CN101246212A - 一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置，以并行多通道相关模块为核心，根据CPU配置信息，对反射信号给出在不同码片/多普勒延迟时刻的相关功率输出。并行多通道相关模块接受通道配置模块的控制，分别与时基发生器、UART接口、DSP接口连接，各模块接受复位控制逻辑的控制。本装置保证了在设计的早期进行软件开发、建模、***级仿真、IP核集成和联合验证，并适应不同的接收机体制和结构功能设计需要。本发明可以同时处理GPS直射信号和反射信号，利用直射信号进行导航定位，并在DSP控制下输出反射信号不同延迟时刻的相关功率，为反射信号的研究应用提供数据源。

Description

一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种信号处理装置，具体涉及一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置。

背景技术

随着GNSS(全球导航卫星***)的迅速发展，目前，针对导航卫星反射信号的研究正日益兴起，欧美各国正大力开发机载或星载的反射信号接收装置，探索反射信号的应用领域，在理论研究和军民应用方面已取得多项成果。反射信号的研究应用领域主要集中在海面测高、海面风场、陆地湿度、大地盐度、森林覆盖率、空间飞行器及相关的海面或陆地移动目标探测等。导航卫星反射信号的应用，其关键技术在于如何实现反射信号的接收、数据处理和实际目标的物理状态反演。美国NASA把该项研究计划列入最有发展前途的新技术项目之一。我国海洋、气象、航空、航天和军事部门也十分重视该项技术的进展，并正列入相关的科技计划和工程应用中。

反射信号的接收处理装置不同于一般直射信号接收机，国内对反射信号的研究主要集中在机理研究，目标反演模型及方法方面，对反射信号接收处理装置的核心技术硬件相关器还未有深入研究。由北航研制的12通道机载串行延迟映射接收机，专利号：ZL200420050636.9，其核心芯片——硬件相关器采用国外Zarlink公司的GP2021，而且存在单模式的缺点。目前国外研制成功的反射信号接收装置主要分为：串行延迟映射接收机、并行延迟映射接收机以及多普勒延迟映射接收机。其核心部件硬件相关器尽管已经有了成熟的ASIC产品，然而其灵活性同时受到了限制，一般不支持多射频方案以及多模式处理。而且一旦产品定型，再增加或修改接口以及内部结构的能力有限，不具有可升级性。

发明内容

本发明一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置，以并行多通道相关模块为核心，根据CPU配置信息，对反射信号给出在不同码片/多普勒延迟时刻的相关功率输出。保证了在设计的早期进行软件开发、建模、***级仿真、IP核集成和联合验证，并适应不同的接收机体制和结构功能设计需要。在DSP控制下输出不同延迟时刻的相关功率，为反射信号的研究应用提供数据源。

一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置，包括通道配置模块、时基发生器、复位控制逻辑、重采样译码模块、UART接口、并行多通道相关模块、USB接口和DSP接口。并行多通道相关模块根据CPU配置信息实现直射信号的快速捕获、精细跟踪、数据传输和反射信号的相关功率输出；在复位控制逻辑产生的控制信号和时基发生器产生的时钟信号作用下，A/D转换器输出的数字中频信号经重采样译码模块锁存，输出3位数字中频信号至USB接口；USB接口将经重采样译码模块锁存后的3位数字中频信号送到PC机硬盘上作为原始数据存储；同时通道配置模块接收DSP的控制命令，配置不同工作模式下正反射通道数目；在通道配置模块的选通控制下经重采样译码模块锁存后的3位数字中频信号进入并行多通道相关模块作相关处理，相关后的相关功率经由DSP接口送给DSP；然后DSP将估计的反射信号码延迟和多普勒频偏经由DSP接口配置给并行多通道相关模块；并行多通道相关模块根据这些控制信息配置本地码和载波，然后滑动本地信号的码延迟及多普勒偏移以计算不同码片和多普勒偏移下的反射信号相关功率，相关功率经由UART接口送至应用处理程序，直至相关过程结束。

