CN110045397A - 一种基于fpga的l5信号捕获方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于卫星导航技术领域，公开了一种基于FPGA的L5信号捕获方法及装置。该方法包括：利用L1数字中频信号对当前卫星进行L1信号捕获；利用当前卫星发送的L1信号的伪码初始相位和多普勒频率，确定当前卫星发送的L1信号的比特边界；根据当前卫星发送的L1信号的多普勒频率确定当前卫星发送的L5信号的多普勒频率，根据当前卫星发送的L1信号的比特边界确定当前卫星发送的L5信号的伪码相位搜索区间；利用L5数字中频信号，在伪码相位搜索区间内对当前卫星进行搜索，确定当前卫星发送的L5信号的伪码初始相位。本发明能够快速捕获L5信号，且灵敏度较高，占用的硬件资源少。

Description

一种基于FPGA的L5信号捕获方法及装置
技术领域
本发明属于卫星导航技术领域，尤其涉及一种基于现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)的L5信号捕获方法及装置。
背景技术
全球定位系统(GPS，Global Positioning System)是由美国建立的全球定位系统，其利用GPS定位卫星，全天候的为用户提供卫星导航定位服务，也是目前使用最广泛的全球定位系统。
FPGA兼具灵活性和快速处理等优点，其内部是由规则的逻辑阵列组成，可以开发出专用芯片，使产品体积非常小，便于携带。FPGA内部拥有丰富的逻辑资源，其配置灵活，可对多通道数据进行并行处理，效率极高。因此，FPGA硬件平台是目前卫星导航技术领域中主流的硬件开发平台。
随着全球定位系统的发展，对新体制信号的捕获和跟踪日益成为了信号领域的焦点。L5信号是GPS现代化后采用的新结构的卫星导航信号，相比于旧体制信号L1信号，L5信号的结构截然不同。L5信号由两个幅度相等而相位正交的分量组成，一个分量载有卫星的导航电文(或称数据)，称之为数据通道(也称I通道)；另一个分量未载有数据，称之为导频通道(也称Q通道)。L5信号之所以引起关注，除了L5信号本身的结构优势以外，它还可以和L1信号联合使用以消除电离层的误差，实现双频定位。
然而，L5信号的I通道和Q通道的伪随机码周期仅1ms，且每毫秒调制不同的NH码，因此在FPGA硬件平台上实现传统时域相关方法直接对L5信号进行捕获不仅耗时长，而且灵敏度非常低。此外，在FPGA硬件平台实现频域并行码相位捕获方法对L5信号进行捕获，可利用FFT来实现捕获中的相关运算，虽然可以缩短捕获时长，但是因为L5的伪码周期是10230个码元，如果进行并行码相位捕获，在保证捕获精度的情况下，需要至少20460个点的FFT运算，这样会占用大量的逻辑资源。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供一种基于FPGA的L5信号捕获方法及装置，以至少解决现有技术捕获灵敏度低、耗时长、占用逻辑资源多等问题，能够快速捕获L5信号，且灵敏度较高，占用的逻辑资源少。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，提供一种基于FPGA的L5信号捕获方法，所述方法包括以下步骤：
S1、获取L1数字中频信号，利用所述L1数字中频信号对当前卫星进行L1信号捕获；
S2、若捕获到当前卫星发送的L1信号，则利用所述L1信号的伪码初始相位和多普勒频率，确定所述L1信号的比特边界；
S3、根据所述L1信号的多普勒频率，确定当前卫星发送的L5信号的多普勒频率；以及，根据所述L1信号的比特边界，确定当前卫星发送的L5信号的伪码相位搜索区间；
S4、获取L5数字中频信号，利用所述L5数字中频信号，在所述伪码相位搜索区间内对当前卫星进行搜索，确定当前卫星发送的L5信号的伪码初始相位。
第二方面，提供一种基于FPGA的L5信号捕获装置，包括：
获取单元，用于获取L1数字中频信号；
第一捕获单元，用于利用所述L1数字中频信号对当前卫星进行L1信号捕获；
确定单元，用于利用所述第一捕获单元捕获到当前卫星发送的L1信号的伪码初始相位和多普勒频率，确定所述L1信号的比特边界；以及，根据所述L1信号的比特边界，确定当前卫星发送的L5信号的伪码相位搜索区间；
