CN112987047A - 基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***及方法 - Google Patents
基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***及方法。***包括包括：数据缓存模块，用于将采样数据实时写入到数据缓存单元；伪码缓存模块，用于将设定倍数伪码速率的码片循环写入到伪码缓存单元；伪码生成模块，用于生成捕获所需的设定倍数速率伪码码片并进行存储；相关控制模块，用于将每个分段拆分成多个分组，读取数据缓存和伪码缓存，控制相关运算模块对每个分组进行相关运算；相关运算模块，用于实时、并行地完成每个分组的相关运算。本发明资源利用率低，信号适应性强，参数设置灵活，只需设置不同的参数，能够完成其他导航信号的捕获。
Description
技术领域
本发明涉及导航技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***及方法。
背景技术
导航信号的捕获过程包括数据和伪码相关、时频转换、后积累、结果判决等过程。常用的捕获算法有并行频率搜索、并行码相位搜索和时频结合的搜索算法，三种算法的原理一致，均是通过将一定长度的采样数据和本地伪码进行相关运算。其中，基于时频结合的分段相干算法由于其优异的性能在实际应用中得到了广泛使用，其实现的基本流程如图1所示。其中，分段相关单元完成基带信号与本地伪码的相关累加，是捕获模块的最核心和最基本的单元。捕获模块所需的逻辑资源和能够达到的性能均取决于分段相关单元的性能。
假设输入的基带信号为r[k]，本地伪码为c[k]，分段相关的数据点数为N，所需的累加长度为N，则分段相关的结果可以表示为：
其中，
表示分段内的相关累加值，分段相关采用移动采样数据的方式进行，可见完成一次分段相关运算需要使用到1个分段的伪码码片和2个分段的数据样点。相关运算单元常用的运算架构有多级加法树结构，如图2所示。基于多级相关树的结构由数据缓存、伪码缓存、相关器和多级加法树构成，其中数据缓存和伪码缓存需要使用到大量的寄存器资源，相关器和加法器需要使用到DSP资源，同时多个分段的相关积分需要进行并行运算，也即需要配置多个分段累加单元，需要使用到大量的寄存器和DSP资源，硬件资源的增加同时会造成功耗显著增加等性能问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***及方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***，包括：
数据缓存模块，用于将采样数据实时写入到数据缓存单元；
伪码缓存模块，用于将设定倍数伪码速率的码片循环写入到伪码缓存单元；
伪码生成模块，用于生成捕获所需的设定倍数速率伪码码片并进行存储；
相关控制模块，用于将每个分段拆分成多个分组，读取数据缓存和伪码缓存，控制相关运算模块对每个分组进行相关运算；
相关运算模块，用于实时、并行地完成每个分组的相关运算；
所述数据缓存模块、伪码缓存模块与相关控制模块连接，所述伪码生成模块与伪码缓存模块连接，所述数据缓存模块、伪码缓存模块还与相关运算模块连接。
进一步地，所述数据缓存模块包括相互连接的数据缓存写入控制器和数据缓存单元，所述数据缓存写入控制器用于将低速率的采样数据实时、分段、循环缓存到数据缓存单元的多个数据分段中，每一个数据分段写满后发出写完成脉冲。
进一步地，所述伪码缓存模块包括伪码缓存写入控制器和伪码缓存单元，所述伪码缓存写入控制器用于在写完成脉冲的驱动下，将伪码生成模块中的伪码码片循环写入到多个伪码缓存单元。
进一步地，伪码生成模块包括相互连接的伪码生成控制器和伪码码片单元，所述伪码生成控制器用于生成捕获所需的一个整周期的伪码码片，码片采样速率为码率的设定倍数，并存储到伪码码片单元中。
进一步地，所述相关控制模块用于在捕获开始命令和写完成脉冲的驱动下，将每个分段的相关值拆分成多个分组相关值，控制相关运算模块时分复用地完成多个分组的相关运算。
进一步地，所述相关运算模块包括多个延迟单元和累加器，多个延迟单元和累加器构成流水线架构，在相关控制模块的控制下实时地完成每个分组的相关运算，并依次输出相关值。
本发明还提供一种根据上述的基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***的方法，包括以下步骤：
S1、数据缓存模块接收到捕获开始命令后，等待设定脉冲，将低速率的采样数据实时写入到数据缓存单元；
S2、伪码生成模块中的伪码生成控制器生成一整周期的伪码码片，码片采样速率为码率的设定倍数，存入伪码码片单元；
S3、伪码缓存模块接收到捕获开始命令后，先从伪码生成模块中读取设定个分段的伪码码片，写入到前设定个数据分段中，再等待写完成脉冲，将伪码码片循环地写入到设定个伪码段缓存单元；
S4、相关控制模块接收到捕获开始命令后，等待设定个写完成脉冲后，将每个分段拆分成多个分组，从数据缓存模块和伪码缓存模块中读取数据和伪码，送入到相关运算单元；
S5、相关运算单元实时地完成每个分组的相关运算，相关完成后各个累加单元依次输出相关结果。
