[发明专利]一种应用于全球导航卫星系统接收机的差分相关器

说明书

技术领域

本发明属于全球导航卫星系统(GNSS)硬件接收机技术领域，具体涉及一种 并行差分相关器算法及结构。

技术背景

全球导航卫星系统(GNSS)是一种全天候、全空域的导航系统，自从上个世纪 八十年代美国的全球导航系统(GPS)投入使用以来，人们利用卫星导航资源，为 国民经济各部门提供了精确的位置和时间信息。

卫星导航系统采用直接序列扩频(DSSS)技术，每颗卫星将要发送的资料比特 流与一个粗捕获(C/A)码进行扩频编码(每个卫星的粗捕获码各不相同)并采用 BPSK方式调制为符号，最终通到射频模块发射出去。其中C/A码的本质是一个 周期性的伪随机噪声(PRN)序列，具有伪随机噪声序列的自相关和互相关特性。

地面上的用户接收设备接收导航卫星发射的信号，根据伪距和卫星的位置确 定自身位置、速度和时间信息。由于接收机和卫星的相对运动，会造成射频信号 频率的偏移，称之为多普勒频偏，同时接收到C/A码的相位对于接收机来说也是 未知的，因此接收机接收到的信号，具有码相位(Code Phase)和多普勒频偏双重 的不确定性，接收机基带信号处理部分的首要任务是对齐卫星信号的码相位及确 定多普勒频偏，这一阶段称为捕获。

关于GNSS接收机的捕获算法，人们已经进行了大量的研究，其基本思想是 将接收到的信号和本地产生的复现码进行相关运算，通过搜索相关结果的峰值来 确定码相位和多普勒频偏。目前广泛使用的相关捕获算法大致可以分为两类。

第一类在时域完成相关运算，采用匹配滤波器或传统相关器的结构。这类算 法基于滑动相关的原理，输入数据依次“滑过”相关器，每“滑动”一步，复现 码就与一定长度的输入数据进行一次相关，最后再比较各个相关值的大小从而确 定码相位。由于复现码中只存在+1和-1两种元素，因此在相关时并不需要进行 乘法运算，只需要加法运算。设复现码的长度为N，则每次相关运算所需要的运 算量为(N-1)次加法。近年来，人们对时域相关算法进行了各种改进：(1)提出 了一种基于差分编码相关算法，可以将加法次数降低为(N/2-1)次，代价是多增 加了一个寄存器和一次移位操作；(2)对以上方法进行改进，进一步降低了运算 量，但以牺牲性能或大量增加寄存器及控制复杂度为代价；(3)提出了一种基于 匹配滤波器结构的快速相关算法，在不存在过采样的情况下，可以把加法次数降 低到N/5，但如果用户接收机中存在过采样的情况，直接应用该算法，运算复杂 度并不具有优势。时域相关算法的运算量一般比较大，但实现起来结构较为简单， 适合于硬件实现，被广泛的应用于基于硬件实现的GNSS接收机中。

第二种类型的相关捕获算法利用快速傅立叶变换(FFT)，在频域并行计算出 输入数据与复现码所有码相位的相关值，从而实现快速相关，减少了运算量。该 算法的另一个好处是可以实现多普勒频偏和码相位的联合估计。这类算法虽然有 效的降低了相关运算的运算量，但FFT运算实现起来结构较为复杂，并且包含有 复数的乘法和加法运算，性能还会受到参数有限字长效应的影响，目前多用在基 于软件实现的GNSS接收机中。

在民用GNSS接收机中，对接收卫星信号的量化一般不会超过4比特，为了 得到更好的接收机性能，通常的做法是对接收信号进行过采样来提高相关增益。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于硬件实现，在时域对GNSS信号进行并行差 分相关捕获的算法和硬件结构，实现对多个卫星信号的同时捕获，同时相比于传 统的相关算法和两种改进型的时域相关算法，以及基于FFT的频域相关算法，在 运算复杂度上具有优势。

本发明的目的通过下述方法和步骤实现：

GNSS接收机接收到的信号是空中所有可见导航卫星发射信号的迭加，为了 提取出各个卫星的信息并确定C/A码的相位，需要用已知的各个卫星的C/A码， 即不同的复现码与接收信号进行相关。