CN113296130B - 一种gnss信号捕获方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GNSS信号捕获方法及装置，属于卫星定位技术领域，包括：对射频前端输入的数字中频信号进行处理，得到I支路采样数据和Q支路采样数据，并将I支路采样数据、Q支路采样数据以及本地伪码写入缓存区；从缓存区中读取数据，采用改进的PMF‑FFT算法对数据进行处理，得到运算结果，所述改进的PMF‑FFT算法采用多组相关器并行运算；采用相关峰侦测电路对运算结果进行捕获，并判断是否侦测出相关峰值；若是，则根据相关峰得到码相位和多普勒频偏；若否，则调整本地载波频率，重新捕获。本发明可缩短GNSS信号捕获时间。

Description

一种GNSS信号捕获方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星定位技术领域，特别涉及一种GNSS信号捕获方法及装置。
背景技术
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)信号中使用直接扩频序列对信息比特进行调制，使GNSS卫星信号在无线信道中获得更好地抗干扰性能。扩频码常采用伪随机码，具有良好的自相关和极小的互相关值，不同的GNSS卫星采用初相位不同的伪随机码，据此实现码分多址。获得扩频序列的当前码相位对扩频码的解扩、提高处理信噪比至关重要。由于，接收机的跟踪环路牵引范围非常有限，为了实现跟踪环路锁定卫星信号，必须事先获取码相位和多普勒频偏值，且参数值的估计误差必须小于跟踪环路的牵入范围。
相较于码相位、多普勒频偏时域内的二维线性搜索，PMF-FFT实现了多普勒频率的并行搜索和码相位的串行搜索，在码相位搜索的同时能通过频域分析获得多普勒频率，使捕获过程成为一维搜索过程，极大地减少了获取码相位和多普勒频率粗估值的时间。
部分匹配滤波(Partial matched filtering，PMF)，是一种时域滤波器，滤波性能和扩频码的自相关性一致，PMF接收可以输出信噪比最大的信号，只要在PMF的输出端获得最大信噪比，就能最佳地判断信号的出现，进而得到当前的码相位，由于不同卫星的扩频码互相关值很低，因此，输出最大信噪比的时刻也是卫星信号中的扩频码和接收机本地扩频码相互匹配的时刻。所以，根据部分匹配滤波的结果，接收端可以获取当前卫星编号和当前的码相位粗估值。
快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)，是离散傅里叶变换(DiscreteFourier Transform，DFT)针对于计算机的一种优化后的算法，FFT的输出结果，显示了输入信息序列的相位和频率、幅值和频率的关系，由于GNSS卫星信号采用的是BOC或BPSK调制，其载波频率就是其FFT幅频图像的峰值频率，因此，接收机可以根据峰值频率获取当前信号的多普勒频偏。
PMF+FFT算法(即部分匹配滤波器+FFT算法)是目前工程上常用的一种捕获算法，但该算法本质上只是一种并行频率算法，对码相位的搜索还是串行进行的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术中的不足，快速实现GNSS信号的成功捕获。
为实现以上目的，一方面，采用一种GNSS信号捕获方法，包括：
对射频前端输入的数字中频信号进行处理，得到I支路采样数据和Q支路采样数据，并将I支路采样数据、Q支路采样数据以及本地伪码写入缓存区；
从缓存区中读取数据，采用改进的PMF-FFT算法对数据进行处理，得到运算结果，所述改进的PMF-FFT算法采用多组相关器并行运算；
采用相关峰侦测电路对运算结果进行捕获，并判断是否侦测出相关峰值；
若是，则根据相关峰得到码相位和多普勒频偏；
若否，则调整本地载波频率，重新捕获。
进一步地，所述对射频前端输入的数字中频信号进行处理，得到I支路采样数据和Q支路采样数据，并将I支路采样数据、Q支路采样数据以及本地伪码写入缓存区，包括：
统计所述射频前端输入的数字中频信号的均值，并将射频前端输入的数字中频信号减去均值，得到去直流后的数字中频信号；
将去直流后的数字中频信号进行下变频和降采样处理，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据；
将所述I支路采样数据、所述Q支路采样数据和所述本地伪码写入所述缓存区，所述缓存区包括在FPGA上开辟的三块子缓存区，每块子缓存区容纳一个相干积分周期的伪码和采样数据。
进一步地，所述统计射频前端输入的数字中频信号的均值，并将射频前端输入的数字中频信号减去均值，得到去直流后的数字中频信号，包括：
根据所述射频前端路输入的数字中频信号的采样率和去直流统计时长，计算得到参与去直流运算的数据个数K；
统计K个点的前端路输入的数字中频信号的均值，并每隔设定时间，更新一次均值；
将所述前端输入的数字中频信号减去均值，得到所述去直流后的数字中频信号。
进一步地，所述将去直流后的数字中频信号进行下变频和降采样处理，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据，包括：
