CN105137460A - 一种卫星导航系统基带信号处理系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种卫星导航系统基带信号处理系统，属于卫星导航领域，包括多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、码生成/外部接口模块、捕获通道、跟踪通道和控制模块；多通道预处理模块对输入信号进行预处理；多通道数据缓存模块，形成单个或者多个的数据缓存区；码生成/外部接口模块，将伪随机码提供给捕获通道和跟踪通道；捕获通道从多通道数据缓存区捕获数据；跟踪通道对多通道数据缓存区内的信号进行跟踪；控制模块，根据捕获通道和跟踪通道中的信号进行场景模式判断，并根据判断的结果来确定对各个模块的配置参数。本发明可以根据环境状态对各模块的配置参数进行调整，灵活并合理的配置硬件资源，用尽量小的硬件资源，达到最优的性能结果。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，具体涉及一种卫星导航系统基带信号处理系统和方法。
背景技术
全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)是标准的提供全球范围内自主地理空间定位的卫星导航系统的通用名称。GNSS允许小型的电子接收设备在沿着视线的范围内，通过定期接收卫星发射的无线电波信号，来测量其所处的位置(包括经度、纬度和海拔)、速度和时间。
迄今为止，美国导航星(NAVSTAR)全球定位系统(GPS)是唯一得到全面应用的GNSS。俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)导航系统当前处在预计于2010年全面应用的修复过程中。欧盟伽利略定位系统(Galileopositioningsystem)还处在初期部署阶段。中国已经计划并正在建立的北斗系统，准备利用30颗中地轨道卫星和5颗地球同步轨道卫星。
由天线接收到的GNSS信号将进行放大并转换为中频(IF)信号，然后通过模数转换器进行数字化处理。由射频(RF)集成电路(IC)输出的信号为1-4比特(bit)，传输至基带IC，基带IC通过相关检测出射频IC的输出信号。采用本地产生的卫星复制码乘以接收信号，然后对结果进行积分得到相关信号的峰值。
现有技术中，由于最大通道数受物理限制，也即接收机基带内部配置多少个物理通道，最多就只能处理多少颗卫星的信号。对于多系统多频率的接收机，就需要为每一个卫星系统的每一个频率单独配置一个RF前端模块和一组通道。随着全球卫星导航技术的发展，多系统融合是必然的发展趋势之一，如果简单地以现有技术的融合方式扩大接收机基带内部的物理通道数量，来适应多个全球卫星导航系统融合的需要，则必然会导致接收机规模越来越大，设备成本显著提高。
有鉴于此，有必要提出一种低成本的适用于多系统的基带信号处理系统及方法。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供了如下技术方案：
一种卫星导航系统基带信号处理系统，包括多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、码生成/外部接口模块、捕获通道、跟踪通道和控制模块；
所述控制模块，其用于存储多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、码生成/外部接口模块、捕获通道和跟踪通道的配置参数，还用于根据捕获通道和跟踪通道获取的信号对各模块相应的配置参数进行调整；
所述多通道预处理模块，其用于接收输入信号，根据控制模块内的配置参数对输入信号进行预处理，并将处理后的输入信号传给多通道数据缓存模块；
所述多通道数据缓存模块，其用于根据控制模块内的配置参数形成容量为单个或者多个的数据的数据缓存区，并将按照相应的容量将处理后的输入信号存入数据缓存区，不同的缓存区可以存放相同频点的数据或者存放不同频点的数据；
