CN110879402B - 一种gnss干涉测高中消除直流分量的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GNSS干涉测高中消除直流分量的系统及方法,所述系统包括:AD采集模块、设置在FPGA上的累加计算模块和设置在ARM上的直流去除模块;所述AD采集模块,用于将GNSS卫星直射中频和反射中频信号进行复数采样,获得直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号;所述累加计算模块,用于对四路采样信号进行统计求和、复数相关和积分累加计算;将计算结果信号输入直流去除模块;所述直流去除模块,用于对计算结果信号消除直流成分,由此获得消除直流成分的积分结果信号。本发明的系统能够实现实时的数字中频信号的直流分量去除,不需要硬件电路更动。
Description
技术领域
本发明属于GNSS干涉测高技术领域,涉及一种GNSS干涉测高中消除直流分量的系统及方法。
背景技术
经典高度测量方法是主动式测量,原理是测试设备主动发送脉冲信号,通过测量反射信号相对直射信号的时间延迟进而计算设备距离水面(地面)的距离。该方法的优点是测量精度高,可达到毫米级精度,但是缺点也比较突出,需要主动发射信号,需要测试设备具有较强的信号发射功率,并且同一时刻只能得到一次观测数据,利用GNSS信号测高的方法不需测试设备主动发送信号,而是被动接收GNSS卫星信号,接收机(测试设备)功耗大大降低,并且接收机可同时接收N个GNSS卫星的直射和反射信号,同一时刻可获取N个观测数据,大大提高测试结果的可信度和高度测量的准确度,图1为两种测高方法对比。
目前可被利用的GNSS导航系统包括:中国北斗导航系统、美国GPS导航系统、欧盟伽利略导航系统,还包括许多星基增强系统。GNSS卫星数量的大幅提升会进一步增加接收机可见卫星数量,从而大大提高高度测量精度。
利用GNSS信号测量高度原理是:接收机配置2个天线,分别接收GNSS卫星直接发送的信号(直射信号)和被水面(地面)反射过来的信号(反射信号),两个天线的相位中心已知,本地生成卫星复制码分别与直射信号和反射信号进行相关,得到DM(Delay-Map)相关波形,测量反射相关峰相对于直射相关峰之间的距离,进而计算出反射信号相对直射信号的路径延迟,结合接收机、GNSS卫星和镜面反射点的几何构型,计算接收机距离水面(地面)的距离。因此,相关波形极大值点位置精度决定了最终高度精度,根据信号相关特性,码速率越高,相关波形越陡峭,峰值点的精确度越高,测高精度越高。
本地复制码方法的优点是允许反射信号具有较低的信号功率电平,缺点也比较明显:本地复制码方法需要复制码是授权公开的,例如GPS L1C/A码(码速率1.023Mbps),然而GNSS卫星除了调制了公开码型外,还同时调制了多种码速率更高的未授权码,称之为精码。例如,GPS的L1频点上调制了C/A码、P码、M码,其中,P码和M码是军码,具有更高的码速率,由于码型未知无法使用,其他GNSS卫星也存在未公开的高速率的未授权码。
针对本地复制码的缺陷,提出了GNSS干涉测高方法,即直射和反射信号直接相关生成相关峰,该方法的优势是无需知道频点中的各个码型,所有高速和低速率的码型均参与相关运算,称为混合码相关,图2展示了L1频点混合码相关和L1/CA码相关的仿真结果对比,图中看,混合码相关最大限度了利用了高码速率码形成陡峭的相关波形带来的测量优势,大大提高了高度测量精度。虽然GNSS干涉相关方法测高精度高,但对输入信号要求较高:
1、直射和反射信号均需要较强的信噪比;
2、直反两路信号中不能包含时钟带来的单频谐波干扰;
3、直反两路信号中不能包含直流信号。
