GNSS接收機長碼快速直捕技術(shù)研究與實現(xiàn)

趙 勝，劉琳琳，劉 洋，段召亮，魏 亮

(1.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北石家莊 050081;2.禁核試北京國家數(shù)據(jù)中心和放射性核素實驗室，北京 100085;3.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050041)

0 引言

導(dǎo)航接收機系統(tǒng)中長碼的捕獲通常利用短碼來完成，但在高性能導(dǎo)航接收機中都需要對長碼進行直接捕獲。長碼與短碼比較，具有更高的測量精度和抗干擾性，但是由于其長周期性，直接捕獲具有一定的難度［1］。

長期以來，長碼直捕方法一直是國內(nèi)外研究熱點和難點，從而國內(nèi)外眾多學(xué)者提出了很多長碼直捕方法，例如大規(guī)模并行相關(guān)器法、循環(huán)相關(guān)法［2，3］、均值法及其改進算法［4］、XFAST 算法［5，6］和匹配濾波器算法［7，8］。通過比較多種直捕算法，主要分析了基于FFT的循環(huán)相關(guān)算法和多段匹配濾波器+FFT算法，前者同時采用補償平均法、直接平均法、相干累加和非相干累加技術(shù)提高捕獲性能。2種算法均在基于陣列天線的GNSS接收機平臺上進行工程實現(xiàn)和試驗驗證。

1 長碼直捕算法研究

1.1 算法硬件平臺

基于陣列天線的GNSS接收機平臺如圖1所示，陣列天線采用7陣元圓陣，通過自適應(yīng)波束合成［9，10］，使信號電平提高8 dB左右，之后進行數(shù)字下變頻到基帶，將基帶信號送給信號處理單元。在信號處理單元中，主要對基于FFT的循環(huán)相關(guān)算法和多段匹配濾波器+FFT算法進行工程實現(xiàn)和試驗驗證。

信號和指標(biāo)要求如下:偽碼速率為10.23 MHz;多普勒范圍為:－8～8 kHz;捕獲碼相位模糊度為:±1 s。

圖1 基于陣列天線的GNSS接收機平臺架構(gòu)

1.2 基于FFT的循環(huán)相關(guān)算法

1.2.1 算法與性能

基于FFT的循環(huán)相關(guān)算法是一種經(jīng)典的P碼直捕算法，在時域完成并行碼相位搜索，同時通過不同的Doppler補償在頻域完成串行多普勒頻率搜索。為了增加碼的捕獲范圍和提高搜索效率，對Doppler補償后的基帶數(shù)據(jù)采用補償平均法［2］，對偽碼采用直接平均法，對循環(huán)相關(guān)結(jié)果采用相干累加和非相干累加技術(shù)。該方法具有捕獲速度快、實現(xiàn)方式簡單等優(yōu)點，配合大容量存儲器緩存數(shù)據(jù)FFT結(jié)果和偽碼FFT結(jié)果，可以實現(xiàn)對捕獲中間結(jié)果的復(fù)用，進一步提高捕獲速度。

1.2.2 算法實現(xiàn)與流程

基于FFT的循環(huán)相關(guān)算法的長碼直捕模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個長碼直捕的過程可以分為以下幾個步驟:

①對基帶數(shù)據(jù)進行補償平均;

②對補償平均后的數(shù)據(jù)進行16384點FFT運算，并將結(jié)果存儲到外部數(shù)據(jù)FFT存儲單元中;

③數(shù)據(jù)FFT完成后，長碼生成模塊依據(jù)捕獲策略指定的時間信息產(chǎn)生一段本地長碼，對其進行直接平均運算;

④對直接平均后的偽碼取8192點，剩下8192點補零，然后做16384點FFT運算，并將結(jié)果存儲到外部偽碼FFT存儲單元中;

⑤從數(shù)據(jù)FFT存儲單元取16384點數(shù)據(jù)，根據(jù)多普勒設(shè)置進行頻域循環(huán)移位;

⑥從偽碼FFT存儲單元中讀取16384點數(shù)據(jù);

⑦對步驟⑤和步驟⑥的2組數(shù)據(jù)進行共軛相乘運算，同時將運算結(jié)果送入IFFT模塊，完成一段數(shù)據(jù)的循環(huán)相關(guān)運算，前8192點IFFT結(jié)果是可用的，后8192點舍棄;

⑧在一個數(shù)據(jù)位的長度范圍內(nèi)，對多次循環(huán)相關(guān)運算結(jié)果進行M次相干累加;

⑨在相干累加的基礎(chǔ)上進行模平方運算，對多個數(shù)據(jù)位進行N次非相干累加，尋找峰值，并記錄其位置及其他相關(guān)信息，完成多普勒頻率的一次偽碼相位搜索。

⑩通過頻域移位設(shè)置改變多普勒頻率，重復(fù)步驟⑤～步驟⑨，直到搜索完所有多普勒頻率，完成一組數(shù)據(jù)的時域和頻域搜索;

?改變數(shù)據(jù)FFT存儲單元的地址，重復(fù)步驟⑤～步驟⑩，直到所有數(shù)據(jù)的時域和頻域搜索完成;