所述码生成/外部接口模块，其用于根据控制模块内的配置参数生成伪随机码并提供给捕获通道和跟踪通道；
所述捕获通道，其用于根据控制模块内的配置参数形成多个等效的逻辑通道，利用不同的伪随机码，对多通道数据缓存区内的信号进行捕获，并将捕获到的信号传给控制模块；
所述跟踪通道，其用于根据控制模块内的配置参数形成多个等效的逻辑通道，利用不同的伪随机码，对多通道数据缓存区内的信号进行跟踪，并将捕获到的信号传给控制模块。
本发明的有益效果是：本发明通过控制模块按照实时数据和情况对各模块的配置参数进行调整，灵活并合理的配置硬件资源，用尽量小的硬件资源，达到最优的性能结果。本发明只用一路硬件逻辑，就可以实现同时接收多路不同系统不同频点的中频信号；只用几路来实现几十路的等效逻辑通道，就可以同时跟踪不同系统不同频点的卫星；只用几百个物理相关器数量来实现几百万的等效相关器数量，提高卫星捕获速度；通过软件的灵活配置，实现在不同系统不同频点间的切换，达到分时复用固定量的硬件逻辑，实现多系统多频点的卫星信号捕获跟踪。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述多通道预处理模块可接收单路或多路的输入信号，支持窄带及宽带信号的输入。
进一步的，所述多通道预处理模块包括格式转换单元、位宽调整单元、降采样单元和滤波单元；
所述格式转换单元，其用于按照控制模块内的配置参数，确认格式转换的目标格式后，将输入信号的格式转化为目标格式；
所述位宽调整单元，其用于按照控制模块内的配置参数，确认位宽调整的目标位宽后，将输入信号的位宽调整为目标位宽；
所述降采样单元，其用于按照控制模块内的配置参数，确认降采样的目标频率后，对输入信号处理进行降采样处理；
所述滤波单元，其用于按照控制模块内的配置参数，确认滤波器的参数后，对输入信号进行滤波处理。
进一步的，所述码生成/外部接口模块包括三种模式，分别为本地生成伪随机码模式、预存伪随机码模式和通过外部接口实时的输入伪随机码模式。
进一步的，所述多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、捕获模块、跟踪模块和码生成/外部接口模块在控制模块中均有独立的寄存器配置区，，用来存储各个模块的配置参数，每个模块运行前，从相应的寄存器中读取当前模块运行的配置参数。
采用上述进一步方案的有益效果是：本发明可以同时支持单路及多路、窄带及宽带射频输入，控制模块的寄存器中预设了几种常用模式的参数，若判断符合常用模式，各模块可直接读取寄存器中相关参数配置，效率更高。
一种利用上述卫星导航系统基带信号处理系统进行卫星导航系统基带信号处理的方法，包括以下步骤：
(1)所述控制模块存储多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、码生成/外部接口模块、捕获通道和跟踪通道的配置参数，并根据捕获通道和跟踪通道获取的信号对各模块相应的配置参数进行调整；
(2)所述多通道预处理模块接收输入信号，根据控制模块内的配置参数对输入信号进行预处理，并将处理后的输入信号传给多通道数据缓存模块；
(3)所述多通道数据缓存模块根据控制模块内的配置参数形成容量为单个或者多个的数据的数据缓存区，并将按照相应的容量将处理后的输入信号存入数据缓存区，不同的缓存区可以存放相同频点的数据或者存放不同频点的数据；
(4)所述码生成/外部接口模块根据控制模块内的配置参数生成伪随机码并提供给捕获通道和跟踪通道；
(5)所述捕获通道根据控制模块内的配置参数，形成多个等效的逻辑通道，利用不同的伪随机码，对多通道数据缓存区内的信号进行捕获，并将捕获到的信号传给控制模块；
(6)所述跟踪通道根据控制模块内的配置参数，形成多个等效的逻辑通道，利用不同的伪随机码，对多通道数据缓存区内的信号进行跟踪，并将捕获到的信号传给控制模块。
进一步的，所述步骤(2)中的多通道预处理模块可接收单路或多路的输入信号，支持窄带及宽带信号的输入。
