曹華杰，劉 源

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756)

北斗/GPS偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中信號(hào)跟蹤算法研究

曹華杰，劉 源

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756)

北斗/GPS偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要應(yīng)用在衛(wèi)星信號(hào)遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，能獨(dú)立或輔助增強(qiáng)北斗/GPS衛(wèi)星定位。偽衛(wèi)星信號(hào)的捕獲跟蹤是進(jìn)行定位解算的前提，針對(duì)偽衛(wèi)星信號(hào)存在跟蹤不穩(wěn)定的情況，在詳細(xì)分析了偽衛(wèi)星信號(hào)生成和捕獲跟蹤算法原理的基礎(chǔ)上，基于模塊復(fù)用思想，提出了一種捕獲跟蹤一體化方案。該方案中的捕獲算法采用傳統(tǒng)的滑動(dòng)捕獲算法，碼跟蹤算法采用Early-Late算法，在信號(hào)解調(diào)的過(guò)程中采用Costas PLL載波跟蹤環(huán)路。通過(guò)采集的GPS衛(wèi)星信號(hào)仿真可發(fā)現(xiàn)跟蹤穩(wěn)定后即時(shí)碼的能量最大，即時(shí)碼保持穩(wěn)定表明進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)。在FPGA硬件平臺(tái)驗(yàn)證了該方案，并對(duì)比分析了存在多普勒頻偏和無(wú)頻偏情況下的性能。仿真結(jié)果表明，該方案在多普勒頻率偏移下依然能夠有效、穩(wěn)定地跟蹤解調(diào)出導(dǎo)航信號(hào)。

GPS/北斗；偽衛(wèi)星；跟蹤算法；Early-Late；動(dòng)態(tài)跟蹤

0 引 言

導(dǎo)航定位技術(shù)在人類(lèi)歷史的發(fā)展進(jìn)程中一直起著相當(dāng)重要的作用。目前，人們對(duì)于導(dǎo)航和定位的需求日益增大。相對(duì)于其他的定位系統(tǒng)而言，衛(wèi)星定位系統(tǒng)的使用范圍最廣泛。與其他類(lèi)型的導(dǎo)航系統(tǒng)相比，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有全天候、高效率、高覆蓋率、高精度等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而隨著導(dǎo)航定位系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在某些特殊的場(chǎng)景下依然不能很好地為用戶(hù)提供高精度的定位服務(wù)。例如，在山谷中的礦區(qū)、隧道，城市中高樓密集的“城市峽谷”、地下停車(chē)場(chǎng)以及地鐵等場(chǎng)景，由于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)受到阻擋，無(wú)法接收信號(hào)和提供精確的定位服務(wù)，不能滿(mǎn)足人們對(duì)高精度、實(shí)時(shí)定位的需求。為了解決上述問(wèn)題，有必要引入偽衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)。這是一種新型的定位技術(shù)，可以很好地解決上述問(wèn)題。因此，對(duì)于偽衛(wèi)星系統(tǒng)的研究是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的潛在需要和必然趨勢(shì)，具有非常大的實(shí)際意義。

偽衛(wèi)星又稱(chēng)“地面衛(wèi)星”，是從地面某特定地點(diǎn)發(fā)射類(lèi)似于GPS/BDS的導(dǎo)航信號(hào)，采用的電文格式與GPS/BDS基本一致。由于偽衛(wèi)星發(fā)射的是類(lèi)似于GPS/BDS的信號(hào)，并工作在GPS/BDS的頻率上，所以用戶(hù)的GPS/BDS接收機(jī)可以用來(lái)同時(shí)接收GPS/BDS信號(hào)和偽衛(wèi)星信號(hào)，而不必增設(shè)另一套偽衛(wèi)星接收設(shè)備。地面建立的偽衛(wèi)星站不僅可以增強(qiáng)區(qū)域性GPS/BDS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，而且可以提高衛(wèi)星定位系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力[2-4]。

