CN114690215A - 一种基于分段循环相关的多模式gnss信号捕获方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获方法及装置。该方法包括:进行扩频码处理;将卫星数据进行中频下变频、重采样和分段处理;进行多普勒下变频得到零多普勒卫星数据;进行分段循环相关运算得到分段循环相关结果Ri,j;根据捕获灵敏度要求,对Ri,j进行相干积分得到RCn;根据RCn进行捕获判决;当捕获失败时进行多普勒更新计算。该方法分段处理减小了FFT的点数,减少对硬件资源同时满足兼容多种类型卫星捕获的特点。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域,尤其涉及一种基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获方法及装置。
背景技术
在GNSS接收机芯片设计中,硬件资源使用控制不仅设计到成本控制,同时会影响到芯片的面积大小和功耗;一般情况下,其所耗资源最大的部分为捕获模块。通常,GNSS接收机硬件使用码相位并行频率串行搜索(即循环相关算法)来实现卫星信号的捕获,其快速算法需要进行FFT-IFFT运算,FFT的长度将决定硬件所需寄存器数量和硬件面积及成本,所以需要选择合适的FFT运算点数。
而在多模多频GNSS接收机芯片设计中,由于不同频点模式的卫星信号扩频码长度不一致,若考虑多个FFT模块来兼容不同种长度计算,硬件资源的要求将急剧增加。例如,考虑频点模式为GPS L1/L5以及Galileo E1和北斗B1I,其扩频码长度分别为1023/10230、4096和2046,为了对不同长度的扩频码实现循环相关搜索,FFT的长度将不同,需要至少设计4种不同长度的FFT模块。虽然可以考虑最长点数(L5)的FFT模块来进行兼容计算,但对于其它频点模式FFT的长度过大,则是一种资源和计算时间的浪费。
如何实现多种频点模式信号捕获的兼容和减小硬件资源成本是在硬件实现中需要解决的一个问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获方法及装置用于解决现有技术的不足。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明实施例提供了一种基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获方法,包括:
进行扩频码处理;
将卫星数据进行中频下变频、重采样和分段处理;
进行多普勒下变频得到零多普勒卫星数据;
进行分段循环相关运算得到分段循环相关结果Ri,j;
根据捕获灵敏度要求,对Ri,j进行相干积分得到RCn;
进行捕获判决;
进行多普勒更新计算。
进一步地,进行扩频码处理具体包括:
根据捕获模式选择可能的卫星信号类型为GPS L5/L1、北斗B1C/B1I/B3I/B2A/B2B以及Galileo E1/E5A/E5B等信号中的一种,并根据卫星号生成对应扩频码,设其长度为M。
将扩频码扩展为原长度的2倍,扩展后码长变为2M;扩展是在每一个码片后再重复插入自身码片;将1个码片变成相同的2个码片;扩频码序列在扩展前每一个数据代表一个码片,而扩展后序列的每一个数据代表半个码片;
将L个扩频码数据Pj补0到Nfft长度,进行FFT并取共轭得到FPj;其中,FFT点数Nfft≥2L,且Nfft为2的整数次幂;
更进一步地,对于不同的频点模式,L的选择应遵循如下原则:
为了在硬件实现中兼容使用同一个FFT模块,故L的长度是固定的;同时,L应能被M整除,即N取数应为整数。在上述所有频点模式中,GPS L1的码长2M=2046,北斗B1I的码长2M=4092,Galileo E1的码长2M=8184,而其它模式时码长2M=20460,可以设置L=2046,相应N分别取1,2,4和10。
进一步地,将卫星数据进行中频下变频、重采样和分段处理具体包括:
将卫星数据与本地中频载波进行混频得到零中频数据;
按照扩频码速率将属于同一个半码片内的零中频数据进行累加生成半码片重采样数据;
然后将半码片重采样数据按照L个数据为一段进行分段。不妨设重采样后数据为{d1,d2,…,di,…},分段后的数据为D={D1,D2,…,Di,…},其中数据Di为序列{d(i-1)L+1,d(i-1)L+2,…,diL}。
更进一步地,为了在分段后实现一个扩频周期的相干积分,卫星数据长度应包含2个扩频码周期:北斗B1C信号长度大于20毫秒,Galileo E1大于8毫秒,其它卫星数据长度大于2毫秒。
进一步地,多普勒下变频包括:
产生本地载波,其频率为某个多普勒值f0,将D更新为本地载波与D的复数乘积。
进一步地,进行分段循环相关运算,第i和i+1段数据与第j段扩频码相关匹配过程为:
将连续2段即2L个零多普勒卫星数据DiDi+1补0到到Nfft长度进行FFT得到FDi;
将FPj和FDi复数相乘,得到FDPij;
对FDPij进行IFFT运算,得到第i和i+1段数据与第j段扩频码循环相关结果Ri,j。
进一步地,对Ri,j进行相干积分具体包括:
进一步地,捕获判决过程为:
对RCn进行求模,并在其中搜索最大值,若最大值超过预设阈值,判定为捕获成功,并根据最大值出现位置计算卫星信号码相位CP;否则认定当前预设多普列频率值捕获失败,进入下一个预设多普勒频率值搜索,直到所有多普勒值搜索完毕。
