载/星载等定位信号的软件接收系统实时处理与应用开发领域。

背景技术

卫星定位信号使用伪随机码对导航电文进行扩频调制，并将扩频后的电文信息以BPSK方式调制到高频载波上。为了得到有用的导航信息，用户需要对接收到的卫星信号进行捕获、跟踪和解调等一系列处理。这些处理的核心思想是用本地产生的载波和伪随机码与接收到的卫星信号进行相关运算，以完成对卫星信号的解扩和解调。

传统的硬件接收处理系统，使用专用的基带处理芯片ASIC，对卫星信号进行解扩和解调，本地载波和伪随机码信号通过晶振驱动ASIC中的硬件电路产生。硬件接收处理系统由于采用专用芯片进行处理，系统功能一经设定，就基本不能再进行改变，系统的可升级性、可修改性以及可移植性都较差。

近年来，受软件无线电思想的影响，越来越多的卫星定位信号接收处理系统采用软件架构实现。采用软件架构实现的软件接收系统，仅需要一个射频前端和一个A/D采样器，采样后的中频卫星信号使用数字信号处理的方法进行信号解扩和解调。软件接收处理系统与传统的硬件接收系统相比更具灵活性，可以在不改变硬件设计的情况下很容易开发新的算法、增加新的功能。而且由于软件接收处理系统的硬件部分简单，软件部分可以运行于一般的通用处理器上(如计算机、DSP、ARM等)，因此软件接收系统可以很方便的与其它系统进行整合。然而目前大部分的卫星定位信号软件接收处理系统，都使用后处理方式。因为这些系统需要在处理时产生本地载波和伪随机码，并将本地载波和伪随机码与输入的中频卫星数据进行逐点相乘并相加，来得到相关结果。以上操作以处理1ms的GPS中频数据为例，若射频前端的中频采样频率是12MHz，则需要产生各包含12000个数据点的本地正弦载波、余弦载波、即时码、超前码、滞后码，并将GPS中频数据与本地载波和伪随机码进行相乘与相加，需要进行12000x6次乘加操作。为了进行实时定位，至少需要4个通道对GPS信号进行并行处理，以上运算需要重复4次，而且这些运算需要在1ms内完成，才能保证对信号进行实时处理。如此巨大的运算量，使得软件接收处理系统难以进行实时处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星定位信号的实时处理方法，它能够用极小的运算量，完成卫星定位信号的捕获、跟踪和解调处理，解决定位信号软件接收处理系统难以进行实时处理的技术问题。

本发明的卫星定位信号的实时处理方法具体步骤如下：

(1)生成一维累加表、二维正/余弦表和三维伪随机码表。三张表只需要产生一次，并存储下来，下次进行处理时只需要读取这三张表，而不需要再次产生。

二维正/余弦表的第一维对应载波频率，第二维对应正/余弦采样值。正/余弦表的产生方法是：正/余弦信号以Δf为频率步长，以数字中频卫星信号的中频IF为中心频率点，存储-10kHz～10kHz之间一个毫秒的正/余弦采样值，如公式1所示：

cos[n]＝cos(2π·F_c·[n]/Fs)    (1)

sin[n]＝sin(2π·F_c·[n]/Fs)

其中：Fc＝IF±Δf×i(Hz)， $i=-\frac{10k}{\mathrm{\Δf}},...,\frac{10k}{\mathrm{\Δf}}$ 为本地载波频率，Fs为采样频率，

[n]＝0，1，2.....(N-1)，N为1ms的采样点数。

三维伪随机码表的第一维对应伪随机码的类型(即时、超前、滞后三种)，第二维对应伪随机码的起始相位，第三维对应伪随机码的采样值。伪随机码表的产生方法是：伪随机码以1/m个采样点为相位步长，存储初始相位从0～4个采样点的即时(CA_prompt[n])、超前(CA_early)和滞后(CA_late)伪随机码一个毫秒的采样值，如公式2所示：