目前國(guó)內(nèi)很多參考文獻(xiàn)對(duì)偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的研究集中在增強(qiáng)北斗/GPS性能分析及組網(wǎng)布局、定位算法的研究方面。國(guó)外很多文獻(xiàn)對(duì)偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)的研究側(cè)重定位精度相關(guān)算法的分析與應(yīng)用，如文獻(xiàn)[5-7]。在偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中捕獲和跟蹤是最重要的一個(gè)步驟，捕獲是得到粗略的參數(shù)，跟蹤則是將這些參數(shù)細(xì)化。捕獲及跟蹤的環(huán)路設(shè)計(jì)影響導(dǎo)航信號(hào)穩(wěn)定的解調(diào)，所以研究跟蹤算法對(duì)于偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)也很重要。因此，將重點(diǎn)研究捕獲跟蹤算法，并對(duì)其進(jìn)行仿真。

1 偽衛(wèi)星定位基礎(chǔ)

北斗二代有3個(gè)頻段，分別是B1(1 561.098 MHz)、B2(1 207.14 MHz)、B3(1 268.52 MHz)。北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)格式由載波、偽碼、數(shù)據(jù)碼組成。而GPS衛(wèi)星有兩個(gè)頻段，分別是L1頻段的1 575.42 MHz和L2頻段的1 227.6 MHz。

在偽衛(wèi)星中，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，選擇GPS衛(wèi)星或者北斗衛(wèi)星作為參考設(shè)計(jì)。在北斗/GPS偽衛(wèi)星系統(tǒng)中，信號(hào)采用C/A碼，信號(hào)的生成方式基本一致。下面主要介紹北斗偽衛(wèi)星的信號(hào)生成,并說(shuō)明北斗偽衛(wèi)星和GPS偽衛(wèi)星的差別。

北斗偽衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率為2.046 MHz，經(jīng)過(guò)2分頻后得到1.023 MHz的C/A碼，C/A碼經(jīng)過(guò)50倍分頻后得到50 Hz的數(shù)據(jù)碼。C/A碼和數(shù)據(jù)碼經(jīng)過(guò)模2加后得到寬度為1.023 MHz的頻譜。經(jīng)過(guò)數(shù)字載波調(diào)制，得到偽衛(wèi)星的信號(hào)。

文獻(xiàn)[8]簡(jiǎn)化后，偽衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)如式(1)所示：

(1)

其中，AG為載波振幅；C(t)為C/A碼；D(t)為數(shù)據(jù)碼；w1為載波角頻率；φ1為載波初始相位。

在GPS偽衛(wèi)星中，采用10.023 MHz的基準(zhǔn)頻率，分頻系數(shù)也不相同，可以通過(guò)計(jì)算得到。在北斗/GPS偽衛(wèi)星接收機(jī)中，為了完成定位，首先將接收的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，得到數(shù)字信號(hào)。然后經(jīng)過(guò)捕獲得到信號(hào)必要的參數(shù)，主要是載波的頻率和C/A碼初始點(diǎn)，再進(jìn)行跟蹤，跟蹤后進(jìn)行導(dǎo)航電文的提取，接著進(jìn)行偽距的計(jì)算，最后經(jīng)過(guò)處理得到定位信息[8-9]。偽衛(wèi)星的定位流程如圖1所示。

圖1 偽衛(wèi)星定位流程

2 偽衛(wèi)星跟蹤算法研究

當(dāng)捕獲到某顆導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)后，會(huì)得到該衛(wèi)星的C/A碼初始相位和載波的多普勒頻移。由于多普勒效應(yīng)會(huì)使載波頻率發(fā)生動(dòng)態(tài)偏移，還有C/A碼的相位也會(huì)隨著衛(wèi)星與接收機(jī)間距離的變化而變化，所以北斗/GPS偽衛(wèi)星信號(hào)會(huì)一直處于動(dòng)態(tài)變化中[10-13]。因此在后續(xù)的信號(hào)處理中，必須克服這些因素的影響，才能在捕獲后能夠持續(xù)、準(zhǔn)確地獲取導(dǎo)航電文，最終完成定位解算。

文獻(xiàn)[14]中的捕獲算法采用了并行結(jié)構(gòu)在FPGA上進(jìn)行設(shè)計(jì)，文中采用滑動(dòng)相關(guān)捕獲法進(jìn)行信號(hào)的捕獲。偽衛(wèi)星信號(hào)的捕獲流程如圖2所示。