更进一步地,卫星型号码相位计算如下:
不妨设最大值出现在RCn的位置m(0≤m≤L-1),则有:
CP=mod(L(n-1)-m+2M,2M)
式中mod(x,y)为模y运算,CP单位为半码片。
进一步地,多普勒更新计算如下:
f0=f0+fstep
其中fstep为多普勒搜索步长。判断f0是否超出多普勒搜索范围,若未超出则继续上述搜索过程,否则判断当前卫星捕获失败。
本发明提供的捕获方法,考虑了多种扩频码长度下的FFT模块长度设计以及捕获。在选择了一个固定长度的FFT点数后,将一个周期的扩频码拆分成了N段,每一段长度为L,同时卫星数据也被按照相同的长度进行分段,使用循环相关的码相位捕获方法,而每一段数据可能对应着N段扩频码,因此对每一段数据进行N次循环相关码相位搜索。在此过程中,分段循环相关减少了FFT计算点数,可减少对硬件资源的要求。同时由于相关长度的减少,必然会在捕获过程中带来信噪比的损失,若仅使用一段扩频码进行搜索,强信号下能够获得较好的效果。
搜索过程中,若多普勒值和码相位都能匹配上,则会在多个相关结果中某个位置出现峰值。例如,Ri,j为第j段扩频码和第i及i+1段数据匹配成功,且峰值出现在位置m,则Ri+1,j+1,…,Ri+N-1,j+N-1同样会在m位置出现峰值,因此可以对各段的循环相关结果数据进行相干积分,相当于进行了一个周期的相关,可提高捕获时的信噪比,获得更高的捕获灵敏度,可适用于较弱信号的捕获。
当对一个完整周期的扩频码进行相关运算时,采用分段能够减少FFT的点数,但需要进行多个段的搜索,减少了硬件资源,但将增加计算时间。
本发明实施例提供一种基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获装置,包括:扩频码产生模块、扩频码预处理模块、数据预处理模块、多普勒剥离模块、循环相关模块、相干积分模块、捕获判决模块、多普勒计算模块。
所述扩频码产生模块根据外部输入信号频点模式和卫星号,产生长度为M的扩频码;
所述扩频码预处理模块用于进行半码片重采样扩展;对2M个扩频码码片分为N段,每段长度为L;对每一段进行FFT运算,并求共轭,得到扩频码共轭频谱;
所述数据预处理模块用于将卫星数据进行中频下变频、重采样和分段处理;
所述多普勒剥离模块用于将处理后的卫星数据与预设多普勒频率的本地载波进行混频完成多普勒下变频得到零多普勒卫星数据;
所述循环相关模块对卫星数据进行FFT运算、复数相乘以及IFFT运算得到循环相关结果Ri,j;
所述捕获判决模块用于对相干积分RCn进行求模,并在其中搜索最大值,若最大值超过预设阈值,判定为捕获成功,并根据最大值出现位置计算卫星信号码相位CP;否则认定当前预设多普列频率值捕获失败,进入下一个预设多普勒频率值搜索;
所述多普勒计算模块用于计算下一个预设多普勒频率值,并判断多普勒值是否超出捕获范围判决,若未超出范围,则重复上述捕获过程,若超出范围则结束对该卫星的捕获。
进一步地,所述循环相关模块包括:FFT模块、乘法模块以及IFFT模块;
所述FFT模块用于将L个扩频码数据Pj补0到Nfft长度,进行FFT并取共轭得到FPj;其中,FFT点数Nfft≥2L,且Nfft为2的整数次幂;
所述FFT模块还用于将连续2段即2L个零频卫星数据DiDi+1补0到到Nfft长度进行FFT得到FDi;
所述乘法模块用于将FPj和FDi复数相乘,得到FDPij;
所述IFFT模块用于对FDPij进行IFFT运算,得到循环相关结果Ri,j。
本发明实施例还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上所述的方法的步骤。
本发明提供的技术方案,通过对扩频码进行分段和循环相关计算,实现了对多个频点模式卫星信号的兼容捕获;分段处理减小了FFT的点数,从而实现了减少对硬件资源的要求。通过对分段后结果的相干积分,可提高捕获灵敏度。
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分段循环相关的多模式GNSS信号捕获方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供的一种基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获装置的结构示意图。
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分段循环相关的多模式GNSS信号捕获方法的流程示意图。包括以下步骤:
S101、根据不同的频点模式和卫星号,产生码长为M的扩频码。
S102、将码长为M的扩频码进行半码片重采样扩展和分段处理。
将扩频码扩展为原长度的2倍,卫星信号扩频码长为M,扩展后码长变为2M;扩展时在每一个码片后再重复插入自身码片;将1个码片变成相同的2个码片。
将扩频码数据Pj补0到Nfft长度,进行FFT并取共轭得到FPj。
S103、将卫星数据进行中频下变频、重采样和分段处理。
生成本地复信号,其载波频率为信号中频fi,将本地载波信号和卫星信号相乘,生成零中频数据。依据扩频码速率,将属于同一个半码片内的零中频信号进行累加,生成半码片重采样信号,然后按照L个数据为一段进行分段,生成数据S1。
