一種基于GPS C/A碼引導(dǎo)的P碼捕獲方法

劉憲陽(yáng)，崔鶴，郝云霞

（1.航天恒星科技有限公司，北京　102209；2.航天恒星科技有限公司，天津　300450）

一種基于GPS C/A碼引導(dǎo)的P碼捕獲方法

劉憲陽(yáng)1，崔鶴2，郝云霞2

（1.航天恒星科技有限公司，北京102209；2.航天恒星科技有限公司，天津300450）

針對(duì)GPS系統(tǒng)P碼（Precision Code）信號(hào)多普勒頻移大、碼周期長(zhǎng)和速率高的特點(diǎn)帶來(lái)的捕獲慢且資源消耗較多的問(wèn)題，提出了一種新的基于GPS C/A（Coarse/Acquisition Code）碼引導(dǎo)P碼捕獲的方法。系統(tǒng)首先完成C/A碼捕獲，然后向新型P碼發(fā)生器置入引導(dǎo)信號(hào)zv-set，在接下來(lái)的第1個(gè)1.5s碼周跳變沿對(duì)V1和V2置入計(jì)數(shù)初值；在碼同步信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，V1和V2進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)，等到V2=0時(shí)，P碼碼值正確，返回引導(dǎo)完成標(biāo)志。通過(guò)仿真分析，該方法資源占用率減少了50%。結(jié)果表明該方法可有效避免繁瑣的運(yùn)算，適用于星載GPS雙頻導(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)。

導(dǎo)航；精密測(cè)距碼；粗測(cè)距碼；捕獲；引導(dǎo)

隨著人類活動(dòng)探索范圍的擴(kuò)大和科技水平的提高，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為信息體系的重要基礎(chǔ)設(shè)施，成為直接關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的關(guān)鍵性技術(shù)支撐系統(tǒng)。目前世界上應(yīng)用最廣泛的是GPS接收機(jī)，GPS衛(wèi)星同時(shí)發(fā)射L1、L2兩路擴(kuò)頻信號(hào)，載波的中心頻率分別為1575.42MHz、1227.60MHz。L1載波上調(diào)制導(dǎo)航電文、C/A碼和P碼，L2載波上調(diào)制導(dǎo)航電文、P碼和C碼。其中民用GPS接收機(jī)通常只能利用L1載波上的C/A碼，軍用GPS接收機(jī)C/A碼和P碼的應(yīng)用都比較廣泛。

GPS P碼實(shí)際周期為38星期，衛(wèi)星信號(hào)中調(diào)制的是截短碼，碼周期為7天，碼速率為10.23Mcps。與C/A碼相比，P碼具有相對(duì)較短的碼寬和較長(zhǎng)的周期，因而GPS接收機(jī)通常能更精確地測(cè)量P碼相位，P碼的定位精度更高。但由于P碼周期很長(zhǎng)，如果GPS接收機(jī)通過(guò)相關(guān)運(yùn)算來(lái)逐個(gè)依次地搜索接收信號(hào)中P碼的碼相位，則搜索、捕獲P碼信號(hào)將會(huì)需要很長(zhǎng)時(shí)間。傳統(tǒng)復(fù)現(xiàn)P碼的方式為L(zhǎng)1C/A碼捕獲完成時(shí)，利用已知C/A碼的碼相位，通過(guò)一系列復(fù)雜運(yùn)算計(jì)算出P碼的碼相位。大量的運(yùn)算操作造成了大量邏輯資源的消耗，同時(shí)使得器件的運(yùn)行頻率受到限制，具有一定的局限性［2］。

C/A碼是碼長(zhǎng)為1023的偽隨機(jī)碼。與P碼相比，C/A碼的碼長(zhǎng)短、速率低、易于捕獲。同時(shí)，在衛(wèi)星的偽碼生成電路控制下，每個(gè)GPS星歷的開(kāi)始時(shí)刻，它的第一個(gè)P碼碼片的產(chǎn)生與它的第一個(gè)C/A碼碼片的產(chǎn)生在時(shí)間上正好重合。利用C/A碼和P碼固有的相位關(guān)系，本文提出一種新的基于碼周末尾時(shí)刻C/A碼引導(dǎo)的P碼捕獲方法。經(jīng)仿真驗(yàn)證和工程實(shí)現(xiàn)，此方法能較快地捕獲P碼，占用資源較少，對(duì)于星載導(dǎo)航接收機(jī)的設(shè)計(jì)以及研究我國(guó)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義。

