CN110895342A - 一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法 - Google Patents

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Abstract

一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法，首先通过射频前端对接收到的GNSS卫星信号进行下变频处理为中频信号，然后经过模数(A/D)转换器将中频信号转变成数字中频信号，进行载波剥离得到扩频信号，再对扩频信号进行低通滤波器、抽取采样等过程得到基带信号，然后每次同时将K个不同相位本地伪码与基带信号进入分段并行相关累加，得出K个相应码相位的相关值；再依次移动M‑1次K个码相位进行同时搜索，直至遍历一个码周期，得到M个相关值模方的最大值并保存，将M个最大值比较选择最大值，进行与门限进行比较，如果大于门限值则说明信号捕获成功，如果小于门限说明信号捕获不成功，反馈步进下一个频率进行码相位搜索，直至捕获成功为止。

Description

一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法
技术领域
本发明涉及北斗卫星导航接收机的信号捕获技术，具体指的是一种基于FPGA的多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法。
背景技术
随着全球导航卫星系统(GNSS)在航空航天、陆地交通、海上搜救、大地测绘、武器制导等国防建设和国民经济领域的普遍应用，我国BDS、美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧洲伽利略都在加快导航技术的研究与发展。卫星导航接收机的主要任务是对接收信号进行基带处理，获取导航电文和观测量，实现定位定时功能。首先，卫星导航接收机需要对接收的卫星信号进行基带处理，完成信号的捕获和跟踪。捕获部分主要实现对卫星信号伪码码相位和载波多普勒频移的估计，为跟踪环提供频率和码相位的初始值，因此捕获算法是卫星导航接收机的核心关键技术。
载波同步和伪码同步是实现GNSS信号捕获成功的关键问题，关于信号的捕获算法主要包括：串行搜索、并行频率搜索、并行码相位搜索及混合串并行搜索。由于传统的接收机采用滑动搜索的方法，使接收机在实现冷启动、信号重捕时都需要较长时间，同时在高动态及弱信号的环境下应用不理想。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于FPGA的多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法，能够减少捕获时间，且易于工程化实现。
本发明的技术方案：一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法，其步骤包括：
步骤1：首先通过接收机射频前端对接收到的北斗卫星B3频点信号进行下变频处理，经A/D采样后，得到数字中频信号；
步骤2：根据载波频率，利用载波NCO生成的本地载波与输入的中频数字信号对应点相乘，进行载波剥离，得到基带信号；
步骤3：调用码NCO产生模块，据码速率从主时钟得到伪码速率时钟使能信号；
步骤4：通过码时钟使能信号把步骤2中的主时钟采样率的中频基带信号进行累积降速处理，生成码时钟采样率的降速基带信号；将降速后的基带信号实时缓存到存储器中，存储深度为N点，将基带信号平均分成L段，每个子段长度为P点，且有P＝N/L；
步骤5：在码时钟使能信号下同时生产K路不同相位的长度为N的本地C/A码，并将每个相位的本地C/A码均分成L段，每个子段长度为P点,且有P＝N/L；
步骤6：将步骤5产生的K个相位的本地C/A码与步骤4中的基带信号同时送入K通道分段并行相关累加器组中，实现每次K个相位的搜索，且得到K路相关值；
步骤7：将步骤6得到的K路相关累积值取模方，通过多路选择器择大输出并存储；