生成一定频率的正余弦信号作为本地载波信号，本地载波信号包括本地正弦载波信号和本地余弦载波信号；
将所述去直流后的数字中频信号分别与本地正弦载波信号和本地余弦载波信号相乘，得到下变频后的Q支路信号和I支路信号；
按照降采样率对Q支路信号和I支路信号的每2n个值累加，将累加结果右移n位，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据。
进一步地，所述采用改进的PMF-FFT算法对数据进行处理，得到运算结果，包括：
将从缓存区中读取的I支路采样数据和Q支路采样数据，分别送入I支路NUM_CORRELATOR个并行的相关器和Q支路NUM_CORRELATOR个并行的相关器中，并将从所述缓存区读取的所述本地伪码延时后i个时钟周期送入第i个相关器；
每个相关器将输入的每PMF_FFT_X个伪码和采样数据进行相关累加，每支路所有的相关器共输出NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果，其中，
Figure BDA0003079812530000041
Tc为相干积分时间，fds为降采样率；
将2*NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果存入乒乓缓存中，I支路存入的数据记为第一数据，Q支路存入的数据记为第二数据，其中，第i个相关器的第j个结果存入的地址为i*NUM_CORRELATOR+j；
从兵乓缓存读取数据，读出的第一数据经过补零操作后作为输入到FFT模块的数据的实部，第二数据经过补零操作后作为输入到FFT模块的数据的虚部，以使FFT模块进行PMF_FFT_N点的FFT操作，得到所述运算结果。
进一步地，所述采用相关峰侦测电路对运算结果进行捕获，并判断是否侦测出相关峰值，包括：
对所述运算结果的幅值平方进行缓存，作为缓存数据；
在缓存数据中，统计一段时间内缓存数据的极大值max_point；
当极大值max_point出现时，距离极大值地址p点，连续取b个点，计算其均值作为噪声估值Noise；
若max_point>Noise*Threshold，则确定max_point出现的位置是相关峰位置，否则未侦测出相关峰，其中，Threshold为衡量噪声和相关峰差别的系数。
另一方面，采用一种GNSS信号捕获装置，包括：数据存储模块、PMF-FFT算法处理模块、相关峰侦测电路以及确定模块，其中：
数据存储模块用于对射频前端输入的数字中频信号进行处理，得到I支路采样数据和Q支路采样数据，并将I支路采样数据、Q支路采样数据以及本地伪码写入缓存区；
PMF-FFT算法处理模块用于从缓存区中读取数据，采用改进的PMF-FFT算法对数据进行处理，得到运算结果，所述改进的PMF-FFT算法采用多组相关器并行运算；
相关峰侦测电路用于采用相关峰侦测电路对运算结果进行捕获，并判断是否侦测出相关峰值；
确定模块用于在相关峰侦测电路侦测出相关峰时，根据相关峰得到码相位和多普勒频偏，以及在相关峰侦测电路未侦测出相关峰时，调整本地载波频率，重新利用数据存储模块对缓存区写入数据。
进一步地，所述数据存储模块包括去直流电路、下变频和降采样电路和缓存逻辑电路，其中：
去直流电路用于统计所述射频前端输入的数字中频信号的均值，并将射频前端输入的数字中频信号减去均值，得到去直流后的数字中频信号；
下变频和降采样电路用于将去直流后的数字中频信号进行下变频和降采样处理，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据；
缓存逻辑电路用于将所述I支路采样数据、所述Q支路采样数据和所述本地伪码写入所述缓存区，所述缓存区包括在FPGA上开辟的三块子缓存区，每块子缓存区容纳一个相干积分周期的伪码和采样数据。
进一步地，所述PMF-FFT算法处理模块包括数据读取单元、累加单元、乒乓缓存单元和FFT运算单元，其中：
数据读取单元用于将从缓存区中读取的I支路采样数据和Q支路采样数据，分别送入I支路NUM_CORRELATOR个并行的相关器和Q支路NUM_CORRELATOR个并行的相关器中，并将从所述缓存区读取的所述本地伪码延时后i个时钟周期送入第i个相关器；
累加单元用于每个相关器将输入的每PMF_FFT_X个伪码和采样数据进行相关累加，每支路所有的相关器共输出NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果，其中，
Figure BDA0003079812530000061
Tc为相干积分时间，fds为降采样率；
乒乓缓存单元用于将2*NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果存入乒乓缓存中，I支路存入的数据记为第一数据，Q支路存入的数据记为第二数据，其中，第i个相关器的第j个结果存入的地址为i*NUM_CORRELATOR+j；
FFT运算单元用于从兵乓缓存读取数据，读出的第一数据经过补零操作后作为输入到FFT模块的数据的实部，第二数据经过补零操作后作为输入到FFT模块的数据的虚部，以使FFT模块进行PMF_FFT_N点的FFT操作，得到所述运算结果。