圖2 滑動(dòng)相關(guān)捕獲原理

如圖2所示，接收到的信息與本地偽隨機(jī)碼相乘再積分，求出它們的自相關(guān)值，然后與門(mén)限值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到門(mén)限值時(shí)就說(shuō)明捕獲到了有用信息。這里利用了偽隨機(jī)碼的自相關(guān)特性，當(dāng)兩個(gè)相同的碼序列相位上一致時(shí)，其相關(guān)值最大。

當(dāng)捕獲到有用信號(hào)時(shí)，為了繼續(xù)保持同步，需要分別進(jìn)行載波跟蹤環(huán)路和碼跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)。一般碼跟蹤環(huán)路分為相干和非相干兩類(lèi)。相干跟蹤是在確定發(fā)送信號(hào)的載波頻率和相位的情況下進(jìn)行的。非相干跟蹤是在不確定發(fā)送信號(hào)的載波頻率和相位的情況下進(jìn)行的。在大部分通信系統(tǒng)中都是非相干情況，因此文中主要研究非相干跟蹤情況。常用的跟蹤環(huán)路有兩種，分別是延遲鎖相環(huán)(DLL)和抖動(dòng)鎖相環(huán)(TDL)。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中采用DLL環(huán)路進(jìn)行碼跟蹤。

如果能夠?qū)⒉东@和碼跟蹤過(guò)程用一個(gè)環(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn)，將大大減少所需的硬件資源。由于捕獲和跟蹤在時(shí)間域上沒(méi)有重疊，所以通過(guò)部分組件復(fù)用(如積分清零器)可以實(shí)現(xiàn)捕獲和跟蹤一體化設(shè)計(jì)方案。載波跟蹤環(huán)路可以采用經(jīng)典的Costas PLL環(huán)路來(lái)實(shí)現(xiàn)載波跟蹤信號(hào)，偽衛(wèi)星信號(hào)捕獲跟蹤總原理如圖3所示。其中碼跟蹤環(huán)路采用捕獲跟蹤一體化方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

通過(guò)采集一段時(shí)間內(nèi)的GPS衛(wèi)星信號(hào)對(duì)跟蹤算法進(jìn)行研究。將采集的GPS衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，得到中頻數(shù)字信號(hào)，表達(dá)式為：

圖3 捕獲跟蹤總體方案原理圖

s(n)=ACCi(n)Di(n)sin(ωIFn+φ0)+e(n)

(2)

其中，AC為C/A碼的振幅；Ci(n)為C/A碼；Di(n)為數(shù)據(jù)碼；ωIF為中頻載波的角頻率；φ0為輸入信號(hào)的初相位；e(n)為噪音信號(hào)。

當(dāng)本地的C/A碼、本地載波和輸入信號(hào)的C/A碼以及中頻的載波同步時(shí)，能量集中在I路。此時(shí)的信號(hào)經(jīng)過(guò)本地載波解調(diào)，去除了載波的調(diào)制，得到的信號(hào)如式(3)所示。

s(n)sin(ωIFn+φ0)=(ACCi(n)Di(n)sin(ωIFn+φ0))sin(ωIFn+φ0)= 1/2ACCi(n)Di(n)-1/2cos(2(ωIFn+φ0))+e(n)sin(ωIFn+φ0)

(3)

經(jīng)過(guò)濾波后，得到前面的1/2ACCi(n)Di(n)。然后經(jīng)過(guò)解擴(kuò)頻碼，得到1/2ACCi(n)Di(n)*ACCi(n)?；?jiǎn)后，可以將1/2ACCi(n)*ACCi(n)看成常數(shù)K，即解擴(kuò)頻碼后得到的結(jié)果為K*Di(n)，也就是得到了數(shù)據(jù)碼。在C/A碼的跟蹤環(huán)路中，關(guān)于載波的跟蹤環(huán)路的噪聲帶寬設(shè)置可以參考式(4):

ωn=2Bn/[damp+1/4*damp]

(4)