1　GPS導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)距碼

1.1碼

基于碼分多址的GPS信號(hào)上存在著C/A碼和P碼兩種測(cè)距碼，且兩種碼都具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)性能。接收機(jī)捕獲偽碼的方式是通過(guò)對(duì)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)與接收機(jī)內(nèi)部所復(fù)制的偽碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，檢測(cè)自相關(guān)函數(shù)的峰值，從而判斷對(duì)偽碼的正確捕獲。

C/A碼周期為1ms，碼長(zhǎng)為1023個(gè)碼片，碼速率為1.023Mcps。P碼周期為7天，碼率為10.23Mcps，同C/A相比P碼具有更長(zhǎng)的碼周期，且碼的長(zhǎng)度也更長(zhǎng)。采用捕獲C/A碼的策略對(duì)P碼進(jìn)行捕獲顯然會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，不利于接收機(jī)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的接收［1］。

1.2P碼產(chǎn)生原理

如圖1所示，PRN編號(hào)為i的衛(wèi)星上所產(chǎn)生的P 碼P1是碼率同為10.23Mcps的序列X1與序列X2i的模2和（二進(jìn)制異或加法）。其中序列X1的周期為1.5s，長(zhǎng)15345000（即1.5s x 10.23Mcps）碼片，而序列X2i是長(zhǎng)為15345037的序列X2的平移等價(jià)碼。序列X1包括碼元地址計(jì)數(shù)器X1A、X1B，序列X2包括碼元地址計(jì)數(shù)器X2A、X2B。其中X1A和X2A的計(jì)數(shù)范圍為0～4091，X1B和X2B的計(jì)數(shù)范圍為0～4092。

圖1　GPS P碼設(shè)定器和碼發(fā)生器方框圖

在每個(gè)GPS星期的開(kāi)始時(shí)刻，P碼發(fā)生器中的各個(gè)寄存器值均被重新初始化，并產(chǎn)生序列X1和P碼第一個(gè)碼片的起始沿。我們將序列X1的每一個(gè)周期的起始沿稱為一個(gè)X1歷元，可見(jiàn)兩個(gè)相鄰X1歷元之間相隔1.5s。之所以強(qiáng)調(diào)P碼發(fā)生器中的X1歷元，是由于X1歷元對(duì)于GPS衛(wèi)星上各個(gè)偽碼發(fā)生器的同步運(yùn)行起著極為重要的作用。實(shí)際上，C/ A碼發(fā)生器的運(yùn)行以X1歷元作為同步信號(hào)，稍具體地說(shuō)，C/A碼發(fā)生器中的各個(gè)寄存器在X1歷元被初始化。這使得在同一顆衛(wèi)星上P碼第一個(gè)碼片的起始沿與C/A碼第一個(gè)碼片的起始沿在時(shí)間上正好重合。

2　P碼捕獲算法的研究

圖2　P碼碼址計(jì)算機(jī)制

2.1引導(dǎo)原理

工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，傳統(tǒng)的基于C/A碼引導(dǎo)的P碼捕獲方法中耗用資源量最大的是“查找表地址產(chǎn)生器”，即從zv計(jì)數(shù)計(jì)算4個(gè)查找表地址的工作，如圖2所示。圖中用L1C/A碼的cycle和chip計(jì)算V1（X1序列碼片計(jì)數(shù)），V1=（cycle×1023+chip）×10。用V1分別去除4092、4093，得到商和余數(shù)，求得X1A、X1B地址；用V2（X2序列碼片計(jì)數(shù)）分別去除4092、4093，得到商和余數(shù)，求得X2A、X2B地址。大量的運(yùn)算操作造成了大量邏輯資源的消耗，且除法器采用多個(gè)clk實(shí)現(xiàn)，使得芯片的運(yùn)行頻率受到限制［4］。