进一步地，所述相关峰侦测电路包括缓存单元、极大值确定单元、噪声估计单元和相关峰确定单元，其中：
缓存单元用于对所述运算结果的幅值平方进行缓存，作为缓存数据；
极大值确定单元用于在缓存数据中，统计一段时间内缓存数据的极大值max_point；
噪声估计单元用于当极大值max_point出现时，距离极大值地址p点，连续取b个点，计算其均值作为噪声估值Noise；
相关峰确定单元用于在满足max_point>Noise*Threshold，则确定max_point出现的位置是相关峰位置，否则未侦测出相关峰，其中，Threshold为衡量噪声和相关峰差别的系数。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明通过对传统的PMF-FFT算法加以改进，采用多组相关器同时工作，这些相关器同时检测多个码相位点，实现了多个码相位的并行搜索，有效提高了串行码相位搜索的PMF-FFT算法的搜索效率，通过调节并行相关器的数量，硬件资源消耗和搜索时间消耗之间取得一个不错的平衡点。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是一种GNSS信号捕获方法的流程示意图；
图2是去直流电路内部逻辑框图；
图3是下变频和降采样的内部逻辑框图；
图4是缓存降采样数据的三块缓存区的操作时序；
图5是PMF-FFT算法的内部逻辑框图；
图6是缓存地址控制状态机工作流程；
图7是相关积分器的内部结构；
图8是一个相关积分时长内运算时序；
图9是一次完整的全相位搜索过程时序；
图10是一次并行相关运算时序；
图11是乒乓缓存地址控制状态机工作流程；
图12是峰值侦测逻辑内部框图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1所示，本实施例公开了一种GNSS信号捕获方法，包括如下步骤S1至S5：
S1、对射频前端输入的数字中频信号进行处理，得到I支路采样数据和Q支路采样数据，并将I支路采样数据、Q支路采样数据以及本地伪码写入缓存区；
S2、从缓存区中读取数据，采用改进的PMF-FFT算法对数据进行处理，得到运算结果，所述改进的PMF-FFT算法采用多组相关器并行运算；
S3、采用相关峰侦测电路对运算结果进行捕获，并判断是否侦测出相关峰值，若是执行步骤S4，若否执行步骤S5；
S4、根据相关峰得到码相位和多普勒频偏；
S5、调整本地载波频率，重新执行步骤S1。
需要说明的是，本实施例中通过采用改进的PMF-FFT算法对从缓存区中读取的数据进行运算，即采用多组相关器同时工作，这些相关器同时检测多个码相位点，起到了并行码相位搜索的作用。如果本地码相位与缓存的数据的码相位对齐，经过PMF-FFT算法将得到一个相关峰，该峰值被之后的侦测电路捕获，并得到此峰值对应的FFT运行次数和FFT频点，其中FFT运行次数指示出码相位位置，而相关峰在FFT中对应的频点就是多普勒频率。
作为进一步优选的技术方案，上述步骤S1：对射频前端输入的数字中频信号进行处理，得到I支路采样数据和Q支路采样数据，并将I支路采样数据、Q支路采样数据以及本地伪码写入缓存区，包括如下细分步骤S11至S13：
S11、统计所述射频前端输入的数字中频信号的均值，并将射频前端输入的数字中频信号减去均值，得到去直流后的数字中频信号；
S12、将去直流后的数字中频信号进行下变频和降采样处理，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据；
S13、将所述I支路采样数据、所述Q支路采样数据和所述本地伪码写入所述缓存区，所述缓存区包括在FPGA上开辟的三块子缓存区，每块子缓存区容纳一个相干积分周期的伪码和采样数据。
需要说明的是，本实施例通过在FPGA上开辟三块缓存区，分别记为A、B、C，每块缓存区容纳一个相干积分周期的伪码和数据，从每个缓存区的起始地址开始，存入一个周期伪码的采样值，将降采样后的I支路采样数据和Q支路采样数据依次轮流写入A、B、C三块缓存区，并且将GNSS卫星信号的扩频序列写入RAM中。
作为进一步优选的技术方案，上述步骤S11：统计射频前端输入的数字中频信号的均值，并将射频前端输入的数字中频信号减去均值，得到去直流后的数字中频信号，包括如下细分步骤S111至S113：
S111、根据所述射频前端路输入的数字中频信号D(k)的采样率fs和去直流统计时长T，计算得到参与去直流运算的数据个数K；
S112、统计K个点的前端路输入的数字中频信号的均值avg，并每隔T秒，更新一次均值avg；
S113、将所述前端输入的数字中频信号减去均值，得到所述去直流后的数字中频信号Dremove_dc(k)。
需要说明的是，本实施例通过将一段时间内信号的均值作为直流量，将前端输入的数据去除直流量以减小直流对数字下变频的影响，之后对数据进行下变频和降采样处理，将降采样完成后的数据和本地伪码写入多块缓存区，具体为，上述步骤S12：将去直流后的数字中频信号进行下变频和降采样处理，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据，包括如下细分步骤S121至S123：
