伍蔡倫，孫一雄

(河北省衛(wèi)星導航技術與裝備工程技術研究中心，河北 石家莊 050081)

GNSS兼容型快速捕獲模塊設計

伍蔡倫，孫一雄

(河北省衛(wèi)星導航技術與裝備工程技術研究中心，河北 石家莊 050081)

摘要衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號格式日益多樣化，在高精度測量型接收機中幾乎要接收和處理所有衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號，因此實現(xiàn)兼容性極強且高效的捕獲模塊非常有必要。為了解決多系統(tǒng)多頻點的兼容型捕獲問題，同時考慮到捕獲速度和資源限制，在原基礎上提出了一種新的捕獲模塊設計方案，解決了兼容性問題并大幅度提升了捕獲速度。根據(jù)算法模型完成了仿真實現(xiàn)，并在高精度測量型接收機板卡上進行了實際驗證，滿足捕獲當前所有衛(wèi)星導航信號的要求，同時還可以兼容捕獲未來的北斗全球系統(tǒng)信號。

關鍵詞衛(wèi)星導航；捕獲算法；兼容性；模塊設計

Design on Compatible Fast Acquisition Module for GNSS

WU Cai-lun,SUN Yi-xiong

(HebeiSatelliteNavigationTechnologyandEquipmentEngineeringTechnologyCenter,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractWith the development of multi-mode satellite navigation signals,it is necessary to design a kind of acquisition module with extreme compatibility because almost all of current satellite navigation signals need to be received especially in the receivers for high-accuracy measurement.In order to solve the problem of multi-mode compatibility for acquisition,in view of acquisition speed and resource limitation,this paper proposes a new method acquisition algorithm based on traditional acquisition module.This method resolves the compatibility problem and improves acquisition speed.The simulation results show that this method can be used in high-accuracy receiver,and satisfy all acquisition requirements of current satellite navigation signals and BDS global signals in the future.

Key wordssatellite navigation;acquisition algorithm;compatibility;module design

0引言

隨著科技不斷發(fā)展，北斗產(chǎn)業(yè)不斷壯大，衛(wèi)星導航技術在現(xiàn)代社會中得到了越來越多的應用。利用衛(wèi)星導航信號實現(xiàn)定位，首要任務就是實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的捕獲。捕獲是要檢測出空間中所存在的導航衛(wèi)星信號,實現(xiàn)對該信號偽碼相位和載波多普勒的粗同步。捕獲衛(wèi)星信號的過程實際是一個頻率和碼相位的二維搜索過程，要求能較為準確地估計出信號的偽碼相位和載波多普勒，如果估計偏差過大則會導致接收機無法完成正常跟蹤。接收機的各種應用需求也對捕獲完成的時間長短和資源占用提出了要求。多頻多模衛(wèi)星導航技術逐漸興起，傳統(tǒng)的單一頻點捕獲模塊已經(jīng)不適用于現(xiàn)代接收機。本文提出了一種新的并行捕獲模塊設計方法，以較小的復雜度和資源占用實現(xiàn)了對導航信號的快速捕獲，同時也保證了捕獲靈敏度和對多種衛(wèi)星信號捕獲的兼容性。

1捕獲原理及傳統(tǒng)實現(xiàn)方式

由于衛(wèi)星與用戶接收機在二者連線方向上的相對運動所引起的多普勒效應，接收機實際接收到的衛(wèi)星載波信號的中心頻率一般不再等于發(fā)射信號的標稱頻率，二者之間存在一個載波多普勒頻率差值，這就需要接收機在載波頻率一維內(nèi)對衛(wèi)星信號進行搜索。由于衛(wèi)星到接收機的距離時刻在發(fā)生變化，加上接收機時鐘相對于系統(tǒng)時間偏差又不固定，因而接收信號的C/A碼相位值也在時刻發(fā)生改變，這就需要接收機在C/A碼相位一維內(nèi)對信號進行搜索。因此，為了完成對衛(wèi)星導航信號的捕獲，接收機就需要實現(xiàn)對載波多普勒頻率以及偽碼相位的二維搜索[1-3]。

