一种GNSS接收机及噪声估计方法

技术领域

本申请涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种GNSS接收机及噪声估计方法。

背景技术

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）能够为地球表面和近地空间的用户提供高精度的定位、导航和授时服务，被广泛应用在汽车驾驶、航空航天、通讯以及测量等领域。各个卫星导航系统都具有多个频点，卫星全天候、全天时连续不间断向地面的播发卫星信号。

在卫星导航技术领域，GNSS接收机是GNSS技术的重要组成部分，负责从卫星接收信号，计算用户位置和时间。GNSS接收机接收到卫星发送的信号后，需要对卫星信号进行捕获和跟踪。在跟踪过程中，对卫星信号的质量进行评估。信号质量通常用信噪比（SNR）来衡量，它定义为信号功率Pr与噪声功率N之间的比值，即SNR=Pr/N。信噪比SNR通常表达成分贝的形式。信噪比越高，接收的信号的质量越好。GNSS接收机对卫星信号的捕获和跟踪性能与信噪比有着直接的关联。稳定可靠的计算出各个通道的信噪比是每个接收机所必需的。

为了实现噪声估计，传统GNSS接收机在每个频点都分配有信号跟踪通道和噪声估计通道，将信号跟踪通道计算得到的信号功率同噪声估计通道得到的噪声功率的比值作为该频点信号的信噪比。

随着导航系统的增多，每个导航系统发送的卫星信号的频率和信号类型都不断增多，全系统全频点的GNSS接收机需要的噪声估计通道数量也随之增加。如果再使用双天线接收方案，这个数字会进一步变大。无论在软件还是硬件方面，这对接收机来说都是资源和成本上的巨大浪费。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本申请提出了一种GNSS接收机，包括，数据缓存单元，配置为接收多个数字基带信号，并按照固定的顺序存储生成相应的缓存数据，其中，一路所述缓存数据包括一个或多个所述数字基带信号；跟踪及噪声估计单元，耦合到所述数据缓存单元，配置为接收所述缓存数据，对所述缓存数据中的数字基带信号进行跟踪，以及计算所述数字基带信号的噪声功率；其中，所述跟踪及噪声估计单元包括跟踪通道模块，包括多个信号跟踪通道，配置为对所述数字基带信号进行跟踪，将所述数字基带信号转换为导航信号；每条所述信号跟踪通道对一种所述数字基带信号进行跟踪；以及噪声估计模块，与所述数据缓存单元相耦合；其中，所述噪声估计模块包括配置存储器，所述配置存储器配置为至少存储与所述缓存数据中的数字基带信号的数量和类型相对应的信号个数和信号类型，以及与所述数字基带信号相对应的载波频率控制字、伪码频率控制字以及伪码控制字；以及时分复用控制子模块，所述时分复用控制子模块分别与所述数据缓存单元以及所述配置存储器耦合；所述时分复用控制子模块接收噪声估计指令，按顺序从所述数据缓存单元中获取缓存数据的数字基带信号，并从所述配置存储器获取与所述数字基带信号对应的信号个数和信号类型，并提供给后续模块用于噪声估计。

特别的，所述的接收机，其中，所述伪码控制字包括标准伪码控制字和非标伪码控制字。

特别的，所述的接收机，其中，所述噪声估计模块还包括载波混频子模块，所述载波混频子模块分别与所述时分复用控制子模块以及所述配置存储器耦合；所述载波混频子模块配置为接收所述时分复用控制子模块传输的数字基带信号和所述配置存储器输出的载波频率控制字，将所述数字基带信号和依据所述载波频率控制字生成的本地载波进行混频。

特别的，所述的接收机，其中，所述噪声估计模块包括伪码相关子模块，所述伪码相关子模块分别与所述载波混频子模块以及所述配置存储器耦合；所述伪码相关子模块配置为接收所述配置存储器输出的所述伪码频率控制字和标准伪码控制字生成标准伪码序列，将接收到的所述载波混频子模块的输出与所述标准伪码序列进行相关运算，输出所述数字基带信号的多个相关值；其中，所述伪码相关子模块包括伪码数控振荡器，配置为接收所述配置存储器输出的伪码频率控制字生成相应的数字频率信号；伪码发生器，配置为接收所述配置存储器输出的标准伪码控制字以及所述伪码数控振荡器输出的数字频率信号，生成所述标准伪码序列。