$\mathrm{CA}\_\mathrm{prompt}\left[n\right]=\mathrm{CA}(\frac{F_{\mathrm{CA}}}{\mathrm{Fs}}\·[n]+\mathrm{\τ})$

$\mathrm{CA}\_\mathrm{late}\left[n\right]=\mathrm{CA}(\frac{F_{\mathrm{CA}}}{\mathrm{Fs}}\·[n]+\mathrm{\τ}+0.5)---\left(2\right)$

$\mathrm{CA}\_\mathrm{early}\left[n\right]=\mathrm{CA}(\frac{F_{\mathrm{CA}}}{\mathrm{Fs}}\·[n]+\mathrm{\τ}-0.5)$

其中：CA()为伪随机码函数，F_CA为伪随机码频率，Fs为采样频率，τ为码起始相位τ＝i×F_CA/(m×F_S)，i＝0，1，...4×m，[n]＝0，1，2.....(N-1)，N为1ms的采样点数。

正/余弦采样值以及即时(CA_prompt)、超前(CA_early)和滞后(CA_late)伪随机码采样值都是用1bit量化补零成2bit，如表1所示，即量化值作为符号位，补一个零作为幅值位，并且将4个采样值存储成一个字节。

表1：正/余弦和伪随机码的补零方式

符号位	幅值位	值
			0	0	+1
1	0	-1

一维累加表的产生方法是：将整数k(k＝0～65535)用16bit表示，并且按2bit为一组分成8组，每组的2bit对应值如表2所示，将8组2bit的值相加得到累加表的第k个值，累加表总共有65536个值。

表2：一维累加表中2bit对应的值

Bit1	Bit0	值
			0	0	+1
0	1	+3
			1	0	-1
1	1	-3

(2)读取一个周期的2bit量化的数字中频卫星信号，将数字中频信号与本地的正/余弦载波进行混合，得到混合后的正交信号(I)/同相信号(Q)。

(3)将混合后的正交信号和同相信号，再与本地超前(E)、滞后(L)和即时(P)码进行混合，混合后的信号查累加表并将查表结果进行累加，得到同相超前(I_E)、同相滞后(I_L)、同相既时(I_P)和正交超前(Q_E)、正交滞后(Q_L)、正交即时(Q_P)，共六个相关累加结果。

其中步骤(2)和步骤(3)中的混合操是以字(word)为单位进行位异或运算，即用一个字(word)的待混合信号与一个字(word)的本地信号进行位异或，得到一个字(word)的混合结果，一个字包含了8个数据点。因此一次位异或运算完成了8个数据点的混合，提高了运算效率。

(4)根据步骤(3)得到的六个相关累加结果进行捕获、跟踪和解调处理。

(5)重复步骤(2)(3)(4)，对数字中频卫星信号进行连续的、实时的处理。

本发明的创新点在于：

(1)使用事先生成二维正/余弦表和三维伪随机码表的方法，在进行定位信号处理的时候，本地载波和伪随机码只需要通过查表的方法得到，省去了即时产生本地载波和伪随机码的大量运算。

(2)二维正/余弦表中的正/余弦采样值和三维伪随机码表中的码采样值，都是用1bit量化，补零为2bit，4个值存储成1个字节。使用这种结构方法，只需要用位异或操作就能完成卫星信号与本地载波、伪随机码的混合。提高了混合操作效率。而且这种结构方法将符号位和幅值位存储在一起，因此混合后的结果可以直接查累加表，而不需要将符号和幅值进行重新组合后再查累加表。

本发明的技术效果：

省去了即时产生本地载波和伪随机码所花费的巨大运算量，使用位异或操作实现卫星信号与本地载波、伪随机码的混合，大大减少了卫星定位信号处理中核心的相关运算所需要的时间，解决了卫星定位信号软件接收处理系统的实时性差的问题。应用本发明的方法在计算机平台上成功实现了用软件对输入的GPS卫星定位信号进行实时处理，并且软件运行时只占用了少量的CPU和内存资源。