步骤8：每个通道每次移动K个码相位生产本地伪码，重复步骤5～7；
步骤9：将本轮的最大相关值与判决门限进行比较，如果超过门限，则判定捕获成功，而产生最大相关值的那一通道相关器所对应的相位即为正确码相位，进入跟踪环路；
步骤10：如果小于门限说明信号捕获不成功，移动载波多普勒频偏进行下一轮捕获。
进一步，所述步骤1：得到数字中频信号，由以下式子来表示：
S(i)(t)＝AD(t)C(t)cos(2πfit+θi)+n(t)
其中，S(i)(t)为卫星i的中频信号，A为幅值，D(t)为导航数据，C(t)为C/A码，θi为初始相位，fi为载波频率，n(t)为噪声；
进一步，步骤2：得到基带信号表达式如下：
Figure BDA0002202824750000021
其中，cos(2πfjt)为本地载波，fj为本地载波频率，n'(t)为噪声；
对该相乘后的信号进行低通滤波，使只有fe＝fi-fj绝对值足够小时通过，那么相乘后的信号S'(i)(t)为：
Figure BDA0002202824750000031
进一步，步骤5中：K路不同相位的长度为N的本地C/A码，每路C/A码对应的码相位依次相差0.5个码片。
进一步，步骤6中：K路分段并行相关累加器组的实现方法(如图)为：将要搜索的N个码相位分为M段，每段K个相位单元。用K路分段并行相关累加器组对步骤4中基带信号和步骤5中本地C/A码同时进行分段并行相关运算，每次搜索K个码相位，得出K个相应码相位的相关值。各路分段并行相关累加器的系数对应的码相位依次相差0.5个码片。即t＝m(m＝1,……,M)时刻，分段并行相关器组搜索的相位为(m-1)K,(m-1)K+1,(m-1)K+2,……,mK-1，输出对K路相关值。
进一步，步骤9中：产生最大相关值的那一路相关累加器所对应的即为正确码相位为：若在t＝m时刻，分段并行相关累加器k的输出值最大且超过门限，则此时基带信号的码相位对应为(m-1)K+(k-1)。
将基带信号和本地C/A码同时进行分段并行相关运算的方法为：本地C/A码与基带信号分别存放于不同的存储器中，并将每P点C/A码和基带信号分别存入一个子存储器中，则存储第k路分段并行相关器所需的N点C/A码需要L个子存储器。将对应子存储器里的C/A码和基带信号并行进行P点相关累加运算，共输出L个相关值，然后将L个相关值进行累加，得到第k路码相位的相关值。其他路码相位亦如第k路。
本发明带来的有益效果：
1.本发明在基于串并混合捕获基础上，利用多通道码相位和分段并行相关累积来进行信号的快速捕获，并在FPGA上易于工程化实现，为高动态和信号较弱环境下长码的快速捕获提供了具有参考价值解决方案。
2.本发明通过K通道码相位分段并行相关累积器组进行相关运算，其一次可对K个码相位进行并行搜索，同时对接收信号和本地伪码进行分段并行相关累积，极大的提高了捕获的搜索速度。
附图说明
图1为基于FPGA的多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法原理框图；
图2为第k路码相位分段并行相关累积器的实现方法的原理图；
图3为K路码相位分段并行相关累积器的实现方法示意图；
图4为基于FPGA的多路码相位分段并行相关累积的快速捕获流程图。
具体实施方式
参见图1～图4，基于基于FPGA的多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法含有下列步骤：
步骤1：首先通过接收机射频前端对接收到的北斗卫星B3频点信号进行下变频处理，经A/D采样后，得到数字中频信号；
步骤2：根据载波频率，利用载波NCO生成的本地载波与输入的中频数字信号对应点相乘，进行载波剥离，得到基带信号；
步骤3：调用码NCO产生模块，据码速率从主时钟得到伪码速率时钟使能信号；
步骤4：通过码时钟使能信号把步骤2中的主时钟采样率的中频基带信号进行累积降速处理，生成码时钟采样率的降速基带信号。将降速后的基带信号实时缓存到存储器中，存储深度为N点，将基带信号平均分成L段，每个子段长度为P点，且有P＝N/L；