捕獲的目的是確定接收機當前位置的可見衛(wèi)星的多普勒頻率和C/A碼相位值。捕獲的實質(zhì)是進行二維搜索[4]，碼相位通常以半碼片的增量進行搜索，每個碼相位搜索增量對應一個碼分格；同理多普勒頻移通常以幾百赫茲的增量進行搜索，每個多普勒頻移的增量對應一個多普勒頻格。捕獲模塊通常以一定的搜索策略沿著一個方向?qū)φ麄€搜索空間進行搜索。當輸入信號和本地復制信號匹配時，就能得到一個相關峰。如果相關峰超過信號捕獲門限值，那么就能判斷衛(wèi)星信號存在，也就實現(xiàn)了整個捕獲過程。

傳統(tǒng)接收機的捕獲結構如圖1所示，其中傳統(tǒng)捕獲模塊的實現(xiàn)方法一般有串行捕獲方法和并行頻率域捕獲方法[5]。

圖1　傳統(tǒng)接收機捕獲結構

串行捕獲算法是最為通用的一種捕獲算法。捕獲算法基于本地生成的C/A碼及載波頻率信號同衛(wèi)星信號相乘，本地碼序列有確定的碼相位，一般以半碼片作為一個搜索頻格，而載波頻率以500 Hz為一個搜索頻格。對于確定的碼相位和載波頻率，本地載波發(fā)生器產(chǎn)生正交I/Q兩路載波信號，2路載波信號同時與輸入的采樣信號進行乘積運算，然后與本地偽碼序列進行相關累積運算，然后對2路累計值進行平方和運算，這樣就可以得到1個搜索頻格內(nèi)的相關值，依次串行搜索完所有頻格，得到一個最大值，如果超過預設門限則證明捕獲到了衛(wèi)星信號[6,7]。

串行捕獲實現(xiàn)簡單，但消耗的時間較長，以GPS為例，多普勒搜索范圍為正負10 kHz，則搜索次數(shù)為:

(1)

可見串行捕獲搜索次數(shù)太多，不適用于實際接收機?，F(xiàn)在一般采用并行頻率域搜索的方法，數(shù)字中頻信號首先同接收機內(nèi)部復制的載波進行混頻，再與本地偽碼序列進行相關累積運算，得到時域的相關累積結果I和Q。然后將相關結果I+jQ經(jīng)過傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻率域信號，這反映了相關結果中各個頻率分量的強度，從而只需要一次搜索就完成了頻率域所有頻格的搜索過程，則搜索次數(shù)為：

(2)

可見并行頻率域搜索大大減少了搜索次數(shù)，縮短了捕獲時間，然而FFT計算的要通過引入IP核實現(xiàn)，這需要耗費較多的資源[8,9]。

更進一步的方法就是頻率并行保留，在碼相位搜索的過程中同樣引入局部并行。比如并行搜索100個碼相位，那么完成1 023個碼相位和正負10 k的頻率搜索，只需要21次就可以完成[10]。

以上方法都是采用滑動輸入信號的方式來進行，通過不斷滑動本地偽碼發(fā)生器，直到捕獲成功，本地偽碼逐步實現(xiàn)對輸入信號的初同步。同時捕獲時間還受限于實時性，為了完成捕獲，需要實時收集衛(wèi)星信號，以確保本地產(chǎn)生偽碼能夠?qū)R輸入信號。在每一次的搜索過程中，都要花費大量的時間重新對衛(wèi)星信號進行實時收集，這樣導致捕獲時間無法有本質(zhì)的提升。

2兼容性捕獲方案

針對以上幾種捕獲方式的不足，采用一種新的非實時性的并行捕獲方案，首先花費一段時間進行信號采集，然后針對采集信號進行捕獲處理，得到捕獲結果，期間僅需要對實際信號進行一次采集。這樣既保證了能快速捕獲信號，也保證了資源的較小消耗，同時可以做到多系統(tǒng)兼容的模塊化設計，為了簡化描述，以下捕獲方案以GPS的L1為例進行說明。

