可配置多模GNSS信號捕獲技術研究

程亞文,郭承軍,張鑫鑫

(電子科技大學, 電子科學技術研究院,四川 成都 611731)

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可配置多模GNSS信號捕獲技術研究

程亞文,郭承軍,張鑫鑫

(電子科技大學, 電子科學技術研究院,四川 成都 611731)

本文分析了四大衛星系統之間的差異性,討論了衛星信號兼容處理的可能性。使用了可配置的思想設計多模GNSS衛星信號捕獲結構,主要分析了GPS L1、BDS B1I、GLONASS L1和GALILEO E1B頻點民用碼的捕獲方法。通過設置初始化參數,可以配置其中關鍵部分的組成,使其在每一次處理過程中都可以處理特定的衛星信號。最后,使用Verilog HDL語言對其中的部分子單元進行仿真實現,驗證了設計的可行性。

可配置;多模GNSS;兼容性;可編程邏輯器件

0 引 言

隨著全球導航衛星系統(GNSS)技術的發展,衛星導航技術已經應用到人們生活的各個方面。大至地球地貌的測繪,電離層電子濃度的檢測[1],小到個人的生活出行,旅游規劃,都跟衛星導航技術息息相關。然而,在一些復雜的環境中,單一的衛星系統由于難以接收到足夠的衛星數[2]、多徑效應等因素常常會導致定位精度不佳。為了解決這個問題,國內外開始大力研究多模衛星導航技術。

GNSS主要包括四大衛星系統:美國的GPS,歐盟的GALILEO,俄羅斯的GLONASS和中國的BDS。GPS、GALILEO和GLONASS技術發展都日趨成熟,我國的北斗系統也進入了快速發展的階段,已經能夠實現單點定位的功能[3]。目前在多模導航技術的研究中,文獻[4]設計了應用于GPS/BDS導航接收機的雙模捕獲技術,使用時分復用的方式來降低硬件面積。文獻[5]提出了可兼容GPS和GALILEO的VLSI結構,可對GPS信號時域并行搜索和GALILEO信號時域部分并行搜索。

目前,絕大多數衛星導航接收機都是GPS接收機,而多GNSS系統接收機仍很少。文獻[6]研究了GPS、GLONASS、BD和GALILEO多系統兼容的意義,提出了基于Soc的信號處理結構,但是對于GALILEO信號中的BOC信號卻沒有深入探討。本文主要對多GNSS系統兼容性問題進行了分析,并設計一種可配置的衛星信號捕獲結構,通過配置關鍵參數,該GNSS接收機可以捕獲GPS L1、GLONASS L1、GALILEO E1B或者BDS B1I的信號。

1 GNSS信號兼容性分析

1.1 GNSS信號兼容性問題分析

GNSS信號捕獲的實質是利用導航信號中PRN碼強自相關從噪聲中識別出導航信號的過程,為了避免四大衛星系統在接收機處理時出現相互干擾,GNSS信號之間存在著許多的差異。

1) 四大衛星系統區別衛星的方式不同,其中GPS、GALILEO和BDS使用的是CDMA的調制方式,即通過PRN碼來識別不同的衛星,而GLONASS使用的是FDMA的方式來識別衛星,所有的衛星都使用同一個PRN碼,通過頻率不同來識別衛星。

2) 四大衛星系統載波頻率不同,本文主要討論的是GPS L1、GALILEO E1B、GLONASS L1和BDS B1I,其中GLONASS是頻分多址,衛星載波頻率范圍為1598.0625～1609.3152 MHz,GPS L1和GALILEO E1B的載波頻率都為1575.42 MHz,BDS為1561.098 MHz.

3) PRN碼序列不同,GPS衛星的C/A碼采用的是由兩個周期和速率相同而碼元結構不同的10位m序列逐位進行模2和構成的Gold碼,BDS是11位m序列構成Gold碼,GLONASS使用的一個m序列,GALILEO E1B信號的PRN碼在ICD文檔中沒有給出生成方式,只給出了每一顆衛星所對應的完整PRN序列[7]。

4) PRN碼的長度與速率不同,GPS PRN碼長度為1 023,周期為1 ms,碼速率為1.023 Mb/s,GALILEO的碼長為4 092,周期為4 ms,碼速率為1.023 Mb/s,GLONASS的碼長為511,周期是1 ms,碼速率為511 Kb/s,BDS的碼長為2 046,周期為1 ms,碼速率為2.046 Mb/s.