S104、对分段数据后的卫星数据S1进行多普勒下变频。
按照给定的预设多普勒值(f0),生成本地复信号载波,与S1数据相乘,剥离信号中的多普勒值。生成信号S2,不妨设S2包含数据段D1,…,Di,…,每段数据的长度为L。
S105、进行循环相关运算。
将连续2段零多普勒卫星数据DiDi+1补0到Nfft长度进行FFT得到FDi;将FPj和FDi复数相乘,得到FDPij;对FDPij进行IFFT运算,得到循环相关结果Ri,j。
本地扩频码和零频数据选取如下:第一次取数据为D1D2,第二次取数据为D2D3,…,第i次取数据为DiDi+1,…;取数据DiDi+1时,分别取P1,…,PN进行N次循环相关,结果分别为Ri,1,…,Ri,j,…,Ri,N。
S106、根据捕获灵敏度要求对循环相关结果进行相干积分得到RCn。
捕获灵敏度要求由外部输入决定。
不需要提高灵敏度时,不做相干累加,将R1,n(1≤n≤N)直接输出得到RCn。
需要提高灵敏度时则需要对Ri,j进行相干累加得到:
S107、捕获判决。
对RCn(1≤n≤N)求模,并在其中搜索最大值,若最大值超过预设阈值,认为捕获成功,此时,最大值出现在RCk的m位置,可计算得到码相位为CP;否则,则认为在当前给定多普勒值时捕获失败,需要进行下一个多普勒值搜索。
S108、更新预设多普勒值
假定初始预设多普勒值为f0,对f0完成码相位搜索后,若捕获失败,则f0累加一个步长值,跳转到S104,直到捕获成功或者多普勒值超出范围。
通过分段循环相关可实现多种频点模式下的卫星信号兼容捕获;通过分段,可以将一个长周期的扩频码分成多部分进行循环相关,从而减少FFT点数,减少捕获操作对硬件资源的要求;通过相干积分,可以有效完成较弱信号强度下长周期扩频码卫星信号捕获功能。
如图2所示,本发明实施例提供一种基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获装置,包括:卫星模式选择模块100、扩频码预处理模块101、数据预处理模块102、多普勒剥离模块103、循环相关模块104、灵敏度控制模块105、捕获判决模块106以及多普勒计算模块107。
卫星模式选择模块100用于根据外部输入选择卫星信号模式,并根据卫星号产生相应扩频码。
扩频码预处理模块101用于将码长为M的扩频码进行半码片重采样扩展和分段处理;分段时控制每段长度为L,有2M=N×L;其中N为分段的段数;输出数据到104模块。
数据预处理模块102用于将卫星数据进行中频下变频、重采样和分段处理;输出到模块103。
多普勒剥离模块103用于将处理后的卫星数据与预设多普勒频率的本地载波进行混频完成多普勒下变频得到零多普勒卫星数据;输出到模块104。
循环相关模块104用于对零多普勒卫星数据进行FFT运算、复数相乘以及IFFT运算得到循环相关结果Ri,j。
循环相关模块104包括:FFT模块104_1、乘法模块104_2以及IFFT模块104_3。
FFT模块104_1用于将L个扩频码数据Pj补0到Nfft长度,进行FFT并取共轭得到FPj;其中,FFT点数Nfft≥2L,且Nfft为2的整数次幂;FFT模块104_1还用于将连续2段即2L个零频卫星数据DiDi+1补0到到Nfft长度进行FFT得到FDi;乘法模块104_2用于将FPj和FDi复数相乘,得到FDPij;IFFT模块104_3用于对FDPij进行IFFT运算,得到循环相关结果Ri,j。
捕获判决模块106用于对相干积分RCn进行求模,并在其中搜索最大值,若最大值超过预设阈值,判定为捕获成功,并根据最大值出现位置计算卫星信号码相位CP;否则认定当前预设多普列频率值捕获失败,进入下一个预设多普勒频率值搜索;
多普勒计算模块107用于计算下一个预设多普勒频率值,并判决是否结束当前卫星捕获,若继续捕获输出到模块103,否则,结束对该卫星的捕获。
需要说明的是:上述实施例提供的基于分段循环相关的多模式GNSS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分段循环相关的多模式GNSS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。
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基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获装置的处理器执行,以完成前述一种基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获方法的步骤。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。
在本发明所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的方法和智能设备,可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,如:多个单元或组件可以结合,或可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口,设备或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,也可以分布到多个网络单元上;可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