首先接收機將進入接收機捕獲模塊的中頻數(shù)字信號存入RAM，采取2塊RAM做乒乓的結構，這樣保證了接收機的信號處理速度。

然后1 ms數(shù)據(jù)按照32段進行短積分，積分后的相關值進行載波補償，以500 Hz為一個搜索格，正負10 k的頻率就需要41個頻格，這樣就需要預先設計40*32的本地載波表以及本地碼表。

按照偽碼相位的搜索順序進行相干積分操作，對于每一個當前搜索的半碼片偽碼相位，接收機先從存滿衛(wèi)星數(shù)據(jù)的RAM中取出長度為16的衛(wèi)星數(shù)據(jù)Rp(k)，同時從存滿偽碼序列的RAM中取出本地偽碼序列dp(k)的前16個半碼片做相關累加，計算方法如下：

(3)

Ncoh1為本次相關累加的長度，這里第一階段長度大小選為16。這樣就得到了一個相關累加過后的累加值Rp，然后相應地控制讀取衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地址寄存器和控制讀取偽碼序列的地址寄存器分別加1，開始進行下一段的相關累加操作。依次計算4段數(shù)據(jù)的相關累加并求和，得到的第2階段的相關累加累加值Mp，

(4)

Ncoh2為第2階段做相關累加的長度，在這里大小選為4。將所求得的第2階段相關累加和存儲到寄存器中，繼續(xù)移動控制讀取衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地址寄存器和控制讀取偽碼序列的地址寄存器，依此類推求出總共32組相關累加和，這樣1 ms衛(wèi)星數(shù)據(jù)就計算完成。將所求得的32個相干累加和與40×32的本地載波補償表進行乘法運算，這樣就得到了一個碼相位下的頻率域搜索值，完成了對多普勒的并行捕獲。然后進行非相干積分累加：

(5)

最后判斷非相干積分結果有沒有越過捕獲門限。如果有則說明捕獲到了衛(wèi)星信號，即得到了當前衛(wèi)星的多普勒頻率和偽碼相位的初步估計值。同時采用了通用化設計，同一個捕獲模塊可以用于捕獲多種衛(wèi)星信號，只需修改碼相位長度。

同傳統(tǒng)方法相比，本文的捕獲模塊設計方案在捕獲時間，捕獲靈敏度以及資源占用方面都有著較大改進。該捕獲方案針對不同的衛(wèi)星導航信號的碼長和搜索最小間隔也可進行靈活設置，所以除了兼容傳統(tǒng)的導航信號以外，還可兼容未來的B1C/B2A/B2B/B3C等北斗全球信號。

捕獲時間方面，串行捕獲要搜索83 886個頻格，不考慮非相干累加次數(shù)，以一個搜索頻格占用1 ms時間計算，則需要83.886 s才能完成整個捕獲?，F(xiàn)在采用的并行頻率搜索，一次FFT可以完成整個頻率域的搜索，同時在碼相位域做100組并行搜索，因而用0.21 s時間完成捕獲。而本文的設計方案采取存儲數(shù)據(jù)后處理的方式，僅用0.020 s就可以完成二維搜索，相比較傳統(tǒng)方法大大提升了捕獲速度。

占用資源方面，串行捕獲實現(xiàn)最為簡單，同樣所需要的資源也是最少的，但是由于捕獲時間過長，不適用于實際接收機中。FFT方法實現(xiàn)起來較為復雜，占用資源也相對較多。而本文的捕獲模塊設計方案相比較傳統(tǒng)方法減少了FFT核并提升了捕獲速度，這樣減少了對資源的占用，同時增加了本文方案的實用性。

