衛(wèi)星導航接收機基帶信號處理技術研究

劉榮斌

（中電科衛(wèi)星導航運營服務有限公司，河北石家莊，050000）

1 擴頻通信的基本原理

在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中采用序列擴頻工作實現(xiàn)快速、大幅度的信號頻譜擴展，數(shù)據(jù)信息經(jīng)過信道編碼時發(fā)射端用偽碼序列對其進行擴頻處理，接收端再用復制生成的本地偽碼進行解擴處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。相比窄帶通信，在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中應用擴頻通信技術可以加寬數(shù)據(jù)信息頻譜的帶寬，提高頻譜利用率，測距與定時精確性高，且具有較高的隱蔽性及抗干擾能力。擴頻通信的基本原理如下：在衛(wèi)星發(fā)射導航信號時，會把數(shù)據(jù)碼與測距碼組成新的組合碼，再將組合碼調(diào)制在高頻載波上發(fā)射實現(xiàn)擴頻通信。目前CDMA 技術不斷滲透于民用應用移動通信，擴頻技術在衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導航定位等系統(tǒng)中的作用越來越突出，其中數(shù)字基帶技術就是核心關鍵技術。

擴頻通信系統(tǒng)是將基帶信號的頻譜擴展到很寬的頻帶上進行傳輸，雖然不符合常規(guī)通信系統(tǒng)壓縮頻帶減小帶寬的高計原則，但是這種寬帶通信系統(tǒng)經(jīng)過香儂信息論解釋是可行的，且這種設計方法提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力及保密性能。常用的通信系統(tǒng)擴頻通信方式主要包括序列擴頻方式、頻率跳變方式及時間跳變方式三種，其中序列擴頻方式中先對數(shù)據(jù)信息的信道編碼，數(shù)據(jù)信息與偽噪聲序列相加得到新的組合碼后發(fā)送，衛(wèi)星接收機天線接收信號，復制接收信號的碼相位后生成本地解擴信號，繼續(xù)運算獲取數(shù)據(jù)信息，接收直擴通信系統(tǒng)信號。頻率跳變方式是用帶有數(shù)據(jù)信息的基帶信號調(diào)制載波并控制載波頻率在規(guī)定的頻帶范圍內(nèi)不規(guī)則跳變，通過一個靈敏的頻率合成器快速改變載波頻率，頻率合成器產(chǎn)生的頻率間最小值、頻率間隔數(shù)量會直接影響到擴展后頻譜的帶寬。時間跳變方式就是脈沖調(diào)制發(fā)射機發(fā)射間隔射頻信號，由攜帶有數(shù)據(jù)信息的偽噪聲序列控制射頻信號的發(fā)射。

2 衛(wèi)星導航接收機基帶信號處理關鍵技術

衛(wèi)星導航系統(tǒng)運行過程中，導航信號接近地面時信號功率會低于噪聲功率，要通過解擴偽碼提高載噪比，以順利跟蹤導航信號，而捕獲就是解擴處理前的關鍵步驟。因為導航系統(tǒng)在當時時刻的可見衛(wèi)星是未知的，需要通過搜索GPS衛(wèi)星偽碼和GLONASS 衛(wèi)星頻道號來確定可見衛(wèi)星；衛(wèi)星與接收機之間進行相對運動，需要通過步進搜索估計導航信號中載波和偽碼存在的多普勒頻率；此外，未知導航衛(wèi)星與接收機之間距離較遠，接收機需要通過滑動本地偽碼估計碼相位差，以確定當前時刻到達的擴頻碼相位。由此可見，衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機捕獲的目的就是為了找到可視衛(wèi)星，確定多普勒頻移，確定偽碼相差等。捕獲的方法包括時域搜索法、循環(huán)相關捕獲算法、匹配濾波器組結合循環(huán)捕獲算法等，實際應用過程中要根據(jù)系統(tǒng)的實際需求，捕獲算法的性能分析及實現(xiàn)手段等確定捕獲方案。

圖1 捕獲跟蹤通道結構圖

■2.1 時域搜索捕獲算法

在每顆可能存在的導航衛(wèi)星下，在每個多普勒頻率搜索區(qū)間，時域搜索捕獲算法主要通過搜索所有不確定的偽碼相位延時及多普勒頻移確定多普勒頻率范圍及偽碼相位差。在GPS 系統(tǒng)中配置本地偽碼產(chǎn)生模塊，即可生成待捕獲的偽碼類型；配置本地載波產(chǎn)生模塊，即可生成中頻標稱頻率的本地載波。在GLONASS 系統(tǒng)中通過配置本地載波產(chǎn)生模塊及本地載波，偽碼產(chǎn)生模塊持續(xù)產(chǎn)生本地偽碼。進行1 毫秒相關積分，結束后轉入捕獲判決，判決有效搜索后通道狀態(tài)轉入跟蹤；判決無效搜索則要繼續(xù)下1 毫秋冬相關積分繼續(xù)捕獲判決，直至相關積分次數(shù)超過預定上限，如未捕獲成功則滑動本地偽碼相位，繼續(xù)執(zhí)行上述環(huán)節(jié)；如一個本地偽碼周期調(diào)整完畢后仍未捕獲，則將多普勒搜索區(qū)間滑動一步繼續(xù)上述環(huán)節(jié)；如所有多普勒搜索區(qū)間搜索均未成功，則執(zhí)行換星操作并更新GPS 偽碼、GLONASS 頻道，繼續(xù)執(zhí)行上述操作。

