一種基于軟相關的GNSS比特同步方法

張劍,邵晨光,李滿慶

(中國兵器工業(yè)導航與控制技術研究所,北京 100089)

一種基于軟相關的GNSS比特同步方法

張劍,邵晨光,李滿慶

(中國兵器工業(yè)導航與控制技術研究所,北京 100089)

GNSS接收機中因為比特同步錯誤而導致的導航電文提取失敗和偽距計算錯誤等問題非常普遍。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用較為廣泛,主要是因為其實現(xiàn)方便,但在低載噪比下同步成功率太低,無法滿足工程需求。因此,需要對低信噪比下的bit同步算法進行研究。本方案提出了直方圖法與軟相關結合的bit同步算法。首先,模擬產(chǎn)生在不同載噪比下的GNSS信號數(shù)據(jù),它有20個比特邊界。然后,采用兩種算法進行比特同步。重復仿真多次,每次仿真采用隨機的比特邊界,得到每種算法在不同載噪比下的正確比特同步概率。分析仿真結果發(fā)現(xiàn),比特同步的時間越長,各算法的正確概率越大。在低載噪比下,軟相關方法遠高于傳統(tǒng)的直方圖法。最后基于altera arriaV芯片完成了軟相關的比特同步方案工程實現(xiàn)。

比特同步;軟相關;低信噪比;正確概率

0 引 言

在GNSS接收機中,獲取導航電文是一項重要的工作。對于GPS的L1頻點的C碼信號上調(diào)制的數(shù)據(jù)碼而言,PN碼的周期為1 ms,導航電文的速率為50 bps,即1 bit的導航電文占用20個周期的pn碼[1,2]。接收機通過捕獲可以實現(xiàn)1ms周期內(nèi)的pn碼同步,但是無法確定每一比特導航電文的起始位置,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]。比特同步在整個衛(wèi)星導航接收機中扮演著非常重要的角色,它是衛(wèi)星信號穩(wěn)定跟蹤之后的后續(xù)處理中最基礎的一步。一方面,高靈敏度是導航接收機的一種發(fā)展趨勢,它往往會采用長時間的相干積分,這時,錯誤的比特同步可能導致相干積分值不增反減,從而降低靈敏度[4]。另一方面,提取導航電文時,錯誤的比特同步會使比特判決的錯誤概率增加。最重要的一點,比特同步直接影響幀同步,進而影響偽距的計算,比特同步每錯開1 ms,會導致300 km的偽距偏差。直方圖法是一種常用的比特同步算法[5],它只利用相關器輸出的符號信息進行統(tǒng)計判決,實現(xiàn)簡單,計算量小,但其在低信噪比下的同步錯誤概率較大。通過軟相關優(yōu)化的直方圖法采用了每1 ms信號的能量信息,通過統(tǒng)計結果來獲取正確的bit邊界,運算量相對來說較大,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頻點衛(wèi)星信號為例進行說明,設定接收機相關積分時間為1 ms,且信號處于穩(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碼為單位來考慮,在1 bit的導航電文內(nèi),相關值是不會有跳變的。對于L1頻點bit信號,每20 ms周期為1個bit信號。直方圖法就是利用衛(wèi)星信號的這種特性來進行比特同步的。在實際中,由于存在噪聲,會有一定概率出現(xiàn)錯誤判決,因此還需要進行多次判決獲得統(tǒng)計結果。GPS衛(wèi)星bit同步算法過程如下:

1) 選取長度為N×20 ms的信號;

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

3) 定義20個候選邊界計數(shù)器Kδ,δ=i mod 20;

4) 對于GPS信號,邊界計數(shù)器在任意一點滿足碼周期的時候即增加一計數(shù),在達到選取長度后,將20個周期內(nèi)出現(xiàn)判決符合最多次數(shù)的位置作為bit翻轉位置,即bit同步點。

1.2軟相關結合的直方圖法

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

1) 選取長度為N×20 ms的信號;

2) 相關器連續(xù)輸出1 ms的相關值,采用16 bit有符號數(shù)據(jù)記錄;

3) 定義20個候選邊界計數(shù)器Kδ,δ=i mod 20;

4) 對于GPS信號,將其以20 ms為周期進行連續(xù)相關累加,每獲得1 ms數(shù)據(jù)進行一次相關,每20 ms內(nèi),記錄最大相關結果作為碼同步相關結果,連續(xù)判決到選取信號長度后將最大結果次數(shù)最多的位置作為碼同步結果。

軟相關結合的直方圖法能夠有效地解決低信噪比下bit同步無法同步的問題,在出現(xiàn)較大程度的1 ms積分符號錯誤的時候也能夠正確的獲取bit翻轉的正確位置。

2 仿真分析

仿真中出,采用低信噪比下的正常跟蹤信號進行bit同步仿真,將硬判決的bit同步結果與軟判決的 bit同步結果進行對比。首先選取了長度為1 000 ms的信號數(shù)據(jù),將信號相關值選取為符號和16 bit數(shù)據(jù)兩種方式,以20 ms為周期進行硬判決和軟判決,硬判決中,每次符合相關結果的數(shù)據(jù)起點作為一次bit同步結果;軟相關中,將一個20 ms周期內(nèi)的最大值位置作為bit同步結果。在1 000 ms內(nèi)進行統(tǒng)計,生成直方圖。

2.1硬判決直方圖

圖1 -144 dBm下的硬同步結果

圖2 -147 dBm下的硬同步結果

圖3 -149 dBm下的硬同步結果

圖4 -151 dBm下的硬同步結果

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。通過仿真結果可以看出,載噪比低于-144 dBm的情況下,硬判決很難通過直方圖的方式得到正確的bit同步結果,這是因為在低信噪比下,1 ms相干積分的誤碼率極高,很難找到連續(xù)20 ms的無誤碼的信號結果,如果采用硬判決的直方圖法,那么最多能夠達到的bit同步下限不超過-144 dBm.

2.2軟相關結合的直方圖法

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

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

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

圖5 -144 dBm下的軟相關同步結果

圖6 -146 dBm下的軟相關同步結果

圖7 -149 dBm下的軟相關同步結果

圖8 -151 dBm下的軟相關同步結果

3 硬件實現(xiàn)

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

圖9 GNSS接收機樣機

軟相關主要在ARM端進行處理,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€積分值設為計數(shù)起點;

2) 以20個計數(shù)值為周期,即20 ms為周期,進行累加積分,計算累加絕對值;

3) 統(tǒng)計20個計數(shù)周期內(nèi)累加絕對值的最大值,并記錄最大值位置(最大值位置為1～20中某個值);

4) 統(tǒng)計50個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)大于設定閾值,則將其選為比特同步正確位置。

以上便是GPS 軟相關下的bit同步實現(xiàn)方案,值得注意的是,在實際信號中,每個bit邊界并不一定會出現(xiàn)翻轉,因此在GPS電文一段時間無翻轉時,無論傳統(tǒng)直方圖法還是軟相關直方圖法都無法獲得bit同步正確位置,需要等待出現(xiàn)翻轉電文后才能得到正確結果。

4 結束語

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現(xiàn)方案,在選取了多個低信噪比的實際信號進行仿真分析,表明軟判決直方圖對硬判決直方圖方案的性能提升不小于7 dB;同時,采用SOC芯片實現(xiàn)了軟相關的bit同步,并給出了ARM分布實現(xiàn)軟相關的軟件處理流程,該方案已應用于多款接收機平臺。

[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原理與接收機設計[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].浙江大學學報(工學版),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)星導航技術研究。

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

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