第二捕获单元，用于根据所述L1信号的多普勒频率，确定当前卫星发送的L5信号的多普勒频率；
所述获取单元，还用于获取L5数字中频信号；
所述第二捕获单元，还用于利用所述L5数字中频信号，在所述伪码相位搜索区间内对当前卫星进行搜索，确定当前卫星发送的L5信号的伪码初始相位。
第三方面，提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述方法的步骤。
第四方面，提供一种FPGA硬件平台，所述FPGA硬件平台包括存储器和现场可编程门阵列，所述存储器存储有映射文件，所述映射文件被加载到所述现场可编程门阵列时能够实现如第一方面所述方法的步骤。
基于本发明上述方案，通过对当前卫星发送的GPS L1信号进行补货，得到伪码初始相位和多普勒频率，然后对L1信号进行比特同步，基于L1信号与L5信号的比特边界一致，多普勒频率存在固定的比例关系的前提，在L5比特边界的附近去搜索L5信号的码初始相位。这样一来，就能很快并且精准地锁定L5信号的伪码初始相位和多普勒频率，可以解决现有的FPGA硬件平台上实现的L5捕获方法捕获灵敏度低、耗时长、占用逻辑资源多等问题，能够快速捕获L5信号，且灵敏度较高，占用的逻辑资源也很少。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于FPGA的L5信号捕获方法的流程示意图；
图2为L1信号捕获过程原理框架图；
图3为L1信号比特同步过程的原理框架图；
图4为L5信号捕获过程的原理框架图；
图5为本发明实施例还提供了一种基于FPGA的L5信号捕获装置的组成示意图一；
图6为本发明实施例还提供了一种基于FPGA的L5信号捕获装置的组成示意图二；
图7为本发明实施例提供的一种状态转移图；
图8为本发明实施例还提供了一种FPGA硬件平台的组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明实施例提供的一种基于FPGA的L5信号捕获方法的流程示意图。
如图1所示，本发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获方法包括以下步骤：
S1、获取L1数字中频信号，利用L1数字中频信号对当前卫星进行L1信号捕获。
其中，所述的L1数字中频信号是由接收GPS接收机射频前端发送的。
S2、若捕获到当前卫星发送的L1信号，则利用所述L1信号的伪码初始相位和多普勒频率，确定当前卫星发送的L1信号的比特边界。
S3、根据当前卫星发送的L1信号的多普勒频率，确定当前卫星发送的L5信号的多普勒频率，以及，根据当前卫星发送的L1信号的比特边界，确定当前卫星发送的L5信号的伪码相位搜索区间。
S4、获取L5数字中频信号，利用L5数字中频信号，在伪码相位搜索区间内对当前卫星进行搜索，确定当前卫星发送的L5信号的伪码初始相位。
其中，所述的L5数字中频信号是由接收GPS接收机射频前端发送的。
优选的，在本发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获方法中，可采用重采样的思想对频率并行码相位捕获方法进行改进，完成对L1信号的捕获过程。其中，重采样的原理在于：首先对GPS L1中频数据进行重新采样，以L1伪码半个码片的时间内包含的中频数据进行累加，累加得到的数据作为重采样的一个样本数据，再利用重采样得到的数据进行L1信号的捕获。其中，L1伪码半个码元的时间内包含的中频点数由GPS L1信号的采样率决定。
也即，本发明实施例提供的上述基于FPGA的L5信号捕获方法中的步骤S1具体可以包括以下步骤：
1a、将L1数字中频信号分别与相位相差90°的两路本地载波信号相乘，得到I支路信号和Q支路信号；对I支路信号和Q支路信号分别进行重采样。
1b、利用当前多普勒频率对重采样得到的两路数据分别进行混频，对混频后得到的两路数据分别先进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)，再进行共轭处理，得到两路第一频域数据，以及，对本地伪码进行FFT，得到第二频域数据。
其中，当前多普勒频率为预设的多普勒频率搜索范围内的任一多普勒频率。
