專利名稱：基于dsp的p碼直接捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP, Digital Signal Processor)的P碼快速直接捕獲方法。
背景技術(shù)：
北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)(GPS, Global Positioning System) 一樣,能為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)和精密定位服務(wù)，兩種服務(wù)分別以C/Α碼和P碼為基礎(chǔ)。在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中，二者速率相同(10.23M Chip/s)，但精碼周期非常長，具有很強(qiáng)的抗干擾，抗欺騙能力。通常P碼捕獲是通過C/Α碼的鎖定獲取導(dǎo)航電文，然后利用導(dǎo)航電文中的轉(zhuǎn)接字提供的信息捕獲P碼。但是，由于C/Α碼的碼長很短，極易受到干擾與欺騙，并且需要在得到某一幀的轉(zhuǎn)接字之后才能開始對P碼進(jìn)行捕獲，其捕獲速度亦較慢(轉(zhuǎn)接字出現(xiàn)間隔為0.6S)。而P碼周期長達(dá)一周，具有與C/Α碼相比強(qiáng)的多的抗干擾性能，在復(fù)雜地理或電磁環(huán)境下，針對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的P碼直接捕獲可以進(jìn)一步提高定位授時(shí)精度和利用導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行電子戰(zhàn)，導(dǎo)航戰(zhàn)的能力，具有很高的實(shí)用價(jià)值。近年來，對P碼直接捕獲技術(shù)的研究大致可以分為兩類，一類是使用大規(guī)模并行相關(guān)器為基礎(chǔ)的時(shí)域處理方法，以STS Y-EXPRESS ASIC為代表，另一類是基于FFT處理技術(shù)的各種頻域處理方法，以XFAST為代表?；诓⑿邢嚓P(guān)器的P碼捕獲的核心思想是利用并行相關(guān)器同時(shí)對多個(gè)時(shí)頻單元進(jìn)行搜索，搜索之前，首先根據(jù)當(dāng)前接收機(jī)的GPS系統(tǒng)時(shí)、位置信息和衛(wèi)星位置來確定搜索時(shí)間與頻率范圍，然后根據(jù)AGC所確定的干擾情況和已定的捕獲概率、虛警概率等來確定積分周期，也就確定了每次并行搜索所能覆蓋的時(shí)頻范圍以及搜索次數(shù)。之后將接收機(jī)前端處理后的衛(wèi)星信號(hào)與本地碼在相關(guān)器中進(jìn)行相關(guān)處理。將大于門限的峰值所對應(yīng)的擴(kuò)頻碼相位偏移以及多普勒頻偏移交給跟蹤模塊。以STS Y-EXPRESS接收機(jī)為例，它同時(shí)能搜索32704個(gè)時(shí)頻單元(511個(gè)時(shí)間單元和64個(gè)頻率單元)，搜索精度為1/2個(gè)碼片，覆蓋時(shí)間范圍可達(dá)±12.5 μ S，頻率覆蓋范圍可達(dá)±20kHz。為了提高抗干擾能力，Y-EXPRESS ASIC可以剝離GPS電文使相干積分時(shí)間超過20ms。并且利用FFT可以將相干積分周期擴(kuò)展到200msο 在文獻(xiàn) “Wolfert R、Chen S、Kohli S, Direct P (Y) -code acquisition under ajamming environment,Proceedings of IEEE PLANS, Aprill998, 228-235”中對 Y-EXPRESS性能分析和仿真測試表明使用單一的Y-EXPRESS芯片進(jìn)行P碼直捕時(shí)，當(dāng)J/S超過50dB，不確定度為± lms，頻率搜索范圍為±315kHz時(shí)，捕獲時(shí)間是600s，而大部分軍用接收機(jī)P碼捕獲時(shí)間要求在不確定度為±ls時(shí)小于等于60s，其捕獲時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，只有增加并行相關(guān)器數(shù)量來增加并行度從而提高捕獲效率。