CN1971304A - 用于高动态卫星导航接收机基带信号处理的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高动态卫星导航接收机基带信号处理的方法及装置。它通过独立并行的捕获引擎和跟踪通道，在上位机控制下，完成卫星导航信号基带处理部分。实施例中，中频信号经映射采样进入捕获引擎和跟踪通道：在捕获引擎中完成整套多普勒频域并行捕获算法，产生与输入信号码序列相位大致对齐的本地码序列转交给跟踪通道；在跟踪通道中，经过定时相关累加与中断处理时刻的提取，向上位机提供组成电文信息的比特量、码片偏移的监测量和发射时间信息；跟踪通道失锁后交由捕获引擎重捕。本发明采用两维并行搜索，加快了捕获速度；捕获引擎中复用了FFT运算器、包络运算器和检测器，节省了资源；模块参数化设计，经配置适用不同系统或规模。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于高动态卫星导航接收机基带信号处理的方法及装置。
背景技术
高动态卫星导航接收机是军事、航天等应用领域的高端技术，目前我国在这一领域的应用开发处于起步阶段。开发的高动态接收机主要基于GPS系统，考虑到GPS系统是由美国军方控制，安全性得不到保证，我国正积极在自主制式(如北斗卫星导航系统)和其他制式(如中欧合作的伽利略卫星导航系统和俄罗斯的GLONASS卫星导航系统)系统上进行高动态导航接收机的研发工作。此外，即使是在中、低动态应用领域的卫星导航接收机市场，成熟产品的基带处理部分也基本被国外产品垄断。随着我国自行研制开发的卫星导航系统的不断推进和导航应用市场的不断发展，一种基于GPS系统，并可以灵活重构适用于其它制式的高动态接收机基带信号处理方法和装置成为越来越紧迫的需求。
相关器、PN码捕获和载波同步、载波频率相位跟踪和码跟踪都属于卫星导航系统的基带信号处理，需要进行总体考虑。捕获过程是在一定的载波频率范围内，将本地产生的参考序列的码相位与基带信号码相位初步对齐的过程。这种在载波频率与码相位组成的不确定范围内进行二维的串行搜索需要耗费大量的时间。同时，在高动态环境下，有较大的多普勒频移，并且因为加速度和加加速度的存在，频偏的变化也非常快，如果采用一般的PLL环路进行频偏捕获的话，无论是捕捉带宽还是捕捉速度都无法满足要求。为了实现载波频率和相位的完全同步，在频偏初步捕获之后，将相应的载波频率的多普勒与码相位参数传递给跟踪通道，通过跟踪通道获取导航数据与时间信息。
实现高动态GPS接收机基带处理的方法和装置不仅成为学术界的研究热点、工业界的发展方向，也是应用者的迫切要求。同时随着国内自主体制导航系统的发展，越来越多的部门和应用领域急切地需要高动态条件下基带信号处理的验证和开发平台，本发明正是希望解决这样的问题。
发明内容
本发明的目的是提供用于高动态卫星导航接收机基带信号处理的方法及装置。
用于高动态条件的卫星导航接收机基带处理的方法包括以下步骤：
1)接收来自射频模块的模拟中频信号；
2)对模拟中频信号进行数字采样，同时进行比特映射；映射后的采样信号被捕获引擎和跟踪通道处理；
3)根据控制信号，并行独立的捕获引擎在映射后的采样信号中对指定的卫星信号进行捕获；
4)根据控制信号，跟踪通道在映射后的采样信号中对捕获成功的卫星信号进行跟踪。
5)根据控制信号，跟踪通道中卫星信号失锁，则交由捕获引擎重捕或者指定捕获新的卫星信号，捕获成功后再交由跟踪通道跟踪。
所述的并行独立的捕获引擎在映射后的采样信号中对指定的卫星信号进行捕获包括如下步骤：
1)映射后的采样信号经捕获下变频器产生同向(I路)与正交向(Q路)两路的基带信号；
