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基于预平均处理的导航信号捕获技术

赵丙风 章林锋 孙寿浩

赵丙风, 章林锋, 孙寿浩. 基于预平均处理的导航信号捕获技术[J]. 全球定位系统, 2022, 47(1): 1-8. doi: 10.12265/j.gnss.2021061602
引用本文: 赵丙风, 章林锋, 孙寿浩. 基于预平均处理的导航信号捕获技术[J]. 全球定位系统, 2022, 47(1): 1-8. doi: 10.12265/j.gnss.2021061602
ZHAO Bingfeng, ZHANG Linfeng, SUN Shouhao. Acquisition technique for navigation signals based on pre-average process[J]. GNSS World of China, 2022, 47(1): 1-8. doi: 10.12265/j.gnss.2021061602
Citation: ZHAO Bingfeng, ZHANG Linfeng, SUN Shouhao. Acquisition technique for navigation signals based on pre-average process[J]. GNSS World of China, 2022, 47(1): 1-8. doi: 10.12265/j.gnss.2021061602

基于预平均处理的导航信号捕获技术

doi: 10.12265/j.gnss.2021061602
详细信息
    作者简介:

    章林锋:(1986—),男,硕士,工程师,研究方向为GNSS基带信号处理技术

    孙寿浩:(1988—),男,硕士,工程师,研究方向为GNSS基带信号处理技术

    通信作者:

    赵丙风 E-mail: ZhaoBF@yeah.net

  • 中图分类号: P228.4

Acquisition technique for navigation signals based on pre-average process

  • 摘要: 针对传统导航信号捕获算法资源消耗大、多普勒分辨率低的问题,提出了一种基于预平均处理的变系数匹配滤波的快速捕获方法. 该方法将经过预平均处理后的导航中频信号和本地信号主码存入相应存储器,然后经变系数匹配滤波器完成相关累加,再经快速傅里叶变换(FFT)频率估计器完成数据的频谱分析,最后利用验证模块对FFT输出结果的最大值进行二次验证,完成捕获检测. 所提方法在达到相同积分时间的同时节省了50%硬件资源,能够提高捕获多普勒分辨率以提高转跟踪成功率,通过软件灵活配置可以实现多系统多频点全球卫星导航系统(GNSS)信号的兼容处理.

     

  • 图  1  典型射频前端处理流程

    图  2  PMF−FFT的捕获流程图

    图  3  无补零FFT的输出主瓣响应

    图  4  补零FFT的输出主瓣响应

    图  5  信号捕获框图

    图  6  中频信号预处理流程图

    图  7  变系数匹配滤波器框图

    图  8  捕获实施流程图

    表  1  信号参数

    频点分量调制类型带宽/MHz主码辅码电文
    速率/Mcps码长类型长度类型信息速率/符号速率
    B1IBPSK-R(2) 4.092 0 2.046 2 046Gold码 20NH码50/50或500/500
    B1C_dBOC(1,1) 4.092 0 1.02310 230Weil码--50/100
    B1C_pQMBOC(6,1,4/33)14.322 0 1.02310 230Weil码1 800Weil码导频分量无电文
    B2a_dQPSK-R(10)20.460 010.23010 230Gold码 5NH码100/200
    B2a_p10.23010 230Gold码 100Weil码导频分量无电文
    B2b_dQPSK-R(10)20.460 010.23010 230Gold码--1000/1000
    B2b_p10.23010 230Gold码--导频分量无电文
    B3IBPSK-R(10)20.460 010.23010 230Gold码 20NH码50/50 或 500/500
    L1CABPSK-R(1) 2.046 0 1.023 1 023Gold码--50/50
    L1C_dBOC(1,1) 4.092 0 1.02310 230Weil码--50/100
    L1C_pTMBOC(6,1,4/33)14.322 010.23010 230Weil码1 800Weil码导频分量无电文
    L5C_dQPSK-R(10)20.460 010.23010 230Gold码 10NH码50/100
    L5C_p10.23010 230Gold码 20NH码导频分量无电文
    E1OS_dCBOC(6,1,1/11,‘+’) 4.092 0 1.02310 230存储码--125/250
    E1OS_pCBOC(6,1,1/11,‘−’) 4.092 0 1.02310 230存储码 25存储码导频分量无电文
    E5a_dQPSK-R(10)20.460 010.23010 230Gold码 20存储码25/50
    E5a_p10.23010 230Gold码 100存储码导频分量无电文
    E5b_dQPSK-R(10)20.460 010.23010 230Gold码 4存储码125/250
    E5b_p10.23010 230Gold码 100存储码导频分量无电文
    G1BPSK 8.334 5 0.511 511M序列--50/100
    G2BPSK 6.709 5 0.511 511M序列--50/100
    下载: 导出CSV