特别的，所述的接收机，其中，所述噪声估计模块包括所述伪码相关子模块，所述伪码相关子模块分别与所述载波混频子模块以及所述配置存储器耦合；所述伪码相关子模块配置为接收所述配置存储器输出的伪码频率控制字和非标伪码控制字生成非标伪码序列，将接收到的所述载波混频子模块的输出与所述非标伪码序列进行相关运算，输出所述数字基带信号的多个相关值；其中，所述伪码相关子模块包括所述伪码数控振荡器，配置为接收所述伪码频率控制字并生成对应的数字频率信号；码缓存器，配置为接收所述配置存储器输出的非标伪码控制字并输出二进制序列；以及非标伪码发生接口，配置为接收所述伪码数控振荡器输出数字频率信号以及所述码缓存器输出的二进制序列，生成所述非标伪码序列。

特别的，所述的接收机，其中，所述伪码相关子模块还包括伪码选择器，所述伪码选择器分别与所述伪码发生器、所述非标伪码发生接口以及所述配置存储器相耦合；所述伪码选择器接收所述配置存储器输出的信号类型，基于所述信号类型选择所述标准伪码序列或非标伪码序列输出；以及第一相关器和第二相关器，所述第一和第二相关器分别与所述伪码选择器以及所述载波混频子模块耦合，配置为将接收到的所述载波混频子模块的输出与接收到的所述伪码选择器输出的伪码序列进行相关运算，得到所述数字基带信号的多个相关值。

特别的，所述的接收机，进一步包括积分运算子模块，所述积分运算子模块耦合到所述伪码相关子模块，接收所述伪码相关子模块输出的所述数字基带信号的多个相关值；所述积分运算子模块配置为接收所述多个相关值进行计算，得到所述数字基带信号的噪声功率。

特别的，所述的接收机，其中，所述GNSS接收机处理器按设定时间间隔输出所述噪声估计指令。

本申请还提出了一种噪声估计方法，包括接收多个数字基带信号，并将所述数字基带信号按照固定的顺序存储生成相应的缓存数据，其中一路所述缓存数据包括一个或多个所述数字基带信号；在噪声估计指令控制下，获取与所述缓存数据的数字基带信号的数量和类型相对应的信号个数以及信号类型；获取所述缓存数据中的数字基带信号；根据与所述数字基带信号的类型相对应的信号类型，获取与所述数字基带信号相对应的载波频率控制字、伪码频率控制字以及伪码控制字；根据所述载波频率控制字生成本地载波，利用所述本地载波对所述数字基带信号进行混频并输出；根据所述伪码频率控制字和所述伪码控制字生成伪码序列，利用所述伪码序列与所述混频后的输出进行相关运算，得到所述数字基带信号的多个相关值；计算并存储所述数字基带信号的噪声功率。

特别的，所述的方法，其中，所述伪码控制字包括标准伪码控制字和非标伪码控制字，当所述数字基带信号采用标准伪码时，获取所述标准伪码控制字和伪码频率控制字，根据所述标准伪码控制字和伪码频率控制字生成所述标准伪码序列；或当所述数字基带信号采用非标伪码时，获取所述非标伪码控制字和伪码频率控制字，根据所述非标伪码控制字和伪码频率控制字生成所述非标伪码序列。

特别的，所述的方法，还包括，判断所述缓存数据中的数字基带信号是否全部处理完成，当所述缓存数据中的数字基带信号未全部处理完成时，获取下一所述数字基带信号；当所述缓存数据中的数字基带信号全部处理完成时，获取下一所述缓存数据。

特别的，所述的方法，还包括，判断是否所述缓存数据全部处理完成，当所述缓存数据未全部处理完成时，获取下一所述缓存数据；否则噪声估计操作结束。

附图说明

下面，将结合附图对本申请的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1所示为根据本申请的一个实施例的GNSS接收机的结构示意图；