1c、将两路第一频域数据分别和第二频域数据进行复数相乘，并对复数相乘得到的两路数据进行快速傅里叶反变换((Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)，进而对IFFT结果求模。
1d、确定步骤1c中得到的所有模值中的最大值和次大值，并计算最大值和次大值的比值。
1e、若比值大于预设门限值，则确定捕获到当前卫星发送的L1信号，并且与最大值所在位置对应的伪码相位即为当前卫星发送的L1信号的伪码初始相位，当前多普勒频率即为当前卫星发送的L1信号的伪码初始相位。
示例性的，假设最大值为模值数据中的第10个数据，则当前卫星发送的L1信号的伪码初始相位即为本地伪码中第10个码元对应的伪码相位。
进一步的，上述方法还可以包括以下步骤：
1f、若比值小于或等于预设门限，则在多普勒频率搜索范围内重新选取当前多普勒频率，并返回至步骤1b，直至捕获到当前卫星发送的L1信号或搜索完多普勒频率搜索范围内的全部多普勒频率。若搜索完多普勒频率搜索范围内的全部多普勒频率后，未捕获到当前卫星发送的L1信号，则调整卫星编号，并返回至步骤1b。
示例性的，以下将结合图2所示的L1信号捕获过程原理框架图，对上述L1信号的捕获过程进行详细描述：
①对输入数据x(n)，先与载波的SIN()和COS()分量进行相乘，得到I和Q分量，剥离载波，然后用半码元速率对剥离载波之后的1ms数据进行重采样，得到2046个点的离散数据，将数据补零至4096个数据，计算4096点的FFT，将输入数据变换到频域X(k)；
②对于2ms伪码2046个码元，重新采样得到4092个半码元，补零至4096个数据，计算4096点的FFT，变换到频域Y(k)；
③取X(k)的复共轭，输出变为X*(k)；
④将X*(k)与Y(k)逐点相乘，结果为Z(k)；
④对Z(k)取逆FFT变换，变换到时域z(n)，求绝对值|z(n)|。绝对值|z(n)|就是输入L1信号与本地产生信号的相关值，共有2046个。
⑤求|z(n)|中的最大值和次大值，分别为相关值的最高峰和次高峰，门限为最高峰和次高峰的比值。判别是否达到门限值，若没有达到就调整多普勒频率，回到第一步，一直到能捕获信号为止，若一个周期后仍然未捕获到卫星，则调整卫星号，继续搜索。若达到了门限值，找出最大值的位置，计算出其在2046点数据中的对应位置，它就是伪码的初始相位，如果最大峰值由多普勒频率di产生，它就是输入信号的多普勒频率；
⑥当捕获到一颗星时，根据控制模块的要求，可以将伪码的初始相位和多普勒频率传给L1 20ms相干积分模块做L1的比特同步。
优选的，本发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获方法，在对GPS L1信号进行比特同步的过程中，可根据捕获到的伪码初始相位和多普勒频率做20ms的相干积分，再进行1s数据的非相干积分，移动非相干积分起始点获取20组非相干积分模值，再通过极大值搜索方法确定L1信号的比特边界。
即，在本发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获方法中，步骤S2具体可以包括以下步骤：
2a、根据中频频率和当前卫星发送的L1信号的多普勒频率，生成当前卫星发送的L1信号对应的本地载波信号。
具体的，可利用如下公式生成L1信号对应的本地载波：
其中，fi表示中频频率，fL1_dop表示L1信号的多普勒频率，fs表示采样频率。
2b、利用叠加多普勒频率的本地载波信号对L1数字中频信号进行载波剥离，得到I支路信号和Q支路信号。
2c、将I支路信号和Q支路信号分别与本地伪码进行相乘，得到两路复数数据；根据L1信号的伪码初始相位，确定两路复数数据的一个毫秒边界点。
2d、从当前毫秒边界点开始对两路复数数据连续做50次20ms的相干积分，得到对应的50个相干积分值；求取50个相干积分值的模值，进而对50个相干积分值的模值进行1s的非相干积分，得到一个对应的非相干积分值。
2e、将下一个毫秒边界点作为当前毫秒边界点，返回步骤2d，如此直至得到对应的20个非相干积分值。
2f、确定20个非相干积分值中的最大值及最大值在20个非相干积分值中的序号，该序号对应的毫秒边界点即L1信号的比特边界。
示例性的，以下将结合图3所示的L1信号比特同步过程的原理框架图，对上述L1信号的比特同步过程进行详细描述：
