CN114265096A - 一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，包括：S1：获取卫星导航接收机的中频采样数据；S2：对所述中频采样数据进行预处理，得到中频数据，并进行“乒乓”环路数据缓存；S3：利用状态机对缓存的所述中频数据，进行卫星导航接收机跟踪模块不同跟踪通道的跟踪处理，实现分时复用。本发明在不影响跟踪通道之间同步性的效果下，大幅度的增加了跟踪通道数量，优化了计算单元的使用。同时达到了低成本、高性能两个效果。本发明将逻辑资源分时复用，以一个通道的计算资源、多个通道的存储资源和两个状态机便可以实现多个跟踪通道的信号跟踪效果，使用的资源数量远少于全通道直接独立实现的方式。

Description

一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法。

背景技术

在卫星导航领域，卫星系统、卫星数量、卫星频点都在日渐增加，所以对于全频点接收机而言，其跟踪通道数量必须增多才能满足信号数量增长情况下的稳定跟踪和信号筛选。

现有设计中实现跟踪通道的跟踪功能时，使用资源过多，且总的跟踪通道数量没有大幅度的增长，难以实现低成本多通道的全星全频点卫星信号跟踪。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，至少部分解决上述技术问题。

本发明实施例提供了一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，包括：

S1：获取卫星导航接收机的中频采样数据；

S2：对所述中频采样数据进行预处理，得到中频数据，并进行“乒乓”环路数据缓存；

S3：利用状态机对缓存的所述中频数据，进行卫星导航接收机跟踪模块不同跟踪通道的跟踪处理，实现分时复用。

进一步地，所述中频采样数据为经过卫星导航接收机前端预处理的数据。

进一步地，所述预处理为依次对所述中频采样数据进行下变频、低通滤波、积分降采样和3位量化。

进一步地，所述“乒乓”环路数据缓存通过两个BRAM块实现。

进一步地，所述S3，包括：

S31：所述状态机空闲等待当前BRAM存储完成；

S32：所述状态机控制所述当前BRAM通道参数存储表的读取，不同通道，参数存放读取的地址不同；

S33：所述状态机控制所述当前BRAM中频信号的读取，用于基带解调计算；

S34：所述状态机控制所述当前BRAM通道写入参数存储表，保存一个BRAM数据处理完成的状态；

S35：当所述当前BRAM通道未满时，所述状态机选择重复S32进入所述当前BRAM的下一个通道处理；当所述当前BRAM通道已满时，将另一个BRAM作为当前BRAM，返回入空闲状态S31。

进一步地，所述中频采样数据的频率为66MHz或62MHz。

进一步地，所述中频数据的频率不超过25MHz。

本发明实施例提供了一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，与现有技术相比较，在不影响跟踪通道之间同步性的效果下，大幅度的增加了跟踪通道数量，优化了计算单元的使用。同时达到了低成本、高性能两个效果。本发明将逻辑资源分时复用，以一个通道的计算资源、多个通道的存储资源和两个状态机便可以实现多个跟踪通道的信号跟踪效果，使用的资源数量远少于全通道直接独立实现的方式。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例提供的总体逻辑示意图；

图2为本发明实施例提供的中频存储和回放一部分示意图。

图3为本发明实施例提供的中频存储和回放另一部分示意图。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“内接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供的一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，如图1所示，包括：

S1：获取卫星导航接收机的中频采样数据；

S2：对中频采样数据进行预处理，得到中频数据，并进行“乒乓”环路数据缓存；

S3：利用状态机对缓存的中频数据，进行卫星导航接收机跟踪模块不同跟踪通道的跟踪处理，实现分时复用。

本发明在不影响跟踪通道之间同步性的效果下，大幅度的增加了跟踪通道数量，优化了计算单元的使用。同时达到了低成本、高性能两个效果。

本发明将逻辑资源分时复用，以一个通道的计算资源、多个通道的存储资源和两个状态机便可以实现多个跟踪通道的信号跟踪效果。使用的资源数量远少于全通道直接独立实现的方式。

本发明将采集到的卫星中频信号(接收机前端已做混频、滤波、采样等处理)先做多通道的统一中频预先处理，在预处理中做混频、滤波和降采样处理。将预处理后的信号做‘乒乓’环路数据缓存，再根据状态机的调用控制重复读出数据做不同跟踪通道的跟踪处理。具体步骤如下：

步骤1：将66MHz采样的卫星中频信号做预处理，变成22MHz采样的中频信号。中频采样数据可以使用其他频率值的采样信息，市场多用66MHz和62MHz。使用的处理时钟是100MHz，用于实现一个跟踪通道分时复用成4个通道，则采样频率不能高于25MHz。