    表  2  M=2、 K=3时匹配滤波计算过程示意

    PMF0PMF1
    时钟滤波器系数数据中间结果$ {R_0}(l){\text{ = }}{D_{0,2}} $滤波器系数数据中间结果$ {R_1}(l){\text{ = }}{D_{1,2}} $
    $ {c_{0,0}} $$ {c_{0,1}} $$ {c_{0,2}} $$ {D_{0,0}} $$ {D_{0,1}} $$ {c_{1,0}} $$ {c_{1,1}} $$ {c_{1,2}} $$ {D_{1,0}} $$ {D_{1,1}} $
    0$ {a_0} $00$ {d_0} $$ {a_0}{d_0} $00$ {a_3} $00$ {d_3} $$ {a_3}{d_3} $00
    1$ {a_0} $$ {a_1} $0$ {d_1} $$ {a_0}{d_1} $$ {a_0}{d_0} + {a_1}{d_1} $0$ {a_3} $$ {a_4} $0$ {d_4} $$ {a_3}{d_4} $$ {a_3}{d_3} + {a_4}{d_4} $0
    2$ {a_0} $$ {a_1} $$ {a_2} $$ {d_2} $$ {a_0}{d_2} $$ {a_0}{d_1} + {a_1}{d_2} $$ {a_0}{d_0} + {a_1}{d_1} + {a_2}{d_2} $$ {a_3} $$ {a_4} $$ {a_5} $$ {d_5} $$ {a_3}{d_5} $$ {a_3}{d_4} + {a_4}{d_5} $$ {a_3}{d_3} + {a_4}{d_4} + {a_5}{d_5} $
    3$ {a_0} $$ {a_0} $$ {a_1} $$ {a_2} $$ {d_3} $$ {a_0}{d_3} $$ {a_0}{d_2} + {a_1}{d_3} $$ {a_0}{d_1} + {a_1}{d_2} + {a_2}{d_3} $$ {a_3} $$ {a_4} $$ {a_5} $$ {d_6} $$ {a_3}{d_6} $$ {a_3}{d_5} + {a_4}{d_6} $$ {a_3}{d_4} + {a_4}{d_5} + {a_5}{d_6} $
    4$ {a_0} $$ {a_1} $$ {a_2} $$ {d_4} $$ {a_0}{d_4} $$ {a_0}{d_3} + {a_1}{d_4} $$ {a_0}{d_2} + {a_1}{d_3} + {a_2}{d_4} $$ {a_3} $$ {a_3} $$ {a_4} $$ {a_5} $$ {d_7} $$ {a_3}{d_7} $$ {a_3}{d_6} + {a_4}{d_7} $$ {a_3}{d_5} + {a_4}{d_6} + {a_5}{d_7} $
    5$ {a_0} $$ {a_1} $$ {a_2} $$ {d_5} $$ {a_0}{d_5} $$ {a_0}{d_4} + {a_1}{d_5} $$ {a_0}{d_3} + {a_1}{d_4} + {a_2}{d_5} $$ {a_3} $$ {a_3} $$ {a_4} $$ {a_5} $$ {d_8} $$ {a_3}{d_8} $$ {a_3}{d_7} + {a_4}{d_8} $$ {a_3}{d_6} + {a_4}{d_7} + {a_5}{d_8} $
    6$ {a_6} $$ {a_1} $$ {a_2} $$ {d_6} $$ {a_6}{d_6} $$ {a_0}{d_5} + {a_1}{d_6} $$ {a_0}{d_4} + {a_1}{d_5} + {a_2}{d_6} $$ {a_9} $$ {a_4} $$ {a_5} $$ {d_9} $$ {a_9}{d_9} $$ {a_3}{d_8} + {a_4}{d_9} $$ {a_3}{d_7} + {a_4}{d_8} + {a_5}{d_9} $
    7$ {a_6} $$ {a_7} $$ {a_2} $$ {d_7} $$ {a_6}{d_7} $$ {a_6}{d_6} + {a_7}{d_7} $$ {a_0}{d_5} + {a_1}{d_6} + {a_2}{d_7} $$ {a_9} $$ {a_{10}} $$ {a_5} $$ {d_{10}} $$ {a_9}{d_{10}} $$ {a_9}{d_9} + {a_{10}}{d_{10}} $$ {a_3}{d_8} + {a_4}{d_9} + {a_5}{d_{10}} $
    8$ {a_6} $$ {a_7} $$ {a_8} $$ {d_8} $$ {a_6}{d_8} $$ {a_6}{d_7} + {a_7}{d_8} $$ {a_6}{d_6} + {a_7}{d_7} + {a_8}{d_8} $$ {a_9} $$ {a_{10}} $$ {a_{11}} $$ {d_{11}} $$ {a_9}{d_{11}} $$ {a_9}{d_{10}} + {a_{10}}{d_{11}} $$ {a_9}{d_9} + {a_{10}}{d_{10}} + {a_{11}}{d_{11}} $
    9$ {a_6} $$ {a_7} $$ {a_8} $$ {d_9} $$ {a_6}{d_9} $$ {a_6}{d_8} + {a_7}{d_9} $$ {a_6}{d_7} + {a_7}{d_8} + {a_8}{d_9} $$ {a_9} $$ {a_{10}} $$ {a_{11}} $$ {d_{12}} $$ {a_9}{d_{12}} $$ {a_9}{d_{11}} + {a_{10}}{d_{12}} $$ {a_9}{d_{10}} + {a_{10}}{d_{11}} + {a_{11}}{d_{12}} $