①对输入数据x(n)，先与叠加多普勒频率的载波SIN()和COS()分量进行相乘，得到I和Q分量，剥离载波，然后将剥离载波以后的数据与本地伪码相乘，得到复数数据y(n)；
②根据L1捕获的伪码初始相位找到输入信号的毫秒边界，选定一个毫秒边界，从当前的边界位置开始做20ms相干积分，得到积分值r；
③求取20ms积分值r的模值为|r|；
④求取1s的非相干积分值为s0＝|r0|+|r1|+|r2|+…+|r49|；
⑤移动20ms相干积分起始位置到下一毫秒边界，重复上述积分过程，得到1s的非相干积分值s1；
⑥移动19次20ms相干积分的位置，得到20组1s的非相干积分值s0,s1,…,s19；
⑦找出这20组非相干积分值的最大值以及最大值在这20组数据中的相应序号，该序号所对应的20ms积分起始位置就是输入信号的比特边界。
一种具体的实现方式中，本发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获方法的步骤S3中，根据当前卫星发送的L1信号的多普勒频率，确定当前卫星发送的L5信号的多普勒频率，具体可以包括：
根据当前卫星发送的L1信号的多普勒频率，利用预设公式，计算得到当前卫星发送的L5信号的多普勒频率。
其中，所述预设公式包括：式中，fdop_L5表示当前卫星发送的L5信号的多普勒频率，fL1表示当前卫星发送的L1信号的载波频率，fL5表示当前卫星发送的L5信号的载波频率，fdop_L1表示当前卫星发送的L1信号的多普勒频率。
优选的，本发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获方法的步骤S3中，根据当前卫星发送的L1信号的比特边界，确定当前卫星发送的L5信号的伪码相位搜索区间，具体可以包括：
将以当前卫星发送的L1信号的比特边界为中心的786个数据点区间确定为L5信号的伪码相位搜索区间。
优选的，本发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获方法，在根据获取的L1信号的多普勒频率和比特边界计算得到L5的多普勒频率和比特边界后，可通过在L5的比特边界的附近区间搜索20ms相干积分的最大值，再通过门限值判决L5的伪码初始相位。
也即，发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获方法的步骤S4中，利用L5数字中频信号，在伪码相位搜索区间内对当前卫星进行搜索，确定当前卫星发送的L5信号的伪码初始相位具体包括以下步骤：
4a、根据中频频率和当前卫星发送的L5信号的多普勒频率，生成当前卫星发送的L5信号对应的本地载波信。
具体的，可利用如下公式生成当前卫星发送的L5信号对应的本地载波：
其中，fi表示中频频率，fL5_dop表示L5信号的多普勒频率，fs表示采样频率。
4b、利用当前卫星发送的L5信号对应的本地载波信号对L5数字中频信号进行载波剥离，得到I支路信号和Q支路信号。
4c、将I支路信号和Q支路信号分别与本地伪码进行相乘，得到两路复数数据；将伪码相位搜索区间内的第一个数据点作为当前搜索位置。
4d、将当前搜索位置作为当前相干积分的起始点，对两路复数数据做1ms的相干积分求和，得到第一复数数据。
4e、将第一复数数据与本地NH码进行相乘，得到剥离L5信号导频通道的NH码后的复数数据，记作第二复数数据。
4f、对第二复数数据做20ms的相干积分求和，得到对应的积分值，并求取积分值的模值。
4g、将伪码相位搜索区间内当前搜索位置的向后移动3个位置的数据点作为新的当前搜索位置，返回步骤4d。
4h、重复执行步骤4d-4g，直至搜索完伪码相位搜索区间内的全部数据点，得到256个模值。
4i、确定256个模值中的最大值以及和最大值左右相邻的两个模值，求取256模值中其余253个模值的平均值，计算最大值和平均值的比值，将比值与预设的判决门限值进行比较：若比值大于或等于判决门限值，则确定捕获到当前卫星发送的L5信号，并且最大值对应的相干积分起始点即L5信号的伪码初始相位；否则，确定未捕获到当前卫星发送的L5信号。
其中，需要说明的是，本领域技术人员可以理解，无论最终是否捕获到当前卫星发送的L5信号，均需要在本次对当前卫星的捕获结束后，调整卫星编号，继续搜索下一颗卫星发送的L5信号。
