專利名稱：一種基于2ms數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星接收機(jī)快速捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到衛(wèi)星測(cè)量及衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域，特指一種基于2ms數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星接收機(jī)快速捕獲方法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星接收機(jī)是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用終端，它通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)并實(shí)時(shí)處理后得到用戶所需要的導(dǎo)航信息，如位置、速度等。如圖1所示，為衛(wèi)星接收機(jī)的一般構(gòu)成。按照正常工作時(shí)的信號(hào)處理流程，接收機(jī)分為射頻前端模塊、基帶信號(hào)處理模塊和導(dǎo)航運(yùn)算模塊共三大功能模塊。射頻前端模塊通過(guò)天線接收所有可見(jiàn)衛(wèi)星的信號(hào)，經(jīng)前置濾波器和前置放大器的濾波放大后，再與本地振蕩器產(chǎn)生的正弦波本振信號(hào)進(jìn)行混頻與濾波(即下變頻器)成中頻信號(hào)；最后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻信號(hào)?；鶐盘?hào)處理模塊處理射頻前端模塊所輸出的數(shù)字中頻信號(hào)，復(fù)制出與接收到的衛(wèi)星信號(hào)一致的本地載波和本地偽碼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，并從中獲得衛(wèi)星偽距和載波頻率等測(cè)量值以及解調(diào)出導(dǎo)航電文?；鶐盘?hào)處理模塊輸出的偽距和載波頻率等測(cè)量信息以及解調(diào)出來(lái)的導(dǎo)航電文，這些測(cè)量值和導(dǎo)航電文中的星歷參數(shù)等信息被送入導(dǎo)航運(yùn)算模塊進(jìn)行處理，衛(wèi)星接收機(jī)最終獲得衛(wèi)星定位結(jié)果和其它導(dǎo)航信息。信號(hào)捕獲是接收機(jī)軟件部分的起始，也是基帶信號(hào)處理中第一步。捕獲環(huán)節(jié)是接收機(jī)的基礎(chǔ)模塊，是接收機(jī)能否正常工作的關(guān)鍵，其性能直接影響接收機(jī)的首次定位時(shí)間和接收靈敏度等關(guān)鍵指標(biāo)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)大都采用直接序列擴(kuò)頻的信號(hào)體制。關(guān)于直接擴(kuò)頻信號(hào)的捕獲方法，人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，其基本思想是將接收到的信號(hào)和本地產(chǎn)生的復(fù)現(xiàn)碼與本地載波進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)將相關(guān)結(jié)果與門(mén)限比較來(lái)確定信號(hào)的存在。按照相關(guān)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)方式的不同，捕獲方法主要可分為滑動(dòng)相關(guān)法、并行FFT法。在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展初期，基于滑動(dòng)相關(guān)的捕獲方法以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、硬件需求較低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航接收機(jī)的設(shè)計(jì)中?；瑒?dòng)相關(guān)器法的搜索速率與搜索步長(zhǎng)成正比，由于搜索步長(zhǎng)最大也只能夠取半碼片左右，故其搜索速率通常較低。在盲捕獲階段往往需要做大范圍的二維搜索，分別是碼相位與頻率。如果碼周期為10230個(gè)碼片，碼搜索步長(zhǎng)為0.5碼片，頻率搜索間距為lKHz，頻率搜索范圍為±30KHz的情況下，典型的搜索時(shí)間10230X2X61 = 1248s 20分鐘。這是基于單相關(guān)器的粗搜索時(shí)間結(jié)果，還不包括精搜索與確認(rèn)時(shí)間。在高動(dòng)態(tài)或者要求快速定位的條件下，接收機(jī)必須具備快速捕獲的能力，往往通過(guò)采用并行工作的相關(guān)器同時(shí)對(duì)多個(gè)碼相位進(jìn)行搜索，可顯著地減小捕獲時(shí)間。由于FFT算法的高效性，一些基于FFT的并行捕獲方法逐漸成為導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)的主流。按照不同的搜索方式可分為時(shí)域并行和頻域并行兩種。時(shí)域并行FFT法利用時(shí)域循環(huán)卷積與頻域相乘等價(jià)的原理，將本地?cái)U(kuò)頻碼與信號(hào)變換到頻域進(jìn)行相乘，然后再變換為時(shí)域信號(hào)。該方法在一次處理中可同時(shí)對(duì)多個(gè)碼相位進(jìn)行并行搜索，故稱之為時(shí)域并行。頻域并行FFT法也稱為相關(guān)后FFT法，其基本原理是將接收信號(hào)與本地復(fù)現(xiàn)信號(hào)的相干積累分成若干子段，然后對(duì)各子段的累加結(jié)果進(jìn)行FFT運(yùn)算，從而同時(shí)完成多個(gè)頻率單元的搜索。