所述并行多通道相关模块的每个单通道由复数乘法器、载波NCO、码NCO、CA码发生器、解码单元、积分清除器、秒内计数器组成。数字中频信号同时进入并行多通道相关模块中各通道，载波NCO在来自DSP的载波NCO频率控制字的控制下产生的本地载波与锁存后的通道数据在复数乘法器中相乘，以剥离载波；码NCO接受来自DSP的码NCO频率控制字，产生当前支路的本地码输出到CA码发生器，CA码发生器根据来自DSP的相关间距控制信息实施相关间隔控制，产生当前、滞后、超前三路伪随机码，并与经载波剥离后的正交、同相支路信号一起输入到解码单元分别相乘，得到六路结果并送入积分清除器进行相干累加得到相关功率，直至相关过程结束。

所述并行多通道相关模块的每个单通道中，复数乘法器剥离载波，载波NCO在频率控制字作用下，实现载波混频；码NCO模块用来驱动CA码发生器；CA码发生器产生三路信号，并控制信号之间的码延迟，从而影响最终的相关功率精度；积分清除器中进行信号的自相关运算，进入该模块的序列在一个本地伪码周期结束时刻得到最大输出能量；秒内计数器进行秒内计数，由DSP程序来组合和分配内容。

所述秒内计数器模块中20ms历元计数器、1ms历元计数器、码相位计数器，码NCO相位计数器共同组成了伪距观测量寄存器组，进行秒内计数。四个计数器之间是完全的进位关系。码NCO计数器每溢出一次，码相位计数器加一，1ms历元计数器和20ms历元计数器依次类推。

所述并行多通道相关模块含有24个单通道，3位数字中频信号同时分别进入各单通道，进行相关处理。

所述通道配置模块通过多路选择，将直射信号和反射信号配置输入到各单通道中，从而实现不同工作模式对应的通道配置。

本发明一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置的优点在于：

(1)本发明采用了并行相关多通道模块进行相关处理，与DSP配合处理反射信号，为多导航***兼容、多星座组合的GNSS反射信号应用提供了核心技术储备。

(2)本发明作为用于GNSS反射信号接收处理的相关装置，为适应不同精度的反射信号相关功率要求，相关码延迟灵活可调，可设置为1/2，1/4或1/8码片。多普勒频移也可根据需要设置，可搜索所有频移区间或指定区间。

(3)本发明不同模式下的通道配置和输出信号的参数要求均不同。如海面测高，可输出获取高程信息的反射信号和直射信号时间延迟；对于海面风场反演，则可输出反射卫星信号不同时间延迟的相关功率数据；对于其他目标探测，可输出目标不同时间延迟和多普勒频移的二维相关功率。

(4)本发明以并行多通道相关模块为核心，***扩展了UART接口、USB接口，附带数据传输、采集等功能，并适应不同的接收机体制和结构功能设计需要。

(5)本发明基于FPGA芯片开发，保证了在设计的早期进行软件开发、建模、***级仿真、IP核集成和联合验证。FPGA的灵活性和可靠性实现了以往ASIC的功能，使得***的设计更加面向用户，控制更加灵活。

附图说明

图1是本发明一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置的总体组成结构图；

图2是本发明一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置的工作流程图；

图3是本发明一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置的并行多通道相关模块中单通道的组成结构图；

图4是本发明一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置的并行多通道相关模块的工作流程图；

图5是本发明一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置的相关信号为一反射信号的归一化功率与码延迟、多普勒频偏之间的三维仿真图。

图中：1.相关装置  101.通道配置模块  102.重采样译码模块  103.USB接口104.并行多通道相关模块  104a.复数乘法器  104b.载波NCO  104c.解码单元104d.CA码发生器  104e.积分清除器  104f.秒内计数器  104g.码NCO105.复位控制逻辑  106.DSP接口  107.UART接口  108.时基发生器  2.DSP