步骤5：在码时钟使能信号下同时生产K路不同相位的长度为N的本地C/A码，并将每个相位的本地C/A码均分成L段，每个子段长度为P点,且有P＝N/L；
步骤6：将步骤5产生的K个相位的本地C/A码与步骤4中的基带信号的同时送入K通道分段并行相关累加器组中，实现每次K个相位的搜索，且得到K路相关累积值。
步骤7：将步骤6得到的K路相关累积值取模方，通过多路选择器择大输出并存储。
步骤8：每个通道每次移动K个码相位生产本地伪码，重复步骤5～7。判断是否完成N次码相位搜索(实际并行搜索M＝N/K次)，获取本轮搜索最大值及对相应的码相位和载波多普勒信息。
步骤9：将本轮的最大相关值与判决门限进行比较，如果超过门限，则判定捕获成功，而产生最大相关值的那一通道相关器所对应的相位即为正确码相位，进入跟踪环路；
步骤10：如果小于门限说明信号捕获不成功，移动载波多普勒频偏进行下一轮捕获。
步骤5中：K路不同相位的长度为N的本地C/A码，每路C/A码对应的码相位依次相差0.5个码片。
步骤6中：K路分段并行相关累加器组的实现方法(如图3)为：将要搜索的N个码相位分为M段，每段K个相位单元。用K路分段并行相关累加器组对步骤4中基带信号和步骤5中本地C/A码同时进行分段并行相关运算，每次搜索K个码相位，得出K个相应码相位的相关值。各路分段并行相关累加器的系数对应的码相位依次相差0.5个码片。即t＝m(m＝1,……,M)时刻，分段并行相关器组搜索的相位为(m-1)K,(m-1)K+1,(m-1)K+2,……,mK-1，输出对K路相关值。
步骤9中：产生最大相关值的那一路相关累加器所对应的即为正确码相位为：若在t＝m时刻，分段并行相关累加器k的输出值最大且超过门限，则此时基带信号的码相位对应为(m-1)K+(k-1)。
将基带信号和本地C/A码同时进行分段并行相关运算的方法(如图2)为：本地C/A码与基带信号分别存放于不同的存储器中，并将每P点C/A码和基带信号分别存入一个子存储器中，则存储第k路分段并行相关器所需的N点C/A码需要L个子存储器。将对应子存储器里的C/A码和基带信号并行进行P点相关累加运算，共输出L个相关值，然后将L个相关值进行累加，得到第k路码相位的相关值。其他路码相位亦如第k路。
下面对本发明做进一步详细的描述：
多路码相位分段并行相关累积快速捕获方法基于K个通道码相关器以及分段并行相关累积来进行信号的快速搜索，快捕模块包含K个通道进行并行码相位搜索，每个通道共用实时缓存的数据。本发明将中频数字信号与本地复制载波进行载波剥离，转换为基带信号，将K个不同初始码相位的本地C/A码与基带信号均分成相同子段，并同时送入K通道码相位分段并行相关器，每个通道分别与一个码周期内的所有C/A码做并行快速相关，将部分相关值做累加运算，输出K个通道的I、Q支路信号信息，分别取模方进行比较选择较大输出，与若大于捕获门限，则捕获成功。
基于北斗卫星的信号实时并行快速捕获程序流程如下(如图4)。
首先，DSP初始化并触发FPGA快速捕获模块等，进入402；
S402将中频数字信号与载波NCO产生的本地复制载波做进行载波剥离，经伪码时钟进行降采样后转换为基带信号，并进行分段处理及存储；
S403产生K个不同码相位的长度为N的本地C/A码，进行分段存储，进入S404、S405
S404 K个通道码相位分段并行捕获滤波器进行同时进行分段相关运算，S405每个通道分别同时进行L段对应的本地C/A码与基带信号做P点相关运算，然后对L个相关值累加，获得K个结果，进入S406；
S406对K个相关结果取模方，比较选择最大值存储，进入S407；
S407判断是否完成N次码相位搜索(实际搜索M＝N/K次)，若未完成则进入S403，否则进入S408；
S408判断是否载波多普勒频偏搜索，若未完成则进入S402，否则进入S409；
S409将最大相关值及对应的码相位和载波多普勒信息送入DSP中做门限判决，如果大于门限则该卫星信号捕获成功。无论捕获成功与否都进行下一颗卫星信号的捕获。

Claims (7)

1.一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：首先通过接收机射频前端对接收到的北斗卫星B3频点信号进行下变频处理，经A/D采样后，得到数字中频信号；