S121、生成一定频率的正余弦信号作为本地载波信号，本地载波信号包括本地正弦载波信号Dsin(k)和本地余弦载波信号Dcos(k)；
S122、将所述去直流后的数字中频信号Dremove_dc(k)分别与本地正弦载波Dsin(k)和本地余弦载波Dcos(k)相乘得到下变频后的Q支路信号DQ(k)和I支路信号DI(k)；
S123、按照降采样率fds，对DI(k)和DQ(k)每2m个值累加，并将累加结果右移m位，得到的值就是降采样后的数据，记为述I支路降采样数据DI_ds(n)和Q支路降采样数据DQ_ds(n)。
作为进一步优选的技术方案，上述步骤S2：采用改进的PMF-FFT算法对数据进行处理，得到运算结果，包括如下细分步骤S21至S24：
S21、从缓存区中读出的DI_ds(n)和DQ_ds(n)送入I支路的NUM_CORRELATOR个并行相关器和Q支路的NUM_CORRELATOR个并行相关器中，从缓冲区读出的伪码C(k)延时后i个时钟周期后送入第i个相关器，即第i个相关器输入的数据为C(k-i)；
S22、每个相关器将输入的每PMF_FFT_X个伪码和采样数据进行相关累加，I支路第i个相关器输出相关累加后的值记为Ii(n)，Q支路第i相关器输出相关累加后的值记为Qi(n)，每支路所有的相关器共输出NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果，其中，
Figure BDA0003079812530000111
Tc为相干积分时间，fds为降采样率；
S23、将2*NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果存入乒乓缓存中，I支路存入的数据记为Ibuff(k)，Q支路存入的数据记为Qbuff(k)，其中，第i个相关器的第j个结果存入的地址为i*NUM_CORRELATOR+j；
S24、从兵乓缓存读取数据，保证兵乓缓存的读写操作不冲突，读出的Ibuff(k)经过补零操作后记为Re(k)，Qbuff(k)经过补零操作后记为Im(k)，Re(k)作为输入到FFT模块的数据的实部，Im(k)作为输入到FFT模块的数据的虚部，FFT模块进行PMF_FFT_N点的FFT操作，得到所述运算结果。
作为进一步优选的技术方案，上述步骤S3：采用相关峰侦测电路对运算结果进行捕获，并判断是否侦测出相关峰值，包括如下细分步骤S31至S36：
S31、对FFT运算结果的幅值平方进行缓存，缓存的数据计为amp(k)；
S32、在缓存数据中，统计一段时间内amp(k)的极大值，值记为max_point；
S33当max_point出现时，距离max_point地址1000点，连续取1024个点，计算其均值作为噪声估计，噪声估计值记为Noise；
S34、判断是否满足max_point>Noise*Threshold，其中，Threshold为衡量噪声和相关峰差别的系数，若是则执行步骤S35，若否则执行步骤S36；
S35、确定max_point出现的位置是相关峰位置；
S36、确定未侦测出相关峰。
作为进一步优选的技术方案，上述步骤S4：根据相关峰得到码相位和多普勒频偏，包括：根据相关峰所在位置是第几次FFT推出相关峰所在位置的码相位，根据相关峰在本次FFT中的位置推出多普勒频移值。
本发明另一实施例还公开了一种GNSS信号捕获装置，包括：数据存储模块、PMF-FFT算法处理模块、相关峰侦测电路以及确定模块，其中：
数据存储模块用于对射频前端输入的数字中频信号D(k)进行处理，得到I支路采样数据和Q支路采样数据，并将I支路采样数据、Q支路采样数据以及本地伪码写入缓存区；
PMF-FFT算法处理模块用于从缓存区中读取数据，采用改进的PMF-FFT算法对数据进行处理，得到运算结果，所述改进的PMF-FFT算法采用多组相关器并行运算；
相关峰侦测电路用于采用相关峰侦测电路对运算结果进行捕获，并判断是否侦测出相关峰值；
确定模块用于在相关峰侦测电路侦测出相关峰时，根据相关峰得到码相位和多普勒频偏，以及在相关峰侦测电路未侦测出相关峰时，调整本地载波频率，重新利用数据存储模块对缓存区写入数据。
作为进一步优选的技术方案，所述数据存储模块包括去直流电路、下变频和降采样电路和缓存逻辑电路，其中：
去直流电路用于统计所述射频前端输入的数字中频信号D(k)的均值，并将射频前端输入的数字中频信号减去均值，得到去直流后的数字中频信号；
下变频和降采样电路用于将去直流后的数字中频信号进行下变频和降采样处理，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据；
缓存逻辑电路用于将所述I支路采样数据、所述Q支路采样数据和所述本地伪码写入所述缓存区，所述缓存区包括在FPGA上开辟的三块子缓存区，每块子缓存区容纳一个相干积分周期的伪码和采样数据。
具体地，去直流电路的内部结构如图2所示，去直流电路默认参数如表1所示：
表1
参数 默认值