图2所示为根据本申请的一个实施例的噪声估计模块的结构示意图；

图3所示为根据本申请的一个实施例的噪声估计方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。对于附图中的各单元之间的连线，仅仅是为了便于说明，其表示至少连线两端的单元是相互通信的，并非旨在限制未连线的单元之间无法通信。另外，两个单元之间线条的数目旨在表示该两个单元之间通信至少所涉及的信号数或至少具备的输出端，并非用于限定该两个单元之间只能如图中所示的信号来进行通信。

本申请提出一种GNSS接收机，GNSS接收机的硬件电路通过采用时分复用的方式实现全系统全频点卫星信号的噪声估计，提升硬件资源有效利用率的同时提高了噪声估计的准确性。

图1所示为根据本申请的一个实施例的GNSS接收机的结构示意图。

根据一个实施例，GNSS接收机1包括彼此串联耦合的天线11、射频前端处理单元12、中频数据接口单元13和数字前端处理单元14、数据缓存单元15、跟踪及噪声估计单元16、观测量提取单元17、解算单元18。

根据一个实施例，天线11配置为接收卫星信号。

根据一个实施例，射频前端处理单元12配置为接收天线11传输的卫星信号，将卫星信号经过前置滤波器、放大器、模拟下变频、A/D采样等处理后转换为中频信号输出。

根据一个实施例，中频数据接口单元13和数字前端处理单元14对中频信号进行下变频、降采样、量化处理，将中频信号转换为数字基带信号。

根据一个实施例，数据缓存单元15配置为接收并存储数字前端处理单元14输出的数字基带信号，这些数字基带信号对应于GNSS接收机接收到的全系统全频点的卫星信号。在一个实施例中，对于数字前端处理单元14输出的数字基带信号，数据缓存单元15将相近频点的多个不同数字基带信号按照固定顺序存储为一路缓存数据。在数据缓存单元15中按顺序存储有多路缓存数据。每一路缓存数据对应一个中心频率。在一个实施例中，在一路缓存数据中包括一个或多个数字基带信号。

如表1所示，其中每个DFE代表一路缓存数据，每个DFE中包含多个不同的数字基带信号。每个DFE对应一个中心频率。在一路缓存数据中按照固定顺序存储了多个不同的数字基带信号，各数字基带信号可以采用不同的载波、伪码等。

表1

根据一个实施例，数据缓存单元15中缓存数据的存储顺序以及缓存数据中数字基带信号的存储顺序，由GNSS接收机处理器（未示出）控制。

根据一个实施例，GNSS接收机1还可以包括跟踪及噪声估计单元16。跟踪及噪声估计单元16配置为接收数据存储模块15输出的多路缓存数据，对每路缓存数据中的每个数字基带信号分别进行跟踪，以及估计数字基带信号的噪声功率，进而评估卫星信号的质量。

根据本申请的一个实施例，跟踪及噪声估计单元16包括跟踪通道模块161。跟踪通道模块161耦合到数据缓存单元15，配置为接收缓存数据并对数字基带信号进行跟踪，将数字基带信号转换为导航信号。在一个实施例中，跟踪通道模块161包括多个信号跟踪通道，每个信号跟踪通道对一种数字基带信号进行跟踪。

根据本申请的一个实施例，跟踪及噪声估计单元16包括噪声估计模块162。噪声估计模块162与数据缓存单元15相耦合，配置为在GNSS接收机处理器输出的噪声估计指令的控制下，获取存储在数据缓存单元15中的缓存数据，并估计各路缓存数据中的数字基带信号的例如噪声功率。

根据本申请的一个实施例，GNSS接收机处理器按设定时间间隔输出噪声估计指令，时间间隔的取值可以根据实际情况配置，例如可以设置为2ms、5ms、10ms等。在一个实施例中，当噪声估计模块162接收到噪声估计指令时，噪声估计模块162按照缓存数据在数据缓存单元15中的存储顺序逐个获取缓存数据。