示例性的，以下将结合图4所示的L5信号捕获过程的原理框架图，对上述L5信号的比特同步过程进行详细描述：
①对输入L5中频数据u(n)，先与叠加L5多普勒频率的L5载波SIN()和COS()分量进行相乘，得到I和Q分量，剥离载波，然后将剥离载波以后的数据与本地伪码相乘，得到复数数据v(n)；
②设定L5的伪码相位搜索区间为768个数据点，在L5输入信号的比特边界附近的相位搜索区间内的第一个搜索位置开始对v(n)做1ms的相干积分求和，得到复数数据q0(n)；
③将复数数据q0(n)与L5本地NH码相乘，剥离L5信号的导频通道的NH码，得到复数数据p0(n)；
④对复数数据做20ms的相干积分求和得到复数数据w0(n)，并求取积分模值|w0|；
⑤在相位搜索区间内从上一个搜索位置向后移动3个数据点作为第二个相干积分起始点，开始对v(n)做1ms的相干积分求和，得到复数数据q1(n)；
⑥重复上述步骤③、④，获得积分模值|w1|；
⑦在搜索区间内继续间隔3个数据点往后移动积分起始点，直到搜索完设定的搜索区间，可以获得256组积分模值|w0|、|w1|、…、|w255|；
⑧求取这256组积分模值中的最大值Max，以及和最大值相邻的两个模值Sec_l和Sec_r，然后求取剩余253个模值的平均值Average，设定门限值为5，若最大值与平均值的比值不小于门限值，则L5捕获成功，否则捕获失败。若捕获成功，则找到积分模值的最大值对应的积分起始点位置，积分起始点位置就是L5输入信号的初始伪码相位。捕获结束后，将卫星号加一，继续搜索L5下一颗卫星。
本发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获方法中，通过对当前卫星发送的GPSL1信号进行补货，得到伪码初始相位和多普勒频率，然后对L1信号进行比特同步，基于L1信号与L5信号的比特边界一致，多普勒频率存在固定的比例关系的前提，在L5比特边界的附近去搜索L5信号的码初始相位。这样一来，就能很快并且精准地锁定L5信号的伪码初始相位和多普勒频率，可以解决现有的FPGA硬件平台上实现的L5捕获方法捕获灵敏度低、耗时长、占用逻辑资源多等问题，能够快速捕获L5信号，且灵敏度较高，占用的逻辑资源也很少。
基于上述方法，本发明实施例还提供了一种基于FPGA的L5信号捕获装置50，该装置通过FPGA硬件平台来实现。如图5所示，所述装置50具体包括：获取单元501、第一捕获单元502、确定单元503以及第二捕获单元504。
其中，获取单元501，用于获取L1数字中频信号。
第一捕获单元502，用于利用L1数字中频信号对当前卫星进行L1信号捕获。
确定单元503，用于利用第一捕获单元501捕获到当前卫星发送的L1信号的伪码初始相位和多普勒频率，确定L1信号的比特边界；以及，根据L1信号的比特边界，确定当前卫星发送的L5信号的伪码相位搜索区间。
第二捕获单元504，用于根据L1信号的多普勒频率，确定当前卫星发送的L5信号的多普勒频率。
获取单元501，还用于获取L5数字中频信号。
第二捕获单元504，还用于利用L5数字中频信号，在伪码相位搜索区间内对当前卫星进行搜索，确定当前卫星发送的L5信号的伪码初始相位。
进一步的，如图6所示，本发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获装置中的各单元具体又可划分为以下模块：时钟产生模块、GPS L1信号存储模块、L1载波振荡器模块、L1载波剥离模块、L1伪码产生模块、L1重采样模块、L1混频模块、FFT/IFFT模块、L1门限判决和初始相位计算模块、L1 20ms相干积分模块、L1非相干积分和极大值搜索模块、L5载波振荡器模块、L5载波剥离模块、L5伪码产生模块、L5伪码剥离模块、L5 1ms相干积分模块、L5NH码产生模块、L5NH码剥离模块、L5 20ms相干积分模块、L5门限判决和初始相位计算模块。
参见图6，本发明实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获装置的工作原理如下：