采样率(f<sub>s</sub>) 120MHz
输入信号位宽 16bit
输出信号位宽 16bit
直流统计时长(T) 1s
假设输入的数字中频序列为{D(k)|k＝0,1,2,…,N}，则信号的均值avg计算如下：
Figure BDA0003079812530000131
其中，avg的初值为0，由于数据是不断输入地，avg每隔T秒更新一次，去直流后的中频信号计算如下：
Dremove_dc(k)＝D(k)-avg。
具体地，下变频和降采样电路结构如图3所示，对于B1I和B3I频点的信号，DDC+降采样逻辑的默认参数配置如表2所示：
表2
Figure BDA0003079812530000141
其中，fds必须大于GNSS卫星信号主瓣带宽的2倍，若电路的全局时钟频率为fclk，则I支路与Q支路的下变频后输出计算如下：
Figure BDA0003079812530000142
Figure BDA0003079812530000143
降采样抽取按照多个点进行累加合并的方法抽取，I支路与Q支路抽取后的输出计算如下：
Figure BDA0003079812530000144
Figure BDA0003079812530000145
具体地，缓存逻辑电路负责将降采样之后的数据与本地伪码暂存，以备后续电路读取处理。其中，本地伪码事先存储在RAM中，之后，为减小采样间隔的量化误差，从每个缓存区的起始地址开始，存入一个周期伪码的采样值。
需要说明的是，由于数据是一直不断输入的，而FPGA内部RAM Block数量有限，存储的数据量有限，所以采用多块缓存(可以采用3块，分别是A块、B块、C块)轮流进行数据和伪码的存取，每块缓存区都是存储了降采样之后一次相干积分时长(默认1ms)的数据，3块缓存的地址是统一编址的，缓存逻辑的默认参数配置如表3所示：
表3
参数 B1I默认值 B3I默认值
存储深度 36000 180000
数据位宽(包括I路和Q路) 64bit 64bit
伪码位宽 1bit 1bit
A块编址 0～11999 0～59999
B块编址 12000～23999 60000～119999
C块编址 24000～35999 120000～179999
其中，数据位宽的高32bit用于存储I支路的数据，低32bit用于存储Q支路的数据，由于伪码值只能为0或1，所以伪码存储区域的位宽为1。
作为进一步优选的技术方案，所述PMF-FFT算法处理模块包括数据读取单元、累加单元、乒乓缓存单元和FFT运算单元，其中：
数据读取单元用于将从缓存区中读取的I支路采样数据和Q支路采样数据，分别送入I支路NUM_CORRELATOR个并行的相关器和Q支路NUM_CORRELATOR个并行的相关器中，并将从所述缓存区读取的所述本地伪码延时后i个时钟周期送入第i个相关器；
累加单元用于每个相关器将输入的每PMF_FFT_X个伪码和采样数据进行相关累加，每支路所有的相关器共输出NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果，其中，
Figure BDA0003079812530000161
Tc为相干积分时间，fds为降采样率；
乒乓缓存单元用于将2*NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果存入乒乓缓存中，I支路存入的数据记为第一数据，Q支路存入的数据记为第二数据，其中，第i个相关器的第j个结果存入的地址为i*NUM_CORRELATOR+j；
FFT运算单元用于从兵乓缓存读取数据，读出的第一数据经过补零操作后作为输入到FFT模块的数据的实部，第二数据经过补零操作后作为输入到FFT模块的数据的虚部，以使FFT模块进行PMF_FFT_N点的FFT操作，得到所述运算结果。
需要说明的是，缓存的操作时序如图4所示，在进行PMF-FFT算法时，为了完整对一次相干积分时间内的每个相位点都进行检测，缓存的每次读取操作都是涉及到两个缓存块的读取的，并且，从缓存区中读出数据需要保证不与第二步数据写入的时序冲突，PMF-FFT算法默认参数配置如表4所示：
表4
Figure BDA0003079812530000162
Figure BDA0003079812530000171
PMF-FFT算法内部逻辑如图5所示，一共包含5个部分。其中，缓存地址控制状态机的工作流程如图6所示，缓存地址控制状态机负责计算当前读出数据和伪码的地址，当开始搜索时，RAM换页计数k、读出点数计数i、相关器启动次数计数j清零，当开始向某个缓存块写数据且k未达到NUM_RAM_SWAP时，从与之匹配的缓存块中读取数据。每读取出NUM_PT个点，并行相关积分器重新启动一次，直到并行相关器启动CNT_CAL_PER_RAM次。并行相关积分器每启动CNT_CAL_PER_RAM次，k加1，直到k等于NUM_RAM_SWAP说明所有相位点搜索完毕，之后开启新的一轮搜索。
每个相关积分器的内部结构如图7所示，则I支路某相关器第n次计算输入相关器的信号数据序列为{DI_ds(k+n*PMF_FFT_X)|k＝0,1,2,…,PMF_FFT_X},输入的本地伪码序列为{CI_ds(k+n*PMF_FFT_X)|k＝0,1,2,…,PMF_FFT_X},其中，n＝0,1,2,…,PMF_FFT_D。则此相关器的运算结果计算如下：