附图说明

图1是卫星定位信号处理框图。

图2是累加表结构图。

图3是正/余弦查找表结构图。

图4是伪随机码查找表结构图。

图5是信号混合操作图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

一个卫星定位信号软件接收处理系统，使用一个GPS射频前端获取GPS中频数字信号，信号的中频采样频率为5.714MHz，使用计算机作为软件处理平台，计算机的CPU为AMD Sepron 3200+1.79GHz，内存512M。

使用本发明的方法进行实时处理则处理流程如下：

(1)处理软件首先生成一维累加表、二维正/余弦表和三维伪随机码表。三张表只需要产生一次，并以文件方式存储到计算机硬盘上，下次进行处理时只需要读取这三张表，而不需要再次产生。

如附图3所示，二维正/余弦表的第一维对应载波频率，第二维对应正/余弦采样值。正/余弦表的产生方法是：正/余弦信号以100Hz为频率步长，以数字中频卫星信号的中频IF为中心频率点，存储-10kHz～10kHz之间一个毫秒的正/余弦采样值，如公式1所示：

cos[n]＝cos(2π·F_c·[n]/Fs)    (1)

sin[n]＝sin(2π·F_c·[n]/Fs)

其中：Fc＝IF±100×i(Hz)，i＝-100，-99....+99，+100为本地载波频率，Fs为采样频率，[n]＝0，1，2.....(N-1)，N为1ms的采样点数。

如附图4所示，三维伪随机码表的第一维对应伪随机码的类型(即时、超前、滞后三种)，第二维对应伪随机码的起始相位，第三维对应伪随机码的采样值。伪随机表的产生方法是：伪随机码以1/16个采样点为相位步长，存储初始相位从0～4个采样点的即时(CA_prompt[n])、超前(CA_early)和滞后(CA_late)伪随机码一个毫秒的采样值，如公式2所示：

$\mathrm{CA}\_\mathrm{prompt}\left[n\right]=\mathrm{CA}(\frac{F_{\mathrm{CA}}}{\mathrm{Fs}}\·[n]+\mathrm{\τ})$

$\mathrm{CA}\_\mathrm{late}\left[n\right]=\mathrm{CA}(\frac{F_{\mathrm{CA}}}{\mathrm{Fs}}\·[n]+\mathrm{\τ}+0.5)---\left(2\right)$

$\mathrm{CA}\_\mathrm{early}\left[n\right]=\mathrm{CA}(\frac{F_{\mathrm{CA}}}{\mathrm{Fs}}\·[n]+\mathrm{\τ}-0.5)$

其中：CA()为伪随机码函数，F_CA为伪随机码频率，Fs为采样频率，τ为码起始相位τ＝i×F_CA/(16×F_S)，i＝0，1，...63，[n]＝0，1，2.....(N-1)，N为1ms的采样点数。

正/余弦采样值以及即时(CA_prompt)、超前(CA_early)和滞后(CA_late)伪随机码采样值都是用1bit量化补零成2bit，如表1所示，即量化值作为符号位，补一个零作为幅值位，并且将4个采样值存储成一个字节。

表1：正/余弦和伪随机码的补零方式

符号位	幅值位	值
			0	0	+1
1	0	-1

如附图2所示，累加表的产生方法是：将整数k(k＝0～65535)用16bit表示，并且按2bit为一组分成8组，每组的2bit对应值如表2所示，将8组2bit的值相加得到累加表的第k个值，累加表总共有65536个值。

表2  累加表中2bit对应的值

Bitl	Bit0	值
			0	0	+1
0	1	+3
			1	0	-1
1	1	-3

(2)GPS射频前端输出的中频采样数据通过USB接口实时传输到计算机上，软件每次读取1ms的GPS数据，并将GPS数据与本地正/余弦值和伪随机码值进行混合。混合方法如图4所示，每次读取1个word的GPS数据与本地正/余弦值和超前、即时、滞后伪随机码值进行异或。