步骤2：根据载波频率，利用载波NCO生成的本地载波与输入的中频数字信号对应点相乘，进行载波剥离，得到基带信号；
步骤3：调用码NCO产生模块，据码速率从主时钟得到伪码速率时钟使能信号；
步骤4：通过码时钟使能信号把步骤2中的主时钟采样率的中频基带信号进行累积降速处理，生成码时钟采样率的降速基带信号；将降速后的基带信号实时缓存到存储器中，存储深度为N点，将基带信号平均分成L段，每个子段长度为P点，且有P＝N/L；
步骤5：在码时钟使能信号下同时生产K路不同相位的长度为N的本地C/A码，并将每个相位的本地C/A码均分成L段，每个子段长度为P点,且有P＝N/L；
步骤6：将步骤5产生的K个相位的本地C/A码与步骤4中的基带信号同时送入K通道分段并行相关累加器组中，实现每次K个相位的搜索，且得到K路相关值；
步骤7：将步骤6得到的K路相关累积值取模方，通过多路选择器择大输出并存储；
步骤8：每个通道每次移动K个码相位生产本地伪码，重复步骤5～7；
步骤9：将本轮的最大相关值与判决门限进行比较，如果超过门限，则判定捕获成功，而产生最大相关值的那一通道相关器所对应的相位即为正确码相位，进入跟踪环路；
步骤10：如果小于门限说明信号捕获不成功，移动载波多普勒频偏进行下一轮捕获。
2.如权利要求1所述的一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法，其特征在于，所述步骤1中数字中频信号由以下式子来表示：
S(i)(t)＝AD(t)C(t)cos(2πfit+θi)+n(t)
其中，S(i)(t)为卫星i的中频信号，A为幅值，D(t)为导航数据，C(t)为C/A码，θi为初始相位，fi为载波频率，n(t)为噪声。
3.如权利要求1所述的一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法，其特征在于，所述步骤2中基带信号表达式如下：
Figure FDA0002202824740000021
其中，cos(2πfjt)为本地载波，fj为本地载波频率，n'(t)为噪声；
对该相乘后的信号进行低通滤波，使只有fe＝fi-fj绝对值足够小时通过，那么相乘后的信号S'(i)(t)为：
Figure FDA0002202824740000022
4.如权利要求1所述的一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法，其特征在于，所述步骤5中生产的K路不同相位的长度为N的本地C/A码，每路C/A码对应的码相位依次相差0.5个码片。
5.如权利要求1所述的一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法，其特征在于，所述步骤6中K路分段并行相关累加器组的实现方法为：将要搜索的N个码相位分为M段，每段K个相位单元。用K路分段并行相关累加器组对步骤4中基带信号和步骤5中本地C/A码同时进行分段并行相关运算，每次搜索K个码相位，得出K个相应码相位的相关值，各路分段并行相关累加器的系数对应的码相位依次相差0.5个码片，即t＝m(m＝1,……,M)时刻，分段并行相关器组搜索的相位为(m-1)K,(m-1)K+1,(m-1)K+2,……,mK-1，输出对K路相关值。
6.如权利要求1所述的一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法，其特征在于，所述步骤8中判断是否完成N次码相位搜索，实际并行搜索M＝N/K次，获取本轮搜索最大值及对相应的码相位和载波多普勒信息。
7.如权利要求1所述的一种多路码相位分段并行相关累积的快速捕获方法，其特征在于，所述步骤9中所述的产生最大相关值的那一路相关累加器所对应的即为正确码相位为：若在t＝m时刻，分段并行相关累加器k的输出值最大且超过门限，则此时基带信号的码相位对应为(m-1)K+(k-1)。
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