根据一个实施例，GNSS接收机1还可以包括观测量提取单元17，配置为对导航信号进行截取，获得导航电文和观测值。

根据一个实施例， GNSS接收机1还可以包括解算单元18，配置为接收导航电文和观测值，利用多个导航数据进行定位解算。

图2所示为根据本申请的一个实施例的噪声估计模块的结构示意图。

根据一个实施例，噪声估计模块262包括配置存储器2621。配置存储器2621配置为至少存储与缓存数据中数字基带信号的数量和类型相对应的信号个数和信号类型，以及与数字基带信号的类型相对应的载波频率控制字、伪码频率控制字和伪码控制字。在一个实施例中，GNSS接收机能够处理的数字基带信号对应于全系统全频点的卫星信号，在配置存储器2621中存储多个与数字基带信号的类型相对应的载波频率控制字、伪码频率控制字和伪码控制字。信号配置存储器为每一个载波频率控制字、伪码频率控制字和伪码控制字分配相应的存储地址。

根据一个实施例，存储在配置存储器2621中的信号个数和信号类型，可以由用户通过接收机提供的交互功能配置。

在一个实施例中，数字基带信号采用的伪码包括标准伪码和非标伪码。标准伪码包括常见gold码等标准伪码；非标伪码包括BOC等特殊类型伪码。根据一个实施例，存储在配置存储器2621中的伪码控制字包括与标准伪码相对应的标准伪码控制字，或与非标伪码相对应的非标伪码控制字。标准伪码控制字包括伪码初相位和多项式。

根据一个实施例，噪声估计模块262包括时分复用控制子模块2623。时分复用控制子模块2623分别与数字缓存单元25以及配置存储器2621相耦合。时分复用控制子模块2623配置为接收噪声估计指令，按照顺序获取数据缓存单元25中的缓存数据的数字基带信号，并将数字基带信号向后续模块传输。

根据一个实施例，在噪声估计指令的控制下，时分复用控制子模块2623按顺序从配置存储器2621获取与缓存数据的数字基带信号的数量和类型相对应的信号个数和信号类型。

根据一个实施例，时分复用控制子模块2623基于从配置存储器2621获取到的信号类型向配置存储器2621发送控制指令，在控制指令的控制下配置存储器2621输出与数字基带信号的类型相应的载波频率控制字、伪码频率控制字、伪码控制字。

根据一个实施例，时分复用控制子模块2623从数据缓存单元25获取的缓存数据的数字基带信号的数量，与从配置存储器2621获取到的信号个数相对应。

根据一个实施例，时分复用控制子模块2623可以是即能够以同一链路的不同时段传输不同信号又能够实现控制功能的电路。

根据一个实施例，噪声估计模块262还可以包括载波混频子模块2625。载波混频子模块2625分别与时分复用控制子模块2623以及配置存储器2621耦合。载波混频子模块2625接收时分复用控制子模块2623传输的数字基带信号，以及配置存储器2621输出的载波频率控制字。依据接收到的载波频率控制字生成本地载波，载波混频子模块2625将接收到的数字基带信号与本地载波信号进行混频，实现将数字基带信号下变频为例如零中频信号。

根据一个实施例，配置存储器2621接收时分复用控制子模块2623输出的控制指令，在控制指令的控制下，将与数字基带信号的类型相对应的载波频率控制字输出至载波混频子模块2625。

根据一个实施例，载波混频子模块2625包括载波数控振荡器26251，以及正弦表26252和余弦表26253。载波数控振荡器26251以及正弦表26252和余弦表26253，配置为依据获取到的载波频率控制字产生相互正交的数字式正弦本地载波和数字式余弦本地载波。数字式正弦本地载波和数字式余弦本地载波统称为本地载波。

