一种可配置的导航信号兼容捕获跟踪装置的制作方法

本发明涉及导航信号捕获和跟踪领域，特别涉及一种可配置的导航信号兼容捕获跟踪装置，主要用于对新旧体制卫星导航信号的捕获和跟踪。

背景技术：

随着全球卫星导航系统(gnss)的迅速发展，在原有的直扩导航信号(dsss-bpsk)基础上，人们发展出了二进制偏移载波(boc)调制方式，有效地实现了频段公用、频谱分离，带来了更好的抗干扰、高精度测量等优点。

gnss导航信号的设计实现赋予了多个系统间相互兼容操作的能力，多系统兼容操作指的主要是gps、北斗(bds)和伽利略(galileo)三大导航系统的信号及信息处理具有兼容性。其中gps的l1c、galileo的e1和bds的b1c信号共用原gpsl1频点，即1575.42mhz，数据分量调制方式是boc(1,1)，导频分量分别是tmboc(6,1,4/33)、cboc(6,1,1/11)和qmboc(6,1,4/33)；gps的l5、galileo的e5a和bds的b2a信号使用gpsl5频点，即1176.45mhz，采用或等价于bpsk(10)调制。在多系统导航接收机的捕获跟踪通道硬件实现中，设计出参数可配置的捕获跟踪通道有着很大的灵活性和通用性，尤其是在三大导航系统尚未升级改造完成情况下，能兼容原有bpsk调制的导航信号算法尤为重要。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种通道可配置的导航信号兼容捕获跟踪装置，解决新旧体制导航信号的快速捕获及精确跟踪问题。具体地，本装置主要针对新体制导航信号l1c/e1/b1c的boc(1,1)调制、l5/e5a/b2a的bpsk(10)调制及旧体制导航信号的bpsk(1)/bpsk(2)调制，提供一种参数可配置的捕获跟踪装置，以灵活适应不同的信号类型，实现对导航信号的一体化捕获跟踪处理，提高通道的一致性。

本发明提供一种可配置的导航信号兼容捕获跟踪装置，其包括：正交去频偏模块、相关模块、fft判决模块、步进调整模块、码生成模块、早中晚相关器、峰值跳跃模块、码环鉴相器、载波环鉴相器、码环滤波器和载波环滤波器。

正交去频偏模块的功能为根据捕获及跟踪得到的频率字消除导航信号的载波残留频偏；

相关模块的功能为根据捕获时间的长短进行导航信号的相关解扩；

fft判决模块的功能为根据相关模块的相关解扩结果进行fft运算并判决是否捕获成功；

步进调整模块的功能为根据导航信号类型及捕获跟踪给出的判决信息输出码片步进控制字；

码生成模块的功能为根据步进调整模块给出的码片步进控制字控制扩频码的步进，产生相应码速率的伪随机序列；

早中晚相关器的功能为对导航信号进行解扩，输出可供码环鉴相器和载波环鉴相器使用的多路相关值；

峰值跳跃模块的功能为解决boc(1,1)信号在捕获过程中出现的副峰误锁问题；

码环鉴相器的功能为根据早中晚相关器的相关值输出伪码偏移量；

载波环鉴相器的功能为根据早中晚相关器的相关值输出载波偏移量；

码环滤波器的功能为滤除伪码偏移量中的高频噪声；

载波环滤波器的功能为滤除载波偏移量中的高频噪声。

本装置采取导航信号直接捕获处理，在跟踪过程使用峰值跳跃技术解决boc(1,1)捕获相位模糊度问题，在兼容传统bpsk捕获跟踪算法的基础上，可以有效的适用于gpsl1c/galileoe1/bdsb1c信号的处理，以及gpsl5/galileoe5a/bdsb2a信号处理，唯一的不同之处在于跟踪部分增加了峰值跳跃模块，步进调整模块改为参数可配置、码生成模块同时支持扩频码和boc本地码。本装置实现了导航信号处理算法的平滑升级，具有较低的算法复杂度和较好的通道一致性，同时由于boc信号采用双边带接收，有着较高的捕获跟踪性能。

附图说明

图1是本发明的可配置的导航信号兼容捕获跟踪结构示意图；

图2是本发明的可配置的导航信号兼容捕获跟踪流程示意图；

图3是本发明的boc(1,1)信号自相关函数为三峰结构。

1.正交去频偏模块2.相关模块3.fft判决模块4.步进调整模块5.码生成模块6.早中晚相关器7.峰值跳跃模块8.码环鉴相器9.载波环鉴相器10.码环滤波器11.载波环滤波器