2)基带信号通过并行的捕获相关通道完成I、Q两路分段相关累加；
3)相关累加的结果被即时送入乒乓机制的缓存存储器；
4)在中断处理时刻，复数FFT运算模块根据捕获相关通道的指示依次从相应的缓存存储器中提取相关累加结果进行时域到频域的转化；
5)对频域中的两路信号进行包络运算；
6)根据控制信号对包络运算的结果进行非相关的累加，并对累加结果进行检测判决，判决结果输出。
跟踪通道在映射后的采样信号中对捕获成功的卫星信号进行跟踪包括如下步骤：
1)映射后的采样信号经由控制信号配置频偏的跟踪下变频器产生同向(I路)、正交向(Q路)两路的基带信号；
2)基带信号在跟踪相关通道中完成定时的I、Q两路相关累加，相关累加器采用乒乓设计；
3)在小于中断处理信号间隔的周期提取信号的触发下将相关累加器中的累加值、反映信号发射时间的码NCO寄存器、码片计数器和周期计数器的值输入到缓存存储器中；
4)在中断处理时刻依次将跟踪通道缓存存储器中的信息和滞后产生的捕获引擎判决结果信息整合，发出中断请求，由上位机提取；
控制信号由上位机提取信息后处理产生，包括：
1)捕获引擎的卫星编号、代表不同卫星的延迟相位抽头系数、码片移动相位参量与移动使能、检测门限、捕获引擎的状态；
2)跟踪通道的卫星编号、数字下变频器的NCO环路移动参量与移动使能、码片移动相位参量与移动使能、跟踪通道的状态；
3)捕获成功时捕获成功的通道编号、分配的跟踪通道编号、重捕时需要重捕的跟踪通道编号、分配的捕获引擎编号。
用于高动态条件的卫星导航接收机基带处理装置：比特映射模块与捕获引擎模块、信息整合模块、接口模块相接，比特映射模块与跟踪通道模块、信息整合模块、接口模块相接，控制信号产生模块与捕获引擎模块、路由模块、跟踪通道模块相接，时钟模块分别与比特映射模块、捕获引擎模块、跟踪通道模块、路由模块、信息整合模块、接口模块、控制信号产生模块相接，接口模块与控制信号产生模块相接。
所述的捕获引擎模块的电路为：捕获下变频器与并行的捕获相关通道、相关累加缓存存储器、FFT运算器、包络运算器和检测器相接。
跟踪通道模块的电路为：跟踪下变频器与跟踪相关通道、跟踪通道数据整合器、跟踪通道数据缓存器相接。
本发明具有的有益效果包括：在捕获过程中，采用两维的并行搜索，大大加快了由于高动态引起的大频偏搜索范围内的搜索速度；通过相关累加缓存寄存器，隔开了捕获引擎前后两段的工作时钟域，使后段的捕获流程在较高的工作时钟下实现功能模块对不同捕获相关通道的复用，节省了资源。在一个基于GPS的实施例中，采用四个捕获引擎，每个引擎包含了八个相关通道，盲捕(在不知任何星历信息的情况下进行捕获)平均50秒捕获4颗卫星，1分10秒实现定位。在跟踪通道中，采用可配置的设计，能适用于各种高动态跟踪算法的反馈控制。同时，捕获引擎与跟踪通道的参数化设计可以针对不同的卫星导航系统的制式进行便捷的转化，适用于大部分的卫星导航系统。
附图说明
图1是用于高动态条件的卫星导航接收机基带处理装置电路方框图；
图2是本发明的捕获引擎模块的电路方框图；
图3是本发明的跟踪通道模块的电路方框图；
图4是本发明的频偏和码偏联合搜索的捕获算法方框图；
图5是本发明的相关累加缓存存储器读写地址空间的切换时序图；
图6是本发明的秒级时钟关系示意图；
图7是本发明的电文信息比特量的冗余标志提取时序关系示意图。
具体实施方式
本发明实现高动态条件下卫星导航接收机基带信号处理，在上位机的协同下能够实现快速定位，并能够根据规模与用途进行灵活配置。其手段是在实施例中，独立地设立了并行的捕获引擎和跟踪通道，同时采用多普勒域的并行搜索实现了快速捕获。