Figure BDA0003079812530000181
同理，Q支路的相关器解算结果如下：
Figure BDA0003079812530000182
为了完成对一个相位点的检测，每个相关器需要PMF_FFT_D次相关运算，某个相关积分器在一次相干积分时间内的运算时序如图8所示。
为了同时完成多个相位点的检测，本实施例使用了NUM_CORRELATOR(NUM_CORRELATOR＝60)个相关积分器，每一个相关积分器负责一个相位点的检测，假设某时刻从缓存块中读出的数据和伪码分别为DI_ds(k)和CI_ds(k)，则第i个相关积分器输入的数据和伪码为DI_ds(k)和CI_ds(k-i)，其中，i＝0,1,2,…,NUM_CORRELATOR-1。
具体地，NUM_CORRELATOR个相关积分器的运算时序如图9所示，为了同时完成对一个伪码周期内
Figure BDA0003079812530000183
个相位点的检测，NUM_CORRELATOR个相关器需要启动多次，总共需要NUM_RAM_SWAP*Tc时间的数据和伪码，即需要切换RAM的次数为NUM_RAM_SWAP，一次完整的码相位搜索时序如图10所示。
每次相关积分需要将结果进行乒乓缓存，以备下一步的FFT运算。乒乓缓存地址控制状态机的工作流程如图11所示，图11中i为相关器计数，j为相关积分结果个数计数，k为RAM1和RAM2之间切换的次数计数。完成一个伪码周期的相位点检测RAM1和RAM2之间切换的总次数为：
Figure BDA0003079812530000184
Figure BDA0003079812530000185
为了送入FFT的数据是按地址顺序的，某相关积分结果存入的地址为i*NUM_CORRELATOR+j，当开始乒乓缓存时，i、j、k以及乒(RAM1)和乓(RAM2)的地址清零，等到完成相关积分信号来临时，持续将数据存入某一块缓存区，直到存完检测NUM_CORRELATOR个相位点需要的结果后切换到另一块缓存区。
保证兵乓缓存的读写操作不冲突，读出的I支路数据作为FFT输入的实部，Q支路数据作为FFT输入的虚部，数据经过补零操作，进行PMF_FFT_N点的FFT运算，其中每次FFT补零的个数为PMF_FFT_N-PMF_FFT_D，FFT结果和同步信号送出给后面的峰值侦测电路。
作为进一步优选的技术方案，所述相关峰侦测电路包括缓存单元、极大值确定单元、噪声估计单元和相关峰确定单元，其中：
缓存单元用于对所述运算结果的幅值平方进行缓存，作为缓存数据；
极大值确定单元用于在缓存数据中，统计一段时间内缓存数据的极大值max_point；
噪声估计单元用于当极大值max_point出现时，距离极大值地址p点，连续取b个点，计算其均值作为噪声估值Noise；
相关峰确定单元用于在满足max_point>Noise*Threshold，则确定max_point出现的位置是相关峰位置，否则未侦测出相关峰，其中，Threshold为衡量噪声和相关峰差别的系数。
峰值侦测逻辑框图如图12所示，若FFT结果的实部为Refft(k)2，虚部为Imfft(k)，FFT结果幅值的平方计算如下：
amps(k)＝Refft(k)2+Imfft(k)2
将序列{amps(k)|k＝0,1,2,…,NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_N}缓存起来，同时每得到一个amps(k)将其与之前amps(k)的最大值相比，若amps(k)更大则更新最大值，如果在最近的PMF_FFT_N点中，最大值没有更新，则认为找到了所有相位点对PMF-FFT结果的最大值max_point。从距离max_point地址p处(本实施例p取1000)开始，连续取b个点(本实施例b取1024)，计算噪声的大小，假设max_point地址为a，则噪声评估如下：
Figure BDA0003079812530000201
其中，如果遇到k>NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_N的情况，则不够的数据从缓存区0地址开始取欠出缺的数据。
如果max_point>Noise*Threshold，则认为max_point为相关峰的值。其中，衡量噪声和相关峰差别的系数Threshold是峰值侦测电路的输入量，可以随时动态调整。
若相关峰是在第n次FFT出现，一个伪码周期共有NUM_PN个码片，则相关峰所在码相位θC计算如下：
Figure BDA0003079812530000202
若相关峰是本次FFT的第m个点，则多普勒频偏fd为：
Figure BDA0003079812530000203
如果相关峰一直没有出现，则通过调整本地载波频率，来切换多普勒频率的搜索范围，由于FFT的频率搜索区间长度为
Figure BDA0003079812530000204
因此本地载波多普勒的调整步长为