?對搜索到的峰值進行門限判決，超過門限則捕獲成功，否則重新捕獲或者退出捕獲。

圖2 基于FFT的循環(huán)相關(guān)算法

1.3 多段匹配濾波器+FFT算法

1.3.1 算法與性能

多段匹配濾波器由多個部分匹配濾波器(Partial Matched Filter，PMF)組成，對輸入基帶數(shù)據(jù)進行偽碼解擴處理。匹配濾波器實際上就是一個常系數(shù)的FIR濾波器，輸入為x(n)，抽頭系數(shù)為h(n)，濾波器的輸出為:

濾波器系數(shù)是PN序列的逆序列，所以濾波器輸出實際上就是基帶數(shù)據(jù)與本地偽碼序列的相關(guān)值。將各段匹配濾波器的相關(guān)結(jié)果送入FFT運算單元，進行Doppler頻偏估計。

匹配濾波法的顯著優(yōu)點是速度快、捕獲時間短、容易實現(xiàn)快速捕獲;缺點是所耗費的FPGA資源較大。

1.3.2 算法實現(xiàn)與流程

匹配濾波器通常用并行方式和倒置型實現(xiàn)，采用倒置型匹配濾波器，如圖3所示。

圖3 倒置型匹配濾波器

輸入基帶數(shù)據(jù)同時到達濾波器的每個抽頭，與抽頭系數(shù)分別相乘，加法鏈上的每一個加法器將抽頭乘法器乘積與上級運算結(jié)果相加得到新的結(jié)果，此結(jié)果一級一級往后傳送并逐一相加，最終得到一個輸出結(jié)果。濾波器抽頭系數(shù)為本地偽碼采樣(0或1)，故可以用異或代替乘法，簡化電路。

如圖4所示，根據(jù)需求將1 ms數(shù)據(jù)長度的全匹配濾波器分為M個部分匹配濾波器，其中M=64，每個部分匹配濾波器長度為N;然后，對64個PMF輸出補192個零后做256點FFT運算;最后，搜索FFT模平方后的數(shù)據(jù)，檢測峰值，輸出峰值的偽碼相位信息和Doppler頻偏信息。

圖4 多段匹配濾波器+FFT算法

多段匹配濾波器+FFT算法的工作流程如下:

①將PN序列的逆序列按照10 MHz采樣，輸入多段匹配濾波器，初始化各個PMF濾波器的抽頭系數(shù);

②對基帶數(shù)據(jù)進行抽取濾波，將采樣率降到10 MHz;

③將降采樣后的數(shù)據(jù)送到多段匹配濾波器進行匹配濾波;

④ M×N個時鐘周期后，開始輸出匹配濾波結(jié)果;

⑤將64個PMF結(jié)果送給 FFT運算單元進行計算;

⑥對FFT結(jié)果進行模平方運算，搜索峰值;

⑦重復(fù)步驟⑤和步驟⑥，直到搜索完±1 s時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，輸出峰值的偽碼相位信息和Doppler頻偏信息。

2 工程應(yīng)用與試驗

在基于陣列天線的GNSS接收機研制過程中，采用圖1中的接收機平臺。平臺上使用2個Altera Stratix II FPGA芯片，其中一個用來進行自適應(yīng)波束合成，合成后的信號送給另一個FPGA，然后對上文中的基于FFT的循環(huán)相關(guān)算法和多段匹配濾波器+FFT算法進行工程實現(xiàn)和試驗驗證。

試驗時，使用導(dǎo)航信號源發(fā)射無線衛(wèi)星信號。設(shè)置衛(wèi)星的動態(tài)參數(shù)及信號強度，關(guān)閉短碼信號，只發(fā)射長碼信號;設(shè)置導(dǎo)航信號源的時頻源與接收機時頻源的時間偏差(±1 s);在此環(huán)境下，測試接收機的捕獲性能。

根據(jù)實際的多次測試結(jié)果，從FPGA資源的使用情況和算法的捕獲性能2個方面對2種算法進行綜合評估和比較，具體結(jié)果如表1所示。

表1 算法試驗結(jié)果比較

從表1可分析出，基于FFT的循環(huán)相關(guān)算法比多段匹配濾波器+FFT算法使用的邏輯資源較少，但使用了大量的片內(nèi)和片外RAM;前者捕獲時間約為后者的4倍，但多普勒精度相對較高;從捕獲信號的靈敏度來看，二者性能均差不多。

3 結(jié)束語

對基于FFT的循環(huán)相關(guān)算法和多段匹配濾波器+FFT算法進行了研究和實現(xiàn)，2種算法相比較各有優(yōu)缺點，均提供了良好的直捕效果。二者對比，前者捕獲時間稍長、精度高、資源使用少;后者捕獲時間短、精度稍差、資源使用較多。無論哪種直捕算法，都應(yīng)具有較短的捕獲時間，良好的可靠性、實時性和易實現(xiàn)性。在實際工程運用中，應(yīng)根據(jù)實際的資源情況和捕獲性能要求，選擇合理的直捕算法及相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。 ■

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