捕获过程是由捕获引擎实现的。捕获引擎中包含了多个并行独立的捕获相关通道，使得可以同时对指定卫星信号的多个码序列相位进行并行捕获。捕获相关通道产生的相关累加结果经过时域到频域的变换，得到了在多普勒域中的分量，对各分量进行包络运算，然后再进行非相关累加，得到的结果与门限进行比较，获得检测状态。
跟踪的目的是实现载波频率相位跟踪和码片的精细跟踪。跟踪的过程是由并行独立的跟踪通道完成的。跟踪通道输出的相关累加器中的累加值、反映信号发射时间的码NCO寄存器、码片计数器和周期计数器值的信息被统一格式化整合，与捕获引擎检测判断结果一同在给上位机的中断信号后被上位机提取。
本发明还通过控制信号和路由模块实现了捕获与跟踪通道间任意路由的切换，能够完成捕获到跟踪和重捕的功能。
如图1所示，比特映射模块102与捕获引擎模块103、信息整合模块106、接口模块107相接，比特映射模块102与跟踪通道模块104、信息整合模块106、接口模块107相接，控制信号产生模块108与捕获引擎模块103、路由模块105、跟踪通道模块104相接，时钟模块109(为保持明晰图中未画出)分别与比特映射模块102、捕获引擎模块103、跟踪通道模块104、路由模块105、信息整合模块106、接口模块107、控制信号产生模块108相接，接口模块107与控制信号产生模块108相接。
本发明中，中频信号从输入装置101输入，输入装置101包括天线模块(合众思壮AZ-G)与射频模块(Zarlink GP2015)；中频信号进入装置后，被比特映射模块102采样映射，分别进入捕获引擎模块103和跟踪通道模块104；捕获引擎模块103和跟踪通道模块104在控制信号产生模块108的控制信号作用下完成捕获和跟踪的工作；捕获引擎模块103产生的判决结果信息和跟踪通道模块104产生的跟踪信息由信息整合模块106进行格式处理，经接口模块107被输出装置110提取；输出装置110是上位机，完成对判决结果信息和跟踪信息的处理，根据不同的高动态导航接收机的算法，产生控制信号，通过接口模块107传递给控制信号产生模块108，控制信号产生模块108按照预定的时序向相关模块发出控制信号，这些控制信号包括：捕获引擎的卫星编号、代表不同卫星的延迟相位抽头系数、码片移动相位参量与移动使能、检测门限、捕获引擎的状态，跟踪通道的卫星编号、数字下变频器的NCO环路移动参量与移动使能、码片移动相位参量与移动使能、跟踪通道的状态，捕获成功时捕获成功的通道编号、分配的跟踪通道编号、重捕时需要重捕的跟踪通道编号、分配的捕获引擎编号；路由模块105完成捕获引擎模块与跟踪通道模块之间的转移；时钟模块109提供的时钟包括：发明装置内各模块的6MHz工作时钟和捕获引擎模块103的100MHz工作时钟；输入装置101的6MHz采样时钟和输出装置110的50MHz工作时钟；用于提取跟踪通道模块信息的2KHz时钟和用于中断处理信号的1KHz时钟。
如图2所示，捕获引擎模块103的电路为：捕获下变频器201与并行的捕获相关通道202、相关累加缓存存储器203、FFT运算器204、包络运算器205和检测器206相接。其完成的频偏和码偏二维联合搜索的捕获算法如图4所示。
捕获下变频器201是一个数字下变频器(DDC)，它将中频信号转化为基带信号。由频率数字控制振荡器(NCO)产生的正余弦波解调由比特映射模块102产生的中频信号，输出I、Q两路基带信号。