本文中改進(jìn)后的P碼生成原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）當(dāng)L1C/A碼完成捕獲時(shí)，對(duì)P碼發(fā)生器模塊置入此時(shí)L1C/A碼中得到的1.5s碼周Z-in計(jì)數(shù)（計(jì)數(shù)范圍0～403199）。等待最近的1.5s碼周跳變沿，對(duì)V1和V2進(jìn)行置數(shù)。由于此時(shí)在1.5s邊沿上，所以V1=0，而V2則用計(jì)算產(chǎn)生：V2=15345037-Z-in ×37；

（2）在“碼同步信號(hào)”的驅(qū)動(dòng)下V1進(jìn)行0～15344999計(jì)數(shù)，V2進(jìn)行0～15345036計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器計(jì)滿后分別輸出復(fù)位信號(hào)給X1A、X1B、X2A、X2B碼表地址計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位；

（3）碼表地址計(jì)數(shù)器X1A、X2A進(jìn)行0～4091計(jì)數(shù)，X1B、X2B進(jìn)行0～4092計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)狀態(tài)值即為碼表地址。查表得X1A、X1B、X2A、X2B的值，并對(duì)X1A、X1B和X2A、X2B分別進(jìn)行模2和操作，得到X1序列值和X2序列值；

（4）根據(jù)置入的不同衛(wèi)星號(hào)，對(duì)X2序列值進(jìn)行延遲并在“半碼片同步信號(hào)”驅(qū)動(dòng)下與X1序列值異或相加，得到超前支路P碼碼值，對(duì)超前支路P碼序列進(jìn)行延遲，分別得到“即時(shí)、滯后”兩路P碼碼片，相關(guān)間距為1/2P碼碼片長(zhǎng)度。

圖3　P碼生成原理示意圖

2.2引導(dǎo)時(shí)序

本文闡述的基于碼周末尾時(shí)刻GPS C/A碼引導(dǎo)的P碼捕獲方法的引導(dǎo)時(shí)序如圖4所示。當(dāng)L1C/ A碼捕獲完成后向P碼發(fā)生器置入引導(dǎo)信號(hào)zv-set，等待接下來(lái)的第1個(gè)1.5s碼周跳變沿，對(duì)V1和V2進(jìn)行初始化。在碼同步信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，V1和V2進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)，等到V2=0時(shí)，P碼碼值正確，返回引導(dǎo)完成標(biāo)志，開(kāi)展碼搜索操作。

圖4　GPS C/A碼引導(dǎo)的P碼捕獲方法時(shí)序圖

2.3捕獲算法仿真驗(yàn)證

圖5所示為C/A碼引導(dǎo)P碼產(chǎn)生的modelsim仿真圖。完成對(duì)C/A的捕獲跟蹤后，給FPGA的zv-set-i置高電平同時(shí)引導(dǎo)信號(hào)有效標(biāo)志zv-set-flag變?yōu)楦唠娖?。?dāng)遇到第一個(gè)Z計(jì)數(shù)跳變沿時(shí)，zv-set-flag變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)始對(duì)P碼進(jìn)行引導(dǎo)，直至v2-cnt為0時(shí)，P碼輸出正確。

圖5　C/A碼引導(dǎo)P碼產(chǎn)生標(biāo)志

通過(guò)圖6和圖7仿真可知，基于GPS C/A碼引導(dǎo)產(chǎn)生的P碼具有良好的自相關(guān)特性。圖7中副峰幅度僅為主峰的1/5，不會(huì)影響對(duì)P碼捕獲的判決。

圖6　碼片數(shù)50的P碼自相關(guān)運(yùn)算仿真圖

圖7　整周P碼自相關(guān)運(yùn)算仿真圖

2.4與傳統(tǒng)P碼捕獲方法結(jié)果對(duì)比

工程應(yīng)用中使用FPGA對(duì)改進(jìn)后的P碼捕獲方法及傳統(tǒng)的引導(dǎo)方案分別進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。FPGA芯片面積資源占用對(duì)比結(jié)果如下表所示。

表1　單個(gè)P碼發(fā)生器資源比對(duì)