但這就會(huì)成倍的增加功耗和硬件資源開銷。Lin M David等人提出的一種延遲相乘的P碼直捕方法。這種方法首先根據(jù)頻率搜索精度和頻率不確定度將衛(wèi)星信號(hào)和本地碼信號(hào)分成M段，每一段有N點(diǎn)長數(shù)據(jù)，然后衛(wèi)星信號(hào)與本地碼對應(yīng)段做相關(guān)運(yùn)算，得到M點(diǎn)數(shù)據(jù)，再對該數(shù)據(jù)做FFT運(yùn)算，然后與門限比較，若超過門限閾值，則捕獲成功，否則移動(dòng)一個(gè)采樣點(diǎn)再重復(fù)以上處理。這種方法在碼相位搜索上是一種串行搜索方式，通過對相關(guān)后的結(jié)果做FFT來實(shí)現(xiàn)頻率并行搜索，搜索速度比較慢。擴(kuò)展復(fù)制重疊捕獲搜索技術(shù)(XFAST)不但利用了頻域相關(guān)的優(yōu)勢，還利用了 P碼的低互相關(guān)特性。為了提高不確定區(qū)間的搜索速率，XFAST法將本地不確定區(qū)間劃分為M個(gè)子區(qū)間每段長為N，然后每段對應(yīng)疊加，構(gòu)造成一個(gè)母序列，最后與輸入序列相關(guān)，從而使捕獲速率加快了 M倍，但是大量疊加之后其信噪比降低極其嚴(yán)重，反而影響捕獲性能。直接平均法是對衛(wèi)星信號(hào)和本地碼每N點(diǎn)取一次平均，得到一個(gè)新的采樣點(diǎn)。再分別對他們做FFT運(yùn)算，該方法與XFAST不同之處就在于每N點(diǎn)求一次平均得到一個(gè)新采樣點(diǎn)而不是分段疊加，其碼相位精度為N，然后再從這N個(gè)碼相位中進(jìn)行搜索。該方法能將運(yùn)算量直接減少N倍，但是缺點(diǎn)是當(dāng)碼相位偏移為N/2時(shí)，其相關(guān)峰產(chǎn)生3dB損耗。由于以上P碼串行捕獲方法在捕獲速度或性能上存在嚴(yán)重缺陷，大多數(shù)接收機(jī)都采用基于FPGA的P碼并行捕獲方法，但是由于FPGA的功耗過高，對于類似單兵手持型接收機(jī)的小型接收機(jī)，高功耗器件會(huì)減少接收機(jī)的待機(jī)能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有的利用FPGA實(shí)現(xiàn)P碼并行捕獲方法時(shí)功耗過高的問題，提出了一種基于DSP的P碼直接捕獲方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于DSP的P碼快速直接捕獲方法，具體包括如下步驟:S1.接收到的經(jīng)過Α/D變換后的衛(wèi)星信號(hào)輸入至第一塊DSP中，然后進(jìn)行I/Q分離，下變頻、下采樣，將采樣得到的序列a存入第一塊DSP的內(nèi)部RAM中；S2.在第二塊DSP中根據(jù)本地時(shí)鐘提供的時(shí)間信息，確定當(dāng)前時(shí)間可捕獲衛(wèi)星的個(gè)數(shù)和衛(wèi)星號(hào)以及對應(yīng)可捕獲衛(wèi)星中衛(wèi)星號(hào)最小的P碼序列不確定度范圍，成本地P碼b，將其存入外部RAM ；S3.將采樣得到的序列a從第一塊DSP的內(nèi)部RAM取出，本地P碼b從第二塊DSP的外部RAM中取出，對其分別進(jìn)行疊加和平均操作，得到A，B，疊加和平均操作的具體過程如下:S31.將采樣得到的序列a與本地P碼b按N點(diǎn)一段進(jìn)行分段，其中，序列a分為M段，序列b分為K段，將序列a偏移N點(diǎn)得到a’，將序列b偏移N/2、N點(diǎn)分別得到b’、b”，將a與a’疊加得到序列C，將b、b’、b’、b’ ’疊加再平均得到序列d ；S32.將疊加后的兩路信號(hào)序列c和序列d每段求平均形成一個(gè)新的采樣點(diǎn)，平均之后得到M個(gè)點(diǎn)的Α/D輸入信號(hào)A和K個(gè)點(diǎn)的本地碼L ；S33.將長度為K的本地碼L按照每段M點(diǎn)分割為J段，之后將所有段疊加形成本地碼B ；S4.在第一塊DSP中，將步驟S32得到的A進(jìn)行補(bǔ)零，然后取共軛，做FFT運(yùn)算，在第二塊DSP中，對將步驟S33得到的B進(jìn)行補(bǔ)零，然后做FFT運(yùn)算，將第二塊DSP中的運(yùn)算結(jié)果輸入至第一塊DSP，然后將其與第一塊DSP中的運(yùn)算結(jié)果相乘后做IFFT ；S5.