運(yùn)用TDMA的衛(wèi)星導(dǎo)航P碼直捕的實(shí)現(xiàn)?

農(nóng)曉東，黃智剛，耿生群，楊再秀

運(yùn)用TDMA的衛(wèi)星導(dǎo)航P碼直捕的實(shí)現(xiàn)?

農(nóng)曉東，黃智剛，耿生群，楊再秀

（北京航空航天大學(xué)電子信息工程系，北京100191）

針對衛(wèi)星導(dǎo)航P碼直捕運(yùn)算量大、消耗硬件資源大的問題，提出了一種基于TDMA思想的P碼直捕方法。該方法在匹配濾波器結(jié)合FFT方法的基礎(chǔ)上，以串并結(jié)合、分時(shí)處理的方式實(shí)現(xiàn)了碼域的搜索，以全并行的方式實(shí)現(xiàn)了頻域的搜索，且不需外掛SDRAM。詳細(xì)介紹了該方法的實(shí)現(xiàn)過程，并給出了仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分析表明，該方案能以較低的資源完成P碼的直接捕獲。

衛(wèi)星導(dǎo)航；時(shí)分多址；直接序列擴(kuò)頻；快速傅里葉變換；分段匹配濾波器；快速捕獲

1 引言

直接序列擴(kuò)頻信號的捕獲一直是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的研究重點(diǎn)。在衛(wèi)星接收機(jī)中，直接序列擴(kuò)頻信號分為長碼和短碼。就GPS而言，P碼（長碼）的速率為10.23 MHz，是CA碼（短碼）的10倍，且周期為一星期。因此直接捕獲P碼的時(shí)候，需要輔助信息。常見輔助方式為給定一定的時(shí)間冗余度，在冗余度的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)P碼的直接捕獲。

常用的捕獲方法有串行搜索方法和并行FFT方法。文獻(xiàn)［1］提出了FFT捕獲的研究算法，但是使用FFT捕獲必須先存儲AD信號之后才能進(jìn)行處理，而P碼碼率是CA碼的10倍，若用FFT捕獲方法，變換點(diǎn)數(shù)很大，基于目前的技術(shù)，很難完成長相干積分時(shí)間的計(jì)算。并且它是串行掃頻，這使得它難以適應(yīng)高動態(tài)的要求［2］。文獻(xiàn)［3］時(shí)頻和頻域同時(shí)并行搜索的方案，但是僅使用了32點(diǎn)FFT，頻域并行度較小，并且還使用了外掛的SDRAM。

本文首先介紹了匹配濾波器結(jié)合FFT捕獲方法的基本原理，然后針對P碼的特點(diǎn)，基于時(shí)分多址的思想，通過合理的分時(shí)處理，在不需要外掛SDRAM的情況下，完成了P碼的直接捕獲，有效地降低了資源。

2 分段匹配濾波器＋FFT方法

設(shè)接收到的信號經(jīng)過射頻前端處理和A／D轉(zhuǎn)換后，輸出中心頻率為fI的數(shù)字中頻信號，同時(shí)由于目標(biāo)與地面的相對運(yùn)動，信號頻率中存在多普勒頻率fd。暫不考慮數(shù)據(jù)位的影響，則在采樣時(shí)間tk＝k·Ts（Ts為采樣時(shí)間間隔）時(shí)刻，數(shù)字中頻信號s（k）為

式中，A為信號幅度，D（k）為調(diào)制的數(shù)據(jù)信息（討論偽碼捕獲時(shí)，此信號可先看作常量），PNP（tk－ts）為有一定時(shí)間偏移的偽碼，fI為中頻，fd為多普勒頻移，φ為載波初始相位。

s（k）與本地碼和載波通過匹配濾波器的過程可通過以下兩式來體現(xiàn)：

式中，N為相關(guān)時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，t′與fd′分別為時(shí)域內(nèi)和頻域內(nèi)的搜索范圍。

設(shè)數(shù)據(jù)是均勻采樣的，Ts＝tk＋1－tk（Ts為采樣時(shí)間間隔），則有tk＝k·Ts，ts＝n·Ts。將式（2）和式（3）重新寫為

式中，sk＝s（k），pk－n＝PNP［（k－n）Ts］，n＝0，1，2，…，N－1。

過濾掉載波后，得到：

不失一般性，頻率偏移對信號捕獲的影響遠(yuǎn)大于相位偏移的影響，因此，假定相位偏移為0。當(dāng)偽碼完全對齊的時(shí)候，skpk－n＝1。此時(shí)，匹配濾波器的輸出為（為方便討論，取絕對值，忽略常數(shù)項(xiàng)）