先对66MHz采样的卫星中频信号与本地生成的kcos(2πωt)和ksin(2πωt)信号做混频生成I/Q支路信号；再对I/Q信号做低通滤波去除高频分量；再做降采样处理，将原来66MHz的采样信号通过积分累加变成22MHz的采样信号；最后通过信号量化算法将信号量化成3位宽且无直流分量的信号。

步骤2：使用8x1024的两个BRAM块和寄存器缓存22MHz的预处理信号、TIC、开始时间。每个BRAM块包含两个通道，本发明使用上述的两个BRAM块实现4通道复用。

使用两个BRAM块实现‘乒乓’环存储功能，例如当BRAM0存储数据时读取BRAM1数据用于跟踪处理，当BRAM1存储数据时读取BRAM0数据用于跟踪处理。这里设计保证在其中一个BRAM存储数据的过程中，读取另一个BRAM数据用于跟踪的操作提前完成，确保没有数据丢失。

数据格式为8位数据，其中包含6位I/Q支路数据、1位载波TIC、1位伪码TIC。TIC信号是采样时钟计数周期产生，用于周期性提取跟踪通道的载波观测量和伪码观测量。

开始存储BRAM数据时，记录下时间点，等待回放时累计计数用于观测提取时记录准确的时间点。

步骤3：100MHz的处理时钟下，使用状态机实现4通道分时复用功能。

具体实现步骤如下：

步骤31：状态机空闲等待第一个BRAM存储完成；

步骤32：状态机控制通道参数表BRAM读取，不同通道参数存放读取的地址不同；

步骤33：状态机控制中频信号BRAM读取，用于基带解调计算；

步骤34：状态机控制通道参数表BRAM写入，保存一个BRAM数据处理完成的状态；

步骤35：当当前BRAM通道未满时，状态机选择重复S32进入当前BRAM的下一个通道处理；当当前BRAM通道已满时，将另一个BRAM作为当前BRAM，返回入空闲状态S31。

通过分时复用计算单元节省了很多硬件资源。

步骤4：因数据缓存和分时复用的跟踪通道处理延迟，观测量读取时必须统一延迟固定时间再读取使用。该时间必须超过整体复用时间，即一个BRAM的存储时间。

下面将结对发明使用的部分技术原理进行相关说明。

下变频。射频66MHz采样数据(可是其他采样频率值)输入做中频预处理。首先是通过与本地固定频率的数字载波信号混频实现中频频率下变频到接近零频值，同时就变成了I、Q支路信号；例如北斗B1I信号采样输入为15.902MHz(硬件设计决定)，本地数字载波15.46875MHz混频得到433.25KHz信号和一个高频分量。具体原理如下：

I＝IF*COS

Q＝IF*SIN

其中IF是输入的中频信号，COS/SIN是本地根据载波复现的正余弦载波信号，生成了新的I/Q支路信号I/Q。

低通滤波。通过卫星信号带宽计算得到一组低通滤波参数对混频信号做低通滤波处理，去除混频的高频分量以及带外噪声；例如北斗B1I信号带宽为2.046MHz，所以计算使用66MHz采样3MHz截至频率的低通滤波参数做处理，以保证信号完整性。

降采样。将滤波后的数据做积分降采样处理以保证跟踪通道分时复用。积分降采样就是累加指定长度然后输出，例如图中是累加3次输出1次，即将66MHz采样数据降采样成为22MHz采样数据，该操作也有滤除中频11MHz带外噪声和高频分量的效果。

3位量化。将降采样后的信号做3位量化以降低后续处理的运算量。该设计采用双向自适应逻辑在保证卫星信号完整性的情况下将滤波积分后的高位宽信号值量化成3位信号值。例如中频输入为5位有符号数，与本地6位数字载波混频变成了10位有符号数，再与8位有符号滤波参数计算后变成17位有符号数，再做3次积分变成了19位有符号数，最后自适应量化成3位有符号数。大幅度降低后续计算所需资源。

乒乓缓存。将预处理的I/Q中频数据各3位与两位延迟生成的TIC周期提取信号组合存放进入乒乓缓存环路，当计满其中一个BRAM块时，开启另一个存储。再反复读出中频数据和TIC信号用于跟踪通道分时复用实现多通道跟踪效果。

中频混频。跟踪通道将读出的3位I/Q信号与本地复现的载波信号做复数混频计算，用于剥离信号中剩余的载波分量和多普勒频率值。具体原理如下：

I`＝I*COS–Q*SIN

Q`＝-I*SIN–Q*COS

其中I/Q是中频信号I/Q分量3位值，COS/SIN是本地根据载波和多普勒复现的正余弦载波信号，生成了新的I/Q支路信号I`/Q`。

伪码相关。将混频后的信号与本地复现的指定频率和相位的伪码做乘法运算，实现码相关效果。即对卫星扩频调制信号进行解扩，只剩下卫星信号里调制的数字信号。例如北斗B1I信号，伪码半码片频率值为2.046MHz*2＝4.092MHz，伪码多普勒值由载波多普勒根据载波频率和伪码频率换算而来。