时钟产生模块根据系统时钟产生采样率时钟，GPS L1信号存储模块根据L1采样率时钟对射频前端来的GPS中频L1信号进行存储；载波振荡器模块根据L1采样率时钟产生本地载波，L1载波剥离模块连接L1载波振荡器模块和GPS L1信号存储模块，将L1载波SIN值和COS值与GPS中频L1信号进行相乘对GPS中频L1信号剥离载波；L1重采样模块连接L1载波剥离模块，对剥离载波之后的数据按半码片的采样率进行重采样，重采样之后的数据送入L1混频模块；混频模块将带有多普勒频偏的L1信号与本地设定的多普勒频率的SIN值和COS值相乘，去掉多普勒频偏，去掉多普勒之后的数据送入FFT模块进行FFT运算；L1伪码产生模块根据系统时钟产生本地L1伪码，并将产生的伪码送入到FFT模块进行FFT运算；两个FFT模块根据系统时钟分别对去掉多普勒频偏的数据和伪码同时进行FFT运算；两个FFT运算之后的数据进行相乘然后送入IFFT模块进行IFFT运算；L1门限判决和初始相位计算模块连接IFFT模块，根据IFFT运算之后的数据进行门限判决，得到L1伪码初始相位和多普勒频率。由捕获得到的L1伪码初始相位找到L1信号的1ms边界，从边界位置开始对GPS中频L1信号剥离载波，然后去掉多普勒频偏，将剥离载波和多普勒之后的数据送入L1 20ms相干积分模块进行20ms的相干积分，将连续50次的相干积分的结果送入L1非相干积分模块，做非相干积分，得到一个非相干积分值，调整L1 20ms相干积分起始点到下一个1ms边界，重复上述操作，这样连续调整19次，得到20组非相干积分值，将20组非相干积分值送入极大值搜索模块，确定最大值所对应的1ms边界，该边界即为L1信号的比特边界；L5载波振荡器模块根据L5采样率时钟产生本地载波，L5载波剥离模块将L5载波SIN值和COS值与GPS中频L5信号进行相乘对GPS中频L5信号剥离载波；L5伪码产生模块根据L5工作时钟产生本地L5伪码，将产生的L5伪码与剥离载波以后的L5信号送入L5伪码剥离模块，将L5伪码与剥离载波以后的L5信号相乘剥离L5的伪码，将剥离伪码之后的数据送入L5 1ms相干积分模块；L5本地NH产生模块根据L5工作时钟产生本地L5NH码，确定L5伪码相位搜索区间，从区间的起始点开始做1ms相干积分，将积分结果送入L5NH码剥离模块剥离L5导频分量的NH码，将剥离NH码之后的积分数据送入L5 20ms相干积分模块进行20ms的相干积分，在搜索区间内向右移动1ms积分起始点，重复上述过程，依次这样移动积分起始点，直到搜索区间搜索完毕，得到256组20ms相关积分数据，然后将这256组20ms积分数据送入L5门限判决和初始相位计算模块，计算256组积分数据的模值和所有模值的平均值，然后计算最大模值与平均模值的比值，将该比值与门限值ratio比较去判决L5是否捕获成功，若捕获成功，计算出最大模值对应的积分起始点，该起始点即为L5的初始码相位。
其中，上述工作过程可通过Mealy型的状态机来实现，图7所示为对应的状态转移图。参见图7，一共包括11个状态，分别是：复位，等待开始写L1中频数据，等待写L1中频数据RAM满，产生L1开始捕获信号，等待一次捕获结束，多普勒步进加60Hz，L1捕获结束，L1比特同步，产生L5开始捕获信号，等到L5捕获结束，卫星号加一。通过图7所示的状态转移图即可实现本发明实施例所述方法的流程。
需要说明的是：上述实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获装置在进行捕获时，仅以上述各程序模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述处理分配由不同的程序模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的程序模块，以完成以上描述的全部或者部分处理。另外，上述实施例提供的基于FPGA的L5信号捕获装置与捕获方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，其有益效果同方法实施例，这里不再赘述。
为了实现本发明实施例提供的方法，本发明实施例还提供了一种FPGA硬件平台80，如图8所示，包括：存储器801和现场可编程门阵列802。其中，所述存储器801存储有映射文件，所述映射文件被加载到所述现场可编程门阵列802时能够实现本发明实施例前述所述方法的步骤。
