一種基于軟相關(guān)的GNSS比特同步方法

張劍,邵晨光,李滿慶

(中國(guó)兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所,北京 100089)

一種基于軟相關(guān)的GNSS比特同步方法

張劍,邵晨光,李滿慶

(中國(guó)兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所,北京 100089)

GNSS接收機(jī)中因?yàn)楸忍赝藉e(cuò)誤而導(dǎo)致的導(dǎo)航電文提取失敗和偽距計(jì)算錯(cuò)誤等問(wèn)題非常普遍。目前的比特同步算法主要是直方圖法。其中,基于硬判決的直方圖法應(yīng)用較為廣泛,主要是因?yàn)槠鋵?shí)現(xiàn)方便,但在低載噪比下同步成功率太低,無(wú)法滿足工程需求。因此,需要對(duì)低信噪比下的bit同步算法進(jìn)行研究。本方案提出了直方圖法與軟相關(guān)結(jié)合的bit同步算法。首先,模擬產(chǎn)生在不同載噪比下的GNSS信號(hào)數(shù)據(jù),它有20個(gè)比特邊界。然后,采用兩種算法進(jìn)行比特同步。重復(fù)仿真多次,每次仿真采用隨機(jī)的比特邊界,得到每種算法在不同載噪比下的正確比特同步概率。分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn),比特同步的時(shí)間越長(zhǎng),各算法的正確概率越大。在低載噪比下,軟相關(guān)方法遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的直方圖法。最后基于altera arriaV芯片完成了軟相關(guān)的比特同步方案工程實(shí)現(xiàn)。

比特同步;軟相關(guān);低信噪比;正確概率

0 引 言

在GNSS接收機(jī)中,獲取導(dǎo)航電文是一項(xiàng)重要的工作。對(duì)于GPS的L1頻點(diǎn)的C碼信號(hào)上調(diào)制的數(shù)據(jù)碼而言,PN碼的周期為1 ms,導(dǎo)航電文的速率為50 bps,即1 bit的導(dǎo)航電文占用20個(gè)周期的pn碼[1,2]。接收機(jī)通過(guò)捕獲可以實(shí)現(xiàn)1ms周期內(nèi)的pn碼同步,但是無(wú)法確定每一比特導(dǎo)航電文的起始位置,或者稱為比特邊界。而尋找比特邊界的工作就稱為比特同步[3]。比特同步在整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中扮演著非常重要的角色,它是衛(wèi)星信號(hào)穩(wěn)定跟蹤之后的后續(xù)處理中最基礎(chǔ)的一步。一方面,高靈敏度是導(dǎo)航接收機(jī)的一種發(fā)展趨勢(shì),它往往會(huì)采用長(zhǎng)時(shí)間的相干積分,這時(shí),錯(cuò)誤的比特同步可能導(dǎo)致相干積分值不增反減,從而降低靈敏度[4]。另一方面,提取導(dǎo)航電文時(shí),錯(cuò)誤的比特同步會(huì)使比特判決的錯(cuò)誤概率增加。最重要的一點(diǎn),比特同步直接影響幀同步,進(jìn)而影響偽距的計(jì)算,比特同步每錯(cuò)開(kāi)1 ms,會(huì)導(dǎo)致300 km的偽距偏差。直方圖法是一種常用的比特同步算法[5],它只利用相關(guān)器輸出的符號(hào)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)判決,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,計(jì)算量小,但其在低信噪比下的同步錯(cuò)誤概率較大。通過(guò)軟相關(guān)優(yōu)化的直方圖法采用了每1 ms信號(hào)的能量信息,通過(guò)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)獲取正確的bit邊界,運(yùn)算量相對(duì)來(lái)說(shuō)較大,但在低信噪比下的正確同步概率得到了極大的提高。

1 算法理論分析

以GPS L1頻點(diǎn)衛(wèi)星信號(hào)為例進(jìn)行說(shuō)明,設(shè)定接收機(jī)相關(guān)積分時(shí)間為1 ms,且信號(hào)處于穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)。

1.1直方圖法

先假定不存在噪聲。以1 ms周期的pn碼為單位來(lái)考慮,在1 bit的導(dǎo)航電文內(nèi),相關(guān)值是不會(huì)有跳變的。對(duì)于L1頻點(diǎn)bit信號(hào),每20 ms周期為1個(gè)bit信號(hào)。直方圖法就是利用衛(wèi)星信號(hào)的這種特性來(lái)進(jìn)行比特同步的。在實(shí)際中,由于存在噪聲,會(huì)有一定概率出現(xiàn)錯(cuò)誤判決,因此還需要進(jìn)行多次判決獲得統(tǒng)計(jì)結(jié)果。GPS衛(wèi)星bit同步算法過(guò)程如下:

1) 選取長(zhǎng)度為N×20 ms的信號(hào);

2) 相關(guān)器連續(xù)輸出1 ms的相關(guān)值,Sign-i為其符號(hào),i=0,1,2,…,N×20-1;