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。

一种可配置的导航信号兼容捕获跟踪装置的具体步骤为：

第一步：构建可配置的导航信号兼容捕获跟踪结构，该结构包括：正交去频偏模块1、相关模块2、fft判决模块3、步进调整模块4、码生成模块5、早中晚相关器6、峰值跳跃模块7、码环鉴相器8、载波环鉴相器9、码环滤波器10、载波环滤波器11。

正交去频偏模块1的功能为根据捕获及跟踪得到的频率字消除导航信号的载波残留频偏；

相关模块2的功能为根据捕获时间的长短进行导航信号的相关解扩；

fft判决模块3的功能为根据相关模块2的相关解扩结果进行fft运算并判决是否捕获成功；

步进调整模块4的功能为根据导航信号类型及捕获跟踪给出的判决信息输出码片步进控制字；

码生成模块5的功能为根据步进调整模块4给出的码片步进控制字控制扩频码的步进，产生相应码速率的伪随机序列；

早中晚相关器6的功能为对导航信号进行解扩，输出可供码环鉴相器8和载波环鉴相器9使用的多路相关值；

峰值跳跃模块7的功能为解决boc(1,1)信号在捕获过程中出现的副峰误锁问题；

码环鉴相器8的功能为根据早中晚相关器6的相关值输出伪码偏移量；

载波环鉴相器9的功能为根据早中晚相关器6的相关值输出载波偏移量；

码环滤波器10的功能为滤除伪码偏移量中的高频噪声；

载波环滤波器11的功能为滤除载波偏移量中的高频噪声。

第二步：正交去频偏模块1采用数字载波nco和混频的方式，首先载波nco根据fft判决模块3和载波环滤波器11输出的频率字产生相应频率的正余弦信号；其次，将该正余弦信号与输入的基带数字信号送入数字混频器，完成复数相乘，实现去频偏功能。

第三步：相关模块2将剥离载波后的导航信号送入11路并行相关器，同时将11路本地码序列送入并行相关器，相关器根据给定时间进行积分-清零操作，完成相干解扩处理得到11路相干积分量。

第四步：fft判决模块3使用分段相关结合补零fft技术，将相关模块2输出的11路相干积分量累计到256组，对每路的相干值补256个零后送入512点的快速傅里叶变换(fft)，fft运算采用流水线工作模式，依次完成11组不同相位的11×512个相关值的fft运算和结果取模平方，并完成最大值搜索，以搜索出的最大值作为捕获判决量，检测判决量是否超过门限。若是没有超过则调整本地码相位重启下一相位的搜索，反之结束捕获过程，启动跟踪。

第五步：步进调整模块4综合fft判决模块3的判决结果、峰值跳跃模块7的跳跃使能和码环滤波器10的跟踪频率字输出码片步进调整控制字，送入码生成模块5。具体地，在捕获阶段，步进调整模块4根据待捕获信号的调制体制类型给出不同的码片搜索步进长度，其中boc(1,1)信号的搜索步进为1/6码片，bpsk(1)/bpsk(2)/bpsk(10)的搜索步进均为1/2码片；在捕获成功转入跟踪后，又根据峰值跳跃模块7给出的跳跃使能决定是否进行前后1/2码片跳跃；在稳定跟踪过程中，又综合码环滤波器10的实时跟踪频率字输出最终的控制字。

第六步：码生成模块5在高频时钟驱动下，根据码片步进控制字，按生成多项式或查找表方式产生与导航信号相同码速率的本地扩频码序列或boc码序列。根据设计，码生成模块5将伪码等分成11路，并行输出11路捕获需要的伪码，同时输出即时路、超前1/2码片、超前1/6码片、滞后1/6码片和滞后1/2码片的5路伪码序列供后续跟踪使用。

第七步：早中晚相关器6实现对导航信号进行相干解扩，输出可供码环鉴相器8和载波环鉴相器9使用的5路相关值。不妨设即时路、超前1/2码片、超前1/6码片、滞后1/6码片和滞后1/2码片5个支路的相关结果幅值分别记为p0、e-1/2、e-1/6、l+1/6、l+1/2，且记即时路的i、q支路相关结果为ip、qp。