此外，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，上述计算机程序可由处理器执行，以完成前述方法所述步骤。计算机可读存储介质可以是磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagnetic random access memory)、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-OnlyMemory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，Electrically Erasa ble Prog ramma ble Read-Only Memory)、快闪存储器(Flash Memory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)等存储器。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的L5信号捕获方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、获取L1数字中频信号，利用所述L1数字中频信号对当前卫星进行L1信号捕获；
S2、若捕获到当前卫星发送的L1信号，则利用所述L1信号的伪码初始相位和多普勒频率，确定所述L1信号的比特边界；
S3、根据所述L1信号的多普勒频率，确定当前卫星发送的L5信号的多普勒频率；以及，根据所述L1信号的比特边界，确定当前卫星发送的L5信号的伪码相位搜索区间；
S4、获取L5数字中频信号，利用所述L5数字中频信号，在所述伪码相位搜索区间内对当前卫星进行搜索，确定当前卫星发送的L5信号的伪码初始相位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：
1a、将所述L1数字中频信号分别与相位相差90°的两路本地载波信号相乘，得到I支路信号和Q支路信号；对所述I支路信号和所述Q支路信号分别进行重采样；
1b、利用当前多普勒频率对重采样得到的两路数据分别进行混频，对混频后得到的两路数据分别先进行快速傅里叶变换FFT，再进行共轭处理，得到两路第一频域数据；以及，对本地伪码进行FFT，得到第二频域数据；
其中，所述当前多普勒频率为预设的多普勒频率搜索范围内的任一多普勒频率；
1c、将所述两路第一频域数据分别和所述第二频域数据进行复数相乘，并对复数相乘得到的两路数据进行快速傅里叶反变换IFFT，进而对IFFT结果求模；
1d、确定步骤1c中得到的所有模值中的最大值和次大值，并计算所述最大值和次大值的比值；
1e、若所述比值大于预设门限值，则确定捕获到当前卫星发送的L1信号，并且与所述最大值所在位置对应的伪码相位即为所述L1信号的伪码初始相位，所述当前多普勒频率即为所述L1信号的多普勒频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
1f、若所述比值小于或等于所述预设门限，则在所述多普勒频率搜索范围内重新选取当前多普勒频率，并返回至步骤1b，直至捕获到当前卫星发送的L1信号或搜索完所述多普勒频率搜索范围内的全部多普勒频率；
若搜索完所述多普勒频率搜索范围内的全部多普勒频率后，未捕获到当前卫星发送的L1信号，则调整卫星编号，并返回至步骤1b。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：
2a、根据中频频率和所述L1信号的多普勒频率，生成所述L1信号对应的本地载波信号；
2b、利用所述叠加多普勒频率的本地载波信号对所述L1数字中频信号进行载波剥离，得到I支路信号和Q支路信号；
2c、将所述I支路信号和所述Q支路信号分别与本地伪码进行相乘，得到两路复数数据；根据所述L1信号的伪码初始相位，确定所述两路复数数据的一个毫秒边界点；
2d、从当前毫秒边界点开始对所述两路复数数据连续做50次20ms的相干积分，得到对应的50个相干积分值；求取所述50个相干积分值的模值，进而对所述50个相干积分值的模值进行1s的非相干积分，得到一个对应的非相干积分值；