基带信号通过捕获相关通道202完成解扩和分段相关累加。捕获相关通道202内本地扩频码序列的码钟产生器由一个相位可配的码NCO产生，而码产生采用通用的GPS粗码产生器的方法生成。用本地码序列与基带信号相乘完成解扩，解扩之后的基带信号进行分段相关累加，每个相关累加值涉及的时间长度确定了检测频偏的范围，在实施例中，我们确定60点的分段累加，其频偏的检测范围是50KHz。每个捕获相关通道对扩频码的一个码片相位进行相关累积，在实施例中一个捕获引擎包括8个捕获相关通道。
分段相关累加结果被即时存入乒乓方式实现的相关累加缓存存储器203，捕获相关通道以扩频码序列周期切换相应的读写地址空间。如图5所示，相关累加缓存存储器读写地址空间的切换时序关系是：rd_1ms是中断处理信号所代表的读取起始信号，该信号触发FFT运算器204提取相关累加缓存存储器中由捕获通道指示读有效地址空间的数据进行进一步的处理。chip_1ms是本地扩频码序列每周期结束时产生的标志信号，该信号结束一个周期的分段相关累加，并将此周期存储涉及的地址空间置为读有效，而将另一块地址空间置为写有效。
相关累加缓存存储器203是一个双口的RAM，它将其前后的工作时钟域分割开来，这种作用对于所属技术领域的技术人员来说是显而易见的，由于其之后的FFT运算器204、包络运算器205和检测器206都要求极大的资源，对每个捕获相关通道202都配备这些模块是不现实也是不必要的，因此对一个捕获引擎的所有捕获相关通道复用这些资源是一个恰当的选择，这样就要求这些复用的模块在一个更高的时钟下进行工作，本实施例中采用100MHz的工作时钟。
在中断处理信号的触发下，首先从相关累加缓存存储器203相应的地址空间读取各个捕获相关通道202产生的分段累加值，以触发(Burst)方式驱动FFT运算器204获得I、Q两路的频域分量；在包络运算器205中，两路信号依次进行平方、相加、开方的运算，获得包络值；实施例在检测器206中对包络值进一步进行非相干的累积，实现20点累积后的定点检测：当某一通道频域分量的累积包络值超过了门限、则通过约定格式的判决结果将成功捕获的通道及相应的多普勒频偏输出，输出装置110通过接口模块107和控制信号产生模块108反馈控制信号启动配置跟踪通道模块104，进行跟踪；当没有包络值超过门限，则放弃该组8个相位的搜索，通过控制信号向捕获引擎模块103重新配置另8个码片相位，重复之前的捕获过程。
如图3所示，跟踪通道模块104的电路为：跟踪下变频器301与跟踪相关通道302、跟踪通道数据整合器303、跟踪通道数据缓存器304相接。
对于每一个捕获的卫星信号由一组跟踪下变频器301和跟踪相关通道302的模块组合进行跟踪，实例中我们采用12个这样的模块组合。
跟踪下变频器301是一个频偏可配的数字下变频器(DDC)，它将中频信号转化为基带信号。由频率数字控制振荡器(NCO)产生的正余弦波解调由比特映射模块102产生的中频信号，输出I、Q两路基带信号。每一颗被跟踪的卫星都有不同的频偏，为了达到频率跟踪必须有独立的跟踪下变频器301。
基带信号通过跟踪相关通道302完成解扩和定时相关累加。跟踪相关通道302内本地扩频码序列的码钟产生器由一个相位可配的码NCO产生的，而码产生采同样用通用的GPS粗码产生器的方法生成。实施例中每个跟踪相关通道302有三个相位相差0.5码片的码钟，分别用来产生超前码、当时码和延迟码。由当时码解扩的基带信号进行扩频码周期的定时相关累加，成为形成电文信息的比特量；由超前码和延迟码解扩的基带信号进行扩频码周期的定时累加，成为码片偏移的监测量；相关累加器采用乒乓机制，每个扩频码周期交替使用，停用的相关累加器中的值作为输出的比特量或监测量。