进一步的，所述进行卫星导航系统基带信号处理的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的多通道预处理模块对输入信号进行处理，具体包括对输入信号进行格式转换、位宽调整、降采样和滤波；
所述格式转换是指按照控制模块内的参数配置，确认格式转换的目标格式后，将输入信号的格式转化为目标格式；
所述位宽调整是指按照控制模块内的配置参数，确认位宽调整的目标位宽后，将输入信号的位宽调整为目标位宽；
所述降采样是指按照控制模块内的配置参数，确认降采样的目标频率后，对输入信号处理进行降采样处理；
所述滤波是指按照控制模块内的配置参数，确认滤波器的参数后，对输入信号进行滤波处理。
进一步的，所述步骤(4)中的码生成/外部接口模块包括三种模式，分别为本地生成伪随机码模式、预存伪随机码模式和通过外部接口实时的输入伪随机码模式，所述的码生成/外部接口模块按照控制模块的配置，是指按照控制模块的配置，执行三种模式中的任一种。
进一步的，所述步骤(5)和步骤(6)中的捕获通道和跟踪通道根据控制模块内的配置参数形成多个等效的逻辑通道，具体为，捕获通道和跟踪通道内的物理通道按照时分复用的方式形成多个并行的逻辑通道，形成逻辑通道的数量是根据控制模块内的配置参数确定的。
进一步的，所述多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、捕获模块、跟踪模块和码生成模块，在控制模块均有独立的寄存器配置区，每个模块运行前，从相应的寄存器中读取当前模块运行的配置参数。
进一步的，所述的各模块寄存器中预设了配置参数的常用模式，控制模块根据接收到的信号判断是否符合各模块的常用模式，若符合常用模式，控制模块设置寄存器内的配置参数为常用模式的配置参数，若不符合常用模式，控制模块根据对信号进行分析后，再对寄存器进行参数设置。
附图说明
图1为本发明系统示意图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种卫星导航系统基带信号处理系统，包括多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、捕获通道、跟踪通道和控制模块；
所述多通道预处理模块可以通过控制模块灵活的配置，接收单路或多路的输入信号的输入，按照控制模块对场景模式的判别后进行的配置参数，实现不同数据格式转换，位宽的调整，降采样以及滤波，并将处理后的信号传给多通道数据缓存模块；
输入信号的数据格式，支持SIGN/MAG和二进制补码的格式，通过系统控制模块配置目标格式后，可以统一转换为内部使用的目标格式；
位宽的调整，输入的位宽支持2-8bits的数据，可以通过控制模块设定，或者硬件逻辑根据预设的控制模块内预设的常用模式，根据不同信号强弱和场景判决，在不影响信号损失或者说信号损失在一定范围内的目标下，来调整位宽，来达到用合适的位宽来表示不同的信号状态。
降采样部分，输入的信号支持从几MHz到几十MHz的很宽的频率范围，为了节省功耗以及后续处理的逻辑需求，这里可以通过控制模块配置，或者硬件逻辑根据控制模块内预设的常用模式，根据不同系统不同频点，不同的后续处理的需求，来选择合适的目标频率。
滤波部分，在硬件设计上，只是设计了一个16阶的滤波器架构，控制模块可以根据截止频率，带宽，带内波动等指标要求来设计滤波器，得到滤波器参数，通过寄存器配置告知硬件逻辑，达到滤波的效果。
同时多通道预处理模块还支持窄带及宽带射频信号的输入，能实现不同频点的分离和滤波，采用时分复用的方式，以单通道的硬件逻辑，达到更高性能指标或者多路并行的目的。
所述多通道数据缓存模块，其用于按照控制模块的配置，形成单个或者多个的数据缓存区，并将处理后的输入信号存入数据缓存区，不同的缓存区可以存放相同频点的数据也可以存放不同频点的数据。因为数据缓存区中的数据可以被反复利用，通过控制模块配置的不同大小的缓存区，可以让后续的处理有更多的时间上的容忍度和灵活度，一定程度上可以降低后续对处理能力的要求，同时在同样的处理能力情况下，等效的可以提高并行的处理通道数量。