該方法利用FFT頻域并行檢測(cè)的原理，通過(guò)FFT的運(yùn)算代價(jià)，換取每次檢測(cè)時(shí)更大的頻率搜索范圍，得到捕獲速度的改善。以128組多相關(guān)器+頻域并行FFT法為例，假定碼相位搜索步長(zhǎng)為半碼片，每2ms完成一次相關(guān)運(yùn)算與頻域并行FFT搜索。這樣，相關(guān)運(yùn)算次數(shù)為M= 10230X2/128 ^ 160，粗搜索時(shí)間為2M毫秒=320ms，相對(duì)于基于單相關(guān)器的二維搜索方法所需要的20分鐘大大縮短了搜索時(shí)間。上面的舉例中并沒(méi)有對(duì)中頻數(shù)據(jù)做Ims數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，即采用的是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這樣在每次相關(guān)運(yùn)算中的數(shù)據(jù)源都在變化，在高動(dòng)態(tài)條件下變得不可接受，好比照相機(jī)在拍照高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)所得到的是一片模糊的重影效果一樣。通常解決此問(wèn)題的方法是將接收機(jī)收到的一段信號(hào)(如Ims數(shù)據(jù))保存下來(lái)，然后再采用上述多相關(guān)器+頻域并行FFT方法。仍然以上述為例，這樣確保了連續(xù)160次相關(guān)運(yùn)算的數(shù)據(jù)源來(lái)自同樣一個(gè)數(shù)據(jù)樣本。再考慮500bps北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)電文的影響。一個(gè)數(shù)據(jù)比特時(shí)長(zhǎng)為2ms，偽碼周期為lms，一個(gè)數(shù)據(jù)比特時(shí)長(zhǎng)包含2個(gè)偽碼周期。由于采樣時(shí)刻的不確定性，因此在一個(gè)數(shù)據(jù)比特時(shí)長(zhǎng)2ms中，往往包含Ims沒(méi)有數(shù)據(jù)跳變的偽碼周期+Ims有數(shù)據(jù)跳變的偽碼周期。而GPS的一個(gè)數(shù)據(jù)比特包含20個(gè)偽碼周期，其中19ms沒(méi)有數(shù)據(jù)跳變的偽碼周期+Ims有數(shù)據(jù)跳變的偽碼周期。在捕獲環(huán)節(jié)中，一般取相關(guān)時(shí)長(zhǎng)為lms。當(dāng)本地復(fù)現(xiàn)信號(hào)與接收信號(hào)完全對(duì)齊時(shí)，相關(guān)積分器會(huì)輸出一個(gè)最大值，則認(rèn)為捕獲成功。但如果用于相關(guān)的Ims數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)比特跳變，其相關(guān)結(jié)果則必然小于最大值，甚至當(dāng)數(shù)據(jù)跳變沿位于Ims中間時(shí)，相關(guān)積分結(jié)果幾乎為零，必然導(dǎo)致捕獲失敗?？紤]最壞的情況:北斗和GPS的電文數(shù)據(jù)碼在每個(gè)比特完成后都會(huì)發(fā)生跳變。這時(shí)，在GPS信號(hào)捕獲中，每20個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)段中只有一個(gè)數(shù)據(jù)段會(huì)受到數(shù)據(jù)比特跳變的影響，概率為5% ;在北斗信號(hào)的捕獲中，每?jī)蓚€(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)段中就會(huì)有一個(gè)受到數(shù)據(jù)比特跳變的影響，概率為50%。由此可見(jiàn)，GPS的捕獲雖然也受到數(shù)據(jù)跳變的影響，但其影響基本可以忽略，而在北斗捕獲算法的設(shè)計(jì)中，則必須考慮這個(gè)因素，否則會(huì)因此造成極大的捕獲失敗率而大大降低北斗接收機(jī)捕獲環(huán)節(jié)的性能。仍然以128組多相關(guān)器+頻域并行FFT法為例，考慮到500bps導(dǎo)航電文對(duì)相關(guān)結(jié)果的影響，還需要重復(fù)一次搜索過(guò)程以找出奇、偶周期中的最大值，以確定出Ims無(wú)翻轉(zhuǎn)導(dǎo)航電文所在的周期到底是奇周期還是偶周期。但是為了搜索奇、偶周期，兩個(gè)M( = 160，本例中)次相關(guān)運(yùn)算的數(shù)據(jù)源還不一樣，因?yàn)橄喔袅?2M毫秒(=320ms，本例中M= 160)。通常解決此問(wèn)題的方法可以是將接收機(jī)收到的一段連續(xù)2ms數(shù)據(jù)保存下來(lái)，針對(duì)前、后Ims的數(shù)據(jù)分別采用上述多相關(guān)器+頻域并行FFT方法。這樣確保了兩次奇、偶周期捕獲的數(shù)據(jù)源時(shí)間差只有1ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上述間隔值。然而對(duì)一段連續(xù)2ms數(shù)據(jù)的應(yīng)用方法不同，導(dǎo)致的總時(shí)間開(kāi)銷卻不一樣。以上述方法為例，仍然假定有128組相關(guān)器+FFT部件，由于傳 統(tǒng)方法處理每Ims數(shù)據(jù)需要2ms時(shí)間，如果分別搜索前、后Ims數(shù)據(jù)則各需要2M毫秒時(shí)間，上述粗搜索過(guò)程的時(shí)間總開(kāi)銷為:4M 毫秒(=640ms,本例中 M = 160)。單純的相關(guān)運(yùn)算時(shí)間開(kāi)銷為1ms，即總是伴隨著載波剝離與碼剝離過(guò)程及時(shí)實(shí)現(xiàn)。