跟踪相关通道302中码产生器和码钟NCO的寄存器值分别代表了码片级和码片以下级的时间信息，这两个时间信息的组合代表了距离前一扩频码周期结束时的时间；根据GPS电文的格式，在跟踪通道中还有一个模20的周期计数器，用以代表电文比特级以下的时间信息。比特同步后，这三个时间信息的组合代表了距离前一个电文比特信息结束的时间。
跟踪通道数据整合器303从跟踪相关通道302中提取电文信息的比特量、码片偏移的监测量和时间信息。由于多普勒效应的存在，由扩频码周期确定的电文信息的比特量产生周期是变动的；而中断处理信号的周期由本地晶振产生，是固定的，所以，用中断处理信号采集电文信息的比特量会产生遗漏或者重复。为此，采用一个周期小于中断处理信号周期而又足以克服多普勒影响的周期提取信号提取以上电文信息的比特量、码片偏移的监测量和时间信息，同时设立一套机制识别采集电文信息的比特量是否产生遗漏或者重复。如图6所示，中断处理信号周期为1ms，提取信号的周期为0.5ms，它们都是上升延有效，提取信号有效在中断处理信号电平中段，保证了提取信息的完整性。如图7所示的电文信息比特量冗余标志提取的时序关系：DATAOK是数据冗余标志，高为有效，低为冗余；CHANlMS代表扩频码的周期，上升延来时置DATAOK为高；SYSSEMlMS是周期为0.5ms的提取信号，上升延来时置DATAOK为低；TRDATA是输出的定时相关累加的电文信息比特量，DATAOUT是比特量与冗余标志的结合。
跟踪通道数据缓存器304是双口的RAM，跟踪通道数据整合器303整合的电文信息的比特量、码片偏移的监测量和时间信息按预定的顺序写入跟踪通道数据缓存器304。在中断处理信号的触发下，被信息整合模块106读取。
实施例运行中，首先根据预定的搜索策略通过控制信号产生模块108发出控制信号启动捕获引擎模块103；当相应的卫星信号被捕获后，启动跟踪通道模块104空闲部分，在控制信号的协同下通过路由模块105将成功捕获通道中码产生器的寄存器信息、码NCO环路信息传递给跟踪通道，同时通过上位机对判决结果的读取获得频偏的信息，调整跟踪下变频器301，实现捕获到跟踪的转化；被启动的跟踪通道模块104部分在控制信号的作用下，不断地调整频偏和码偏，实现跟踪功能；当跟踪失锁时，启动空闲的捕获引擎模块103，在控制信号的协同下通过路由模块105将跟踪通道中码产生器的寄存器信息、码NCO环路信息传递分配给捕获引擎模块103中的各个通道进行重捕操作。
本发明能够进行高动态卫星导航接收机的开发与卫星导航接收机研究平台的搭建。这里所述的方法与设备，彼此分离的单体部件可以完全是传统的，我们要求将它们的组合作为发明进行保护。以上所述仅为本发明对于GPS卫星导航接收机较佳的具体实施方式，但本发明的真实精神和范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员可以修改单体部件的算法，实现不同应用场合的卫星导航接收机。本发明仅由后附权利要求书及其等效技术方案来限定，我们要求将这些作为本发明来保护。
Claims (7)
1.一种用于高动态条件的卫星导航接收机基带处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)接收来自射频模块的模拟中频信号；
2)对模拟中频信号进行数字采样，同时进行比特映射；映射后的采样信号被捕获引擎和跟踪通道处理；
3)根据控制信号，并行独立的捕获引擎在映射后的采样信号中对指定的卫星信号进行捕获；
4)根据控制信号，跟踪通道在映射后的采样信号中对捕获成功的卫星信号进行跟踪。