5) 衛星信號調制方式不同,GPS、GLONASS和BDS使用的是傳統的二進制相移鍵控(BPSK)調制,而GALILEO信號采用的是BOC調制。

6) 載波頻率多普勒頻移搜索范圍不同,通過計算,GPS系統衛星最大多普勒頻移為4.9 kHz,GALILEO為4.06 kHz,GLONASS為5.29 kHz,BDS為4.5 kHz.

1.2 GNSS信號兼容性處理

1) 在衛星信號處理時,首先需要使用前端天線將多模信號同時接收下來,跟據國內高校的一些研究[8],他們設計的全頻段寬帶圓極化微帶天線能夠滿足同時接收GPS/GALILEO/GLONASS/BDS衛星信號的要求。

2) 由于四大衛星系統的多普勒搜索范圍與步長都有所差別,因此要求多模衛星接收機的載波發生器能夠針對每一個衛星系統產生對應的載波,具體結構在第四節有深入研究。

3) 根據前面的討論,四大衛星系統的PRN碼各不相同,在基帶處理的過程中,接收機需要正確復制出正在進行捕獲的衛星的PRN碼。本地PRN碼發生器可以將四大衛星信號的PRN碼都存儲起來,通過輸入的參數取出相應的PRN碼。

2 GNSS信號兼容性捕獲分析

2.1 常規捕獲算法

衛星信號的捕獲是對衛星號、PRN碼的碼相位和載波多普勒頻移的三維匹配過程。傳統的衛星捕獲算法主要有時域串行捕獲、并行頻域捕獲和并行碼相位捕獲。時域串行捕獲算法實現簡單,但是完成一顆衛星的搜索需要非常大的運算量,花費時間較長。并行頻率捕獲算法是將搜索頻率并行化,例如對GPS L1信號使用并行頻率捕獲算法,那么一次性能將所有的頻率搜索完畢,但是需要搜索1 023個碼相位,相比較時域串行算法,該方法減少了很多的運算量。并行碼相位捕獲算法是衛星的碼相位搜索并行處理,一次性處理所有可能的碼相位空間,需要對所有可能的多普勒頻率空間進行遍歷搜索。一般而言,信號的偽碼長度的搜索范圍都比多普勒頻率搜索范圍要大,因此并行碼相位捕獲算法比并行頻率捕獲算法降低了搜索次數,減少了捕獲時間。

2.2 GALILEO信號捕獲

跟其他三大系統信號調制方式不同,GALILEO信號采用的是BOC調制。BOC調制與BPSK調制的區別在于在信號被載波調制過后會有一個子載波對擴頻碼信號進行再次調制,將原信號的頻譜分成位于載波頻率上下的兩個對稱部分。BOC調制不僅減少了GALILEO信號與GPS L1信號的相互干擾,而且在多徑性能上也優于GPS的C/A碼。但是BOC信號也存在著一些缺點,圖1是BOC信號自相關與偽碼互相關圖形,由圖1可知,BOC(1,1)信號存在著兩個幅度很大的副峰,這對捕獲BOC信號帶來了一定的問題。從圖1中又可知,BOC(1,1)信號的副峰跟BOC(1,1)與偽碼互相關的峰值的絕對值相等,基于這點,加拿大的Olivier Julien提出了自相關旁瓣消除(ASPeCT)算法[9],通過兩種相關函數取模后進行相減,消除BOC調制信號的自相關函數的副峰。

2.3 可配置捕獲總體結構設計

可配置的思想是從各個單系統捕獲通道設計中找出捕獲通道中設計的共性和個性,讓這些具有共性的部分使用同一個模塊實現。而對于那些由于各個系統差異而導致的個性部分,可以將這些部分進行整合,然后通過初始化的參數對這些差異的部分進行配置,從而實現各個系統信號的捕獲。

根據前面的討論,并行碼相位捕獲算法時間最短,性能最優,所以GPS、BDS和GLONASS信號的捕獲使用的是并行碼相位捕獲算法,而GALILEO信號由于存在副峰的干擾,采用的是ASPeCT算法,捕獲結構的總體架構圖如圖2所示。

