北斗導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

【摘要】北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國的GPS以及俄羅斯的GLONASS之后的第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號采用了二次編碼技術(shù)，限制了相干積分的時間，給北斗導(dǎo)航信號的捕獲帶來了挑戰(zhàn)，因此本文提出了基于4ms的遍歷并行碼相位搜索的衛(wèi)星捕獲算法，用來解決這個問題，提高衛(wèi)星捕獲的靈敏度，提高衛(wèi)星捕獲的性能。

【關(guān)鍵詞】北斗衛(wèi)星捕獲；4ms遍歷；并行碼相位搜索；FPGA

1.引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）和俄國的GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2012年12月27日，北斗導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式對亞太地區(qū)提供無源定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建立，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收機終端的研發(fā)也進入了關(guān)鍵階段，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機終端按照信號處理的流程來講，分為三個階段，第一階段是衛(wèi)星的捕獲，第二階段是衛(wèi)星的跟蹤，第三階段是定位結(jié)算[1]。本文研究的重點就是衛(wèi)星的捕獲階段，導(dǎo)航終端接收到的衛(wèi)星信號的能量必須要能夠保證進行PVT計算，如果當(dāng)信號被建筑物所阻擋，那么信號的強度將會受到嚴(yán)重的衰減，這也意味著對該信號進行捕獲也將更具挑戰(zhàn)性。因此，在上述嚴(yán)峻的條件下我們需要引入新的捕獲技術(shù)來增加衛(wèi)星捕獲的靈敏度。

北斗衛(wèi)星信號不僅僅調(diào)制了數(shù)據(jù)位，而且還調(diào)制了NH碼，NH碼是一種二級碼，周期為20ms，每1ms就有可能發(fā)生比特跳變，為了保證衛(wèi)星信號的捕獲性能，一種通用的方法是非相干積分算法[2]，該算法將1ms的擴頻結(jié)果進行平方，借此消除了比特跳變的影響，但是這種方法卻引入了平方損耗，而且經(jīng)過1ms相關(guān)解擴后的信噪比越低，引入的平方損耗就越大，因此無法應(yīng)用于弱衛(wèi)星信號的捕獲。有一些研究方向是采用差分的方法來減小平方損耗，但是對于調(diào)制了NH碼的北斗信號而言并不適用，還有一種方法就是延長相干積分時間，這也是最行之有效的方法。衛(wèi)星信號上的NH碼把相干積分時間限制在1ms，也限制了相干積分增益，進而限制了捕獲的靈敏度。因此我們的研究目標(biāo)是消除NH碼帶來的比特跳變的影響，避免引入平方損耗，提高捕獲靈敏度。

2.基于4ms的遍歷并行碼相位搜索算法

北斗衛(wèi)星信號上調(diào)制的NH碼：

[3]。

每個NH碼片的長度為1ms，周期為20ms，從NH碼中我們可以找到規(guī)律，即NH碼的前5個比特是相同的，如果用該段數(shù)據(jù)進行相干積分，那么就可以不采用非相干積分的算法，直接延長相干積分的時間，從而可以增大相干積分增益，提高北斗衛(wèi)星信號的捕獲靈敏度。因此在這個思路之下，我們設(shè)計了基于4ms的遍歷并行碼相位搜索算法，具體算法步驟如下：

A.取24ms的衛(wèi)星中頻信號；

B.取4ms數(shù)據(jù)進行一次粗混頻，得到基帶信號；

C.對基帶信號進行抽取，降速率至4.092 MHz；

D.對降速率的信號進行插值，將信號速率調(diào)整至4.096MHz；

E.本地產(chǎn)生載波，對數(shù)據(jù)進行二次精細(xì)混頻，在頻率域上進行搜索；

F.將二次混頻后的數(shù)據(jù)進行4點DFT，然后送入4096點FFT模塊進行FFT運算；

G.本地產(chǎn)生該顆北斗衛(wèi)星的PRN碼，預(yù)先作4096點FFT并取共軛，與衛(wèi)星信號FFT后的數(shù)據(jù)相乘；

H.將相乘后的結(jié)果作4096點IFFT取模，根據(jù)模值進行排序；

I.搜索完這個頻率，再轉(zhuǎn)到步驟E，搜索其他的頻率；

J.搜索完這個4ms數(shù)據(jù)的全部頻率，再將數(shù)據(jù)的起點往后移1ms，再取4ms的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)到步驟B.