Figure BDA0003079812530000205
调整本地载波多普勒则可以实现大范围的频率搜索。
需要说明的是，传统的PMF-FFT算法是使用一个相关积分器进行相关运算，一次运算只能完成一个码相位点的检测，因此如果要缩短捕获时间，则只能通过提高运算单元频率的方法，然而，提高频率会导致硬件成本的大幅增加。与之相比，本实施例具有如下有益效果：
(1)对PMF-FFT算法进行改进，使用多个相关积分器进行并行运算，NUM_CORRELATOR个相关器使得GNSS信号捕获时间缩短为原来的
Figure BDA0003079812530000211
由于捕获耗时的减小，使得捕获模块的动态性能得以提高。
(2)算法参数可配置，复杂度低，容易实现各种体制的GNSS信号捕获。
(3)实现了多个码相位的并行搜索，有效提高了串行码相位搜索的PMF-FFT算法的搜索效率。完成全部码相位搜索时间tall和并行相关器数量NUM_CORRELATOR的关系为：
Figure BDA0003079812530000212
Figure BDA0003079812530000213
其中fds为降采样率，tcorr为相干积分时长，CNT_CAL_PER_RAM为每个相关积分时长内并行相关器同时工作次数，fs为工作时钟的频率。通过调节并行相关器的数量，使得硬件资源消耗不超出FPGA资源限制并且tall满足接收机设计指标要求，则可以在硬件资源消耗和搜索时间消耗之间取得一个不错的平衡点。
(4)从捕获成功到启动跟踪之间的群延迟较小，提高了接收机的动态性能，即使短时间内GNSS信号多普勒频偏发生较大的变化，也能实现GNSS信号的成功捕获，增强了接收机的可靠性。
(5)实现了大范围内的多普勒频率串行搜索，小范围内的多普勒频率并行搜索，有效的增加了在高动态载体上GNSS信号捕获成功的概率，增强了接收机的鲁棒性。
(6)缩短了基于PMF-FFT的GNSS信号首次捕获时长，实现GNSS卫星信号捕获，获得了码相位和多普勒频偏的粗估值，为GNSS信号的跟踪打下了基础。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种GNSS信号捕获方法，其特征在于，包括：
对射频前端输入的数字中频信号进行处理，得到I支路采样数据和Q支路采样数据，并将I支路采样数据、Q支路采样数据以及本地伪码写入缓存区；
从缓存区中读取数据，采用改进的PMF-FFT算法对数据进行处理，得到运算结果，所述改进的PMF-FFT算法采用多组相关器并行运算；
采用相关峰侦测电路对运算结果进行捕获，并判断是否侦测出相关峰值；
若是，则根据相关峰得到码相位和多普勒频偏；
若否，则调整本地载波频率，重新捕获；
所述采用改进的PMF-FFT算法对数据进行处理，得到运算结果，包括：
将从缓存区中读取的I支路采样数据和Q支路采样数据，分别送入I支路NUM_CORRELATOR个并行的相关器和Q支路NUM_CORRELATOR个并行的相关器中，并将从所述缓存区读取的所述本地伪码延时后i个时钟周期送入第i个相关器；
每个相关器将输入的每PMF_FFT_X个伪码和采样数据进行相关累加，每支路所有的相关器共输出NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果，其中，
Figure FDA0003726920460000011
Tc为相干积分时间，fds为降采样率；
将2*NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果存入乒乓缓存中，I支路存入的数据记为第一数据，Q支路存入的数据记为第二数据，其中，第i个相关器的第j个结果存入的地址为i*NUM_CORRELATOR+j；
从兵乓缓存读取数据，读出的第一数据经过补零操作后作为输入到FFT模块的数据的实部，第二数据经过补零操作后作为输入到FFT模块的数据的虚部，以使FFT模块进行PMF_FFT_N点的FFT操作，得到所述运算结果；
所述对射频前端输入的数字中频信号进行处理，得到I支路采样数据和Q支路采样数据，并将I支路采样数据、Q支路采样数据以及本地伪码写入缓存区，包括：
统计所述射频前端输入的数字中频信号的均值，并将射频前端输入的数字中频信号减去均值，得到去直流后的数字中频信号；
将去直流后的数字中频信号进行下变频和降采样处理，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据；
将所述I支路采样数据、所述Q支路采样数据和所述本地伪码写入所述缓存区，所述缓存区包括在FPGA上开辟的三块子缓存区，每块子缓存区容纳一个相干积分周期的伪码和采样数据。
2.如权利要求1所述的GNSS信号捕获方法，其特征在于，所述统计射频前端输入的数字中频信号的均值，并将射频前端输入的数字中频信号减去均值，得到去直流后的数字中频信号，包括：
根据所述射频前端路输入的数字中频信号的采样率和去直流统计时长，计算得到参与去直流运算的数据个数K；
统计K个点的前端路输入的数字中频信号的均值，并每隔设定时间，更新一次均值；
将所述前端输入的数字中频信号减去均值，得到所述去直流后的数字中频信号。