2e、将下一个毫秒边界点作为当前毫秒边界点，返回步骤2d，如此直至得到对应的20个非相干积分值；
2f、确定所述20个非相干积分值中的最大值及所述最大值在所述20个非相干积分值中的序号，该序号对应的毫秒边界点即所述L1信号的比特边界。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述根据所述L1信号的多普勒频率，确定当前卫星发送的L5信号的多普勒频率，具体包括：
根据所述L1信号的多普勒频率，利用预设公式，计算得到当前卫星发送的L5信号的多普勒频率；
其中，所述预设公式包括：式中，fdop_L5表示当前卫星发送的L5信号的多普勒频率，fL1表示L1信号的载波频率，fL5表示L5信号的载波频率，fdop_L1表示当前卫星发送的L1信号的多普勒频率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述根据所述L1信号的比特边界，确定当前卫星发送的L5信号的伪码相位搜索区间，具体包括：
将以所述L1信号的比特边界为中心的786个数据点区间确定为所述L5信号的伪码相位搜索区间。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S4中，所述利用所述L5数字中频信号，在所述伪码相位搜索区间内对当前卫星进行搜索，确定当前卫星发送的L5信号的伪码初始相位具体包括以下步骤：
4a、根据中频频率和当前卫星发送的L5信号的多普勒频率，生成所述L5信号对应的本地载波信号；
4b、利用所述L5信号对应的本地载波信号对所述L5数字中频信号进行载波剥离，得到I支路信号和Q支路信号；
4c、将所述I支路信号和所述Q支路信号分别与本地伪码进行相乘，得到两路复数数据；将所述伪码相位搜索区间内的第一个数据点作为当前搜索位置；
4d、将所述当前搜索位置作为当前相干积分的起始点，对所述两路复数数据做1ms的相干积分求和，得到第一复数数据；
4e、将所述第一复数数据与本地NH码进行相乘，得到剥离L5信号导频通道的NH码后的复数数据，记作第二复数数据；
4f、对所述第二复数数据做20ms的相干积分求和，得到对应的积分值，并求取所述积分值的模值；
4g、将所述伪码相位搜索区间内所述当前搜索位置的向后移动3个位置的数据点作为新的当前搜索位置，返回步骤4d；
4h、重复执行步骤4d-4g，直至搜索完所述伪码相位搜索区间内的全部数据点，得到256个模值；
4i、确定所述256个模值中的最大值以及和所述最大值左右相邻的两个模值，求取所述256模值中其余253个模值的平均值，计算所述最大值和所述平均值的比值，将所述比值与预设的判决门限值进行比较：若所述比值大于或等于所述判决门限值，则确定捕获到当前卫星发送的L5信号，并且所述最大值对应的相干积分起始点即L5信号的伪码初始相位；否则，确定未捕获到当前卫星发送的L5信号。
8.一种基于FPGA的L5信号捕获装置，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取L1数字中频信号；
第一捕获单元，用于利用所述L1数字中频信号对当前卫星进行L1信号捕获；
确定单元，用于利用所述第一捕获单元捕获到的当前卫星发送的L1信号的伪码初始相位和多普勒频率，确定所述L1信号的比特边界；以及，根据所述L1信号的比特边界，确定当前卫星发送的L5信号的伪码相位搜索区间；
第二捕获单元，用于根据所述L1信号的多普勒频率，确定当前卫星发送的L5信号的多普勒频率；
所述获取单元，还用于获取L5数字中频信号；
所述第二捕获单元，还用于利用所述L5数字中频信号，在所述伪码相位搜索区间内对当前卫星进行搜索，确定当前卫星发送的L5信号的伪码初始相位。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
10.一种FPGA硬件平台，其特征在于，所述FPGA硬件平台包括存储器和现场可编程门阵列，所述存储器存储有映射文件，所述映射文件被加载到所述现场可编程门阵列时能够实现如权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
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