在該結構中,主要分為三種情況。

首先,如果捕獲的是GPS或者BDS衛星信號,那么PRN碼發生器需要產生兩顆衛星的PRN碼,此時進行的是并行處理兩顆衛星的捕獲,分別對這兩顆衛星相關結果進行通道組合計算,判別是否捕獲到該衛星信號,此時不產生BOC載波信號。其次,如果是進行GLONASS信號捕獲,由于GLONASS是頻分多址的方式來區分衛星,此時PRN碼產生只產生一種PRN碼,對一顆衛星的捕獲進行兩次判決。第三,當捕獲的是GALILEO信號時,該結構通過另外產生BOC信號,使用ASPeCT算法對GALILEO信號進行相關運算和捕獲判斷。

多模可配置GNSS捕獲結構主要包括以下模塊:

1) 載波剝離模塊:通過本地產生的正余弦載波將數字中頻信號進行載波剝離,將其變換到基帶;

2) 載波發生器模塊:通過輸入的初始化參數,產生所需要捕獲的衛星系統的中頻載波;

3) 快速傅立葉變換模塊:對輸入信號進行快速傅立葉變換,將時域信號變換到頻域;

4) 復數乘法器模塊:將經過傅立葉變換的輸入信號和本地產生的經過FFT并共軛的信號進行相乘;

5) 信號發生器模塊:根據所配置的參數,輸出衛星PRN碼;

6) BOC信號產生模塊:在捕獲GALILEO信號時,產生本地BOC(1,1)副載波信號;

7) 快速傅立葉逆變換:將數據從頻域變換到時域;

8) 相關運算模塊:根據所捕獲的衛星系統的不同,對IFFT后的數據進行通道組合運算;

9) 捕獲系統控制子模塊:完成捕獲的總體控制,配置關鍵模塊的參數,保證捕獲模塊的順利進行。

可配置多模捕獲結構的執行流程如下:

1) 系統進行初始化參數設置;

2) 捕獲系統控制子模塊對輸入參數進行判斷,判斷此時需要捕獲的信號是否GALILEO信號;

3) 如果不是GALILEO信號,那么本地載波發生器通過頻率控制字產生需要的載波信號,PRN碼產生器通過控制模塊輸入的地址輸出兩路不同衛星PRN碼,由于GLONASS衛星系統是頻分多址,不同衛星的PRN碼仍舊相同;

4) 如果是GALILEO信號,那么PRN碼產生器輸出兩路相同衛星的PRN碼,BOC信號產生器輸出BOC(1,1)信號對其中一路GALILEO信號進行調制;

5) 運用載波發生器產生的本地載波對輸入信號進行下變頻,得到IQ兩路信號;

6) 對IQ信號進行整合傅立葉變換,然后與本地產生的經過FFT并共軛的信號進行運算,運算結果進行傅立葉逆變換;

7) 通過配置的參數,使用相關運算模塊對步驟6)后的數據進行特定的運算;

8) 將7)中計算數據存儲到控制模塊中,對計算數據進行判斷,如果捕獲成功那么就輸出多普勒頻移與碼相位偏移,如果沒有捕獲成功,那么改變多普勒頻率頻移量,繼續下一次運算。

3 多系統兼容捕獲硬件設計

3.1 載波NCO模塊

載波NCO模塊用于產生一個理想的、頻率可控的正余弦信號,與輸入的中頻信號進行相乘,然后通過低通濾波器就可以實現輸入信號的下變頻。NCO的常見設計方法主要有查找法和CORDIC算法,在ISE軟件中,集成了可以使用的IP核,它的結構圖如圖3所示,通過輸入的頻率控制字,便可以得到需要的載波頻率。

DDS的輸出頻率為

fout=Kfclk/2N,

式中:K為頻率控制字;fclk是系統時鐘;N為相位寄存器的位寬。由此可得頻率控制字的計算公式為

K=fout×2N/fclk.