將IFFT結(jié)果與門限值進(jìn)行比較，若超過門限值，則對超過門限的N/2個(gè)碼相位進(jìn)一步精確搜索，之后，將該星轉(zhuǎn)入跟蹤模塊并判斷是否完成所有可捕獲衛(wèi)星的搜索，若還有可捕獲衛(wèi)星未搜索，則開始捕獲下一顆衛(wèi)星，若全部搜索完成，則捕獲完成，第二塊DSP轉(zhuǎn)入導(dǎo)航數(shù)據(jù)定位解算；S6.若未超過門限值，則按照不確定度范圍偏移一個(gè)碼片后重新生成本地P碼，重復(fù)步驟S3-S5。本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明通過采用兩塊DSP實(shí)現(xiàn)P碼快速直接捕獲，一塊DSP負(fù)責(zé)Α/D輸入信號(hào)的處理，另外一塊DSP負(fù)責(zé)本地生成P碼的處理，與FPGA相比，降低了系統(tǒng)功耗，有利于系統(tǒng)的便攜式小型化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，另外在捕獲階段通過步驟S31可以消除相關(guān)峰產(chǎn)生的3dB的損耗，其原理是通過對輸入信號(hào)a和本地碼b做偏移疊加操作，消除碼偏移對相關(guān)峰值損耗，通過步驟S32，S33可以看出，由于平均與疊加操作的目的都是減小采樣點(diǎn)從而減少運(yùn)算量，但是由于P碼互相關(guān)性的影響會(huì)引入少量噪聲，因此該方法是以引入噪聲為代價(jià)減少捕獲運(yùn)算量從而減少捕獲時(shí)間，本方法又通過將疊加次數(shù)和平均點(diǎn)數(shù)減少進(jìn)而減少引入噪聲，從而提高捕獲概率。


圖1是本發(fā)明方法的信號(hào)分段前后N/2點(diǎn)疊加示意圖。圖2是本發(fā)明方法的本地碼J段疊加示意圖。圖3是本發(fā)明的P碼的捕獲的處理流程示意圖。圖4是利用本發(fā)明方法的導(dǎo)航系統(tǒng)定位接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。由于P碼的捕獲需要處理的信號(hào)有兩個(gè)，Α/D輸入信號(hào)和本地生成P碼。由于DSP是串行處理器件，若僅僅使用一塊單核DSP，必須先處理其中一個(gè)信號(hào)再處理另一個(gè)，這樣的結(jié)構(gòu)會(huì)影響信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性，本發(fā)明的方法就是基于以上考慮而設(shè)計(jì)的，采用兩塊DSP聯(lián)合去完成P碼的捕獲。這里的兩塊DSP可以是兩塊單核高性能DSP，也可以是一塊多核DSP。本實(shí)施例采用一塊多核DSPTI C6000系列高性能信號(hào)處理器，其單核主頻可達(dá)到IGHz以上，為處理P碼直捕的巨大運(yùn)算量提供了有力保證。本實(shí)施例中DSP主要負(fù)責(zé)以下功能:I/Q分離，下變頻、下采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、本地碼生成、重疊平均FFT處理、頻偏搜索、門限檢測。P碼的捕獲的處理流程如圖3所示，具體如下:S1.接收到的經(jīng)過Α/D變換后的衛(wèi)星信號(hào)輸入至DSP核I中，然后進(jìn)行I/Q分離，下變頻、下采樣，將采樣得到的序列a存入核I的內(nèi)部RAM中；S2.在DSP核2中根據(jù)本地時(shí)鐘提供的時(shí)間信息，確定當(dāng)前時(shí)間可捕獲衛(wèi)星的個(gè)數(shù)和衛(wèi)星號(hào)以及對應(yīng)可捕獲衛(wèi)星中衛(wèi)星號(hào)最小的P碼序列不確定度范圍，之后，生成本地P碼b，將其存入外部RAM。具體的，這里可以通過精密測距碼芯片(PRM)生成本地P碼b。S3.將采樣得到的序列a從DSP核I的內(nèi)部RAM取出，本地P碼b從外部RAM中取出，對其分別進(jìn)行疊加和平均操作，得到A，B，疊加和平均操作的具體過程如下:S31.