5)根据控制信号，跟踪通道中卫星信号失锁，则交由捕获引擎重捕或者指定捕获新的卫星信号，捕获成功后再交由跟踪通道跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种用于高动态条件的卫星导航接收机基带处理的方法，其特征在于，所述的并行独立的捕获引擎在映射后的采样信号中对指定的卫星信号进行捕获包括如下步骤：
1)映射后的采样信号经捕获下变频器产生同向(I路)与正交向(Q路)两路的基带信号；
2)基带信号通过并行的捕获相关通道完成I、Q两路分段相关累加；
3)相关累加的结果被即时送入乒乓机制的缓存存储器；
4)在中断处理时刻，复数FFT运算模块根据捕获相关通道的指示依次从相应的缓存存储器中提取相关累加结果进行时域到频域的转化；
5)对频域中的两路信号进行包络运算；
6)根据控制信号对包络运算的结果进行非相关的累加，并对累加结果进行检测判决，判决结果输出。
3.根据权利要求1所述的一种用于高动态条件的卫星导航接收机基带处理的方法，其特征在于，所述的跟踪通道在映射后的采样信号中对捕获成功的卫星信号进行跟踪包括如下步骤：
1)映射后的采样信号经由控制信号配置频偏的跟踪下变频器产生同向(I路)、正交向(Q路)两路的基带信号；
2)基带信号在跟踪相关通道中完成定时的I、Q两路相关累加，相关累加器采用乒乓设计；
3)在小于中断处理信号间隔的周期提取信号的触发下将相关累加器中的累加值、反映信号发射时间的码NCO寄存器、码片计数器和周期计数器的值输入到缓存存储器中；
4)在中断处理时刻依次将跟踪通道缓存存储器中的信息和滞后产生的捕获引擎判决结果信息整合，发出中断请求，由上位机提取；
4.根据权利要求1、2所述的一种用于高动态条件的卫星导航接收机基带处理的方法，其特征在于，所述的控制信号由上位机提取信息后处理产生，包括：
1)捕获引擎的卫星编号、代表不同卫星的延迟相位抽头系数、码片移动相位参量与移动使能、检测门限、捕获引擎的状态；
2)跟踪通道的卫星编号、数字下变频器的NCO环路移动参量与移动使能、码片移动相位参量与移动使能、跟踪通道的状态；
3)捕获成功时捕获成功的通道编号、分配的跟踪通道编号、重捕时需要重捕的跟踪通道编号、分配的捕获引擎编号。
5.一种按权利要求1、2所述方法设计的用于高动态条件的卫星导航接收机基带处理装置，其特征在于，比特映射模块(102)与捕获引擎模块(103)、信息整合模块(106)、接口模块(107)相接，比特映射模块(102)与跟踪通道模块(104)、信息整合模块(106)、接口模块(107)相接，控制信号产生模块(108)与捕获引擎模块(103)、路由模块(105)、跟踪通道模块(104)相接，时钟模块(109)分别与比特映射模块(102)、捕获引擎模块(103)、跟踪通道模块(104)、路由模块(105)、信息整合模块(106)、接口模块(107)、控制信号产生模块(108)相接，接口模块(107)与控制信号产生模块(108)相接。
6.根据权利要求5所述的用于高动态条件的卫星导航接收机基带处理装置，其特征在于，所述的捕获引擎模块(103)的电路为：捕获下变频器(201)与并行的捕获相关通道(202)、相关累加缓存存储器(203)、FFT运算器(204)、包络运算器(205)和检测器(206)相接。
7.根据权利要求5所述的用于高动态条件的卫星导航接收机基带处理装置，其特征在于，所述的跟踪通道模块(104)的电路为：跟踪下变频器(301)与跟踪相关通道(302)、跟踪通道数据整合器(303)和跟踪通道数据缓存器(304)相接。
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