FFT運(yùn)算的時(shí)間也會(huì)控制在Ims以內(nèi)，從理論上講完全可以實(shí)現(xiàn)流水線，其結(jié)果是平均到Ims完成一次Ims中頻數(shù)據(jù)處理。傳統(tǒng)方法處理每Ims數(shù)據(jù)需要2ms時(shí)間的前提是“多相關(guān)器之間的碼間距是通過(guò)寄存器延遲結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)”。這是因?yàn)槊看蜗嚓P(guān)處理后都需要改變第一個(gè)相關(guān)器的碼相位，改變量為多相關(guān)器碼間距X 128 (以128組相關(guān)器為例)。又由于碼相位的設(shè)置總是下Ims周期初才生效，因此本周期設(shè)置后，下周期生效。而多相關(guān)器碼間距是通過(guò)寄存器延遲結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，需要127個(gè)時(shí)鐘周期后才能夠傳播到128組中的所有相關(guān)器，因此128組相關(guān)器之間的相位間距在下周期初開(kāi)始127個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)由于相位傳播未完成，不滿足相等的條件，下周期不能夠進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。這一點(diǎn)導(dǎo)致了相關(guān)運(yùn)算與FFT運(yùn)算不能夠?qū)崿F(xiàn)完全的流水線，無(wú)法實(shí)現(xiàn)Ims時(shí)間處理Ims數(shù)據(jù)的能力。這樣相關(guān)運(yùn)算需要等到再下一個(gè)周期，其結(jié)果是必須以2ms周期處理Ims數(shù)據(jù)，其時(shí)間效率為50%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠縮短粗搜索過(guò)程的時(shí)間總開(kāi)銷、提高效率、大大縮短粗捕獲時(shí)間的基于2ms數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星接收機(jī)快速捕獲方法。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種基于2ms數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星接收機(jī)快速捕獲方法，具體步驟為:(I)利用射頻前端處理模塊將天線接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字中頻信號(hào)后，在數(shù)字域進(jìn)行運(yùn)算處理；一次存儲(chǔ)連續(xù)2ms的中頻數(shù)字信號(hào)到本地RAM，并以3ms為周期重復(fù)回放2ms數(shù)據(jù)，作為粗搜索過(guò)程的輸入信號(hào)；(2)對(duì)捕獲的起始載波頻率和碼相位進(jìn)行初始化設(shè)置并啟動(dòng)粗搜索；粗搜索:基于同頻相關(guān)結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器和FFT部件，以Ims數(shù)據(jù)為單位采用頻域并行捕獲方法實(shí)現(xiàn)粗搜索；連續(xù)兩個(gè)Ims回放數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期的碼相位與頻率偏移，重復(fù)周期數(shù)為M ;每一個(gè)3ms周期實(shí)時(shí)選擇出兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的FFT能量最大值，選擇出M個(gè)3ms周期的FFT能量最大值，最后確定出FFT能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與載波頻率作為粗搜索的結(jié)果；(3)粗調(diào)整:以上述粗搜索的結(jié)果作為粗調(diào)整階段的起始條件并啟動(dòng)粗調(diào)整；基于同頻相關(guān)結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器和FFT部件，以外部ADC采樣得到的Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為單位采用頻域并行捕獲方法實(shí)現(xiàn)粗調(diào)整；同樣以3ms為周期重復(fù)處理來(lái)自ADC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期數(shù)為N ;針對(duì)連續(xù)兩個(gè)Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期的碼相位與頻率偏移，每一個(gè)3ms周期實(shí)時(shí)選擇出兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的FFT能量最大值，選擇出N個(gè)3ms周期的FFT能量最大值，最后確定出FFT能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與載波頻率作為粗搜索的結(jié)果；(4)精搜索:以粗調(diào)整的結(jié)果作為精搜索階段的起始條件并啟動(dòng)精搜索；基于二維結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器陣列，以外部ADC采樣得到的實(shí)時(shí)Ims數(shù)據(jù)為單位采用多相關(guān)器方法實(shí)現(xiàn)精搜索；以3ms為周期重復(fù)處理來(lái)自ADC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期數(shù)為I ;針對(duì)連續(xù)兩個(gè)Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期的碼相位與頻率偏移；比較兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的相關(guān)值能量，確定出相關(guān)值能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與頻率偏移作為精搜索的結(jié)果;(5)精調(diào)整:以精搜索的結(jié)果作為精調(diào)整階段的起始條件并啟動(dòng)精調(diào)整；基于二維結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器陣列，以外部ADC采樣得到的實(shí)時(shí)Ims數(shù)據(jù)為單位采用多相關(guān)器方法實(shí)現(xiàn)精搜索；以3ms為周期重復(fù)處理來(lái)自ADC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期數(shù)為I ;針對(duì)連續(xù)兩個(gè)Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期的碼相位與頻率偏移，比較兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的相關(guān)值能量，確定出相關(guān)值能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與頻率偏移作為整個(gè)捕獲過(guò)程的結(jié)果。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述粗搜索的周期任務(wù)劃分如下:第一個(gè)3ms周期:0周期設(shè)置碼相位；1周期碼相位不完整；2周期回放第Ims數(shù)據(jù)，做Ims相關(guān)運(yùn)算；第二個(gè)3ms周期后就進(jìn)入 了部分流水線:0周期回放第2ms數(shù)據(jù)，做2ms相關(guān)運(yùn)算；做第Ims相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的FFT ;再次設(shè)置新的碼相位為原來(lái)的碼相位遞增或遞減128X0.5碼片；1周期碼相位不完整，做第2ms相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的FFT ；2周期回放第Ims數(shù)據(jù)，做Ims相關(guān)運(yùn)算。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:本發(fā)明的方法是基于一次存儲(chǔ)連續(xù)2ms的中頻數(shù)字信號(hào)，并以3ms為周期重復(fù)處理2ms數(shù)據(jù)，提高了效率，大大縮短了粗捕獲時(shí)間，開(kāi)銷為3M毫秒，在這其中本發(fā)明的前提是“多相關(guān)器碼間距是通過(guò)寄存器延遲結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)”。傳統(tǒng)方法是分別搜索前、后Ims數(shù)據(jù)，即奇、偶周期數(shù)據(jù)處理各需要2M毫秒，則粗捕獲共需要4M毫秒。而本方法區(qū)別在于將奇、偶周期數(shù)據(jù)合并在一個(gè)3ms周期內(nèi)處理，即同時(shí)搜索連續(xù)2ms數(shù)據(jù)，則粗捕獲共需要3M毫秒，相比之下，粗捕獲減少了 M毫秒的時(shí)間開(kāi)銷。仍然假定有128組相關(guān)器+FFT，則捕獲時(shí)間總開(kāi)銷^ (M+N+1+1) X 3ms，小于傳統(tǒng)方法的^ (M+N+1+1) X 4ms時(shí)間，相比之下，減少了(M+N+1+1)暈秒的時(shí)間開(kāi)銷。


圖1是傳統(tǒng)衛(wèi)星接收機(jī)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是本發(fā)明的流程示意圖。圖3是本發(fā)明在具體應(yīng)用實(shí)例中各階段捕獲方法對(duì)比示意圖。圖4是本發(fā)明在具體應(yīng)用實(shí)例中粗搜索周期的任務(wù)示意圖。圖5是本發(fā)明在具體應(yīng)用實(shí)例中同頻相關(guān)器的原理示意圖。圖6是本發(fā)明在具體應(yīng)用實(shí)例中粗調(diào)整周期的任務(wù)示意圖。圖7是本發(fā)明在具體應(yīng)用實(shí)例中二維結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器陣列示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖2和圖3所示，本發(fā)明的基于2ms數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星接收機(jī)快速捕獲方法，其具體步驟為:(I)利用射頻前端處理模塊將天線接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字中頻信號(hào)后，在數(shù)字域進(jìn)行基本周期為Ims的相關(guān)運(yùn)算處理。一次存儲(chǔ)連續(xù)2ms的中頻數(shù)字信號(hào)到本地RAM，并以3ms為周期重復(fù)回放2ms數(shù)據(jù)，作為粗搜索過(guò)程的輸入信號(hào)。由于在數(shù)字域總是進(jìn)行基本周期為Ims的相關(guān)運(yùn)算處理，因此3ms的周期實(shí)際上包含3個(gè)Ims周期，編號(hào)為0、1、2，如圖4中的水平方向序號(hào)。