CN115508866A - 一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行gnss信号捕获方法 - Google Patents

一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行gnss信号捕获方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法，包括：步骤S1：数据预先处理，获得卫星导航中频数据、本地载波和本地伪码；步骤S2：信号去载波；步骤S3：将去载波后的数据与伪码进行相关运算，得到当前多普勒频率下所有不同码相位的相关值；步骤S4：判断是否轮循完所有多普勒频率，如果没有，则更新多普勒频率并返回到步骤S2。该方法能够适应不同数据位宽的处理器，并且能够充分发挥处理器的计算性能，对处理器平台函数库要求低，能够在没有并行处理能力的处理器中进行位并行计算。

Description

一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获 方法
技术领域
本发明涉及全球导航卫星系统的信号捕获技术领域，特别涉及一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法。
背景技术
在GNSS信号捕获领域，已有的传统算法包括：GNSS信号串行捕获算法、部分抽取串行捕获算法、并行码相位搜索捕获方法、并行频率搜索捕获算法、PMF(部分匹配滤波器)-FFT算法、改进DFT算法等。现有的实现方案部分介绍如下：
GNSS信号的串行捕获过程是接收机本地信号发生器确定某一码相位与多普勒频移估计，而后分别在码相位和多普勒频移两个方向进行搜索，若搜索结果即相关值，超过阈值，则证明搜索成功；若未超过阈值，则步进至下一单元。
部分抽取串行捕获在传统串行捕获算法的基础上，将采样点再次进行抽取，并进行积分累积，既保留了数据一周期的完整信息，又成倍减少了采样点数，降低了运算量。
对于微弱的GNSS信号，利用传统的单周期的串行搜索很难捕获，需要延长积分时间来提高信号的信噪比增益。在频域捕获中，相干累加应用比较广泛，都是增加了积分时间来提高信噪比增益。相对于时域捕获，其相干累加应用的较少，相关过程与频域类似，只是采用了时域的延迟，将单周期积分延长至多周期。相干累加是增加了积分时间来提高信噪比增益的，是X轴方向的处理，非相干累加是数据分段后的平方模值直接进行累加，是Y轴方向上的处理。假设将数据分为M个数据块，对每个数据块进行相干累加，再将其每个结果模平方进行累加，出现的峰值与阈值相比判断捕获结果，这就是非相干累加。平方后的结果虽然信号能量有所增加，也带来了新的噪声。
并行码相位搜索捕获依靠本地码与输入数据的循环相关过程，改变了传统的二维滑动搜索。输入信号中的码序列x(n)和本地码序列h(n)的相关运算利用两次FFT和一次IFFT实现，达到一次运算就可以获得所有的码相位上的相关值的效果。
PMF-FFT捕获方法是部分匹配滤波器和FFT相结合的一种捕获方式。接收信号与本地载波相乘去载波后，两支路信号分别与子相关器做相关运算，其过程为：PMF-FFT相关器的分段子相关器与码元做分段运算，取输出幅值最大的峰值作为相关器的输出。如果峰值超过门限则捕获成功，否则更新子相关器的码位。
改进的DFT算法的核心为通过1个大点数的DFT分解为众多小点数DFT的组合以降低N的大小，然后将计算分解为小点数DFT，减少了FFT的计算量，且不需要整数次幂。(此处能解决上面的蓝色问题，还是主要解决上面红色字体部分，如果不能解决蓝色字体部分，请输出蓝色部分)主要解决红色部分，已将红色部分删除，避免误导，在后面已输出蓝色部分
但是对于以上现有技术而言，都不能解决两个问题，一：现有的各种捕获方法并不能完全适用各种数据位宽的处理器；二：现有的各种捕获方法对平台的函数库有着一定的要求，比如拥有较快的适合本处理器运算结构的FFT和IIFT函数等。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法，能够克服现有技术存在的缺陷，以实现GNSS信号捕获。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：
该种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法，方法包括步骤如下：
步骤S1：数据预先处理，获得卫星导航中频数据、本地载波和本地伪码；
步骤S2：信号去载波，将IQ两路数据分别直接与当前搜索的多普勒频率的载波相乘得到去载波后的数据data2,并且将其量化后组成n个x位数据；
步骤S3：将去载波后的数据与伪码进行相关运算，得到当前多普勒频率下所有不同码相位的相关值；