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)
1.一种基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获方法,其特征在于,包括:
进行扩频码处理;
将卫星数据进行中频下变频、重采样和分段处理;
进行多普勒下变频得到零多普勒卫星数据;
进行分段循环相关运算得到分段循环相关结果Ri,j;
根据捕获灵敏度要求,对Ri,j进行相干积分得到RCn;
根据RCn进行捕获判决;
当捕获失败时进行多普勒更新计算。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,进行扩频码处理具体包括:
根据捕获模式选择的卫星信号类型GPS L5/L1、北斗B1C/B1I/B3I/B2A/B2B以及Galileo E1/E5A/F5B信号中的一种,并根据卫星号生成对应扩频码,设其扩频码长度为M;
将扩频码扩展为原长度的2倍,扩展后码长变为2M;扩展是在每一个码片后再重复插入自身码片;将1个码片变成相同的2个码片;扩频码序列在扩展前每一个数据代表一个码片,而扩展后序列的每一个数据代表半个码片;
将L个扩频码数据Pj补0到Nfft长度,进行FFT并取共轭得到FPj;其中,FFT点数Nfft≥2L,且Nfft为2的整数次幂。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,L取值为2046;GPS L1相应N值取1;北斗B1I相应N值取2;Galileo E1相应N值取4;其他相应N值取10。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,将卫星数据进行中频下变频、重采样和分段处理具体包括:
将卫星数据与本地中频载波进行混频得到零中频数据;
按照扩频码速率将属于同一个半码片内的零中频数据进行累加生成半码片重采样数据;
然后将半码片重采样数据按照L个数据为一段进行分段。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,卫星数据长度满足如下条件:北斗B1C信号长度大于20毫秒;Galileo F1大于8毫秒;GPS L5/L1、北斗B1I/B3I/B2A/B2B以及GalileoE5A/F5B信号长度大于2毫秒。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,进行分段循环相关运算得到分段循环相关结果Ri,j具体包括:
将连续2段即2L个零多普勒卫星数据DiDi+1补0到到Nfft长度进行FFT得到FDi;
将FPj和FDi复数相乘,得到FDPij;
对FDPij进行IFFT运算,得到第i和i+1段数据与第j段扩频码循环相关结果Ri,j。
8.如权利要求1所述的方法,其特征在于,捕获判决过程为:
对RCn进行求模,并在其中搜索最大值,若最大值超过预设阈值,判定为捕获成功,并根据最大值出现位置计算卫星信号码相位CP;否则认定当前预设多普列频率值捕获失败,进入下一个预设多普勒频率值搜索,直到所有多普勒值搜索完毕。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,卫星信号码相位CP计算如下:
设最大值出现在RCn的位置m(0≤m≤L-1),则有:
CP=mod(L(n-1)-m+2M,2M)
式中mod(x,y)为模y运算,CP单位为半码片。
10.一种基于分段循环相关的多模式GNSS信号捕获装置,其特征在于,包括:扩频码产生模块、扩频码预处理模块、数据预处理模块、多普勒剥离模块、循环相关模块、相干积分模块、捕获判决模块、多普勒计算模块;
所述扩频码产生模块根据外部输入信号频点模式和卫星号,产生长度为M的扩频码;
所述扩频码预处理模块用于进行半码片重采样扩展;对2M个扩频码码片分为N段,每段长度为L;对每一段进行FFT运算,并求共轭,得到扩频码共轭频谱;
所述数据预处理模块用于将卫星数据进行中频下变频、重采样和分段处理;
所述多普勒剥离模块用于将处理后的卫星数据与预设多普勒频率的本地载波进行混频完成多普勒下变频得到零多普勒卫星数据;
所述循环相关模块对卫星数据进行FFT运算、复数相乘以及IFFT运算得到循环相关结果Ri,j;
所述捕获判决模块用于对相干积分RCn进行求模,并在其中搜索最大值,若最大值超过预设阈值,判定为捕获成功,并根据最大值出现位置计算卫星信号码相位CP;否则认定当前预设多普列频率值捕获失败,进入下一个预设多普勒频率值搜索;
所述多普勒计算模块用于计算下一个预设多普勒频率值,并判断多普勒值是否超出捕获范围判决,若未超出范围,则重复上述捕获过程,若超出范围则结束对该卫星的捕获。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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