經(jīng)過計(jì)算，可得：

這是完全匹配濾波器的輸出［4］。

根據(jù)以上推導(dǎo)，把長度為N的數(shù)據(jù)分為X段，每段長度為M＝N／X，則有：

對ZMF（n）做A點(diǎn)FFT（X≤A，當(dāng)X小于A時(shí)，補(bǔ)（A－X）個(gè)0），可得：

結(jié)合式（5）～（8）可得：

由上式可以看出，當(dāng)多普勒f′在GXMF－FFT覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，GXMF－FFT有最大值；在其它位置，GXMF－FFT非常小，從而實(shí)現(xiàn)了碼－多普勒的二維搜索［5－6］。

3 捕獲方法的實(shí)現(xiàn)

3.1 總體實(shí)現(xiàn)框圖

方案框圖如圖1所示。XPMF1表示第一段匹配濾波器，依此類推。運(yùn)算完畢之后，會同時(shí)取中，對于匹配濾波器段數(shù)X，可根據(jù)具體要求來取。例如，若相干積分時(shí)間為4 ms，X＝64，顯然，多普勒覆蓋范圍是±8 kHz，掃頻精度為250 Hz。若相干積分時(shí)間為8 ms，X＝64，則多普勒覆蓋范圍是±4 kHz，掃頻精度為125 Hz。

3.2 分段匹配濾波器的結(jié)構(gòu)

由于計(jì)算P碼數(shù)據(jù)量比較大，如果采用直接實(shí)時(shí)處理，資源消耗極大，不能滿足設(shè)計(jì)的要求。在這里，采用這樣的設(shè)計(jì)：把每段匹配濾波器看成是一個(gè)主移位寄存器，在每一個(gè)主移位寄存器里面，串聯(lián)多個(gè)子移位寄存器，每N個(gè)子移位寄存器為一組，不斷地循環(huán)，與本地偽碼累加。當(dāng)本段匹配濾波器的累加完成以后，將新進(jìn)來一個(gè)信號數(shù)據(jù)，同時(shí)送一個(gè)信號到下一段匹配濾波器，再次開始以上的處理過程。這樣的處理會產(chǎn)生信號堆積，但可以用分時(shí)的方法來處理。具體的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

3.3 時(shí)分多址的碼相位搜索方案

若使用FFT直捕，在冗余度為±Ns、多普勒范圍為±5 kHz、掃頻精度為125 Hz時(shí)，一顆星的單次檢測時(shí)間為2×N×10×8。當(dāng)N＝1時(shí)，需要160 s才能完成一顆星的捕獲，所需的時(shí)間太長，不適用于高動態(tài)情況下。而基于時(shí)分多址的碼相位搜索方案，既能并行搜索多普勒，又能減少硬件資源消耗。

以下是基于時(shí)分多址的碼相位搜索方案。

對碼相位的搜索如圖2所示。借鑒時(shí)分多址思想（N為處理時(shí)隙，M為跨越時(shí)隙），采用串并結(jié)合的方法，大范圍內(nèi)為串行搜索，小范圍內(nèi)為并行搜索。具體過程如下：

首先對前N個(gè)碼相位進(jìn)行搜索，當(dāng)這些碼相位全部搜索完之后，同時(shí)，也進(jìn)來了M個(gè)碼相位（在時(shí)鐘不能太高、硬件資源有限的情況下，M必然大于N）。之后，當(dāng)再次進(jìn)行相位搜索時(shí)，不是在第N＋1個(gè)相位開始，而是在第N＋M＋1個(gè)相位開始。在a秒里面的碼內(nèi)，每次都這樣操作，即對a秒內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)分處理，每段時(shí)間處理一部分，其余時(shí)間，可視為空操作。通過這樣的處理，就可以避免使用外掛的SDRAM。

第一個(gè)a秒搜完之后，若是沒有搜到，那么，第二個(gè)a秒的碼進(jìn)來的時(shí)候，從第N＋1個(gè)碼開始進(jìn)行搜索（認(rèn)為之前的N個(gè)相位在前一次已經(jīng)搜索完畢，沒有捕獲上，此處沒有考慮碼相位的多普勒頻偏），之后的搜索重復(fù)以上第一個(gè)a秒的搜索過程?？偣残枰乃阉鲿r(shí)間為：a×（N＋M＋1）／N，a的值與系統(tǒng)的捕獲冗余度有關(guān)，視具體系統(tǒng)而定。