步骤D：判断是否轮循完所有多普勒频率，如果没有，则更新多普勒频率并返回到步骤S2；如果轮循完毕则结束。
进一步，所述步骤S1中，具体过程如下：
步骤S11，计算CPU数据位宽x和伪码频率f的最小公倍数fcpuca；
步骤S12，以fcpuca为IQ数据的采样率得到原始IQ数据data；
步骤S13，以fcpuca为载波频率，fdop为多普勒频率生成不同多普勒下的所有本地载波信号carrier；
步骤S14，本地生成n组相差四分之一伪码周期的伪码并进行量化组成n个x位数据code1,code2,code3,……，coden。
进一步，所述步骤S14中，n的取值范围为2-10。
进一步，所述步骤S14中，n为4，组成4个x位数据code1,code2,code3,code4。
进一步，所述步骤S2的具体过程如下：
步骤S21：IQ数据直接与本地载波相乘，进行相关运算得到数据data2；
步骤S22：将data2进行2比特量化,每一个采样点数据得到1比特符号位symboldata2和1比特幅度位amplitudedata2；
步骤S23：将每x个采样点的符号位symboldata2组成一个x位符号数据，每x个采样点的幅度位amplitudedata2组成一个x位幅度数据。
进一步，所述步骤S3的具体过程如下：
步骤S31：先选取不同码头位置的伪码，第一个码头位置直接使用code1作为伪码，之后每次将code1的按位右移1/4码片得到新的伪码，直到code1等于code2时，直接使用code2，同理直到coden按位右移得到code1时，即循环完所有码相位；
步骤S32：把选取到的当前码头位置的伪码code与去载波后的数据的符号位数据symboldata2进行按位异或运算得到最终的符号位数据symbol，由于一个数据有x位，代表x个采样点，所以一次运算相当于并行处理x个数据；
步骤S33：利用查表方法，依照最终的符号位数据symbol和幅度位数据amplitudedata2，查表得到当前码头位置和多普勒频率的所有采样点的相关值并相加。
本发明的目的之二是提供一种计算机装置，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前所述的方法。
本发明的目的之三是提供一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前所述的方法。
本发明的有益效果是：
(1)能够适应不同数据位宽的处理器，并且能够充分发挥处理器的计算性能；
(2)能够在没有并行处理能力的处理器中进行位并行计算；
(3)对处理器平台函数库要求低，不要求有FFT和IFFT等特殊处理函数。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和前述的权利要求书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例的的一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法，包括以下步骤：
步骤S1：数据预先处理，获得卫星导航中频数据、本地载波和本地伪码；具体过程如下：
步骤S11，计算CPU数据位宽x和伪码频率f的最小公倍数fcpuca；
步骤S12，以fcpuca为IQ数据的采样率得到原始IQ数据data；
步骤S13，以fcpuca为载波频率，fdop为多普勒频率生成不同多普勒下的所有本地载波信号carrier；
步骤S14，本地生成n组相差n分之一伪码周期的伪码并进行量化组成n个x位数据code1,code2,code3,……，coden，n组相差1/n码片周期的伪码恰好是一个循环。本实施例中，n取4，即本地生成4组相差四分之一伪码周期的伪码并进行量化组成4个x位数据code1,code2,code3,code4。
步骤S2：信号去载波，将IQ两路数据分别直接与当前搜索的多普勒频率的载波相乘得到去载波后的数据data2,并且将其量化后组成n个x位数据；具体过程如下：
步骤S21：IQ数据直接与本地载波相乘，进行相关运算得到数据data2；
步骤S22：将data2进行2比特量化,每一个采样点数据得到1比特符号位symboldata2和1比特幅度位amplitudedata2；
步骤S23：将每x个采样点的符号位symboldata2组成一个x位符号数据，每x个采样点的幅度位amplitudedata2组成一个x位幅度数据。
步骤S3：将去载波后的数据与伪码进行相关运算，得到当前多普勒频率下所有不同码相位的相关值；具体过程如下：
步骤S31：先选取不同码头位置的伪码，第一个码头位置直接使用code1作为伪码，之后每次将code1的按位右移1/4码片得到新的伪码，直到code1等于code2时，直接使用code2，同理直到code4按位右移得到code1时，即循环完所有码相位；