所述码生成/外部接口模块，其用于生成伪随机码并提供给捕获通道和跟踪通道；不同的导航系统，不同的频点，不同的卫星所采用的伪随机码都不相同，所以为了增加灵活性和可扩展性，在这个模块中，设计了三种模式，分别为本地生成伪随机码模式、预存伪随机码模式和通过外部接口实时的输入伪随机码模式，码生成/外部接口模块可以按照控制模块的配置，执行三种模式中的任一种。
所述捕获通道内部有大量通过匹配滤波器/FFT等构成的等效相关器，其内部是一组并行的物理通道，通过时分复用的方式实现多个等效的逻辑通道，每一个逻辑通道，都可以根据软件的配置来对某一种频点上的某一个卫星做捕获，这样对于不同的频点捕获多少颗卫星的信号，都可以通过控制模块的配置以及模式的判别，灵活的调整和设置。
所述跟踪通道内部是一组并行的物理通道，通过时分复用的方式实现多个等效的逻辑通道，每一个逻辑通道，都可以根据软件的配置来对某一种频点上的某一个卫星做跟踪，这样对于不同的频点跟踪多少颗卫星，都可以通过控制模块的配置以及模式的判别，灵活的调整和设置。
所述控制模块，其用于根据捕获通道和跟踪通道中的信号，以及对实际场景的分析，得到一系列的模式判断，包括系统，频点，信号强度分布，卫星数情况以及不同的应用场景(静态，动态等)，来确定最终的对各个模块的配置参数的调整结果。
所述多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、捕获模块、跟踪模块和码生成模块，都在控制模块有独立的寄存器配置区，在每个模块运行前，都会从相应的寄存器中读取当前运行的配置参数。
一种利用上述卫星导航系统基带信号处理系统进行卫星导航系统基带信号处理的方法，包括以下步骤：
(1)所述控制模块存储多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、码生成/外部接口模块、捕获通道和跟踪通道的配置参数，并根据捕获通道和跟踪通道获取的信号对各模块相应的配置参数进行调整；
(2)所述多通道预处理模块接收输入信号，根据控制模块内的配置参数对输入信号进行预处理，并将处理后的输入信号传给多通道数据缓存模块；
(3)所述多通道数据缓存模块根据控制模块内的配置参数形成容量为单个或者多个的数据的数据缓存区，并将按照相应的容量将处理后的输入信号存入数据缓存区，不同的缓存区可以存放相同频点的数据或者存放不同频点的数据；
(4)所述码生成/外部接口模块根据控制模块内的配置参数生成伪随机码并提供给捕获通道和跟踪通道；
(5)所述捕获通道根据控制模块内的配置参数，形成多个等效的逻辑通道，利用不同的伪随机码，对多通道数据缓存区内的信号进行捕获，并将捕获到的信号传给控制模块；
(6)所述跟踪通道根据控制模块内的配置参数，形成多个等效的逻辑通道，利用不同的伪随机码，对多通道数据缓存区内的信号进行跟踪，并将捕获到的信号传给控制模块。
所述步骤(2)中的多通道预处理模块可接收单路或多路的输入信号，支持窄带及宽带信号的输入。
所述步骤(3)中的多通道预处理模块对输入信号进行处理，具体包括对输入信号进行格式转换、位宽调整、降采样和滤波；
所述格式转换是指按照控制模块内的参数配置，确认格式转换的目标格式后，将输入信号的格式转化为目标格式；
所述位宽调整是指按照控制模块内的配置参数，确认位宽调整的目标位宽后，将输入信号的位宽调整为目标位宽；
所述降采样是指按照控制模块内的配置参数，确认降采样的目标频率后，对输入信号处理进行降采样处理；
所述滤波是指按照控制模块内的配置参数，确认滤波器的参数后，对输入信号进行滤波处理。
所述步骤(4)中的码生成/外部接口模块包括三种模式，分别为本地生成伪随机码模式、预存伪随机码模式和通过外部接口实时的输入伪随机码模式，所述的码生成/外部接口模块按照控制模块的配置，是指按照控制模块的配置，执行三种模式中的任一种。