如圖1所示，將采樣得到的序列a與本地P碼b按N點(diǎn)一段進(jìn)行分段，其中，序列a分為M段，序列b分為K段，將序列a偏移N點(diǎn)得到a’，將序列b偏移N/2、N點(diǎn)分別得到b’、b’ ’，將a與a’疊加得到序列C，將b、b’、b’、b’ ’疊加再平均得到序列d ;本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，這里的N可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。S32.將疊加后的兩路信號(hào)序列c和序列d每段求平均形成一個(gè)新的采樣點(diǎn)，平均之后得到M個(gè)點(diǎn)的Α/D輸入信號(hào)A和K個(gè)點(diǎn)的本地碼L ；S33.如圖2所示，將長度為K的本地碼L按照每段M點(diǎn)分割為J段，之后將所有段疊加形成本地碼B ；S4.在DSP核I 中，將步驟S32得到的A進(jìn)行補(bǔ)零，然后取共軛，做FFT運(yùn)算，在DSP核2中，將步驟S33得到的B進(jìn)行補(bǔ)零，然后做FFT運(yùn)算，將DSP核2中的運(yùn)算結(jié)果輸入至DSP核I，然后將其與DSP核I中的運(yùn)算結(jié)果相乘后做IFFT ；S5.將IFFT結(jié)果與門限值進(jìn)行比較。若超過門限值，則對超過門限的N/2個(gè)碼的相位進(jìn)一步精確搜索。之后，將該星轉(zhuǎn)入跟蹤模塊并判斷是否所有可捕獲衛(wèi)星搜索完成，若還有可捕獲衛(wèi)星未搜索，則開始捕獲下一顆衛(wèi)星，若全部搜索完成，則捕獲完成，DSP轉(zhuǎn)入導(dǎo)航數(shù)據(jù)定位解算。S6.若未超過門限值，則按照不確定度范圍偏移一個(gè)碼片后重新生成本地P碼，重復(fù)步驟S3-S5。具體的，可以通過控制PRM按照不確定度范圍偏移一個(gè)碼片后重新生成本地P碼。從前面背景技術(shù)的方法介紹可以看出，本發(fā)明的方法在捕獲階段通過步驟S31消除相關(guān)峰產(chǎn)生的3dB的損耗，其原理可由式(I)看出，同過對輸入信號(hào)a和本地碼b做偏移疊加操作，可以完全消除碼偏移對相關(guān)峰值損耗，通過步驟S32，S33可以看出，由于平均與疊加操作的目的都是減小采樣點(diǎn)從而減少運(yùn)算量，但是由于P碼互相關(guān)性的影響會(huì)引入少量噪聲，重復(fù)捕獲3次后若還未超過門限閾值，則放棄捕獲該星，轉(zhuǎn)而捕獲其他可見星。
Corpeak=Hiax { Σ [ (xm+xm+N) X (y0+yN/2+yN/2+yN) /4]}=max { Σ [xmy0+2 +ΧωΥΝ+Χω+ΝΥο+Χω+ΝΥΝ] /4}=max { Σ [ (xmy0+xm+Ny0) +2 (xmyN/2+Xm+NyN/2) + (Χπ,+νΥο+Χπ,+νΥν) ] /4}式(I)=max{ Σ [x0y0+2x0y0+x0y0] /4}=max { Σ x0y0}利用本發(fā)明方法的導(dǎo)航系統(tǒng)定位接收機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系如圖4所示，首先天線接收信號(hào)進(jìn)入前置放大器放大信號(hào)，然后下變頻，模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后進(jìn)入DSP進(jìn)行P碼捕獲，捕獲完成之后將已捕獲衛(wèi)星送入跟蹤模塊進(jìn)行載波同步和P碼相位同步。由于定位解算需要最少4顆衛(wèi)星，跟蹤模塊必須至少同時(shí)跟蹤衛(wèi)星的衛(wèi)星數(shù)為4，所以使用FPGA利用其并行處理的優(yōu)勢建立此跟蹤模塊，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)為4顆以上時(shí)進(jìn)行定位解算，由DSP核2負(fù)責(zé)此模塊，并以一定時(shí)間間隔對失鎖衛(wèi)星重捕，定位解算完成之后，將結(jié)果輸入至用戶接口供用戶使用。綜上所述，本發(fā)明中的P碼直接捕獲方法，采用多核DSP代替普遍采用的FPGA來降低接收機(jī)功耗及硬件資源，并改進(jìn)重疊平均補(bǔ)零算法適應(yīng)該平臺(tái)，因此基本不會(huì)增加捕獲時(shí)間。此方法特別適用于手持式導(dǎo)航定位接收機(jī)。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。