    10$ {a_6} $$ {a_7} $$ {a_8} $$ {d_{10}} $$ {a_6}{d_{10}} $$ {a_6}{d_9} + {a_7}{d_{10}} $$ {a_6}{d_8} + {a_7}{d_9} + {a_8}{d_{10}} $$ {a_9} $$ {a_{10}} $$ {a_{11}} $$ {d_{13}} $$ {a_9}{d_{13}} $$ {a_9}{d_{12}} + {a_{10}}{d_{13}} $$ {a_9}{d_{11}} + {a_{10}}{d_{12}} + {a_{11}}{d_{13}} $
    11$ {a_6} $$ {a_7} $$ {a_8} $$ {d_{11}} $$ {a_6}{d_{11}} $$ {a_6}{d_{10}} + {a_7}{d_{11}} $$ {a_6}{d_9} + {a_7}{d_{10}} + {a_8}{d_{11}} $$ {a_9} $$ {a_{10}} $$ {a_{11}} $$ {d_{14}} $$ {a_9}{d_{14}} $$ {a_9}{d_{13}} + {a_{10}}{d_{14}} $$ {a_9}{d_{12}} + {a_{10}}{d_{13}} + {a_{11}}{d_{14}} $
    12$ {a_{12}} $$ {a_7} $$ {a_8} $$ {d_{12}} $$ {a_{12}}{d_{12}} $$ {a_6}{d_{11}} + {a_7}{d_{12}} $$ {a_6}{d_{10}} + {a_7}{d_{11}} + {a_8}{d_{12}} $$ {a_{15}} $$ {a_{10}} $$ {a_{11}} $$ {d_{15}} $$ {a_{15}}{d_{15}} $$ {a_9}{d_{14}} + {a_{10}}{d_{15}} $$ {a_9}{d_{13}} + {a_{10}}{d_{14}} + {a_{11}}{d_{15}} $
    13$ {a_{12}} $$ {a_{13}} $$ {a_8} $$ {d_{13}} $$ {a_{12}}{d_{13}} $$ {a_{12}}{d_{12}} + {a_{13}}{d_{13}} $$ {a_6}{d_{11}} + {a_7}{d_{12}} + {a_8}{d_{13}} $$ {a_{15}} $$ {a_{16}} $$ {a_{11}} $$ {d_{16}} $$ {a_{15}}{d_{16}} $$ {a_{15}}{d_{15}} + {a_{16}}{d_{16}} $$ {a_9}{d_{14}} + {a_{10}}{d_{15}} + {a_{11}}{d_{16}} $
    14$ {a_{12}} $$ {a_{13}} $$ {a_{14}} $$ {d_{14}} $$ {a_{12}}{d_{14}} $$ {a_{12}}{d_{13}} + {a_{13}}{d_{14}} $$ {a_{12}}{d_{12}} + {a_{13}}{d_{13}} + {a_{14}}{d_{14}} $$ {a_{15}} $$ {a_{16}} $$ {a_{17}} $$ {d_{17}} $$ {a_{15}}{d_{17}} $$ {a_{15}}{d_{16}} + {a_{16}}{d_{17}} $$ {a_{15}}{d_{15}} + {a_{16}}{d_{16}} + {a_{17}}{d_{17}} $
    ···············
    下载: 导出CSV

    表  3  捕获模块资源消耗

    资源类型使用数量硬件总资源占比/%
    CLB LUT25 615522 7204.90
    CLB Register24 4521 045 4402.34
    Block RAM209842.04
    DSPs1141 9685.79
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    表  4  捕获参数配置

    信号相干积分时间/ms非相干次数FFT点数
    B1I21064
    B1C82256
    B2a44128
    B2b12064
    B3I21064
    L1CA82256
    L5C82256
    E1OS82256
    E5a82256
    G182256
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    表  5  捕获结果

    信号单星最长捕获时间/ms捕获成功率/%多普勒分辨率/Hz
    B1I29.699.0125.00
    B1C23.898.431.25
    B2a37.797.662.50
    B2b41.696.8125.00
    B3I41.297.8125.00
    L1CA23.699.231.25
    L5C37.497.831.25
    E1OS23.998.231.25
    E5a37.297.631.25
    G120.799.431.25
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  • 收稿日期:  2021-06-16
  • 网络出版日期:  2022-02-28

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