所述步骤(5)和步骤(6)中的捕获通道和跟踪通道根据控制模块内的配置参数形成多个等效的逻辑通道，具体为，捕获通道和跟踪通道内的物理通道按照时分复用的方式形成多个并行的逻辑通道，形成逻辑通道的数量是根据控制模块内的配置参数确定的，每个逻辑通道都可对多通道数据缓存区某个缓存区内的某个信号作捕获和跟踪。
所述多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、捕获模块、跟踪模块和码生成模块，在控制模块均有独立的寄存器配置区，每个模块运行前，从相应的寄存器中读取当前模块运行的配置参数。
各模块寄存器内存储了各模块运行的默认配置参数，系统初始运作时，各模块按照寄存器内的默认配置参数运行，系统运行过程中，控制模块根据环境状态的不同对配置参数的实时进行调整，各模块通过读取寄存器同步改变运行状态。
所述的各模块寄存器中预设了配置参数的常用模式，控制模块根据接收到的信号判断是否符合各模块的常用模式，若符合常用模式，控制模块设置寄存器内的配置参数为常用模式的配置参数，若不符合常用模式，控制模块根据对信号进行分析后，再对寄存器进行参数设置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种卫星导航系统基带信号处理系统，其特征在于，包括多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、码生成/外部接口模块、捕获通道、跟踪通道和控制模块；
所述控制模块，其用于存储多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、码生成/外部接口模块、捕获通道和跟踪通道的配置参数，还用于根据捕获通道和跟踪通道获取的信号对各模块相应的配置参数进行调整；
所述多通道预处理模块，其用于接收输入信号，根据控制模块内的配置参数对输入信号进行预处理，并将处理后的输入信号传给多通道数据缓存模块；
所述多通道数据缓存模块，其用于根据控制模块内的配置参数形成容量为单个或者多个的数据的数据缓存区，并将按照相应的容量将处理后的输入信号存入数据缓存区，不同的缓存区可以存放相同频点的数据或者存放不同频点的数据；
所述码生成/外部接口模块，其用于根据控制模块内的配置参数生成伪随机码并提供给捕获通道和跟踪通道；
所述捕获通道，其用于根据控制模块内的配置参数形成多个等效的逻辑通道，利用不同的伪随机码，对多通道数据缓存区内的信号进行捕获，并将捕获到的信号传给控制模块；
所述跟踪通道，其用于根据控制模块内的配置参数形成多个等效的逻辑通道，利用不同的伪随机码，对多通道数据缓存区内的信号进行跟踪，并将捕获到的信号传给控制模块。
2.根据权利要求1所述卫星导航系统基带信号处理系统，其特征在于，所述多通道预处理模块可接收单路或多路的输入信号，支持窄带及宽带信号的输入。
3.根据权利要求2所述卫星导航系统基带信号处理系统，其特征在于，所述多通道预处理模块包括格式转换单元、位宽调整单元、降采样单元和滤波单元；
所述格式转换单元，其用于按照控制模块内的配置参数，确认格式转换的目标格式后，将输入信号的格式转化为目标格式；
所述位宽调整单元，其用于按照控制模块内的配置参数，确认位宽调整的目标位宽后，将输入信号的位宽调整为目标位宽；
所述降采样单元，其用于按照控制模块内的配置参数，确认降采样的目标频率后，对输入信号处理进行降采样处理；
所述滤波单元，其用于按照控制模块内的配置参数，确认滤波器的参数后，对输入信号进行滤波处理。
4.根据权利要求3所述卫星导航系统基带信号处理系统，其特征在于，所述码生成/外部接口模块包括三种模式，分别为本地生成伪随机码模式、预存伪随机码模式和通过外部接口实时的输入伪随机码模式。
5.根据权利要求1所述卫星导航系统基带信号处理系统，其特征在于，所述多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、捕获模块、跟踪模块和码生成/外部接口模块在控制模块中均有独立的寄存器配置区，用来存储各个模块的配置参数，每个模块运行前，从相应的寄存器中读取当前模块运行的配置参数。