第一条可以使用高增益的阵列天线提升信号的信噪比,技术较为成熟,第二条需要射频设计的保证,通过设计基准时钟和中频频率,可以使时钟带来的谐波干扰信号排斥在中频宽带之外,设计时亦比较容易实现。然而,完全消除信号中的直流分量在工程实现中比较困难。
现有技术的做法是通过硬件设计在模拟信号阶段进行直流分量消除,中频信号进入AD采样前,通过了模拟减法器,FPGA实时计算数字中频信号的直流分量,经过数-模转换后反馈至减法器的输入端,进行直流分量消除,电路设计复杂,并且反馈的直流信号是上一段时间的统计结果,不能完全代替本时间的直流分量,因此,理论上不能实现直流信号的完全消除,见图5实现原理框图。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷,提出了一种简单高效的软件去除直流分量的系统,即通过FPGA与ARM相结合达到数字中频信号直流分量去除的目的,该系统不需要射频电路进行任何电路改进,只是在软件算法上进行技术更动。
为了实现上述目的,本发明提出了一种GNSS干涉测高中消除直流分量的系统,其特征在于,所述系统包括:AD采集模块、设置在FPGA上的累加计算模块和设置在ARM上的直流去除模块;
所述AD采集模块,用于将GNSS卫星直射中频和反射中频信号进行复数采样,获得直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号;
所述累加计算模块,用于对四路采样信号进行统计求和、复数相关和积分累加计算;将计算结果信号输入直流去除模块;
所述直流去除模块,用于对计算结果信号消除直流成分,由此获得消除直流成分的积分结果信号。
作为上述系统的一种改进,所述AD采集模块的具体实现过程为:
对GNSS卫星直射和反射两路信号分别进行复数采样,获得Ti点处直射I路采样信号Id、直射Q路采样信号Qd、反射I路采样信号Ir和反射Q路采样信号Qr:
Id=δ(Ti)*Sigd*cos(2*π*fs*Ti)
Qd=δ(Ti)*Sigd*sin(2*π*fs*Ti)
Ir=δ(Ti)*Sigr*cos(2*π*fs*Ti)
Qr=δ(Ti)*Sigr*sin(2*π*fs*Ti)
其中,Sigd为直射信号的模拟中频信号,Sigr为反射信号的模拟中频信号,fs为采样频率,Ti为采样时刻。
作为上述系统的一种改进,所述累加计算模块包括累加器、复数相关器和积分累加器;
所述累加器,用于对直射I路采样信号Id、直射Q路采样信号Qd、反射I路采样信号Ir和反射Q路采样信号Qr四路信号分别进行相干累加运算,获得直射I路累加结果SumId、直射Q路累加结果SumQd、反射I路累加结果SumIr和反射Q路累加结果SumQr:
其中,n为1ms内采样次数,Id,i为第i个直射I路采样信号,Qd,i为第i个直射Q路采样信号,Ir,i为第i个反射I路采样信号,Qr,i为第i个反射Q路采样信号;
所述复数相关器,用于对直射I路采样信号Id、直射Q路采样信号Qd、反射I路采样信号Ir和反射Q路采样信号Qr四路信号每个采样点进行复数相关运算,获得直-反相关后单采样点I路结果信号Ic和直-反相关后单采样点Q路结果信号Qc:
Ic=Id*Ir+Qd*Qr
Qc=Id*Qr-Qd*Ir
所述积分累加器,用于将单采样点I路结果信号Ic和单采样点Q路结果信号Qc各自进行1ms的相干累加,分别获得I路积分结果信号SumI和Q路积分结果信号SumQ:
其中,n为1ms内采样次数,Ic,i为直-反相关后第i个采样点I路结果信号,Qc,i为直-反相关后第i个采样点Q路结果信号。
作为上述系统的一种改进,所述直流分量去除模块的具体实现过程为:
将I路积分结果信号SumI、Q路积分结果信号SumQ、直射I路累加结果SumId、直射Q路累加结果SumQd、反射I路累加结果SumIr和反射Q路累加结果SumQr输入所述直流分量去除模块,获得去除直流分量后的I路积分结果信号SumI0和去除直流分量后的反射Q路积分结果SumQ0:
本发明还提出一种GNSS干涉测高中消除直流分量的方法,基于上述的系统实现,所述方法包括:
所述AD采集模块接收GNSS卫星直射中频和反射中频信号;将GNSS卫星直射中频和反射中频信号进行复数采样,获得直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号;
所述累加器对直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号四路信号分别进行相干累加运算,获得直射I路累加结果、直射Q路累加结果、反射I路累加结果和反射Q路累加结果;
所述复数相关器对直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号四路信号每个采样点进行复数相关运算,获得直-反相关后单采样点I路结果信号和直-反相关后单采样点Q路结果信号;
所述积分累加器对单采样点I路结果信号和单采样点Q路结果信号各自进行相干累加,分别获得I路积分结果信号和Q路积分结果信号;
所述直流分量去除模块将I路积分结果信号、Q路积分结果信号、直射I路累加结果、直射Q路累加结果、反射I路累加结果和反射Q路累加结果输入,获得去除直流分量后的I路积分结果信号和反射Q路积分结果。
作为上述方法的一种改进,所述直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号为:
Id=δ(Ti)*Sigd*cos(2*π*fs*Ti)
Qd=δ(Ti)*Sigd*sin(2*π*fs*Ti)
Ir=δ(Ti)*Sigr*cos(2*π*fs*Ti)
Qr=δ(Ti)*Sigr*sin(2*π*fs*Ti)
其中:Ti为采样时刻,Id为Ti点处直射I路采样信号,Qd为Ti点处直射Q路采样信号、Ir为Ti点处反射I路采样信号,Qr为Ti点处反射Q路采样信号,Sigd为直射信号的模拟中频信号,Sigr为反射信号的模拟中频信号,fs为采样频率。
作为上述方法的一种改进,所述直射I路累加结果、直射Q路累加结果、反射I路累加结果和反射Q路累加结果为:
其中,SumId为直射I路累加结果,SumQd为直射Q路累加结果、SumIr为反射I路累加结果,SumQr为反射Q路累加结果,n为1ms内采样次数,Id,i为第i个直射I路采样信号,Qd,i为第i个直射Q路采样信号,Ir,i为第i个反射I路采样信号Ir,Qr,i为第i个反射Q路采样信号。
作为上述方法的一种改进,,所述直-反相关后单采样点I路结果信号和直-反相关后单采样点Q路结果信号为:
Ic=Id*Ir+Qd*Qr
Qc=Id*Qr-Qd*Ir
其中,Ic为直-反相关后单采样点I路结果信号,Qc为直-反相关后单采样点Q路结果信号。
作为上述方法的一种改进,所述I路积分结果信号和Q路积分结果信号为:
其中,SumI为I路积分结果信号,SumQ为Q路积分结果信号,n为1ms内采样次数,Ic,i为直-反相关后第i个采样点I路结果信号,Qc,i为直-反相关后第i个采样点Q路结果信号。
作为上述方法的一种改进,所述去除直流分量后的I路积分结果信号和反射Q路积分结果,具体为:
其中,SumI0为去除直流分量后的I路积分结果信号,SumQ0为去除直流分量后的反射Q路积分结果。
本发明的优点在于:
1、现有技术是在原始模拟中频信号上进行直流分量剔除,电路设计复杂,本发明是在相关累加后,利用信号相关的特性和统计学原理直流分量消除在相关累加后的结果上进行直流成分去除,达到了单独在在模拟中频信号端消除直流成分相同的目的;
2、FPGA和ARM相结合,将简单高效的定点加减乘法在FPGA中运行,复杂的浮点运算在ARM中运行,发挥出各自的运算优势,并且节省了大量FPGA资源;
