劉憲陽，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碼引導的P碼捕獲方法

劉憲陽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GPS系統(tǒng)P碼（Precision Code）信號多普勒頻移大、碼周期長和速率高的特點帶來的捕獲慢且資源消耗較多的問題，提出了一種新的基于GPS C/A（Coarse/Acquisition Code）碼引導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)生器置入引導信號zv-set，在接下來的第1個1.5s碼周跳變沿對V1和V2置入計數(shù)初值；在碼同步信號的驅(qū)動下，V1和V2進行循環(huán)計數(shù)，等到V2=0時，P碼碼值正確，返回引導完成標志。通過仿真分析，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算，適用于星載GPS雙頻導航接收機設計。

導航；精密測距碼；粗測距碼；捕獲；引導

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

GPS P碼實際周期為38星期，衛(wèi)星信號中調(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碼具有相對較短的碼寬和較長的周期，因而GPS接收機通常能更精確地測量P碼相位，P碼的定位精度更高。但由于P碼周期很長，如果GPS接收機通過相關(guān)運算來逐個依次地搜索接收信號中P碼的碼相位，則搜索、捕獲P碼信號將會需要很長時間。傳統(tǒng)復現(xiàn)P碼的方式為L1C/A碼捕獲完成時，利用已知C/A碼的碼相位，通過一系列復雜運算計算出P碼的碼相位。大量的運算操作造成了大量邏輯資源的消耗，同時使得器件的運行頻率受到限制，具有一定的局限性［2］。

C/A碼是碼長為1023的偽隨機碼。與P碼相比，C/A碼的碼長短、速率低、易于捕獲。同時，在衛(wèi)星的偽碼生成電路控制下，每個GPS星歷的開始時刻，它的第一個P碼碼片的產(chǎn)生與它的第一個C/A碼碼片的產(chǎn)生在時間上正好重合。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刻C/A碼引導的P碼捕獲方法。經(jīng)仿真驗證和工程實現(xiàn)，此方法能較快地捕獲P碼，占用資源較少，對于星載導航接收機的設計以及研究我國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有重要的指導意義。

1　GPS導航系統(tǒng)測距碼

1.1碼

基于碼分多址的GPS信號上存在著C/A碼和P碼兩種測距碼，且兩種碼都具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)性能。接收機捕獲偽碼的方式是通過對所接收到的衛(wèi)星信號與接收機內(nèi)部所復制的偽碼進行相關(guān)運算，檢測自相關(guān)函數(shù)的峰值，從而判斷對偽碼的正確捕獲。

C/A碼周期為1ms，碼長為1023個碼片，碼速率為1.023Mcps。P碼周期為7天，碼率為10.23Mcps，同C/A相比P碼具有更長的碼周期，且碼的長度也更長。采用捕獲C/A碼的策略對P碼進行捕獲顯然會花費很長的時間，不利于接收機對導航信號的接收［1］。

1.2P碼產(chǎn)生原理

如圖1所示，PRN編號為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（二進制異或加法）。其中序列X1的周期為1.5s，長15345000（即1.5s x 10.23Mcps）碼片，而序列X2i是長為15345037的序列X2的平移等價碼。序列X1包括碼元地址計數(shù)器X1A、X1B，序列X2包括碼元地址計數(shù)器X2A、X2B。其中X1A和X2A的計數(shù)范圍為0～4091，X1B和X2B的計數(shù)范圍為0～4092。

圖1　GPS P碼設定器和碼發(fā)生器方框圖

在每個GPS星期的開始時刻，P碼發(fā)生器中的各個寄存器值均被重新初始化，并產(chǎn)生序列X1和P碼第一個碼片的起始沿。我們將序列X1的每一個周期的起始沿稱為一個X1歷元，可見兩個相鄰X1歷元之間相隔1.5s。之所以強調(diào)P碼發(fā)生器中的X1歷元，是由于X1歷元對于GPS衛(wèi)星上各個偽碼發(fā)生器的同步運行起著極為重要的作用。實際上，C/ A碼發(fā)生器的運行以X1歷元作為同步信號，稍具體地說，C/A碼發(fā)生器中的各個寄存器在X1歷元被初始化。這使得在同一顆衛(wèi)星上P碼第一個碼片的起始沿與C/A碼第一個碼片的起始沿在時間上正好重合。