第八步：峰值跳跃模块7对早中晚相关器6输出的5个支路的相关结果幅值进行大小判决，改写式(1)、式(2)得到下式(6)和式(7)，

启动比较结果计数器lcount和rcount，若满足式(6)则lcount自减1，rcount自加1；若满足式(7)则lcount自加1，rcount自减1；若均不满足则lcount和rcount值维持不变。当lcount大于15则认为当前相位跟踪锁定在左侧副峰上，当rcount大于15认为当前相位跟踪锁定在右侧副峰上，峰值跳跃模块输出相应反方向的跳跃使能，驱动码生成模块5跳跃1/2码片，随后完成计数器lcount和rcount的清零，开始下一次的峰值跳跃检测。

第九步：码环鉴相器8对早中晚相关器6给出的超前1/6码片、滞后1/6码片两路相关幅值按照式(3)进行计算输出伪码偏移量δcp。

第十步：载波环鉴相器9对早中晚相关器6给出的即时路i、q相关值按照式(4)进行计算输出载波偏移量φe。

第十一步：码环滤波器10对式(5)所示的二阶滤波器进行数字域离散化，对输入的伪码偏移量进行高频噪声滤除，得到码跟踪频率字，其中环路特征圆频率ωn选择1rad/s。

第十二步：载波环滤波器11按照式(5)所示的二阶滤波器对输入的载波偏移量进行高频噪声滤除，得到载波跟踪频率字，其中环路特征圆频率ωn选择16rad/s。

至此完成了可配置的导航信号兼容捕获跟踪。

具体的，本装置主要针对新体制导航信号l1c/e1/b1c的boc(1,1)调制、l5/e5a/b2a的bpsk(10)调制及旧体制导航信号的bpsk(1)/bpsk(2)调制，提供一种参数可配置的捕获跟踪装置，以灵活适应不同的信号类型，实现对导航信号的一体化捕获跟踪处理，提高通道的一致性。

本发明提出的一种可配置的导航信号兼容捕获跟踪装置包括：正交去频偏模块1、相关模块2、fft判决模块3、步进调整模块4、码生成模块5、早中晚相关器6、峰值跳跃模块7、码环鉴相器8、载波环鉴相器9、码环滤波器10、载波环滤波器11。

正交去频偏模块1的功能为根据捕获及跟踪得到的频率字消除导航信号的载波残留频偏；

相关模块2的功能为根据捕获时间的长短进行导航信号的相关解扩；

fft判决模块3的功能为根据相关模块2的相关解扩结果进行fft运算并判决是否捕获成功；

步进调整模块4的功能为根据导航信号类型及捕获跟踪给出的判决信息输出码片步进控制字；

码生成模块5的功能为根据步进调整模块给出的码片步进控制字控制扩频码的步进，产生相应码速率的伪随机序列；

早中晚相关器6的功能为对导航信号进行解扩，输出可供码环鉴相器和载波环鉴相器使用的多路相关值；

峰值跳跃模块7的功能为解决boc(1,1)信号在捕获过程中出现的副峰误锁问题；

码环鉴相器8的功能为根据早中晚相关器的相关值输出伪码偏移量；

载波环鉴相器9的功能为根据早中晚相关器的相关值输出载波偏移量；

码环滤波器10的功能为滤除伪码偏移量中的高频噪声；

载波环滤波器11的功能为滤除载波偏移量中的高频噪声。

优选的，正交去频偏模块1采用数字混频的方式，利用给定的频率字完成基带数字信号剥离载波频偏的目的。正交去频偏模块包括数字混频和载波数字振荡器(nco)两部分，载波nco根据捕获和跟踪输入的频率字产生相应频率的正余弦信号，数字混频将该信号与输入的基带数字信号进行复数相乘，实现去频偏功能。

优选的，相关模块2根据给定的积分时间完成对剥离载波后的导航信号的相关积分，经解扩处理得到相干积分量。考虑到信号类型不同，伪码周期长度不一，本装置使用频域并行搜索捕获技术，为了加快码片线性搜索速率，相关模块2采用11路并行相关器完成对信号的并行解扩积分，输出11路相关值。