3) 定義20個(gè)候選邊界計(jì)數(shù)器Kδ,δ=i mod 20;

4) 對(duì)于GPS信號(hào),邊界計(jì)數(shù)器在任意一點(diǎn)滿足碼周期的時(shí)候即增加一計(jì)數(shù),在達(dá)到選取長(zhǎng)度后,將20個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)判決符合最多次數(shù)的位置作為bit翻轉(zhuǎn)位置,即bit同步點(diǎn)。

1.2軟相關(guān)結(jié)合的直方圖法

對(duì)于普通硬判決下的bit同步結(jié)果,在信噪比較低的情況下,會(huì)出現(xiàn)1 ms相關(guān)積分的符號(hào)不正確的情況,而直方圖法獲取一次正確的bit同步結(jié)果,必須要求連續(xù)20 ms的相關(guān)積分符號(hào)均為正確值,這樣會(huì)極大地降低正確判決的可能性,因此,采用軟相關(guān)結(jié)果的判決能夠有效避免少數(shù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤帶來(lái)的判決偏差。

1) 選取長(zhǎng)度為N×20 ms的信號(hào);

2) 相關(guān)器連續(xù)輸出1 ms的相關(guān)值,采用16 bit有符號(hào)數(shù)據(jù)記錄;

3) 定義20個(gè)候選邊界計(jì)數(shù)器Kδ,δ=i mod 20;

4) 對(duì)于GPS信號(hào),將其以20 ms為周期進(jìn)行連續(xù)相關(guān)累加,每獲得1 ms數(shù)據(jù)進(jìn)行一次相關(guān),每20 ms內(nèi),記錄最大相關(guān)結(jié)果作為碼同步相關(guān)結(jié)果,連續(xù)判決到選取信號(hào)長(zhǎng)度后將最大結(jié)果次數(shù)最多的位置作為碼同步結(jié)果。

軟相關(guān)結(jié)合的直方圖法能夠有效地解決低信噪比下bit同步無(wú)法同步的問(wèn)題,在出現(xiàn)較大程度的1 ms積分符號(hào)錯(cuò)誤的時(shí)候也能夠正確的獲取bit翻轉(zhuǎn)的正確位置。

2 仿真分析

仿真中出,采用低信噪比下的正常跟蹤信號(hào)進(jìn)行bit同步仿真,將硬判決的bit同步結(jié)果與軟判決的 bit同步結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。首先選取了長(zhǎng)度為1 000 ms的信號(hào)數(shù)據(jù),將信號(hào)相關(guān)值選取為符號(hào)和16 bit數(shù)據(jù)兩種方式,以20 ms為周期進(jìn)行硬判決和軟判決,硬判決中,每次符合相關(guān)結(jié)果的數(shù)據(jù)起點(diǎn)作為一次bit同步結(jié)果;軟相關(guān)中,將一個(gè)20 ms周期內(nèi)的最大值位置作為bit同步結(jié)果。在1 000 ms內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),生成直方圖。

2.1硬判決直方圖

圖1 -144 dBm下的硬同步結(jié)果

圖2 -147 dBm下的硬同步結(jié)果

圖3 -149 dBm下的硬同步結(jié)果

圖4 -151 dBm下的硬同步結(jié)果

圖1中,硬判決成功次數(shù)為5次,分別在5和14的位置,圖2中硬判決成功3此,也在5和14的位置,而圖3和圖4均判決成功小于2次。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出,載噪比低于-144 dBm的情況下,硬判決很難通過(guò)直方圖的方式得到正確的bit同步結(jié)果,這是因?yàn)樵诘托旁氡认?1 ms相干積分的誤碼率極高,很難找到連續(xù)20 ms的無(wú)誤碼的信號(hào)結(jié)果,如果采用硬判決的直方圖法,那么最多能夠達(dá)到的bit同步下限不超過(guò)-144 dBm.

2.2軟相關(guān)結(jié)合的直方圖法

采用硬判決的方式在低信噪比下有很大的性能缺陷,而采用軟相關(guān)判決能夠利用軟信息提高同步成功率,改善同步結(jié)果。

如圖5～圖8所示,軟相關(guān)的結(jié)果可以看出,在-144 dBm的時(shí)候,軟相關(guān)結(jié)果最大值作為判決條件能夠相當(dāng)明顯的給出正確的bit同步位置,而且能夠在統(tǒng)計(jì)結(jié)果中顯示出比硬判決更大的峰值,而采用軟相關(guān)的結(jié)果能夠?qū)崿F(xiàn)不低于-151 dBm條件下的bit同步,并獲取正確的bit同步結(jié)果。

綜合分析,加入軟相關(guān)的bit同步一定程度上提高了bit同步算法的復(fù)雜度,但是在增加一定程度的加減法運(yùn)算的程度下,能夠提升7dB以上的性能。