3、本发明对直流成分的消除效果明显优于模拟信号端消除直流成分的方法,且实现简单,不需要硬件电路更动,可以实现实时的数字中频信号的直流分量去除。
附图说明
图1是经典高度测量和利用GNSS信号高度测量原理对比图;
图2是L1频点混合码自相关和L1/CA本地码相关对比图;
图3是直流分量幅值是信号幅值50倍的直-反直接相关和无直流分量仿真结果对比图;
图4是直流分量幅值是信号幅值200倍的直-反直接相关和无直流分量仿真结果对比图;
图5是现有技术硬件去除直流分量实现框图;
图6是本发明软件去除直流分量实现框图;
图7是不进行直流分量去除实现框图;
图8是真实中频数字信号未经过直流分量去除和本发明经过直流分量去除结果对比。
附图标记
1、直射信号采集后I路Id;
2、直射信号采集后Q路Qd;
3、反射信号采集后I路Ir;
4、反射信号采集后Q路Qr;
5、直射I路累加结果SumId;
6、直射Q路累加结果SumQd;
7、反射I路累加结果SumIr;
8、反射Q路累加结果SumQr;
9、未经过直流去除且复数相关后I路积分结果SumI;
10、未经过直流去除且复数相关后Q路积分结果SumQ;
11、去除直流分量后I路积分结果SumI0;
12、去除直流分量后Q路积分结果SumQ0;
13、未经过直流去除的I路相关结果Ic;
14、未经过直流去除的Q路相关结果Qc;
15、未经过直流去除且复数相关后I路积分结果SumI;
16、未经过直流去除且复数相关后Q路积分结果SumQ。
具体实施方式
本发明的特点是:将FPGA和ARM软件相结合,发挥出各自的优势,再次依据统计学原理,改变现有技术在模拟中频信号输入端消除直流分量的思想,在信号相关后再进行直流分量消除,最终达到与现有技术直流分量消除相同的目的。如果相关前在FPGA中实现数字中频信号的直流分量消除,再进行相关,且达到理想的精度要求,需要增加中频采样数据的有效位数,并且乘法器和累加器需要支持浮点运算,这需要耗费大量的FPGA资源。如果全在ARM中实现相关前的数字中频信号直流分量消除,虽然ARM支持快速的浮点运算,但是大量且高速的数字中频采样数据仍需要占用非常多的ARM运算时间,影响ARM正常软件运行。结合上述优劣分析,发明了本次FPGA+ARM的软件直流分量消除方法,FPGA中实现简单高效的定点加减和乘法运算,ARM中实现复杂的浮点运算。FPGA中相关、相干累加完成之后,将结果送至ARM,ARM在该时间段内仅需计算一次浮点运算即可得到直流去除后的相关结果,大大缩短ARM运算时间,同时节省了大量FPGA资源。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
为了得到直射反射两个信号的互相关结果,需要对两路信号进行复数采样,得到Ti点处直射信号的IQ路采样信息Id、Qd和反射信号的IQ路采样信息Ir、Qr:
Id=δ(Ti)*Sigd*cos(2*π*fs*Ti) (1)
Qd=δ(Ti)*Sigd*sin(2*π*fs*Ti) (2)
Ir=δ(Ti)*Sigr*cos(2*π*fs*Ti) (3)
Qr=δ(Ti)*Sigr*sin(2*π*fs*Ti) (4)
其中:Sigd、Sigr分别为直射和反射信号的模拟中频信号,fs为采样频率,Id、Qd、Ir、Qr中分别包含了各自的直流分量,
Id=Id0+d0 (5)
Qd=Qd0+d1 (6)
Ir=Ir0+d2 (7)
Qr=Qr0+d3 (8)
其中:d0、d1、d2、d3分别为各个采样值中包含的直流分量,它们各不相同,分别为Id、Qd、Ir、Qr的期望值,它们包括模拟中频信号中的直流分量和AD采样带来的直流分量。Id0、Qd0、Ir0、Qr0则是我们最终需要的去除直流分量后的采样结果。
为了得到直-反直接相关的结果,需要对每个采样点进行复数相关运算:
Ic=Id*Ir+Qd*Qr (13)