积分计算。在指定的伪码周期内将码相关后的信号做积分累加，并最后输出累加值作为信号的I/Q支路能量分量。例如北斗B1I信号，伪码周期为

T＝4092/(4092000+CDPL)

其中4092是B1I信号周期的半码片长度，4092000是B1I信号半码片速率值，CDPL是B1I信号伪码半码片多普勒频率值。

数据缓存。首先将中频数据与TIC延迟组合成8位数据在中频有效和乒乓环路切换逻辑下写入对应的数据缓存BRAM块，同时将中频有效时对应的中频时钟计数值也做缓存，代表缓存数据在中频时钟时间轴上的起始时间点。

如图2和图3所示，跟踪通道分时复用的中频数据回放逻辑。

1.确认当前跟踪通道状态机空闲且乒乓环路中存在数据完整存储的BRAM块时开启回放逻辑。

2.从多通道跟踪参数存储BRAM块中读取指定通道的参数值，放入通道用于跟踪计算。

3.参数读取完成后开始从中频存放的BRAM块中读取8位数据，将数据解析成I/Q支路信号和TIC延迟信号，同时将存放的中频时钟计数值读出，几种信号同时输入到跟踪通道中进行图1的中频混频、伪码相关、积分计算操作。

4.等待该中频数据BRAM块被处理完成(即读出完成)后将当前跟踪通道的关键参数写入指定的跟踪通道参数存储BRAM块中。

5.开始进行下一个跟踪通道处理，再次进行上述同样的步骤2、3、4，只是参数换成另一个通道参数，直到把所有通道处理完成，跟踪通道状态机再次进入空闲状态，等待下一个中频数据缓存BRAM块存满则满足步骤1的条件就再次进入步骤2。

如图1所示，本发明需先将中频数据做预处理，将66MHz中频数据做混频，就是将中频信号去除一定的证书频率；然后将混频的信号做低通滤波去除混频产生的高频分量，只剩下频率差值信号分量；再将滤波后的信号经过积分累加，使得信号的采样率由66MHz变成22MHz；最后用22MHz的中频信号做3位量化，最大程度上保存信号完整性的同时简化了数据计算量。最终预处理的输出就是22MHz的中频信号。

如图2和图3所示，本发明将预处理后的中频数据、TIC信号在跟踪通道里使用两个BRAM块采用‘乒乓’环的方式缓存，同时将存储的起始时间点缓存；中频数据回放控制状态机先从存储BRAM中根据不同跟踪通道的不同地址读取跟踪通道所有参数，然后开始回放中频数据、TIC并开启时间计数的累计用于中频处理，等中频数据在该通道下回放计算完成后又将该通道的所有参数写入对应跟踪通道地址的BRAM中。通过数据、TIC、时间的缓存，实现跟踪通道分时复用的计算单元的效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，其特征在于，包括：

S1：获取卫星导航接收机的中频采样数据；

S2：对所述中频采样数据进行预处理，得到中频数据，并进行“乒乓”环路数据缓存；

S3：利用状态机对缓存的所述中频数据，进行卫星导航接收机跟踪模块不同跟踪通道的跟踪处理，实现分时复用。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，其特征在于：所述中频采样数据为经过卫星导航接收机前端预处理的数据。

3.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，其特征在于：

所述预处理为依次对所述中频采样数据进行下变频、低通滤波、积分降采样和3位量化。

4.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，其特征在于：所述“乒乓”环路数据缓存通过两个BRAM块实现。

5.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，其特征在于，所述S3，包括：

S31：所述状态机空闲等待当前BRAM存储完成；

S32：所述状态机控制所述当前BRAM通道参数存储表的读取，不同通道，参数存放读取的地址不同；

S33：所述状态机控制所述当前BRAM中频信号的读取，用于基带解调计算；

S34：所述状态机控制所述当前BRAM通道写入参数存储表，保存一个BRAM数据处理完成的状态；

S35：当所述当前BRAM通道未满时，所述状态机选择重复S32进入所述当前BRAM的下一个通道处理；当所述当前BRAM通道已满时，将另一个BRAM作为当前BRAM，返回入空闲状态S31。

6.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，其特征在于：所述中频采样数据的频率为66MHz或62MHz。

7.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机的跟踪模块多通道分时复用方法，其特征在于：所述中频数据的频率不超过25MHz。

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