圖5 -144 dBm下的軟相關(guān)同步結(jié)果

圖6 -146 dBm下的軟相關(guān)同步結(jié)果

圖7 -149 dBm下的軟相關(guān)同步結(jié)果

圖8 -151 dBm下的軟相關(guān)同步結(jié)果

3 硬件實(shí)現(xiàn)

基于軟相關(guān)的bit同步能夠有效提升GNSS接收機(jī)同步性能,采用altera arriaV SOC芯片進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn),采用芯片中FPGA部分進(jìn)行基帶相干積分,將相干積分結(jié)果送入ARM端進(jìn)行同步位置判決,這種方式能夠充分發(fā)揮FPGA端并行處理優(yōu)勢(shì)。圖9示出了本方案硬件實(shí)現(xiàn)的接收機(jī)樣機(jī)。

圖9 GNSS接收機(jī)樣機(jī)

軟相關(guān)主要在ARM端進(jìn)行處理,處理流程如下:

1) 接收FPGA端傳輸?shù)? ms積分值,并將傳輸?shù)氖讉€(gè)積分值設(shè)為計(jì)數(shù)起點(diǎn);

2) 以20個(gè)計(jì)數(shù)值為周期,即20 ms為周期,進(jìn)行累加積分,計(jì)算累加絕對(duì)值;

3) 統(tǒng)計(jì)20個(gè)計(jì)數(shù)周期內(nèi)累加絕對(duì)值的最大值,并記錄最大值位置(最大值位置為1～20中某個(gè)值);

4) 統(tǒng)計(jì)50個(gè)周期的最大值位置出現(xiàn)次數(shù),如某位置值出現(xiàn)次數(shù)大于設(shè)定閾值,則將其選為比特同步正確位置。

以上便是GPS 軟相關(guān)下的bit同步實(shí)現(xiàn)方案,值得注意的是,在實(shí)際信號(hào)中,每個(gè)bit邊界并不一定會(huì)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn),因此在GPS電文一段時(shí)間無(wú)翻轉(zhuǎn)時(shí),無(wú)論傳統(tǒng)直方圖法還是軟相關(guān)直方圖法都無(wú)法獲得bit同步正確位置,需要等待出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)電文后才能得到正確結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從理論上分析了傳統(tǒng)直方圖法和加入軟判決的直方圖法的算法流程與實(shí)現(xiàn)方案,在選取了多個(gè)低信噪比的實(shí)際信號(hào)進(jìn)行仿真分析,表明軟判決直方圖對(duì)硬判決直方圖方案的性能提升不小于7 dB;同時(shí),采用SOC芯片實(shí)現(xiàn)了軟相關(guān)的bit同步,并給出了ARM分布實(shí)現(xiàn)軟相關(guān)的軟件處理流程,該方案已應(yīng)用于多款接收機(jī)平臺(tái)。

[1] KOKKONEN M, S PIETILA. Anew Bit synchoronization method of a GPS receiver [C]//Proceedings. IEEE Positioning, Location, and Navigation Symposium (PLANS), Palm Springs, CA, USA, (0-7803-7251-4), April 2002. USA: IEEE,2002.

[2] 謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[3] 許峰一種基于相位差分的GPS比特同步方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2007,41(12):2031-2035.

[4] ARINC Research Corporation.ICD-GPS-200C Navstar GPS space segment navigation user interfaces [S].1993.

[5] KAPLAND E D,HEGARTY C J.Understanding GPS principles and applications[M].寇艷紅,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2007.

ASoft-relatedGNSSBitSynchronizationMethod

ZHNAGJian,SHAOChenguang,LIManqing

(NavigationandControlTechnologyInstituteofChinaNorthIndustriesGroupCorporation,Beijing100089,China)

In the GNSS receiver, it is very common to extract the navigation message caused by bit synchronization errors, such as the failure of the navigation message and the error of the pseudo range. The current bit synchronization algorithm is mainly based on the histogram method. Among them, the histogram method based on hard decision is widely used, mainly because of its convenient implementation, but its low noise ratio is too low, can not meet the needs of the project. Therefore, it is necessary to study the bit synchronization algorithm under low SNR, this scheme adopts the bit synchronization algorithm with the combination of histogram method and software. First, the GNSS signal data is generated at different carrier to noise ratio, and it has 20 bit boundaries. Then, two algorithms are used to carry out bit synchronization. Repeated simulation times, each time the simulation using random bit boundary, get the correct bit synchronization probability of each algorithm in different carrier to noise ratio. The simulation results show that the longer the bit synchronization time is, the greater the probability of the algorithm is. In the low carrier to noise ratio, the soft correlation method is much higher than the traditional histogram method. Then the soft correlation method was implement in altera arriaV.

Bit synchronization; soft correlation; low signal to noise ratio; correct probability

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.05.013

P228.4

A

1008-9268(2017)05-0063-05

2017-07-31

聯(lián)系人: 張劍E-mail:gps_zhang@sina.com

張劍(1969-),男,碩士,研究員,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究。

邵晨光(1985-),男,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究。

李滿慶(1987-),男,碩士,工程師,主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究。