3.如权利要求2所述的GNSS信号捕获方法，其特征在于，所述将去直流后的数字中频信号进行下变频和降采样处理，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据，包括：
生成一定频率的正余弦信号作为本地载波信号，本地载波信号包括本地正弦载波信号和本地余弦载波信号；
将所述去直流后的数字中频信号分别与本地正弦载波信号和本地余弦载波信号相乘，得到下变频后的Q支路信号和I支路信号；
按照降采样率对Q支路信号和I支路信号的每2n个值累加，将累加结果右移n位，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据。
4.如权利要求 1所述的GNSS信号捕获方法，其特征在于，所述采用相关峰侦测电路对运算结果进行捕获，并判断是否侦测出相关峰值，包括：
对所述运算结果的幅值平方进行缓存，作为缓存数据；
在缓存数据中，统计一段时间内缓存数据的极大值max_point；
当极大值max_point出现时，距离极大值地址p点，连续取b个点，计算其均值作为噪声估值Noise；
若max_point>Noise*Threshold，则确定max_point出现的位置是相关峰位置，否则未侦测出相关峰，其中，Threshold为衡量噪声和相关峰差别的系数。
5.一种GNSS信号捕获装置，用于实现权利要求1-4任意一项所述的GNSS信号捕获方法，其特征在于，包括：数据存储模块、PMF-FFT 算法处理模块、相关峰侦测电路以及确定模块，其中：
数据存储模块用于对射频前端输入的数字中频信号进行处理，得到I支路采样数据和Q支路采样数据，并将I支路采样数据、Q支路采样数据以及本地伪码写入缓存区；
PMF-FFT算法处理模块用于从缓存区中读取数据，采用改进的PMF-FFT算法对数据进行处理，得到运算结果，所述改进的PMF-FFT算法采用多组相关器并行运算；
相关峰侦测电路用于采用相关峰侦测电路对运算结果进行捕获，并判断是否侦测出相关峰值；
确定模块用于在相关峰侦测电路侦测出相关峰时，根据相关峰得到码相位和多普勒频偏，以及在相关峰侦测电路未侦测出相关峰时，调整本地载波频率，重新利用数据存储模块对缓存区写入数据。
6.如权利要求5所述的GNSS信号捕获装置，其特征在于，所述数据存储模块包括去直流电路、下变频和降采样电路和缓存逻辑电路，其中：
去直流电路用于统计所述射频前端输入的数字中频信号的均值，并将射频前端输入的数字中频信号减去均值，得到去直流后的数字中频信号；
下变频和降采样电路用于将去直流后的数字中频信号进行下变频和降采样处理，得到所述I支路采样数据和所述Q支路采样数据；
缓存逻辑电路用于将所述I支路采样数据、所述Q支路采样数据和所述本地伪码写入所述缓存区，所述缓存区包括在FPGA上开辟的三块子缓存区，每块子缓存区容纳一个相干积分周期的伪码和采样数据。
7.如权利要求6所述的GNSS信号捕获装置，其特征在于，所述PMF-FFT算法处理模块包括数据读取单元、累加单元、乒乓缓存单元和FFT运算单元，其中：
数据读取单元用于将从缓存区中读取的I支路采样数据和Q支路采样数据，分别送入I支路NUM_CORRELATOR个并行的相关器和Q支路NUM_CORRELATOR个并行的相关器中，并将从所述缓存区读取的所述本地伪码延时后i个时钟周期送入第i个相关器；
累加单元用于每个相关器将输入的每PMF_FFT_X个伪码和采样数据进行相关累加，每支路所有的相关器共输出NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果，其中，
Figure FDA0003726920460000051
Tc为相干积分时间，fds为降采样率；
乒乓缓存单元用于将2*NUM_CORRELATOR*PMF_FFT_D个结果存入乒乓缓存中，I支路存入的数据记为第一数据，Q支路存入的数据记为第二数据，其中，第i个相关器的第j个结果存入的地址为i*NUM_CORRELATOR+j；
FFT运算单元用于从兵乓缓存读取数据，读出的第一数据经过补零操作后作为输入到FFT模块的数据的实部，第二数据经过补零操作后作为输入到FFT模块的数据的虚部，以使FFT模块进行PMF_FFT_N点的FFT操作，得到所述运算结果。
8.如权利要求6所述的GNSS信号捕获装置，其特征在于，所述相关峰侦测电路包括缓存单元、极大值确定单元、噪声估计单元和相关峰确定单元，其中：
缓存单元用于对所述运算结果的幅值平方进行缓存，作为缓存数据；
极大值确定单元用于在缓存数据中，统计一段时间内缓存数据的极大值max_point；
噪声估计单元用于当极大值max_point出现时，距离极大值地址p点，连续取b个点，计算其均值作为噪声估值Noise；
相关峰确定单元用于在满足max_point>Noise*Threshold，则确定max_point出现的位置是相关峰位置，否则未侦测出相关峰，其中，Threshold为衡量噪声和相关峰差别的系数。
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