根据一个实施例，载波混频子模块2625包括混频器26254和混频器26255。混频器26254与正弦表26252相耦合；混频器26255和余弦表26253相耦合，同时，混频器26254和混频器26255还分别与时分复用控制子模块2623相耦合。混频器26254和混频器26255配置为将接收到的数字基带信号分别与数字正弦本地载波信号和数字余弦本地载波信号混频，将接收到的数字基带信号下变频为I支路和Q支路零中频信号并输出。I支路和Q支路零中频信号统称为零中频信号。

根据一个实施例，噪声估计模块262还包括伪码相关子模块2627。伪码相关子模块2627分别与载波混频子模块2625以及配置存储器2621相耦合，接收配置存储器2621输出的与数字基带信号的类型相对应的伪码频率控制字、伪码控制字和信号类型，以及接收载波混频子模块2625输出的零中频信号。伪码相关子模块2627配置为对零中频信号进行伪码相关运算，输出相应的相关值。

根据一个实施例，配置存储器2621在时分复用控制子模块2623输出的控制指令的控制下，将与数字基带信号的类型相对应的伪码频率控制字和伪码控制字输出至伪码相关子模块2627。当数字基带信号采用标准伪码时，配置存储器2621输出的伪码控制字为标准伪码控制字；当数字基带信号采用非标伪码时，配置存储器2621输出的伪码控制字为非标伪码控制字。

根据一个实施例，伪码相关子模块2627包括伪码数控振荡器26271。伪码数控振荡器26271耦合到配置存储器2621，配置为接收配置存储器2621输出的伪码频率控制字生成相应的数字频率信号。

在本申请的一个实施例中，伪码相关子模块2627还包括伪码发生器26272。伪码发生器26272分别与配置存储器2621以及伪码数控振荡器26271相耦合，接收配置存储器2621输出的标准伪码控制字中的伪码初相和多项式，以及接收伪码数控振荡器26271输出的数字频率信号。伪码发生器26272配置为基于接收到标准伪码控制字和数字频率信号生成标准伪码序列。

在另一个实施例中，伪码相关子模块2627还包括码缓存器26273。码缓存器26273耦合到配置存储器2621，配置为接收配置存储器2621输出的非标伪码控制字并基于非标伪码控制字生成二进制序列。

根据本申请的一个实施例，伪码相关子模块2627还包括非标伪码发生接口26274。非标伪码发生接口26274分别与伪码数控振荡器26271和码缓存器26273耦合，接收伪码数控振荡器26271输出的数字频率信号，以及接收码缓存器26273输出的二进制序列。非标伪码发生接口26274 配置为基于接收到的数字频率信号和二进制序列生成非标伪码序列。

根据本申请的一个实施例，伪码相关子模块2627还可以包括伪码选择器26275。伪码选择器26275与伪码发生器26272、非标伪码发生接口26274以及配置存储器2621相耦合。伪码选择器26275接收配置存储器2621输出的信号类型，接收伪码发生器26272输出的标准伪码序列，或者非标伪码发生接口26274输出的非标伪码序列。伪码选择器26275配置为基于信号类型选择与数字基带信号相对应的标准伪码序列或非标伪码序列。

根据一个实施例，伪码相关子模块2627还包括相关器26276和相关器26277。相关器26276和相关器26277分别与载波混频子模块2625以及伪码选择器26275相耦合。相关器26276和相关器26277接收伪码选择器26275输出的伪码序列，以及接收载波混频子模块2625输出的零中频信号。相关器26276和相关器26277配置为将接收到的零中频信号与接收到的伪码序列进行相关运算，输出数字基带信号的多个相关值。

根据一个实施例，当数字基带信号处理完成时，伪码相关子模块2627向积分运算子模块2629发送积分清除指令。

在一个实施例中，配置存储器2621接收时分复用控制子模块2623输出的控制指令，配置存储器2621向载波混频子模块2625输出载波频率控制字，同时，配置存储器2621向伪码相关子模块2627输出伪码频率控制字和伪码控制字。