步骤S32：把选取到的当前码头位置的伪码code与去载波后的数据的符号位数据symboldata2进行按位异或运算得到最终的符号位数据symbol，由于一个数据有x位，代表x个采样点，所以一次运算相当于并行处理x个数据；
步骤S33：利用查表方法，依照最终的符号位数据symbol和幅度位数据amplitudedata2，查表得到当前码头位置和多普勒频率的所有采样点的相关值并相加。
步骤D：判断是否轮循完所有多普勒频率，如果没有，则更新多普勒频率并返回到步骤S2；如果轮循完毕则结束。
与现有技术相比，现有的各种捕获方法并不能完全适用各种数据位宽的处理器，而本发明的方法能够适应不同数据位宽的处理器，并且能够充分发挥处理器的计算性能；现有的各种捕获方法对平台的函数库有着一定的要求，比如拥有较快的适合本处理器运算结构的FFT和IIFT函数等，而本发明能够在没有并行处理能力的处理器中进行位并行计算，对处理器平台函数库要求低，不要求有FFT和IFFT等特殊处理函数，从而减少了配置成本。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤S1：数据预先处理，获得卫星导航中频数据、本地载波和本地伪码；
步骤S2：信号去载波，将IQ两路数据分别直接与当前搜索的多普勒频率的载波相乘得到去载波后的数据data2,并且将其量化后组成n个x位数据；
步骤S3：将去载波后的数据与伪码进行相关运算，得到当前多普勒频率下所有不同码相位的相关值；
步骤S4：判断是否轮循完所有多普勒频率，如果没有，则更新多普勒频率并返回到步骤S2；如果轮循完毕则结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法，其特征在于：所述步骤S1中，具体过程如下：
步骤S11，计算CPU数据位宽x和伪码频率f的最小公倍数fcpuca；
步骤S12，以fcpuca为IQ数据的采样率得到原始IQ数据data；
步骤S13，以fcpuca为载波频率，fdop为多普勒频率生成不同多普勒下的所有本地载波信号carrier；
步骤S14，本地生成n组相差n分之一伪码周期的伪码并进行量化组成n个x位数据code1,code2,code3,……，coden，所述n为正整数。
3.根据权利要求2所述的一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法，其特征在于：所述步骤S14中，n的取值范围为2-10。
4.根据权利要求1所述的一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法，其特征在于：所述步骤S14中，n为4，组成4个x位数据code1,code2,code3,code4。
5.根据权利要求1所述的一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法，其特征在于：所述步骤S2的具体过程如下：
步骤S21：IQ数据直接与本地载波相乘，进行相关运算得到数据data2；
步骤S22：将data2进行2比特量化,每一个采样点数据得到1比特符号位symboldata2和1比特幅度位amplitudedata2；
步骤S23：将每x个采样点的符号位symboldata2组成一个x位符号数据，每x个采样点的幅度位amplitudedata2组成一个x位幅度数据。
6.根据权利要求2所述的一种基于处理器数据位宽和伪码频率的位并行GNSS信号捕获方法，其特征在于：所述步骤S3的具体过程如下：
步骤S31：先选取不同码头位置的伪码，第一个码头位置直接使用code1作为伪码，之后每次将code1的按位右移1/4码片得到新的伪码，直到code1等于code2时，直接使用code2，同理直到coden按位右移得到code1时，即循环完所有码相位；
步骤S32：把选取到的当前码头位置的伪码code与去载波后的数据的符号位数据symboldata2进行按位异或运算得到最终的符号位数据symbol，由于一个数据有x位，代表x个采样点，所以一次运算相当于并行处理x个数据；
步骤S33：依照最终的符号位数据symbol和幅度位数据amplitudedata2，查表得到当前码头位置和多普勒频率的所有采样点的相关值并相加。
7.一种计算机装置，包括存储器、处理器及储存在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上储存有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任一项所述的方法。
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