(3)将混合后的结果以word为单位逐个输入累加表，并将累加表的输出相加，得到六个通道I_P、I_E、I_L、Q_P、Q_E、Q_L的相关值。

(4)根据相关值进行捕获、跟踪和解调处理。

捕获处理：捕获处理使用传统的串行搜索方法对GPS信号进行捕获，如果I_P²+Q_P²大于某一阈值，则说明有可能发现GPS信号。不改变本地载波频率和伪随机码起始值，对接下来的N毫秒GPS信号进行确认，如果有M次I_P²+Q_P²都大于阈值则认为捕获到GPS信号，接下来对该GPS卫星信号进行跟踪。否则改变伪随机码值或载波频率值，进行新的搜索。

跟踪处理：对载波使用锁频环FLL进行锁定，对伪随机码使用锁相环PLL进行锁定。每次跟踪处理后，FLL输出一个新的频率值f_L，选择与f_L最接近的正/余弦表中的频率点所对应的正余弦值作为下次处理时的本地载波值。而PLL输出一个伪随机码频率的调整值Δf_CA，将Δf_CA转换成对应的码相位调整Δphase。转换方法如公式3所示：

$\mathrm{\Δphase}=\frac{0.001\×\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{CA}}}{F_{\mathrm{CA}}/(16\×F_s)}---\left(3\right)$

其中Δphase是1ms内由于Δf_CA的存在而引起码相位的变化，F_CA为伪随机码频率，Fs为采样频率。

将上1ms的码相位值P_old用Δphase进行调整，得到新的码相位值P_new＝P_old+Δphase。如果P_new＞4则P_new＝P_new-4，下1ms读取GPS中频数据的起始点向后移动1Byte。如果P_new＜0则P_new＝P_new+4，下1ms读取GPS中频数据的起始点向前移动1Byte。选择与P_new最接近的伪随机码表中码相位对应的超前、即时、滞后伪随机码值作为下1ms处理时的本地伪随机码值。

解调处理：数据解调使用非相干FLL解调，如公式4所示：

I_P′＝I_P·cos(θ_c)+Q_P·sin(θ_c)    (4)

其中，I_P为即时同相通道相关累加输出，Q_P为即时正交通道相关累加输出，θ_c为当前载波相位，I_P′为当前解调出的数据位。

以上对1msGPS信号进行混合相关、捕获、跟踪、解调处理在12通道并行处理的情况下，能够在1ms内完成。因此使用本发明的方法，该实例中的软件接收处理系统能够实时对GPS信号进行12通道的并行处理，而且在软件在进行12通道并行实时处理的时候，CPU占用率不到30％，内存占用为23Mbyte。

Claims (3)

1.一种卫星定位信号的实时处理方法，其特征在于它包括以下步骤：

A.生成一维累加表、二维正/余弦表和三维伪随机码表；

B.读取一个周期的2bit量化的数字中频卫星信号，将数字中频信号与本地的正/余弦载波进行混合，得到混合后的正交信号(I)/同相信号(Q)；

C.将混合后的正交信号和同相信号，再与本地超前(E)、滞后(L)和即时(P)码进行混合，混合后的信号查累加表并将查表结果进行累加，得到同相超前(I_E)、同相滞后(I_L)、同相既时(I_P)和正交超前(Q_E)、正交滞后(Q_L)、正交即时(Q_P)，共六个相关累加结果；

D.根据步骤C得到的六个相关累加结果进行捕获、跟踪和解调处理；

E.重复步骤B、C、D，对数字中频卫星信号进行连续的、实时的处理。

2.根据权利要求1所述的一种卫星定位信号的实时处理方法，其特征在于：所说的步骤B中，数字中频信号与本地的正/余弦载波混合操作是以字为单位进行位异或运算。

3.根据权利要求1所述的一种卫星定位信号的实时处理方法，其特征在于：所说的步骤C中，正交信号(I)和同相信号(Q)与本地超前(E)、滞后(L)和即时(P)码的混合操作是以字为单位进行位异或运算。

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