在碼跟蹤和載波跟蹤后，得到數(shù)據(jù)碼，需要在跟蹤環(huán)路中的I支路將它轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制，得到導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)碼中的頻率為50 Hz，其碼速率為50 bps，然而在跟蹤環(huán)路輸出的速率為1 000 bps。相當(dāng)于跟蹤環(huán)路中連續(xù)輸出20個(gè)才能并成一個(gè)數(shù)據(jù)位，這叫做位同步。

通過(guò)對(duì)偽碼的能量分布進(jìn)行仿真(見(jiàn)圖4)，可以看出在0.1 s之前，超前碼、即時(shí)碼和滯后碼的能量混亂，經(jīng)過(guò)跟蹤穩(wěn)定后，即時(shí)碼的能量最大，且處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 偽碼能量分布圖

將圖3所示算法在FPGA上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，編譯通過(guò)后編寫(xiě)Testbench產(chǎn)生仿真時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)并從外部文件中讀取采集到的基帶數(shù)字信號(hào)(Matlab產(chǎn)生)。仿真結(jié)果中，I支路輸出結(jié)果趨近于方波，而Q支路的結(jié)果趨近于0，符合理論結(jié)果(跟蹤穩(wěn)定后能量集中在I支路，Q支路能量接近0)，說(shuō)明進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)。可以看出導(dǎo)航數(shù)據(jù)能夠正常、穩(wěn)定地解調(diào)出來(lái)。同時(shí)，改變仿真時(shí)的NCO載波頻率，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的跟蹤調(diào)整后，該方案也能穩(wěn)定地跟蹤信號(hào)并能解調(diào)出導(dǎo)航電文，進(jìn)一步說(shuō)明該方案能穩(wěn)定地捕獲跟蹤信號(hào)。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的信號(hào)跟蹤技術(shù)，在研究碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路、北斗/GPS偽衛(wèi)星信號(hào)生成以及GPS信號(hào)跟蹤原理的基礎(chǔ)上，基于模塊復(fù)用思路提出了一種捕獲跟蹤一體化方案。通過(guò)對(duì)采集到的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行Matlab仿真，在FPGA硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了該方案。由偽碼的能量圖可以發(fā)現(xiàn)，跟蹤結(jié)果持續(xù)、穩(wěn)定；通過(guò)硬件平臺(tái)的仿真可發(fā)現(xiàn)，捕獲跟蹤后的能量集中在I支路，Q支路能量接近于0，符合理論分析，同時(shí)數(shù)據(jù)碼能夠穩(wěn)定地解調(diào)出來(lái)，這為下一步定位打下了良好的基礎(chǔ)。

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Research on Signal Tracking Algorithm in Beidou/GPS PseudoSatellite Positioning System

CAO Hua-jie，LIU Yuan

(School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)

Beidou/GPS pseudo satellite positioning system is mainly used in the area of satellite signal shielding seriously and it can be independent or assistant enhancement of the Beidou/GPS satellite positioning.Pseudo satellite signal acquisition and tracking is the precondition of positioning solution.Aiming at the situation of tracking instability for pseudo satellite signal,after the pseudo satellite signal generation as well as acquisition has been analyzed in detail,an integrated scheme of acquisition and tracking based on model reuse is proposed.The capture algorithm is adoption of traditional sliding capture algorithm and the tracking algorithm is the Early-Late in this scheme,and Costas PLL carrier tracking loop has been employed in the process of signal demodulation.Through simulation of the GPS satellite signal,it is found that the energy of the real time code is the largest after the instant code remains stable.Experiments for verification on this scheme on the FPGA hardware platform have been conducted as well as the contrast analysis on its performances on the conditions of Doppler frequency offset and non-frequency offset.The simulation results show that the proposed scheme in the presence of Doppler frequency offset has operated stably and effectively in signal tracking and demodulation.

GPS/BDS;pseudo satellite;tracking algorithm;Early-Late;dynamic tracking

2016-06-14

：2016-09-22 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-07-05

全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目(201310292023Z);江蘇省“挑戰(zhàn)杯-卓越杯”基金項(xiàng)目(201310292039Y)

曹華杰(1989-)，男，碩士研究生，CCF會(huì)員(200050041G)，研究方向?yàn)榍度胧郊夹g(shù)、無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)等。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170705.1649.016.html

TP301.6

:A

:1673-629X(2017)09-0179-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.09.039