例如絕對(duì)周期序號(hào)為3、4、5則周期余數(shù)為0、1、2，如此循環(huán)。2ms數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，是指接收機(jī)進(jìn)入捕獲環(huán)節(jié)后將連續(xù)2ms的數(shù)字中頻采樣信號(hào)按照時(shí)間順序存儲(chǔ)在本地RAM。2ms數(shù)據(jù)的回放，是指將存儲(chǔ)在本地RAM中的數(shù)據(jù)按照存儲(chǔ)的先后順序讀出，其結(jié)果還是數(shù)字信號(hào)。以3ms為周期重復(fù)回放2ms數(shù)據(jù)是指前2ms回放數(shù)據(jù)，后Ims不回放?；胤诺?ms數(shù)據(jù)作為粗搜索過(guò)程的輸入信號(hào)，是指通過(guò)邏輯開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)捕獲模塊數(shù)據(jù)源切換到回放輸出，而不是來(lái)自實(shí)時(shí)的中頻數(shù)據(jù)(即ADC的輸出)。(2)對(duì)捕獲的起始載波頻率和碼相位進(jìn)行初始化設(shè)置并啟動(dòng)粗搜索；粗搜索:基于同頻相關(guān)結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器(圖5)和FFT部件，以Ims數(shù)據(jù)為單位采用頻域并行捕獲方法實(shí)現(xiàn)粗搜索，其中多相關(guān)器碼片間距為半碼片左右，通過(guò)寄存器延遲實(shí)現(xiàn)(以下相同)。針對(duì)連續(xù)兩個(gè)Ims回放數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期(各lms)的碼相位與頻率偏移，重復(fù)周期數(shù)為M。每一個(gè)3ms周期實(shí)時(shí)選擇出兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的FFT能量最大值，進(jìn)一步選擇出M個(gè)3ms周期的FFT能量最大值，最后確定出FFT能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與載波頻率作為粗搜索的結(jié)果。相關(guān)器是指輸入的數(shù)字中頻信號(hào)與本地合成的數(shù)字中頻信號(hào)混頻，然后在本地偽碼控制下實(shí)現(xiàn)±1相乘，最后基于Ims的累加實(shí)現(xiàn)濾波，屬于常規(guī)方法。至少有三個(gè)數(shù)據(jù)輸入口(輸入的數(shù)字中頻信號(hào)、本地合成的數(shù)字中頻信號(hào)、本地偽碼信號(hào))，一個(gè)數(shù)據(jù)輸出口(相關(guān)結(jié)果)。多相關(guān)器是指多個(gè)獨(dú)立的相關(guān)器，其每一個(gè)相關(guān)器的功能都相同，屬于常規(guī)方法。同頻相關(guān)結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器是指多個(gè)獨(dú)立的相關(guān)器的三個(gè)數(shù)據(jù)輸入口之一——本地合成的數(shù)字中頻信號(hào)都來(lái)自同一頻率的信號(hào)，屬于常規(guī)方法。同頻相關(guān)結(jié)構(gòu)屬于一維結(jié)構(gòu)，各個(gè)相關(guān)器之間僅僅是碼相位不同，而且依次遞增或遞減，即碼相位的間距相同。碼間距代表了碼搜索步長(zhǎng)。多相關(guān)器碼片間距(或碼間距)是指多個(gè)獨(dú)立的相關(guān)器的三個(gè)數(shù)據(jù)輸入口之一——本地偽碼信號(hào)的碼相位差值。頻域并行捕獲方法是公知的方法。上述兩組捕獲結(jié)果是指分別針對(duì)Ims的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相關(guān)以及頻域并行捕獲方法得到的結(jié)果，由于有2ms的數(shù)據(jù)連續(xù)回放，因此有兩組捕獲結(jié)果。比較兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的FFT能量是指由于導(dǎo)航電文的影響，在一個(gè)電文持續(xù)時(shí)間2ms情況下，必然有一個(gè)沒(méi)有翻轉(zhuǎn)的Ims周期，而這一個(gè)周期的FFT能量大于有可能存在翻轉(zhuǎn)的另外一個(gè)Ims周期的FFT能量，然后進(jìn)行比較。確定出FFT能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與載波頻率作為粗搜索的結(jié)果，是指FFT能量最大值必然對(duì)應(yīng)一個(gè)導(dǎo)航電文沒(méi)有翻轉(zhuǎn)的Ims周期，因此對(duì)應(yīng)的碼相位與頻率值作為捕獲結(jié)果。上述過(guò)程中，實(shí)時(shí)選擇出兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的FFT能量最大值，指的是基于FFT流水線技術(shù)前提；在此前提下，F(xiàn)FT在不斷接受輸入數(shù)據(jù)的同時(shí)，一邊不斷得到各個(gè)結(jié)果，因此可以實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)FFT的結(jié)果值。確定出FFT能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與載波頻率，是指FFT的結(jié)果代表了能量值，結(jié)果下標(biāo)代表了碼相位與載波頻率。根據(jù)能量最大值的序號(hào)即下標(biāo)確定出碼相位與載波頻率。