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明由并行多通道相关模块104、通道配置模块101、时基发生器108、重采样译码模块102、复位控制逻辑105、UART接口107、USB接口103和DSP接口106组成。其中并行多通道相关模块104为***核心，***扩展了UART接口107、USB接口103和DSP接口106。时基发生器108对外输出1PPS、观测量中断、积分中断时钟信号的同时，如图2所示，在其产生的采样时钟信号作用下，A/D转换器输出的8位数字中频信号首先经重采样译码模块102锁存，输出3位数字中频信号至USB接口103；USB接口103提供了UART接口107所不具有的高速数据传输功能，将经重采样译码模块102锁存后的3位中频信号送到PC机硬盘上作为原始数据存储，为软件接收机提供数据源；重采样译码模块102另输出3位数字中频信号在通道配置模块101的选通控制下通道数据进入并行多通道相关模块104中的直射通道或者反射通道作相关处理，最终相关功率经由DSP接口106送给DSP2。对于直射信号的相关结果，DSP2按照普通GPS接收机处理模式完成卫星信号的快速捕获和跟踪，利用直射信号提供的相关功率进行导航定位求解，得到导航定位的数据信息经由DSP接口106送回UART接口107，发送到应用处理程序；反射信号不同于直射信号的闭环处理，是一个开环过程，即不需要DSP2进行捕获跟踪。DSP2根据导航定位信号得出的接收机位置和卫星位置，分别计算所有卫星反射点延迟和多普勒频偏，估计反射信号出现时间区间和多普勒频移，然后将估计的反射信号码延迟和多普勒频偏经由DSP接口106配置给并行多通道相关模块104，并行多通道相关模块104根据来自DSP接口106的控制信息配置本地码和载波，然后滑动本地信号的码延迟及多普勒偏移以计算不同码片/多普勒偏移下的反射信号相关功率。反射信号相关功率的数据信息不需送给DSP2以进行捕获跟踪，直接经由UART接口107输出至PC机的应用处理程序。应用处理程序对DSP2和相关装置1的配置信息也经UART接口107发送到相关装置1；即将数据发送、信息交互的任务量集中于FPGA的UART处理。这样做的好处是减轻了由于串口发送的阻塞特性对于DSP2造成的骤增任务量。上述模块中，重采样译码模块102、通道配置模块101、并行多通道相关模块104、USB接口103均受时基发生器108的采样时钟同频同相的时钟驱动，由于上述模块输入的数字中频信号均是以采样频率进入各模块的，则保证了信号处理的相位关系。其余各模块可用外部时钟或其分频时钟驱动即可。本装置上电时，复位控制逻辑105发出复位信号，各模块均受复位信号控制复位，各模块开始正常工作，直至相关过程结束。

并行多通道相关模块104是相关装置1的核心部分所在，直射信号的解调及反射信号的相关功率输出等工作在其中完成。如图3所示，并行多通道相关模块104中每个单通道由复数乘法器104a、载波NCO 104b、码NCO104g、CA码发生器104d、解码单元104c、积分清除器104e、秒内计数器104f组成。

3位数字中频信号同时进入并行多通道相关模块104中24个通道，每个通道中的复数乘法器104a剥离载波；载波NCO104b在频率控制字作用下，通过查表产生本地同相、正交载波，实现载波混频；输出载波整周计数和载波相位分别表示载波相位的整数部分和小数部分数值，在TIC信号作用下被锁存；改变频率控制字可控制本地载波多普勒偏移。CA码发生器104d产生伪随机码(PRN)，实施相关间隔控制，产生积分锁存及清除信号，换星及复位功能等等。CA码发生器104d产生的当前、超前、滞后三路信号之间的码延迟可为1/2、1/4或1/8码片，从而影响最终的相关功率精度。码NCO104g原理与载波NCO104b基本相同，所不同之处是其输出只是用来驱动CA码发生器104d，而不必查找幅度相位转换表；同时码NCO104g的计数值送入秒内计数器104f，驱动秒内计数器104f的各子计数器计数，输出本次相关处理的秒内计数值。积分清除器104e中进行信号的自相关运算，进入该模块的序列在一个本地伪码周期结束时刻得到最大输出能量，此时一是将相关能量值立即锁存，以备后面的环路使用；二是由于后面的码片将以采样频率的分辨率迅速进入积分器，故将积分器清空。程序实现时将间隔为一个采样周期的时钟分别作为锁存和清除信号，损失一个样点，这对于整个信道信噪比的损失是微不足道的。