圖2 循環(huán)相關原理圖

當然，可以通過并行搜索以提高捕獲效率，并行搜索的方法有多種，一是增加通道數(shù)目，每個通道中積分器的數(shù)量也會隨之增加，如果增加3 個積分器即可提高3 倍的捕獲速度。不過增加通道數(shù)目會導致FPGA 邏輯資源成本增加，但是捕獲速度提高幅度卻十分有限。還有一種方法就是用FFT 變換搜索多普勒頻率，減少搜索單元，滑動本地偽碼與輸入數(shù)據(jù)相乘，剝離輸入信號中的偽碼，本地偽碼與輸入信號偽碼相同時用FFT對連續(xù)的載波多普勒信號做頻譜分析，如出現(xiàn)大于預定功率門限的峰值判決為捕獲成功。相比增加通道數(shù)目，這種用FFT 變換搜索多普勒頻率的方法不僅提高了捕獲效率，且減少了捕獲時間。不過在FPGA 邏輯中應用該方法時，F(xiàn)FT 模塊會占用較多的邏輯資源與存儲器資源，受這一因素的制約無法在每個跟蹤通道配置FFT 模塊，因此為了保證邏輯資源及存儲器資源不被大量占用，通常每個系統(tǒng)會配置不超過三個FFT 模塊，所有通道時分復用，但這樣又會降低捕獲效率，延長捕獲時間，無法滿足系統(tǒng)設計時快速捕獲的需求；此外，由于用FFT 變換搜索多普勒頻率的方法是以偽碼滑動相關操作為基礎，而在GPS、GLONASS 系統(tǒng)中偽碼的搜城鄉(xiāng)之間區(qū)間個料遠遠多于載波多普勒搜索區(qū)間，因此這種方法的捕獲速度并未得到大幅改善，故應用普及性也相對較小。

■2.2 循環(huán)相關捕獲算法

時域搜索捕獲算法采用串行搜索碼相位延時，偽碼的長度決定了碼相位延時的長度，偽碼長度越長串行搜索碼相位延時所耗費的時間就越長，載波多普勒頻移搜索范圍就越小，搜索步進數(shù)也會隨之減少。因此為了減少捕獲時間，可以考慮采用并行搜索碼相位。

以FFT 為基礎的循環(huán)相關捕獲法將偽碼周期性的特點充分利用起來，通過循環(huán)卷積的原理實現(xiàn)偽碼相位的并行搜索，大大提高了捕獲效率，且該算法通過比較IFFT 的輸出結果與門限制來進行比較判決，大大減少了計算過程中的運算量，實現(xiàn)快速捕獲的功能需求。FPGA 為減少數(shù)據(jù)量，減少資源消耗，采用抽取濾波降低采樣率的方法，每個系統(tǒng)使用一個FFT 模塊時分復用，系統(tǒng)實現(xiàn)時通過時分復用完成算法流程中的FFT 計算，減少邏輯資源與存儲器資源占用比，算法實現(xiàn)更加容易。

■2.3 匹配濾波器組結合FFT 捕獲算法

除上述兩種方法外，匹配濾波器組結合口FFT 捕獲算法也是一種快速捕獲方法，該方法中一個周期的本地偽碼保持不變，將一個偽碼周期采樣點與本地偽碼分成N 段，輸入一個數(shù)字信號采樣點會進行一次部分匹配濾波，再將部分匹配濾波器組的輸出數(shù)據(jù)進行N 點的FFT 變換，輸入信號的偽碼與本地偽碼相位不超過半個碼片時，輸入信號的載波區(qū)趨于連續(xù)，對此時進行FFT 變換即會出現(xiàn)明顯的峰值，即上文中提到的載波多普勒殘余頻率估計值，最終確定偽碼相位及載波多普率頻率。利用匹配濾波器組結合FFT 捕獲算法，完成一顆衛(wèi)星的偽碼相位及載波多普勒搜索只需2 個偽碼周期，大大提高了捕獲速度，可以在1 秒內(nèi)搜索整個GPS、GLONASS 系統(tǒng)的衛(wèi)星，甚至在幾百毫秒內(nèi)即可完成捕獲。

3 結語

總之，隨著人類文明的不斷進步，科學技術的不斷發(fā)展，人們在衛(wèi)星導航方面的研究越來越廣泛，衛(wèi)星導航技術已經(jīng)全面滲透于人們的日常生活，因此加強對衛(wèi)星導航技術的研究具有重要的現(xiàn)實意義?；鶐盘柼幚硎切l(wèi)星導航系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)，會決定衛(wèi)星導航的功能實現(xiàn)，因此本研究就從接收機捕獲算法的角度出發(fā)，分析衛(wèi)星導航接收機基帶信號處理的關鍵技術，以期與廣大同行共同交流。