凡是根據(jù)上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認(rèn)為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于DSP的P碼直接捕獲方法，具體包括包括如下步驟: .51.接收到的經(jīng)過Α/D變換后的衛(wèi)星信號(hào)輸入至第一塊DSP中，然后進(jìn)行I/Q分離，下變頻、下采樣，將采樣得到的序列a存入第一塊DSP的內(nèi)部RAM中； .52.在第二塊DSP中根據(jù)本地時(shí)鐘提供的時(shí)間信息，確定當(dāng)前時(shí)間可捕獲衛(wèi)星的個(gè)數(shù)和衛(wèi)星號(hào)以及對應(yīng)可捕獲衛(wèi)星中衛(wèi)星號(hào)最小的P碼序列不確定度范圍，成本地P碼b，將其存入外部RAM ； . 53.將采樣得到的序列a從第一塊DSP的內(nèi)部RAM取出，本地P碼b從第二塊DSP的外部RAM中取出，對其分別進(jìn)行疊加和平均操作，得到A，B，疊加和平均操作的具體過程如下: . 531.將采樣得到的序列a與本地P碼b按N點(diǎn)一段進(jìn)行分段，其中，序列a分為M段，序列b分為K段，將序列a偏移N點(diǎn)得到a’，將序列b偏移N/2、N點(diǎn)分別得到b’、b’ ’，將a與a’疊加得到序列C，將b、b’、b’、b’ ’疊加再平均得到序列d ； .532.將疊加后的兩路信號(hào)序列c和序列d每段求平均形成一個(gè)新的采樣點(diǎn)，平均之后得到M個(gè)點(diǎn)的Α/D輸入信號(hào)A和K個(gè)點(diǎn)的本地碼L ； .533.將長度為K的本地碼L按照每段M點(diǎn)分割為J段，之后將所有段疊加形成本地碼B ； . 54.在第一塊DSP中，將步驟S32得到的A進(jìn)行補(bǔ)零，然后取共軛，做FFT運(yùn)算，在第二塊DSP中，對將步驟S33得到的B進(jìn)行補(bǔ)零，然后做FFT運(yùn)算，將第二塊DSP中的運(yùn)算結(jié)果輸入至第一塊DSP，然后將其與第一塊DSP中的運(yùn)算結(jié)果相乘后做IFFT ； .55.將IFFT結(jié)果與門限值進(jìn)行比較，若超過門限值，則對超過門限的N/2個(gè)碼相位進(jìn)一步精確搜索，之后，將該星轉(zhuǎn)入跟蹤模塊并判斷是否完成所有可捕獲衛(wèi)星的搜索，若還有可捕獲衛(wèi)星未搜索，則開始捕獲下一顆衛(wèi)星，若全部搜索完成，則捕獲完成，第二塊DSP轉(zhuǎn)入導(dǎo)航數(shù)據(jù)定位解算； .56.若未超過門限值，則按照不確定度范圍偏移一個(gè)碼片后重新生成本地P碼，重復(fù)步驟S3-S5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于DSP的P碼直接捕獲方法。針對現(xiàn)有的利用FPGA實(shí)現(xiàn)P碼并行捕獲方法時(shí)功耗過高的問題，本發(fā)明通過兩塊DSP實(shí)現(xiàn)P碼的直接捕獲，一塊DSP負(fù)責(zé)A/D輸入信號(hào)的處理，另外一塊DSP負(fù)責(zé)本地生成P碼的處理，通過兩塊DSP的協(xié)調(diào)處理進(jìn)行P碼的直接捕獲，完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)定位解算，與單獨(dú)的與FPGA相比，降低了系統(tǒng)功耗，有利于系統(tǒng)的便攜式小型化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)；同時(shí)通過疊加和平均消除了相關(guān)峰產(chǎn)生的3dB的損耗，由于平均與疊加操作的目的都是減小采樣點(diǎn)從而減少運(yùn)算量，但相應(yīng)的會(huì)引入少量噪聲，本發(fā)明又通過將減少疊加次數(shù)和平均點(diǎn)數(shù)減少引入的噪聲，從而提高捕獲概率。
文檔編號(hào)G01S19/30GK103163535SQ201310082218
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者陳紅光, 張旭東, 曹玉璽, 張紀(jì)超, 梁淏翔 申請人:電子科技大學(xué)