秒内计数器104f包括20ms历元计数器、1ms历元计数器、码相位计数器，它们与码NCO104g的相位计数器共同组成了伪距观测量寄存器组。秒内计数器104f进行秒内计数，四个计数器之间是完全的进位关系，而伪距的测量精度取决于作为最低位计数的码NCO104g的相位计数器的分辨率。此计数器模块可以方便的由DSP程序来组合和分配它们的内容，从而对不同解调数据速率的装置都能适用。

如图4所示，载波NC0104b在来自DSP2的载波NCO频率控制字的控制下产生的同相、正交两路本地载波与锁存后的通道数据在复数乘法器104a中相乘，以剥离载波。码NCO104g接受来自DSP2的码NCO频率控制字，产生当前支路的本地码输出到CA码发生器104d，CA码发生器104d根据来自DSP2的相关间距控制信息实施相关间隔控制，产生伪随机码(PRN)，将当前支路的本地码超前和延迟1/2、1/4或1/8码片，产生超前、滞后、当前三路本地信号，并与经载波剥离后的正交、同相支路信号一起输入到解码单元104c分别相乘，得到六路结果并送入积分清除器104e进行相干累加，得到相关功率；通过秒内计数器104f的控制，输出一个本地伪码周期结束的最大输出能量，直至相关过程结束。

通过改变载波NCO104b和码NCO104g的频率控制字即可改变本地载波的多普勒频偏和本地码延迟，以得到不同码延迟/多普勒频偏下的反射信号相关功率。

通道配置模块101接收DSP2命令，控制进入各通道的信号为直射信号或反射信号，实现不同工作模式下正反射通道数目的配置。在总通道数为24的情况下，可配置为12个直射通道，12个反射通道或者18个直射通道，6个反射通道等不同工作模式。

如图1所示，时基发生器108模块是整个程序的基础，在射频前端提供的主时钟信号驱动下产生供芯片内部和外部功能模块完成特定功能所需的时钟信号。输出时钟信号包括：

1.提供给A/D转换器的采样时钟，采样时钟的时钟周期和占空比均可根据需要可调；

2.提供给各个通道的时间尺度标准TIC以及通道内部功能模块所使用的驱动时钟(与采样时钟同频同相)。TIC是整个接收机软件设计当中最重要的信号之一，通常是一个默认周期为0.999999s的可变周期方波，用来进行接收机本地时间计数，驱动观测量中断信号(MEAS_INT)和1PPS输出信号(TIMEMARK)，伪距及载波相位观测量采样锁存等多项工作，其周期可由DSP2实时修改。时基发生器108同时设置了TIC计数器以保证TIC计数功能的正常运行。

3.积分中断信号(ACCUM_INT)是一个面向DSP的通知信号，其功能是在可能有新的积分数据到来之后告知DSP2进行及时处理。同时时基发生器108中包含中断握手机制，保证在一次响应之后不会重复响应同一中断。

4.观测量中断(MEAS_INT)是观测量提取中断，其驱动时钟来源于TIC，通常默认周期为100ms

5.TIMEMARK为1Hz脉冲信号(1PPS)，其时钟也来源于TIC，并可以通过调节TIC周期而使得TIMEMARK输出与UTC(通用时标***，即协调世界时)的整秒对准，得到1PPS输出。

本实施例中，FPGA芯片采用性价比较高的Altera公司的EP2S60F672C5芯片，该器件含有24176个逻辑单元，总的内置RAM为2,544,192bits，内置DSP模块有36个，内置PLLs有12个，嵌入式乘法器(18-bit×18-bit)有144个，最大可用I/O数量为499个，封装为672脚FPGA，与Altera的STRATIX器件的发展方向一致，管脚的向后兼容为将来***的改进升级奠定基础。开发***选用基于EP2S60芯片的开发板，利用其DSP开发包进行***开发。

开发环境利用现在最流行的Altera开发平台QuartusII7.1，该***提供了从输入、综合、前后仿真直至配置的全系列功能，并提供了包括RTL阅读器、功耗计算器、逻辑分析仪、时序收敛布局规划器、底层逻辑器和工程更改管理器等一系列工具，使得从工程实施开始至结束验证都能有充分保证。