进一步地，所述步骤S1中将低速率的采样数据实时写入到数据缓存单元具体为：将采样数据实时、分段、循环的缓存到数据缓存单元的多个数据分段中，每一个数据分段写满后发出写完成脉冲。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用高速缓存和高速相关运算的时分复用技术，将伪码的码相位分割成多个码段，将每个码段的相关累加值拆分成多个分组，数据缓存模块和伪码缓存模块进行实时分段缓存，相关控制模块和相关运算模块对码段内的多个分组采用时分复用技术进行同时运算。本发明得到的捕获结果与传统的方法完全一致，相比传统的基于加法树架构的分段相关方法，本发明基于高速缓存和高速相关运算的时分复用技术，资源利用率低；本发明信号适应性强，参数设置灵活，只需设置不同的参数，能够完成其他导航信号的捕获。
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是基于时频结合捕获算法的基本流程框图。
图2是基于加法树架构的分段相关架构基本框图。
图3为本发明基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***架构示意图。
图4为本发明中数据缓存模块的流程框图。
图5为本发明中伪码缓存模块的流程框图。
图6为本发明中相关控制模块的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图3所示，本实施例公开了一种基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***，包括：数据缓存模块1、伪码缓存模块2、伪码生成模块3、相关控制模块4和相关运算模块5；其中，数据缓存模块1，用于将低速率的数据实时、分段、循环缓存到数据缓存单元的4个数据分段中，每一个数据缓存段写满后，发出写完成脉冲；伪码缓存模块2，用于在捕获开始命令和写完成脉冲的驱动下，将伪码生成模块中的伪码码片循环写入到4个伪码段缓存单元；伪码生成模块3，高速生成捕获所需的一个整周期的伪码码片，码片采样速率为2倍码率，并快速存储到本地RAM中；相关控制模块4，在捕获开始命令和写完成脉冲的驱动下，将每个分段的相关值拆分成多个分组相关值，控制相关运算模块时分复用地完成多个分组的相关运算；相关运算模块5，在相关控制模块的控制下，采用延迟单元构成的流水线架构，实时地完成每个分组的相关运算，并依次输出相关值。
本实施例中，所述的数据缓存模块1包括相互连接的数据缓存写入控制器10和数据缓存单元11，所述数据缓存写入控制器10用于将低速率的采样数据实时、分段、循环缓存到数据缓存单元11的多个数据分段中，每一个数据分段写满后发出写完成脉冲。
本实施例中，所述的伪码缓存模块2包括伪码缓存写入控制器20和伪码缓存单元21，所述伪码缓存写入控制器20用于在写完成脉冲的驱动下，将伪码生成模块3中的伪码码片循环写入到多个伪码缓存单元21。
本实施例中，所述的伪码生成模块3包括相互连接的伪码生成控制器30和伪码码片单元31，所述伪码生成控制器30用于生成捕获所需的一个整周期的伪码码片，码片采样速率为码率的设定倍数，并存储到伪码码片单元31中。
本实施例中，所述的相关控制模块4用于在捕获开始命令和写完成脉冲的驱动下，将每个分段的相关值拆分成多个分组相关值，控制相关运算模块5时分复用地完成多个分组的相关运算。
本实施例中，所述的所述相关运算模块5包括多个延迟单元50和累加器51，多个延迟单元50和累加器51构成流水线架构，在相关控制模块4的控制下实时地完成每个分组的相关运算，并依次输出相关值。
以BDS B3I信号为例，B3I信号伪码速率为10.23Mbps，伪码周期为1ms，1个伪码周期的码片数10230，采样率设置为2倍伪码速率，即为20.46Msps，因此1个伪码周期内的采样点数为20460，取2的整幂次方倍数为20480样点。采用时频结合分段相关捕获方法，设置分段数M=10，段内点数为N=20480/10=2048，也即每段需要相关的相位点数为2048点，如果全并行运算，则需要2048个并行累加器，采用如下的时分复用方式，相关运算模块配置256个累加器，每次同时运算256个相关值，时分复用8次，完成2048个分段相关值的运算。
处理实时性分析，写入控制器写入2048个数据样点所需的时长为
，相关读取控制器每次相关需要2304个时钟周期，循环8次，共计
个时钟周期。所需的处理时钟最小频率为
，选取工作时钟频率为200MHz即可。选择XILINX FPGA器件，BRAM作为高速缓存，DSP作为高速累加单元，该类器件能够在200MHz的时钟频率稳定进行运算。
本发明还提供一种基于时分复用技术的卫星导航信号捕获方法，包括以下步骤：
步骤S1、数据缓存模块1的运行流程如图4所示：
状态1：等待捕获开始命令，捕获命令开始后，设置写入blk指针为0，进入状态2；
状态2：等待50pps脉冲信号，然后进入状态3；
状态3：当数据有效时，将数据写入当前blk，写满blk后，发出写完成脉冲，然后进入状态4；
状态4：将当前blk指针循环指向下一个blk，然后返回状态3。
步骤S2、伪码生成模块3中的伪码生成控制器生成一整周期的伪码码片，采样率为2倍的伪码速率，存入伪码码片单元。
步骤S3、伪码缓存模块2的运行流程如图5：
状态1：等待捕获开始命令，捕获命令开始后，设置写入blk指针为0，进入状态2；
状态2：将伪码写满blk0和blk1，将当前blk指针指向blk3，然后进入状态3；
状态3：当写完成脉冲有效时，进入状态4；
状态4：将伪码写满当前blk，进入状态5；
状态5：blk指针指向下一个blk，然后返回状态3；