K.重復(fù)20次的4ms數(shù)據(jù)搜索，就可以遍歷整個NH碼序列，因為取得是4ms的數(shù)據(jù)長度，無論起點的位置，遍歷之后4ms的數(shù)據(jù)都會落在5ms的相同符號的區(qū)域之內(nèi)，搜索完畢之后，將最大的模值結(jié)果取出進行判決，如果超過閾值，那么說明該顆衛(wèi)星存在并被捕獲到，如果沒有超過閾值，說明該顆衛(wèi)星沒有被捕獲到。

上述步驟可以用圖1所示的流程圖描述。

圖1 基于4ms遍歷并行碼相位算法流程圖

3.北斗導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計

北斗導(dǎo)航信號的捕獲算法的計算量大，而且實時性要求較高，這樣就需要使用硬件實現(xiàn)，加速計算，保證實時性的要求[4]。因此本文中的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)由Verilog語言在FPGA平臺上進行設(shè)計，作為協(xié)處理器通過AMBA總線掛載在ARM7核上，負(fù)責(zé)北斗衛(wèi)星信號的捕獲過程，各個功能模塊如圖2所示。

圖2 北斗導(dǎo)航信號捕獲系統(tǒng)功能模塊設(shè)計框圖

（1）ae_decimator模塊：混頻抽取模塊，將中頻輸入的衛(wèi)星信號混頻至基帶，然后抽取降速。

（2）cap_buffer和cap_wr_ctl模塊：控制數(shù)據(jù)存儲到dsp_ram中。

（3）CPU register模塊：用來和ARM7核進行數(shù)據(jù)的交互。

（4）CRAM模塊：用來暫存最終的捕獲結(jié)果以及從CPU register模塊接收來的捕獲控制信息。

（5）AE_CTL模塊：用來控制捕獲協(xié)處理器的算法流程。

（6）Interpolator模塊：用來對暫存到dsp_ram中的數(shù)據(jù)進行插值，將原速率為4.092MHz的數(shù)據(jù)插值成4.096MHz的數(shù)據(jù)，方便后面進行4096點的FFT操作。

（7）FFT/IFFT engine模塊：負(fù)責(zé)4096點的FFT/IFFT的計算

（8）Work_mem模塊：用于FFT/IFFT計算中中間結(jié)果的暫存。

（9）MEM_arbiter模塊：DSP_MEM的仲裁器。

（10）DSP_MEM模塊：用于存儲捕獲過程中的中間數(shù)據(jù)。

4.北斗導(dǎo)航信號捕獲協(xié)處理器系統(tǒng)測試

北斗導(dǎo)航信號捕獲協(xié)處理器是通過AMBA總線掛載在ARM7核上的，協(xié)處理器運行之前需要配置好捕獲的控制信息，包括需要捕獲的衛(wèi)星號，搜索頻率范圍，搜索的起始頻率等控制信息，這些信息是由配置軟件生成.mif文件，存儲在dsp_ram中，F(xiàn)PGA啟動后，ARM7核會從dsp_ram中讀取配置文件，將信息配置在捕獲模塊的寄存器中，啟動捕獲協(xié)處理器對北斗衛(wèi)星信號進行捕獲。

在搭建好的FPGA環(huán)境中進行測試，使用的數(shù)據(jù)是天線接收到的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號，強度在-130dB左右，事先用matlab實現(xiàn)的北斗導(dǎo)航軟件接收機進行捕獲，可以成功捕獲到1號衛(wèi)星，捕獲到的1號衛(wèi)星的頻率是4.09115MHz，再使用verilog實現(xiàn)的北斗導(dǎo)航信號捕獲協(xié)處理器對該段數(shù)據(jù)進行捕獲，配置軟件中的衛(wèi)星號設(shè)為1，一級混頻頻率設(shè)為4.092MHz搜索頻率范圍設(shè)定為10KHz，搜索步長設(shè)定為1KHz，結(jié)果如圖3所示，捕獲結(jié)果中發(fā)現(xiàn)o_peak處有明顯的峰值，根據(jù)載噪比的計算公式計算得到CN0為42.96dB·Hz，超過了閾值37.5dB·Hz，再查看捕獲到的頻率o_bin0=1，搜索的起始頻率為4.092MHz，因此硬件系統(tǒng)捕獲到的1號衛(wèi)星頻率為4.091MHz，與matlab捕獲到的1號衛(wèi)星的頻率相近，因此視作捕獲到1號衛(wèi)星。

圖3 北斗導(dǎo)航信號捕獲測試結(jié)果

5.總結(jié)

本文為了解決北斗衛(wèi)星信號中調(diào)制了NH碼所引入的比特跳變問題，提出了基于4ms的遍歷并行碼相位搜索的衛(wèi)星捕獲算法，提高了捕獲靈敏度和導(dǎo)航接收機的性能，并使用FPGA硬件成功實現(xiàn)了該算法，將捕獲模塊作為一個協(xié)處理器掛載在ARM7核上，通過實際的測試，成功驗證了該算法與實現(xiàn)的正確性。

參考文獻

[1]謝剛.GPS原理與接收機設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[2]易維勇，董緒榮，孟凡玉.GNSS單頻軟件接收機應(yīng)用與編程[M].國防工業(yè)出版社，2010.

[3]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件，2012.

[4]JAMES BAO-YEN TSUI.GPS軟件接收機基礎(chǔ)[M].電子工業(yè)出版社，2008.

作者簡介：林嵩（1989—），男，福建福州人，廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院通信工程系研究生在讀，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航接收機設(shè)計。