上述過(guò)程中，重復(fù)周期數(shù)為M是根據(jù)碼搜索范圍、碼搜索步長(zhǎng)、相關(guān)器組數(shù)決定的。例如假定有128組相關(guān)器，碼搜索范圍為10230個(gè)碼片，碼搜索步長(zhǎng)為0.495碼片，則重復(fù)周期數(shù)為 M= 10230/(128X0.495) ^ 162。本實(shí)例中，同頻相關(guān)結(jié)構(gòu)在圖5中表現(xiàn)為本地頻率都相同，只是128組相關(guān)器的碼相位不同。實(shí)現(xiàn)碼相位不同是通過(guò)寄存器延遲實(shí)現(xiàn)，例如采用IOOMHz的時(shí)鐘，則移位寄存器數(shù)據(jù)的基本延遲為10ns。如果碼速率為IOMHz (—碼片時(shí)間對(duì)應(yīng)為100ns)，則一級(jí)延遲對(duì)應(yīng)了 10ns/100(ns/碼片)=0.1碼片。如果需要0.5碼片，則需要5級(jí)延時(shí)。在粗搜索階段，多相關(guān)器碼片間距為半碼片左右，因此各個(gè)相關(guān)器的碼片延遲由5級(jí)時(shí)鐘延遲構(gòu)成。如圖4所示，在具體應(yīng)用實(shí)例中，粗搜索的周期任務(wù)劃分如下:第一個(gè)3ms周期:0周期設(shè)置碼相位；1周期碼相位不完整；2周期回放第Ims數(shù)據(jù)，做Ims相關(guān)運(yùn)算。第二個(gè)3ms周期后就進(jìn)入了部分流水線:0周期回放第2ms數(shù)據(jù)，做2ms相關(guān)運(yùn)算；做第Ims相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的FFT ;再次設(shè)置新的碼相位為原來(lái)的碼相位遞增(或遞減)128X0.5碼片；1周期碼相位不完整，做第2ms相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的FFT ；2周期回放第Ims數(shù)據(jù)，做Ims相關(guān)運(yùn)算。對(duì)于碼長(zhǎng)為10230，碼片間距為0.5的情況，需要160次共480ms時(shí)間。捕獲結(jié)果的頻率分辨率1000Hz，碼分辨率0.5碼片。(3)粗調(diào)整:以上述粗搜索的結(jié)果(載波頻率和碼相位)作為粗調(diào)整階段的起始條件并啟動(dòng)粗調(diào)整?；谕l相關(guān)結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器(如圖5所示)和FFT部件，以外部ADC采樣得到的Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為單位采用頻域并行捕獲方法實(shí)現(xiàn)粗調(diào)整，其中多相關(guān)器碼片間距為半碼片左右。同樣以3ms為周期重復(fù)處理來(lái)自ADC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期數(shù)為N。針對(duì)連續(xù)兩個(gè)Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期(各lms)的碼相位與頻率偏移。每一個(gè)3ms周期實(shí)時(shí)選擇出兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的FFT能量最大值，進(jìn)一步選擇出N個(gè)3ms周期的FFT能量最大值，最后確定出FFT能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與載波頻率作為粗搜索的結(jié)果。即，比較兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的FFT能量，進(jìn)一步確定出FFT能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與載波頻率作為粗搜索的結(jié)果。以外部ADC采樣得到的Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為單位采用頻域并行捕獲方法實(shí)現(xiàn)粗調(diào)整，其目的是消除經(jīng)過(guò)480毫秒之后的碼移。重復(fù)周期數(shù)為N是根據(jù)上一步粗搜索耗時(shí)3M毫秒，載體動(dòng)態(tài)性(比如運(yùn)動(dòng)速度、加速度、加加速度等)計(jì)算出來(lái)的。思路是根據(jù)載體動(dòng)態(tài)性計(jì)算出3M毫秒內(nèi)載體相對(duì)于衛(wèi)星的距離變化，然后折算到碼相位偏移，然后按照上一步確定M的方法確定N = (3M毫秒內(nèi)碼相位偏移)/(128 X0.495)。仍然假定有128組相關(guān)器，粗調(diào)整的碼步長(zhǎng)與粗搜索一樣，都為0.495碼片。如圖6所示，粗調(diào)整仍然是以3ms為周期進(jìn)行，可能需要多個(gè)3ms周期，取決于動(dòng)態(tài)要求。捕獲結(jié)果的頻率分 辨率1000Hz，碼分辨率0.5碼片。(4)精搜索:以粗調(diào)整的結(jié)果(載波頻率和碼相位)作為精搜索階段的起始條件并啟動(dòng)精搜索。基于二維結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器陣列(如圖7所示)，以外部ADC采樣得到的實(shí)時(shí)Ims數(shù)據(jù)為單位采用多相關(guān)器方法實(shí)現(xiàn)精搜索。其中，水平方向的同頻輸入多相關(guān)器組碼片間距為半碼片左右，垂直方向的同碼輸入多相關(guān)器組頻率間距(即頻率分辨率)為FFT頻率分辨率的N分之一。以3ms為周期重復(fù)處理來(lái)自ADC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期數(shù)為I。