步骤S4、相关控制模块4的运行流程如图6所示：
状态1：等待捕获开始命令，捕获命令开始后，进行参数初始化，数据blk的初始地址设置为0，伪码blk的初始地址设置为0，进入状态2。
状态2：连续读取2048+256=2304个数据和伪码样点，送入延迟累加模块，经过2048个周期累加后，延迟累加模块依次输出256个相关值。
状态3：数据buf的初始地址累加256，伪码buf的初始地址不变，返回状态2，循环8次后进入状态4。
状态4：等待数据blk写完成脉冲，然后数据blk指针和伪码blk指针移动到下一个blk，进入状态2。
步骤S5、相关运算模块5在相关控制模块的控制下开始进行累加运算，累加2048个相位周期后，锁存累加结果，同时累加器清零，256个累加器依次输出256个锁存结果。
本发明采用高速缓存和高速相关运算的时分复用技术，将伪码的码相位分割成多个码段，将每个码段的相关累加值拆分成多个分组，数据缓存模块和伪码缓存模块进行实时分段缓存，相关控制模块和相关运算模块对码段内的多个分组采用时分复用技术进行同时运算。本发明得到的捕获结果与传统的方法完全一致，相比传统的基于加法树架构的分段相关方法，本发明基于高速缓存和高速相关运算的时分复用技术，资源利用率低；本发明信号适应性强，参数设置灵活，只需设置不同的参数，能够完成其他导航信号的捕获。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***，其特征在于，包括：
数据缓存模块，用于将采样数据实时写入到数据缓存单元；
伪码缓存模块，用于将设定倍数伪码速率的码片循环写入到伪码缓存单元；
伪码生成模块，用于生成捕获所需的设定倍数速率伪码码片并进行存储；
相关控制模块，用于将每个分段拆分成多个分组，读取数据缓存和伪码缓存，控制相关运算模块对每个分组进行相关运算；
相关运算模块，用于实时、并行地完成每个分组的相关运算；
所述数据缓存模块、伪码缓存模块与相关控制模块连接，所述伪码生成模块与伪码缓存模块连接，所述数据缓存模块、伪码缓存模块还与相关运算模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***，其特征在于，所述数据缓存模块包括相互连接的数据缓存写入控制器和数据缓存单元，所述数据缓存写入控制器用于将低速率的采样数据实时、分段、循环缓存到数据缓存单元的多个数据分段中，每一个数据分段写满后发出写完成脉冲。
3.根据权利要求1所述的基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***，其特征在于，所述伪码缓存模块包括伪码缓存写入控制器和伪码缓存单元，所述伪码缓存写入控制器用于在写完成脉冲的驱动下，将伪码生成模块中的伪码码片循环写入到多个伪码缓存单元。
4.根据权利要求1所述的基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***，其特征在于，伪码生成模块包括相互连接的伪码生成控制器和伪码码片单元，所述伪码生成控制器用于生成捕获所需的一个整周期的伪码码片，码片采样速率为码率的设定倍数，并存储到伪码码片单元中。
5.根据权利要求1所述的基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***，其特征在于，所述相关控制模块用于在捕获开始命令和写完成脉冲的驱动下，将每个分段的相关值拆分成多个分组相关值，控制相关运算模块时分复用地完成多个分组的相关运算。
6.根据权利要求1所述的基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***，其特征在于，所述相关运算模块包括多个延迟单元和累加器，多个延迟单元和累加器构成流水线架构，在相关控制模块的控制下实时地完成每个分组的相关运算，并依次输出相关值。
7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的基于时分复用技术的卫星导航信号捕获***的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、数据缓存模块接收到捕获开始命令后，等待设定脉冲，将低速率的采样数据实时写入到数据缓存单元；
S2、伪码生成模块中的伪码生成控制器生成一整周期的伪码码片，码片采样速率为码率的设定倍数，存入伪码码片单元；
S3、伪码缓存模块接收到捕获开始命令后，先从伪码生成模块中读取设定个分段的伪码码片，写入到前设定个数据分段中，再等待写完成脉冲，将伪码码片循环地写入到设定个伪码段缓存单元；
S4、相关控制模块接收到捕获开始命令后，等待设定个写完成脉冲后，将每个分段拆分成多个分组，从数据缓存模块和伪码缓存模块中读取数据和伪码，送入到相关运算单元；
S5、相关运算单元实时地完成每个分组的相关运算，相关完成后各个累加单元依次输出相关结果。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中将低速率的采样数据实时写入到数据缓存单元具体为：将采样数据实时、分段、循环的缓存到数据缓存单元的多个数据分段中，每一个数据分段写满后发出写完成脉冲。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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