6.一种利用如权利要求1所述卫星导航系统基带信号处理系统进行卫星导航系统基带信号处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)所述控制模块存储多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、码生成/外部接口模块、捕获通道和跟踪通道的配置参数，并根据捕获通道和跟踪通道获取的信号对各模块相应的配置参数进行调整；
(2)所述多通道预处理模块接收输入信号，根据控制模块内的配置参数对输入信号进行预处理，并将处理后的输入信号传给多通道数据缓存模块；
(3)所述多通道数据缓存模块根据控制模块内的配置参数形成容量为单个或者多个的数据的数据缓存区，并将按照相应的容量将处理后的输入信号存入数据缓存区，不同的缓存区可以存放相同频点的数据或者存放不同频点的数据；
(4)所述码生成/外部接口模块根据控制模块内的配置参数生成伪随机码并提供给捕获通道和跟踪通道；
(5)所述捕获通道根据控制模块内的配置参数，形成多个等效的逻辑通道，利用不同的伪随机码，对多通道数据缓存区内的信号进行捕获，并将捕获到的信号传给控制模块；
(6)所述跟踪通道根据控制模块内的配置参数，形成多个等效的逻辑通道，利用不同的伪随机码，对多通道数据缓存区内的信号进行跟踪，并将捕获到的信号传给控制模块。
7.根据权利要求6所述进行卫星导航系统基带信号处理的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的多通道预处理模块可接收单路或多路的输入信号，支持窄带及宽带信号的输入。
8.根据权利要求6所述进行卫星导航系统基带信号处理的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的多通道预处理模块对输入信号进行处理，具体包括对输入信号进行格式转换、位宽调整、降采样和滤波；
所述格式转换是指按照控制模块内的参数配置，确认格式转换的目标格式后，将输入信号的格式转化为目标格式；
所述位宽调整是指按照控制模块内的配置参数，确认位宽调整的目标位宽后，将输入信号的位宽调整为目标位宽；
所述降采样是指按照控制模块内的配置参数，确认降采样的目标频率后，对输入信号处理进行降采样处理；
所述滤波是指按照控制模块内的配置参数，确认滤波器的参数后，对输入信号进行滤波处理。
9.根据权利要求6所述进行卫星导航系统基带信号处理的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的码生成/外部接口模块包括三种模式，分别为本地生成伪随机码模式、预存伪随机码模式和通过外部接口实时的输入伪随机码模式，所述的码生成/外部接口模块按照控制模块的配置，是指按照控制模块的配置，执行三种模式中的任一种。
10.根据权利要求6所述进行卫星导航系统基带信号处理的方法，其特征在于，所述步骤(5)和步骤(6)中的捕获通道和跟踪通道根据控制模块内的配置参数形成多个等效的逻辑通道，具体为，捕获通道和跟踪通道内的物理通道按照时分复用的方式形成多个并行的逻辑通道，形成逻辑通道的数量是根据控制模块内的配置参数确定的。
11.根据权利要求6所述进行卫星导航系统基带信号处理的方法，其特征在于，所述多通道预处理模块、多通道数据缓存模块、捕获模块、跟踪模块和码生成模块，在控制模块均有独立的寄存器配置区，每个模块运行前，从相应的寄存器中读取当前模块运行的配置参数。
12.根据权利要求11所述进行卫星导航系统基带信号处理的方法，其特征在于，所述的各模块寄存器中预设了配置参数的常用模式，控制模块根据接收到的信号判断是否符合各模块的常用模式，若符合常用模式，控制模块设置寄存器内的配置参数为常用模式的配置参数，若不符合常用模式，控制模块根据对信号进行分析后，再对寄存器进行参数设置。
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