3仿真及實測結果

為了驗證上述捕獲方案的可行性，這里利用MATLAB進行了仿真，設置信號功率為-130 dBm，多普勒為-2 200 Hz，捕獲GPS L1信號結果如圖2所示。

圖2　捕獲模塊結果

從圖2可以看出，捕獲模塊輸出有很高的相關峰，得到多普勒頻率值為-2.25 kHz，碼相位為1 448，說明成功捕獲到了信號。

為了進一步測試捕獲模塊性能，針對不同的信號電平值，接收機的并行捕獲模塊的捕獲靈敏度測試結果如圖3所示。

圖3　不同信號的捕獲模塊捕獲靈敏度

由圖3可以看出，捕獲模塊可以實現(xiàn)對GPS信號以及BDS區(qū)域信號的捕獲，同時對BDS全球信號B1C，B3C等信號均可完成捕獲，對-130 dBm以上的信號有著較高的捕獲概率。

在FPGA中對捕獲模塊進行了實現(xiàn)，編譯報告如圖4所示。

圖4　FPGA資源占用結果

由圖4可以看出，整個模塊邏輯資源占用率不到40%，相比上面的方法減少了近一半，而存貯單元稍微有所增加，這是因為會將偽碼序列和載波表直接寫到RAM中，稍微增加了存貯單元占用，不過這保證非實時捕獲的進行，實現(xiàn)了捕獲速度的提升。

4結束語

采用預存數(shù)據(jù)進行捕獲，捕獲過程采用了比實時采樣時鐘更高節(jié)拍的工作時鐘，使捕獲速度更快。不僅能夠?qū)PS和BDS區(qū)域信號進行捕獲，還可以對BDS的全球信號B1C/B2A/B2B/B3C進行捕獲，也能夠擴展捕獲GLONASS和Galileo衛(wèi)星信號，兼容性強。本捕獲模塊是針對預存數(shù)據(jù)的捕獲，只需要在轉(zhuǎn)跟蹤時加入很小的一組并行相關器即可切換到正常牽引和跟蹤模式，且二者為并行操作，不影響捕獲時間。經(jīng)過仿真和實時實現(xiàn)，確定該模塊可以在高精度接收機中實現(xiàn)，實現(xiàn)目前所有衛(wèi)星導航信號的捕獲，為多模多頻高精度接收機的開發(fā)打下了很好的基礎。

參考文獻

[1]謝剛.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2]KAPLAN D,HEGARTY C.Understanding GPS Principles and Applications[M].寇艷紅,譯.北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[3]丁仁天.GPS雙頻捕獲技術研究[D].杭州：浙江大學碩士學位論文，2008：25-26.

[4]馬英昌，謝松.GPS L5接收機的設計與實現(xiàn)[J].無線電通信技術，2013,39(6)：94-96.

[5]門蘭寧.北斗接收機關鍵技術研究[D].西安:西安電子科技大學碩士學位論文,2012.

[6]秦明峰,王興剛,張國強.基于MATLAB集成環(huán)境的GPS接收機設計[J].無線電工程,2009,39(2):61-64.

[7]趙婉璐.BDS接收機捕獲和跟蹤方法的研究[D].南京:南京理工大學碩士學位論文,2014.

[8]陸永彩.多模衛(wèi)星導航捕獲技術研究[D].成都:電子科技大學碩士學位論文,2011.

[9]宋銳.FFT與串行相關相結合的GPS捕獲方法及FPGA實現(xiàn)[D].大連:大連理工大學碩士學位論文,2013.

[10]溫聊梅.GPS接收機基帶信號處理技術研究[D].南京:南京理工大學碩士學位論文,2012.

伍蔡倫男，(1981—)，工程師，博士。主要研究方向：高精度測量接收機技術。

孫一雄男，(1990—)，助理工程師，碩士。主要研究方向：高精度測量接收機技術。

作者簡介

基金項目：國家高新技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)資助項目(2012AA12A206)。

收稿日期：2015-05-22

中圖分類號TP391.4

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)08-0091-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.25

引用格式：伍蔡倫，孫一雄.GNSS兼容型快速捕獲模塊設計[J].無線電工程，2015，45(8)：91-93，98.