本文驗(yàn)證過(guò)程中使用的綜合器為XST-v12.3，目標(biāo)器件為XC4VSX55。

（1）從綜合出的結(jié)果可見(jiàn)，新P碼發(fā)生器的LUT、FF使用量均降低了一半。

（2）由于完全去掉了多個(gè)時(shí)鐘才能完成一次數(shù)據(jù)處理的÷4092、÷4093除法器，本方案的FPGA時(shí)鐘運(yùn)行頻率不再受約束，也無(wú)需采用多時(shí)鐘域信號(hào)處理方式DCM提高內(nèi)部時(shí)鐘頻率，有利于后續(xù)低頻、低功耗星載型號(hào)應(yīng)用。

（3）本方案的偽碼引導(dǎo)與地址生成方式，天然的支持采用4組線性反饋移位寄存器來(lái)產(chǎn)生L1P、L2P偽碼。在星載FPGA轉(zhuǎn)ASIC時(shí)，面對(duì)ASIC面積資源尤其是RAM資源嚴(yán)重受限的情況，將每個(gè)P碼發(fā)生器的4個(gè)4096×1的RAM方便的替換成反饋移位寄存器，將極大節(jié)約ASIC芯片面積。

3　結(jié)論

本文從GPS C/A碼和P碼在碼周結(jié)束時(shí)刻的相位關(guān)系的角度出發(fā)，提出了一種基于GPS C/A碼引導(dǎo)P碼的捕獲方法。該方法提出一種在特殊位置的引導(dǎo)時(shí)序，避免對(duì)P碼各個(gè)相位的遍歷搜索，可以有效地提高P碼的捕獲效率。本文改進(jìn)后的基于碼周末尾時(shí)刻的GPS C/A碼引導(dǎo)的P碼捕獲方法已在星載導(dǎo)航接收機(jī)型號(hào)中得到應(yīng)用，對(duì)發(fā)展我國(guó)自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供了技術(shù)支持。

［1］ 代燕，李洪祚，王孟芝.GPS接收信號(hào)捕獲方法的研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，3.

［2］ Kaplan D E，Hegarty C J.Understanding GPS：principles and applications［M］.2nd Ed.［S.1.］：Artech House，2006.

［3］Gordon J.R.Povey.Spread Spectrum PN Code AcquisitionUsingHybridCorrelatorArchitectures. WirelessPersonalCommunications.August，1998：151-164.

［4］ 張健，楊士中.短碼引導(dǎo)長(zhǎng)碼同步的快速捕獲方法［J］.無(wú)線電工程，1997，27（6）.

［5］Riccardo De Gaudenzi.Signal Synchronization for Direct-SequenceCode-DivisionMultipleAccess Radio Modems［J］.Telecommunication Systems，1998，9（1）：73-89.

［6］Jing P，F(xiàn)rank V G，Janusz S，et al.Fast direct GPS P-Codeacquisition［J］.GPSSolutions，2003（7）：168-175.

［7］ 孫禮，王銀峰，何川，等.GPS信號(hào)捕獲與跟蹤策略確定及實(shí)現(xiàn)［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，25（2）：134-137.

A method of P code acquisition base on GPS C/A code

LIU Xianyang1，CUI He2，HAO Yunxia2
（1.Space Star Technology Co.，Ltd，Beijing，102209；2.Space Star Technology Co.，Ltd，Tianjin，300450）

Because of the GPS P code’s own features：longer Doppler shift，longer duration and higher speed，there is more resource and time consumption in the traditional GPS P code acquisition.A new P code acquisition method base on C/A code guide is proposed to resolve the problem.The system first finish the acquisition of C/A code，then enable the zv-set guide signal in the new type P code generator，set the initial value of V1 and V2 counter until the first 1.5s code cycle’s edge arrived.The V1 and V2 start cycle count under the code synchronization signal drive，the P code is generated and the guide end flag is enabled when the V2 reached to zero.Simulation result shows that the method reduced 50%resource consumption，suitable for satellite dual-frequency GPS navigation receivers.

navigation；P code；C/A code；acquisition

TN911.7

A

1672-9870（2015）05-0097-04

2015-07-10

劉憲陽(yáng)（1984-），男，碩士，工程師，E-mail：40013335@qq.com