优选的，fft判决模块3使用分段相关结合补零fft技术，将相关模块2输出的11路相干积分量累计到若干组后补适当零依次进行快速傅里叶变换(fft)，fft运算采用流水线工作模式，依次完成11组不同相位相关值的fft运算和结果取模平方，随后完成最大值搜索，以搜索出的最大值作为捕获判决量z，检测判决量是否超过门限θ。若是没有超过则调整本地码相位重启下一相位的搜索，反之结束捕获过程，启动跟踪。

优选的，步进调整模块4综合fft判决模块的判决结果、峰值跳跃模块的跳跃使能和码环的跟踪频率字输出码片步进调整控制字，送入码生成模块。作为参数可配置的核心模块之一，具体地，在捕获阶段，根据待捕获信号的调制体制类型给出不同的码片搜索步进长度，其中boc(1,1)信号的搜索步进为1/6码片，bpsk(1)/bpsk(2)/bpsk(10)的搜索步进均为1/2码片；在捕获成功转入跟踪后，又根据峰值跳跃模块7给出的跳跃使能决定是否进行前后1/2码片跳跃；在稳定跟踪过程中，又综合码环的实时跟踪频率字输出最终的控制字。

优选的，码生成模块5在高频时钟驱动下，根据码片步进控制字，按生成多项式或查找表方式产生与导航信号相同码速率的本地扩频码序列或boc码序列。根据需要，码生成模块5将伪码等分成11路，并行输出11路捕获需要的伪码，同时输出即时路、超前1/2码片、超前1/6码片、滞后1/6码片和滞后1/2码片的5路伪码序列供后续跟踪使用。

优选的，早中晚相关器6的功能为对导航信号进行相干解扩，同时输出可供码环鉴相器和载波环鉴相器使用的5路相关值。

优选的，峰值跳跃模块7的功能为解决boc(1,1)信号在捕获过程中出现的相位模糊度问题，即可能出现的副峰误锁现象。如图3所示，相对于bpsk的单峰结构，boc(1,1)信号自相关函数为三峰结构，主峰相对更窄，两个副峰处在±1/2码片位置。

不妨设即时路、超前1/2码片、超前1/6码片、滞后1/6码片和滞后1/2码片5个支路的相关结果幅值分别记为p0、e-1/2、e-1/6、l+1/6、l+1/2。若当前码跟踪环路锁定在右侧副峰上，则有如下关系：

反之，若锁定在左侧副峰上，则有如下关系：

若均不满足，则表明当前锁定在主峰上，不需要做调整。为了进一步降低噪声影响，实现稳定跟踪，需对上述5组相关值进行连续多次判决，当满足式(1)或式(2)的大小关系累计到一定次数后才被认为锁定在副峰上，峰值跳跃模块输出跳跃使能，向相应反方向跳跃1/2码片。

优选的，码环鉴相器8的功能为根据早中晚相关器的相关值输出伪码偏移量，鉴相器采用非相干超前减滞后幅值计算公式，即

其中，δcp为鉴相器输出的伪码偏移量。

优选的，载波环鉴相器9的功能为根据早中晚相关器的相关值输出载波偏移量，鉴相器采用的计算公式为

φe＝sign(ip)·qp(4)

其中，ip表示即时路i路相干积分值，qp表示即时路q路相干积分值。sign(x)为取符号函数，返回x的正负号，φe为鉴相器输出的载波相位偏移量。

优选的，码环滤波器10的功能为滤除码环鉴相器输出的伪码偏移量中的高频噪声，具体地，码环选用二阶滤波器，其中滤波器传递函数h(s)的拉普拉斯域表示为

其中，ωn为环路的特征圆频率，s为拉普拉斯算子。

优选的，载波环滤波器11的功能为滤除载波偏移量中的高频噪声，其中滤波器选用与码环一致的二阶滤波器。

本装置采取导航信号直接捕获处理，在跟踪过程使用峰值跳跃技术解决boc(1,1)捕获相位模糊度问题，在兼容传统bpsk捕获跟踪算法的基础上，可以有效的适用于gpsl1c/galileoe1/bdsb1c信号的处理，以及gpsl5/galileoe5a/bdsb2a信号处理，唯一的不同之处在于跟踪部分增加了峰值跳跃模块，步进调整模块改为参数可配置、码生成模块同时支持扩频码和boc本地码。本装置实现了导航信号处理算法的平滑升级，具有较低的算法复杂度和较好的通道一致性，同时由于boc信号采用双边带接收，有着较高的捕获跟踪性能。