2　P碼捕獲算法的研究

圖2　P碼碼址計算機制

2.1引導原理

工程實現(xiàn)時，傳統(tǒng)的基于C/A碼引導的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計數(shù)計算4個查找表地址的工作，如圖2所示。圖中用L1C/A碼的cycle和chip計算V1（X1序列碼片計數(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。大量的運算操作造成了大量邏輯資源的消耗，且除法器采用多個clk實現(xiàn)，使得芯片的運行頻率受到限制［4］。

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

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

（2）在“碼同步信號”的驅(qū)動下V1進行0～15344999計數(shù)，V2進行0～15345036計數(shù)。計數(shù)器計滿后分別輸出復位信號給X1A、X1B、X2A、X2B碼表地址計數(shù)器進行復位；

（3）碼表地址計數(shù)器X1A、X2A進行0～4091計數(shù)，X1B、X2B進行0～4092計數(shù)，計數(shù)狀態(tài)值即為碼表地址。查表得X1A、X1B、X2A、X2B的值，并對X1A、X1B和X2A、X2B分別進行模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，對X2序列值進行延遲并在“半碼片同步信號”驅(qū)動下與X1序列值異或相加，得到超前支路P碼碼值，對超前支路P碼序列進行延遲，分別得到“即時、滯后”兩路P碼碼片，相關(guān)間距為1/2P碼碼片長度。

圖3　P碼生成原理示意圖

2.2引導時序

本文闡述的基于碼周末尾時刻GPS C/A碼引導的P碼捕獲方法的引導時序如圖4所示。當L1C/ A碼捕獲完成后向P碼發(fā)生器置入引導信號zv-set，等待接下來的第1個1.5s碼周跳變沿，對V1和V2進行初始化。在碼同步信號的驅(qū)動下，V1和V2進行循環(huán)計數(shù)，等到V2=0時，P碼碼值正確，返回引導完成標志，開展碼搜索操作。

圖4　GPS C/A碼引導的P碼捕獲方法時序圖

2.3捕獲算法仿真驗證

圖5所示為C/A碼引導P碼產(chǎn)生的modelsim仿真圖。完成對C/A的捕獲跟蹤后，給FPGA的zv-set-i置高電平同時引導信號有效標志zv-set-flag變?yōu)楦唠娖健．斢龅降谝粋€Z計數(shù)跳變沿時，zv-set-flag變?yōu)榈碗娖?，開始對P碼進行引導，直至v2-cnt為0時，P碼輸出正確。

圖5　C/A碼引導P碼產(chǎn)生標志

通過圖6和圖7仿真可知，基于GPS C/A碼引導產(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，不會影響對P碼捕獲的判決。

圖6　碼片數(shù)50的P碼自相關(guān)運算仿真圖

圖7　整周P碼自相關(guān)運算仿真圖

2.4與傳統(tǒng)P碼捕獲方法結(jié)果對比

工程應用中使用FPGA對改進后的P碼捕獲方法及傳統(tǒng)的引導方案分別進行實現(xiàn)。FPGA芯片面積資源占用對比結(jié)果如下表所示。

表1　單個P碼發(fā)生器資源比對

本文驗證過程中使用的綜合器為XST-v12.3，目標器件為XC4VSX55。

（1）從綜合出的結(jié)果可見，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時鐘才能完成一次數(shù)據(jù)處理的÷4092、÷4093除法器，本方案的FPGA時鐘運行頻率不再受約束，也無需采用多時鐘域信號處理方式DCM提高內(nèi)部時鐘頻率，有利于后續(xù)低頻、低功耗星載型號應用。

（3）本方案的偽碼引導與地址生成方式，天然的支持采用4組線性反饋移位寄存器來產(chǎn)生L1P、L2P偽碼。在星載FPGA轉(zhuǎn)ASIC時，面對ASIC面積資源尤其是RAM資源嚴重受限的情況，將每個P碼發(fā)生器的4個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P碼的捕獲方法。該方法提出一種在特殊位置的引導時序，避免對P碼各個相位的遍歷搜索，可以有效地提高P碼的捕獲效率。本文改進后的基于碼周末尾時刻的GPS C/A碼引導的P碼捕獲方法已在星載導航接收機型號中得到應用，對發(fā)展我國自己的衛(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接收信號捕獲方法的研究［J］.長春理工大學學報，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.短碼引導長碼同步的快速捕獲方法［J］.無線電工程，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信號捕獲與跟蹤策略確定及實現(xiàn)［J］.北京航空航天大學學報，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（1984-），男，碩士，工程師，E-mail：40013335@qq.com