針對(duì)連續(xù)兩個(gè)Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期(各lms)的碼相位與頻率偏移。比較兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的相關(guān)值能量，進(jìn)一步確定出相關(guān)值能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與頻率偏移作為精搜索的結(jié)果。精搜索的階段主要是減小了捕獲結(jié)果的頻率分辨率(IOOHz)，而碼分辨率不變，仍然是0.5碼片。其中，二維結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器陣列，是一種矩陣形式的多相關(guān)器，指其中的一維為水平方向(行)，行方向的相關(guān)器體現(xiàn)在碼片相位上依次遞增或遞減，即碼片間距相同，屬于同頻相關(guān)器；另外一維為垂直方向(列)，列方向的相關(guān)器體現(xiàn)在本地中頻信號(hào)的頻率依次遞增或遞減，即頻率間距相同；碼片間距反映了碼相位分辨率，頻率間距反映了頻率分辨率Af。(5)精調(diào)整:以精搜索的結(jié)果(載波頻率和碼相位)作為精調(diào)整階段的起始條件并啟動(dòng)精調(diào)整；基于二維結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器陣列(如圖7所示)，以外部ADC采樣得到的實(shí)時(shí)Ims數(shù)據(jù)為單位采用多相關(guān)器方法實(shí)現(xiàn)精搜索。其中，水平方向的同頻輸入多相關(guān)器組碼片間距為六分之一碼片左右，垂直方向的同碼輸入多相關(guān)器組頻率間距(即頻率分辨率)進(jìn)一步減小。以3ms為周期重復(fù)處理來(lái)自ADC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期數(shù)為I。針對(duì)連續(xù)兩個(gè)Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期(各lms)的碼相位與頻率偏移。比較兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的相關(guān)值能量，進(jìn)一步確定出相關(guān)值能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與頻率偏移作為整個(gè)捕獲過(guò)程的結(jié)果。至此，整個(gè)捕獲過(guò)程結(jié)束。精調(diào)整的階段主要是同時(shí)減小了捕獲結(jié)果的頻率分辨率與碼分辨率，分辨率分別是10Hz，0.165碼片，完全能夠達(dá)到捕獲轉(zhuǎn)跟蹤的要求。如圖3所示，為上述步驟⑵ (5)各個(gè)階段的對(duì)比示意圖，即在各階段捕獲對(duì)比的示意。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是針對(duì)“多相關(guān)器碼間距通過(guò)寄存器延遲結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)平均Ims時(shí)間處理Ims數(shù)據(jù)的流水線結(jié)構(gòu)”的特性，利用了 3ms時(shí)間處理連續(xù)2ms數(shù)據(jù)的方法，其時(shí)間效率為66%> 50%，提高了效率，大大縮短了捕獲時(shí)間。以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于2ms數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星接收機(jī)快速捕獲方法，其特征在于，具體步驟為: (1)利用射頻前端處理模塊將天線接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字中頻信號(hào)后，在數(shù)字域進(jìn)行運(yùn)算處理；一次存儲(chǔ)連續(xù)2ms的中頻數(shù)字信號(hào)到本地RAM，并以3ms為周期重復(fù)回放2ms數(shù)據(jù)，作為粗搜索過(guò)程的輸入信號(hào)； (2)對(duì)捕獲的起始載波頻率和碼相位進(jìn)行初始化設(shè)置并啟動(dòng)粗搜索；粗搜索:基于同頻相關(guān)結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器和FFT部件，以Ims數(shù)據(jù)為單位采用頻域并行捕獲方法實(shí)現(xiàn)粗搜索；連續(xù)兩個(gè)Ims回放數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期的碼相位與頻率偏移，重復(fù)周期數(shù)為M ;每一個(gè)3ms周期實(shí)時(shí)選擇出兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的FFT能量最大值，選擇出M個(gè)3ms周期的FFT能量最大值，最后確定出FFT能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與載波頻率作為粗搜索的結(jié)果； (3)粗調(diào)整:以上述粗搜索的結(jié)果作為粗調(diào)整階段的起始條件并啟動(dòng)粗調(diào)整；基于同頻相關(guān)結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器和FFT部件，以外部ADC采樣得到的Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為單位采用頻域并行捕獲方法實(shí)現(xiàn)粗調(diào)整；同樣以3ms為周期重復(fù)處理來(lái)自ADC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期數(shù)為N ;針對(duì)連續(xù)兩個(gè)Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期的碼相位與頻率偏移，每一個(gè)3ms周期實(shí)時(shí)選擇出兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的FFT能量最大值，選擇出N個(gè)3ms周期的FFT能量最大值，最后確定出FFT能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與載波頻率作為粗搜索的結(jié)果； (4)精搜索:以粗調(diào)整的結(jié)果作為精搜索階段的起始條件并啟動(dòng)精搜索；基于二維結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器陣列，以外部ADC采樣得到的實(shí)時(shí)Ims數(shù)據(jù)為單位采用多相關(guān)器方法實(shí)現(xiàn)精搜索；以3ms為周期重復(fù)處理來(lái)自ADC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期數(shù)為I ;針對(duì)連續(xù)兩個(gè)Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期的碼相位與頻率偏移；比較兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的相關(guān)值能量，確定出相關(guān)值能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與頻率偏移作為精搜索的結(jié)果; (5)精調(diào)整:以精搜索的結(jié)果作為精調(diào)整階段的起始條件并啟動(dòng)精調(diào)整；基于二維結(jié)構(gòu)的多相關(guān)器陣列，以外部ADC采樣得到的實(shí)時(shí)Ims數(shù)據(jù)為單位采用多相關(guān)器方法實(shí)現(xiàn)精搜索；以3ms為周期重復(fù)處理來(lái)自ADC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，重復(fù)周期數(shù)為I ;針對(duì)連續(xù)兩個(gè)Ims實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到兩組捕獲結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)了奇、偶周期的碼相位與頻率偏移，比較兩組捕獲結(jié)果對(duì)應(yīng)的相關(guān)值能量，確定出相關(guān)值能量最大值所對(duì)應(yīng)的碼相位與頻率偏移作為整個(gè)捕獲過(guò)程的結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于2ms數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星接收機(jī)快速捕獲方法，其特征在于，所述粗搜索的周期任務(wù)劃分如下: 第一個(gè)3ms周期:0周期設(shè)置碼相位；1周期碼相位不完整；2周期回放第Ims數(shù)據(jù)，做Ims相關(guān)運(yùn)算； 第二個(gè)3ms周期后就進(jìn)入了部分流水線:0周期回放第2ms數(shù)據(jù)，做2ms相關(guān)運(yùn)算；做第Ims相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的FFT ;再次設(shè)置新的碼相位為原來(lái)的碼相位遞增或遞減128X0.5碼片；1周期碼相位不完整，做第2ms相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的FFT ；2周期回放第Ims數(shù)據(jù)，做Ims相關(guān)運(yùn)算。
全文摘要
一種基于2ms數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高動(dòng)態(tài)衛(wèi)星接收機(jī)快速捕獲方法，具體步驟為(1)將天線接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字中頻信號(hào)，一次存儲(chǔ)連續(xù)2ms的中頻數(shù)字信號(hào)到本地RAM，并以3ms為周期重復(fù)回放2ms數(shù)據(jù)，作為粗搜索過(guò)程的輸入信號(hào)；(2)對(duì)捕獲的起始載波頻率和碼相位進(jìn)行初始化設(shè)置并啟動(dòng)粗搜索；(3)粗調(diào)整以上述粗搜索的結(jié)果作為粗調(diào)整階段的起始條件并啟動(dòng)粗調(diào)整；(4)精搜索以粗調(diào)整的結(jié)果作為精搜索階段的起始條件并啟動(dòng)精搜索；(5)精調(diào)整以精搜索的結(jié)果作為精調(diào)整階段的起始條件并啟動(dòng)精調(diào)整；最終得到整個(gè)捕獲過(guò)程的結(jié)果。本發(fā)明提高了效率、大大縮短了粗捕獲時(shí)間。
文檔編號(hào)G01S19/29GK103197328SQ20131008098
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月14日
發(fā)明者羅兵, 唐康華, 何曉峰, 江明明, 胡小平, 吳美平, 張開(kāi)東, 練軍想, 劉偉 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)