Qc=Id*Qr-Qd*Ir (14)
其中,Ic、Qc为直-反直接相关后IQ输出,在FPGA中进行1ms的相干累加运算,得到1ms的互相关结果:
其中,n为1ms内采样次数,SumI、SumQ分别为1ms相干积分后的IQ结果,该结果中包含了直流分量成分,为了得到最终直流去除之后的相干积分结果,得到如下公式:
将公式5-12带入并化简,得到:
公式右边的第一部分则为带有直流分量情况下的直-反直接相关结果SumI、SumQ,第二部分可通过Id、Qd、Ir、Qr的累加值计算得到。因此在FPGA进行直-反相关操作的同时,还计算了Id、Qd、Ir、Qr的1ms相干的累加值,得到SumId、SumQd、SumIr、SumQr,并送给ARM软件,ARM软件利用公式(19)和(20)计算出了去除直流分量后的直-反直接相关结果SumI0、SumQ0。FPGA软件实现上只是增加了4个累加单元,对资源的消耗可以忽略不计。
下面结合附图说明软件直流去除的实施方法,图7是未经过直流分量去除的软件实现框图,图6是本发明的软件实现框图,通过两图的对比可以发现本方法的不同之处。直射中频信号和反射中频信号经过复数采样后,得到Id、Qd、Ir、Qr,送至FPGA的复数相关模块,经过复数相关后,得到直-反相关后的IQ路Ic、Qc,此时只为单采样点处的相关结果,为了提高信号的信噪比,需要对信号进行相干累加,得到相干累加后的积分结果SumI、SumQ,该结果送给ARM,在ARM中进行直流分量去除。在进行复数相关的同时,FPGA同时对Id、Qd、Ir、Qr分别进行相干累加运算,得到SumId、SumQd、SumIr、SumQr,同样送给ARM中的直流分量去除模块,直流分量去除模块的输出结果即为去除直流分量后的IQ路积分结果SumI0、SumQ0。
该方法在实际试验过程中得到了验证,图8是没有经过直流分量去除和使用该方法后直-反直接相关的结果对比,从测试结果上看,使用该方法后,直流分量得到有效去除。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种GNSS干涉测高中消除直流分量的系统,其特征在于,所述系统包括:AD采集模块、设置在FPGA上的累加计算模块和设置在ARM上的直流去除模块;
所述AD采集模块,用于将GNSS卫星直射中频和反射中频信号进行复数采样,获得直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号;
所述累加计算模块,用于对四路采样信号进行统计求和、复数相关和积分累加计算;将计算结果信号输入直流去除模块;
所述直流去除模块,用于对计算结果信号消除直流成分,由此获得消除直流成分的积分结果信号;
所述累加计算模块包括累加器、复数相关器和积分累加器;
所述累加器,用于对直射I路采样信号Id、直射Q路采样信号Qd、反射I路采样信号Ir和反射Q路采样信号Qr四路信号分别进行相干累加运算,获得直射I路累加结果SumId、直射Q路累加结果SumQd、反射I路累加结果SumIr和反射Q路累加结果SumQr:
其中,n为1ms内采样次数,Id,i为第i个直射I路采样信号,Qd,i为第i个直射Q路采样信号,Ir,i为第i个反射I路采样信号,Qr,i为第i个反射Q路采样信号;
所述复数相关器,用于对直射I路采样信号Id、直射Q路采样信号Qd、反射I路采样信号Ir和反射Q路采样信号Qr四路信号每个采样点进行复数相关运算,获得直-反相关后单采样点I路结果信号Ic和直-反相关后单采样点Q路结果信号Qc:
Ic=Id*Ir+Qd*Qr
Qc=Id*Qr-Qd*Ir
所述积分累加器,用于将单采样点I路结果信号Ic和单采样点Q路结果信号Qc各自进行1ms的相干累加,分别获得I路积分结果信号SumI和Q路积分结果信号SumQ:
其中,n为1ms内采样次数,Ic,i为直-反相关后第i个采样点I路结果信号,Qc,i为直-反相关后第i个采样点Q路结果信号。
2.根据权利要求1所述的GNSS干涉测高中消除直流分量的系统,其特征在于,所述AD采集模块的具体实现过程为:
对GNSS卫星直射和反射两路信号分别进行复数采样,获得Ti点处直射I路采样信号Id、直射Q路采样信号Qd、反射I路采样信号Ir和反射Q路采样信号Qr:
Id=δ(Ti)*Sigd*cos(2*π*fs*Ti)
Qd=δ(Ti)*Sigd*sin(2*π*fs*Ti)
Ir=δ(Ti)*Sigr*cos(2*π*fs*Ti)
Qr=δ(Ti)*Sigr*sin(2*π*fs*Ti)
其中,Sigd为直射信号的模拟中频信号,Sigr为反射信号的模拟中频信号,fs为采样频率,Ti为采样时刻。
4.一种GNSS干涉测高中消除直流分量的方法,基于权利要求2-3之一所述的系统实现,所述方法包括以下步骤:
所述AD采集模块接收GNSS卫星直射中频和反射中频信号;将GNSS卫星直射中频和反射中频信号进行复数采样,获得直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号;
所述累加计算模块的累加器对直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号四路信号分别进行相干累加运算,获得直射I路累加结果、直射Q路累加结果、反射I路累加结果和反射Q路累加结果;
所述累加计算模块的复数相关器对直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号四路信号每个采样点进行复数相关运算,获得直-反相关后单采样点I路结果信号和直-反相关后单采样点Q路结果信号;
所述累加计算模块的积分累加器对单采样点I路结果信号和单采样点Q路结果信号各自进行相干累加,分别获得I路积分结果信号和Q路积分结果信号;
所述直流去除模块将I路积分结果信号、Q路积分结果信号、直射I路累加结果、直射Q路累加结果、反射I路累加结果和反射Q路累加结果输入,获得去除直流分量后的I路积分结果信号和反射Q路积分结果;
所述直射I路累加结果、直射Q路累加结果、反射I路累加结果和反射Q路累加结果为:
其中,SumId为直射I路累加结果,SumQd为直射Q路累加结果、SumIr为反射I路累加结果,SumQr为反射Q路累加结果,n为1ms内采样次数,Id,i为第i个直射I路采样信号,Qd,i为第i个直射Q路采样信号,Ir,i为第i个反射I路采样信号Ir,Qr,i为第i个反射Q路采样信号。
5.根据权利要求4所述的GNSS干涉测高中消除直流分量的方法,其特征在于,所述直射I路采样信号、直射Q路采样信号、反射I路采样信号和反射Q路采样信号为:
Id=δ(Ti)*Sigd*cos(2*π*fs*Ti)
Qd=δ(Ti)*Sigd*sin(2*π*fs*Ti)
Ir=δ(Ti)*Sigr*cos(2*π*fs*Ti)
Qr=δ(Ti)*Sigr*sin(2*π*fs*Ti)
其中:Ti为采样时刻,Id为Ti点处直射I路采样信号,Qd为Ti点处直射Q路采样信号、Ir为Ti点处反射I路采样信号,Qr为Ti点处反射Q路采样信号,Sigd为直射信号的模拟中频信号,Sigr为反射信号的模拟中频信号,fs为采样频率。
6.根据权利要求5所述的GNSS干涉测高中消除直流分量的方法,其特征在于,所述直-反相关后单采样点I路结果信号和直-反相关后单采样点Q路结果信号为:
Ic=Id*Ir+Qd*Qr
Qc=Id*Qr-Qd*Ir
其中,Ic为直-反相关后单采样点I路结果信号,Qc为直-反相关后单采样点Q路结果信号。
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