4 性能分析

如圖3所示，在信噪比為－32 dB，4 ms的相干積分條件下，在碼相位和載波多普勒對應(yīng)位置所輸出的相關(guān)峰明顯，表明此方法可以實(shí)現(xiàn)所需功能。

此方法在一片Xilinx－V5－LX220的芯片上實(shí)現(xiàn)了捕獲功能，表1是資源分配圖。在124 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下，進(jìn)行了4 ms的相干積分，掃頻精度250 Hz，搜索多普勒范圍為±16 kHz，碼相位精確度為0.25個(gè)碼片。

5 結(jié)語

本文分析了衛(wèi)星導(dǎo)航P碼捕獲中匹配濾波器與FFT捕獲方法的原理，并在此基礎(chǔ)上，針對P碼碼速率高、碼周期長的特點(diǎn)，引入時(shí)分多址思想，通過合理的分時(shí)處理，系統(tǒng)在不需要外掛SDRAM的情況下，在一塊FPGA上實(shí)現(xiàn)了此方法，消耗了約660萬門邏輯門。針對高動態(tài)環(huán)境，對多普勒頻率的搜索采用并行搜索方式，極大提高了接收機(jī)對多普勒的敏感度。在測試中，正常情況下，系統(tǒng)在15 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對P碼的捕獲。然而，在接收信號信噪比很小的情況下，極有可能無法捕獲到信號。如何在高動態(tài)、低信噪比情況下能以較大的概率捕獲到信號，是下一步研究工作的重點(diǎn)。

［1］華濤，丁陽，石玉.基于FFT偽碼快速捕獲方法及其性能分析［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（23）：42－44.

HUA Tao，DING Yang，SHI Yu.FFT－based PN Code Fast Acquisition Method and Its Performance Analysis［J］.Modern Electronics Technique，2007，30（23）：42－44.（in Chinese）

［2］任亞安，王鵬，許衛(wèi)東.GPS中P（Y）碼直接捕獲技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.全球定位系統(tǒng)，2003，28（2）：2－9.

REN Ya－an，WANG Peng，XU Wei－dong.Research development of the technique of direct P（Y）－code acquisition in GPS［J］.GNSS World of China，2003，28（2）：2－9.（in Chinese）

［3］John B，Capozza F.System for direct acquisition of received signals：USA，US2004／0071200A1［P］.2004.

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XIE Gang.GPS Principle and Receiver Design［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2009.（in Chinese）

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NONG Xiao－dong was born in Pingnan，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1984.He received the B.S.degree from Hunan University in 2008.He is now a graduate student at Beijing University of Aeronautics and Astronautics.His research direction is satellite navigation.

Email：xiaodong.nong＠163.com

黃智剛（1962－），男，河北邢臺人，2002年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ?、衛(wèi)星導(dǎo)航；

HUANG Zhi－gang was born in Xingtai，Hebei Province，in 1962.He received the Ph.D.degree in 2002.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor of Beijing University of Aeronautics and Astronautics.His research interests include communication and satellite navigation.

耿生群（1973－），男，河南洛陽人，2005年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室教師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航；

GENG Sheng－qun was born in Luoyang，Henan Province，in 1973.He received the Ph.D.degree in 2005.He is now an instructor of Laboratory of Beijing University of Aeronautics and Astronautics.His research direction is satellite navigation.

楊再秀（1981－），男，河北石家莊人，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)博士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘栿w制。

YANG Zai－xiu was born in Shijiazhuang，Hebei Province，in 1981.He is currently working toward the Ph.D.degree at Beijing University of Aeronautics and Astronautics.His research direction is signal system.

Realization of Satellite Navigation P Code
Direct Acquisition Based on TDMA

NONG Xiao-dong，HUANG Zhi-gang，GENG Sheng-qun，YANG Zai-xiu
（School of Electronic and Information Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

To solve the problem of large resource consume of satellite navigation P code direct acquisition，a method based on TDMA and partial matched filter bank with Fast Fourier Transform（FFT）is presented.The method combines parallel and serial search in code domain，and complete parallel search in frequency domain. Besides，the method doesn′t need SDRAM.Theory of the method of partial matched filter bank with Fast Fourier Transform（FFT）is deduced，and the simulation is implemented.The analysis result indicates that the method can reduce the resource consume to fulfill the direct P code acquisition.

satellite navigation；TDMA；DSSS；FFT；partial matched filter；quick acquisition

TN96

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2011.02.010

農(nóng)曉東（1984－），男，廣西平南人，2008年于湖南大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為北京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航；

1001－893X（2011）02－0052－04

2010－09－18；

2010－11－18