通过在配置存储器中设置伪码频率控制字、标准伪码控制字和非标伪码控制字，噪声估计模块实现了对全系统全频点卫星信号的噪声估计。

根据一个实施例，噪声估计模块262还包括积分运算子模块2629。积分运算子模块2629耦合到伪码相关子模块2627，接收伪码相关子模块2627输出的数字基带信号的多个相关值以及积分清除指令。积分运算子模块2629配置为存储接收到的相关值，并在积分清除指令的控制下对数字基带信号的多个相关值进行计算。积分运算子模块2629将计算结果作为数字基带信号的噪声功率向后续模块输出。

根据一个实施例，噪声估计模块262还包括噪声功率存储器2628。噪声功率存储器2628耦合到积分运算子模块2629，配置为接收积分运算子模块2629输出的噪声功率并存储。当全部缓存数据处理完成时，噪声功率存储器2628向GNSS处理器发送噪声中断信号，等待GNSS处理器读取。

在本申请的一个实施例中，跟踪及噪声估计单元16仅包括一个噪声估计模块。

图3所示为根据本申请一个实施例的噪声估计方法的流程图。根据一个实施例，噪声估计方法由GNSS接收机执行。

在步骤1001，接收多个数字基带信号，并将数字基带信号按照固定的顺序存储生成相应的缓存数据，其中一路缓存数据包括一个或多个数字基带信号。

在步骤1002，接收噪声估计指令。

根据一个实施例，噪声估计模块接收GNSS接收机处理器按设定时间间隔发送的噪声估计指令。

在步骤1003，获取与缓存数据的数字基带信号的数量和类型相对应的信号个数和信号类型。

在步骤1004，按照顺序获取缓存数据中的数字基带信号。

根据一个实施例，按照顺序从缓存数据中获取与信号个数和信号类型相对应的数字基带信号。

在步骤1006，根据与数字基带信号的类型相对应的信号类型，获取与数字基带信号相对应的载波频率控制字、伪码控制字和伪码频率控制字。

在步骤1007，根据载波频率控制字生成相应的本地载波，利用本地载波对数字基带信号进行混频，将数字基带信号下变频为例如零中频信号并输出。

在步骤1008，根据伪码控制字和伪码频率控制字生成伪码序列，利用伪码序列与零中频信号进行相关运算，得到数字基带信号的多个相关值。

根据一个实施例，当数字基带信号采用的伪码为标准伪码时，获取标准伪码控制字和伪码频率控制字，利用标准伪码控制字和伪码频率控制字生成标准伪码序列。

根据一个实施例，当数字基带信号采用的伪码为非标伪码时，获取非标伪码控制字和伪码频率控制字，利用非标伪码控制字和伪码频率控制字生成非标伪码序列。

在步骤1012，基于数字基带信号的多个相关值计算数字基带信号的噪声功率，并存储数字基带信号的噪声功率。

在步骤1013，判断缓存数据中的数字基带信号是否全部处理完成。如果缓存数据中的数字基带信号全部处理完成，则执行步骤1015；否则，获取下一数字基带信号，则跳转至步骤1004。

在步骤1015，判断是否所有缓存数据全部处理完成。如果数据缓存单元中的缓存数据全部处理完成，则执行步骤1016；否则，获取下一路缓存数据，跳转至步骤1003。

在步骤1016，结束噪声估计操作，向GNSS处理器上报噪声中断信号，等待GNSS处理器读取。

GNSS接收机的跟踪通道模块需要对数字基带信号进行连续的实时的跟踪，而噪声估计模块不需要对数字基带信号进行连续不间断和实时的跟踪。因此，对不同的数字基带信号，噪声估计模块可以不同时进行噪声功率的计算；对于同种数字基带信号，噪声估计模块在完成一次噪声功率计算后可以不连续计算下一噪声功率值，从而降低了GNSS处理器响应噪声中断的负荷。

本申请提出的GNSS接收机，硬件电路采用时分复用的方式实现对全系统全频点卫星信号的噪声功率估计，解决了资源浪费的问题。同时，参与计算的信号来源于实际数字基带信号，进一步提高了计算的准确性。此外，通过GNSS接收机设置计算频度，实现了计算频度的灵活可控。

上述实施例仅供说明本申请之用，而并非是对本申请的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本申请范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本申请公开的范畴。