在硬件結構中,根據前面給出的多普勒頻率搜索范圍,分別設置一定的頻率步進數,計算出相應頻率控制字,然后將四大衛星的頻率控制字存儲在一塊ROM中,在捕獲特定衛星信號時,通過初始化的參數取出對應的頻率控制字即可。

3.2 快速傅立葉變換模塊

在四大衛星系統兼容捕獲結構中,由于四大系統的PRN碼的長度不同,周期也有不同,導致在捕獲結構中FFT變換的點數也不盡相同。GPS進行并行碼相位捕獲時的FFT點數為1 023點,GALILEO的為4 092點,GLONASS是511點,BDS是2 046點,如果使用四個FFT變換核會導致過多的硬件資源浪費。可以將其中GPS相干積分延長至4個周期,FFT點數變為4 092點,GLONASS的相干積分時間延長至8個周期,也變為4 092點,BDS延長至2個周期。一般而言,FFT變換模塊都為基2或者基4算法,可以將這四個系統的碼片后面補0到4 096點,那么這個兼容捕獲系統就可以使用同一塊4 096點FFT核。

3.3 復數乘法器模塊

通常,每個復數乘法器可以使用4個實數乘法和2個實數減法(或者加法)得到,但在FPGA中會消耗較多資源。為了減少資源的使用,可以通過改變運算順序,只需要使用3個實數乘法器和5個實數加法器實現復數乘法器。實現規則如下

復數表達式

G=Gr+Gi=(mr+mi)(nr+ni)

=mrnr+mini+mrni+minr.

可以將Gr和Gi分別表示為

Gr=mr(nr+ni)-(mr+mi)ni,

Gi=mr(nr+ni)+(mr+mi)ni.

通過ISE綜合仿真得到的RTL級圖如圖4所示,經過計算驗證,可以得到正確的結果。

3.4 信號發生器模塊

在信號發生器模塊中,隨著輸入參數的變化,本地信號發生器需要產生特定衛星的PRN碼。對于GALILEO信號而言,GALILEO的官方文檔沒有給出E1B信號的PRN碼的生成方式,而是給出了完整的50顆衛星的PRN碼。因此需要采用先存儲,在需要時再將信號取出的方式生成GALILEO衛星的PRN碼。為了減少硬件設計的復雜度,可以將這四個衛星系統的PRN碼都進行存儲,通過訪問一定的地址,取出相應衛星的PRN碼。在本地碼存儲ROM中,前32 736個地址存儲的是GPS信號,接下來存儲的是GALILEO中50顆衛星的PRN碼,需要的存儲地址為4092×50=204 600,然后是GLONASS的511個PRN碼地址和BDS的75 702個地址。

4 結束語

GNSS多系統兼容接收機無論是從可用性、可靠性、連續性和精度等各方面都比單系統有了更大的優勢。本文從多衛星系統兼容捕獲技術出發,討論了多系統兼容捕獲的所存在的問題,并對兼容性捕獲算法進行了分析,然后提出了兼容捕獲四大衛星系統信號的總體結構。通過配置初始化參數,該系統可以依據用戶需求捕獲某些衛星系統的信號。針對該方案,搭建了硬件模塊,對關鍵部分進行了設計與分析,實現了GPSL1、GALILEOE1B、GLONASSL1和BDSB1I信號的兼容捕獲處理。

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Research on Configurable Multimode GNSS Signal Acquisition Technique

CHENG Yawen, GUO Chengjun,ZHANG Xinxin

(UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ResearchInstituteofElectronicScienceandTechnology,Chengdu611731,China)

This paper first analyzes the differences between the four satellite systems, discusses the possibility of deal with multiple satellite signal compatibly. Then, a multimode satellite signal baseband processing structure is designed with configurable idea. The acquisition of GPS L1, BDS B1I, GLONASS L1 and GALILEO E1B codes are analyzed. By setting the initialization parameters, you can configure the key parts, so that in each treatment process can handle a particular satellite signal. Finally, the simulation of partial subunit is carried out by using Verilog HDL, which verifies the feasibility of the design.

Configurable; multimode GNSS; compatibility; FPGA

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.008

2016-11-21

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0039-05

程亞文 (1991-),男,碩士生,研究方向為衛星導航。

郭承軍 (1985-),男,博士,研究方向為GNSS互換性與泛位置服務、新時空體系、完好性及增強系統。

張鑫鑫 (1990-),男,碩士生,研究方向為衛星導航。

聯系人： 程亞文 E-mail:cristo336@126.com