码片延迟范围根据需求设定，其分辨率可设定为1/2、1/4或1/8码片，由于多普勒频移范围与平台运动状态和遥感几何关系有关，通常无法事先确定。仿真中首先根据设定的码片延迟范围计算最大的积分范围-1～6个码片，然后计算积分边缘的多普勒最大值和最小值，即为多普勒窗范围，本实施例中为-1000～1000Hz。为了使仿真能够更好的分析反射信号特征，暂时忽略了噪声项的影响，并以直射信号的相关功率对反射信号的相关功率进行归一化。

如图5所示，X轴为相对于镜面反射点传播时间的相对延迟，即码延迟；Y轴为相对镜面点多普勒频移的相对多普勒频偏；Z轴为归一化功率。可见，散射信号时延多普勒相关功率的能量集中在镜面点，即码延迟为0码片，相对多普勒频偏为0Hz附近，并随时延的变大而减小，而且随多普勒频移的变化而变化，整体呈现典型的“马蹄”形状。

Claims (5)

1.一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置，包括通道配置模块、时基发生器、复位控制逻辑、重采样译码模块、UART接口、并行多通道相关模块、USB接口和DSP接口；并行多通道相关模块根据CPU配置信息实现直射信号的快速捕获、精细跟踪、数据传输和反射信号的相关功率输出；在复位控制逻辑产生的控制信号和时基发生器产生的时钟信号作用下，A/D转换器输出的数字中频信号经重采样译码模块锁存，输出3位数字中频信号至USB接口；USB接口将经重采样译码模块锁存后的3位数字中频信号送到PC机硬盘上作为原始数据存储；同时通道配置模块接收DSP的控制命令，配置不同工作模式下正反射通道数目；在通道配置模块的选通控制下经重采样译码模块锁存后的3位数字中频信号进入并行多通道相关模块作相关处理，相关后的相关功率经由DSP接口送给DSP；然后DSP将估计的反射信号码延迟和多普勒频偏经由DSP接口配置给并行多通道相关模块；并行多通道相关模块根据这些控制信息配置本地码和载波，然后滑动本地信号的码延迟及多普勒偏移以计算不同码片和多普勒偏移下的反射信号相关功率，相关功率经由UART接口送至应用处理程序，直至相关过程结束；

所述并行多通道相关模块的每个单通道由复数乘法器、载波NCO、码NCO、CA码发生器、解码单元、积分清除器、秒内计数器组成；数字中频信号同时进入并行多通道相关模块中各通道，载波NCO在来自DSP的载波NCO频率控制字的控制下产生的本地载波与锁存后的通道数据在复数乘法器中相乘，以剥离载波；码NCO接受来自DSP的码NCO频率控制字，产生当前支路的本地码输出到CA码发生器，CA码发生器根据来自DSP的相关间距控制信息实施相关间隔控制，产生当前、滞后、超前三路伪随机码，并与经载波剥离后的正交、同相支路信号一起输入到解码单元分别相乘，得到六路结果并送入积分清除器进行相干累加得到相关功率，直至相关过程结束。

2.根据权利要求1所述一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置，其特征在于：所述并行多通道相关模块的每个单通道中，复数乘法器剥离载波，载波NCO在频率控制字作用下，实现载波混频；码NCO模块用来驱动CA码发生器；CA码发生器产生三路信号，并控制信号之间的码延迟，从而影响最终的相关功率精度；积分清除器中进行信号的自相关运算，进入该模块的序列在一个本地伪码周期结束时刻得到最大输出能量；秒内计数器进行秒内计数，由DSP程序来组合和分配内容。

3.根据权利要求1或2所述一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置，其特征在于：所述秒内计数器模块中20ms历元计数器、1ms历元计数器、码相位计数器，码NCO相位计数器共同组成了伪距观测量寄存器组，进行秒内计数；四个计数器之间是完全的进位关系；码NCO计数器每溢出一次，码相位计数器加一，1ms历元计数器和20ms历元计数器依次类推。

4.根据权利要求1所述一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置，其特征在于：所述并行多通道相关模块含有24个单通道，3位数字中频信号同时分别进入各单通道，进行相关处理。

5.根据权利要求1所述一种可接收处理导航卫星反射信号的相关装置，其特征在于：所述通道配置模块通过多路选择，将直射信号和反射信号配置输入到各单通道中，从而实现不同工作模式对应的通道配置。

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