运用TDMA的卫星导航P码直捕的实现❋

农晓东，黄智刚，耿生群，杨再秀

运用TDMA的卫星导航P码直捕的实现❋

农晓东，黄智刚，耿生群，杨再秀

（北京航空航天大学电子信息工程系，北京100191）

针对卫星导航P码直捕运算量大、消耗硬件资源大的问题，提出了一种基于TDMA思想的P码直捕方法。该方法在匹配滤波器结合FFT方法的基础上，以串并结合、分时处理的方式实现了码域的搜索，以全并行的方式实现了频域的搜索，且不需外挂SDRAM。详细介绍了该方法的实现过程，并给出了仿真实验结果。分析表明，该方案能以较低的资源完成P码的直接捕获。

卫星导航；时分多址；直接序列扩频；快速傅里叶变换；分段匹配滤波器；快速捕获

1 引言

直接序列扩频信号的捕获一直是卫星导航接收机的研究重点。在卫星接收机中，直接序列扩频信号分为长码和短码。就GPS而言，P码（长码）的速率为10.23 MHz，是CA码（短码）的10倍，且周期为一星期。因此直接捕获P码的时候，需要辅助信息。常见辅助方式为给定一定的时间冗余度，在冗余度的范围内实现P码的直接捕获。

常用的捕获方法有串行搜索方法和并行FFT方法。文献［1］提出了FFT捕获的研究算法，但是使用FFT捕获必须先存储AD信号之后才能进行处理，而P码码率是CA码的10倍，若用FFT捕获方法，变换点数很大，基于目前的技术，很难完成长相干积分时间的计算。并且它是串行扫频，这使得它难以适应高动态的要求［2］。文献［3］时频和频域同时并行搜索的方案，但是仅使用了32点FFT，频域并行度较小，并且还使用了外挂的SDRAM。

本文首先介绍了匹配滤波器结合FFT捕获方法的基本原理，然后针对P码的特点，基于时分多址的思想，通过合理的分时处理，在不需要外挂SDRAM的情况下，完成了P码的直接捕获，有效地降低了资源。

2 分段匹配滤波器＋FFT方法

设接收到的信号经过射频前端处理和A／D转换后，输出中心频率为fI的数字中频信号，同时由于目标与地面的相对运动，信号频率中存在多普勒频率fd。暂不考虑数据位的影响，则在采样时间tk＝k·Ts（Ts为采样时间间隔）时刻，数字中频信号s（k）为

式中，A为信号幅度，D（k）为调制的数据信息（讨论伪码捕获时，此信号可先看作常量），PNP（tk－ts）为有一定时间偏移的伪码，fI为中频，fd为多普勒频移，φ为载波初始相位。

s（k）与本地码和载波通过匹配滤波器的过程可通过以下两式来体现：

式中，N为相关时间内的数据点数，t′与fd′分别为时域内和频域内的搜索范围。

设数据是均匀采样的，Ts＝tk＋1－tk（Ts为采样时间间隔），则有tk＝k·Ts，ts＝n·Ts。将式（2）和式（3）重新写为

式中，sk＝s（k），pk－n＝PNP［（k－n）Ts］，n＝0，1，2，…，N－1。

过滤掉载波后，得到：

不失一般性，频率偏移对信号捕获的影响远大于相位偏移的影响，因此，假定相位偏移为0。当伪码完全对齐的时候，skpk－n＝1。此时，匹配滤波器的输出为（为方便讨论，取绝对值，忽略常数项）

经过计算，可得：

这是完全匹配滤波器的输出［4］。

根据以上推导，把长度为N的数据分为X段，每段长度为M＝N／X，则有：

对ZMF（n）做A点FFT（X≤A，当X小于A时，补（A－X）个0），可得：

结合式（5）～（8）可得：

由上式可以看出，当多普勒f′在GXMF－FFT覆盖范围内时，GXMF－FFT有最大值；在其它位置，GXMF－FFT非常小，从而实现了码－多普勒的二维搜索［5－6］。

3 捕获方法的实现

3.1 总体实现框图

方案框图如图1所示。XPMF1表示第一段匹配滤波器，依此类推。运算完毕之后，会同时取中，对于匹配滤波器段数X，可根据具体要求来取。例如，若相干积分时间为4 ms，X＝64，显然，多普勒覆盖范围是±8 kHz，扫频精度为250 Hz。若相干积分时间为8 ms，X＝64，则多普勒覆盖范围是±4 kHz，扫频精度为125 Hz。

3.2 分段匹配滤波器的结构

由于计算P码数据量比较大，如果采用直接实时处理，资源消耗极大，不能满足设计的要求。在这里，采用这样的设计：把每段匹配滤波器看成是一个主移位寄存器，在每一个主移位寄存器里面，串联多个子移位寄存器，每N个子移位寄存器为一组，不断地循环，与本地伪码累加。当本段匹配滤波器的累加完成以后，将新进来一个信号数据，同时送一个信号到下一段匹配滤波器，再次开始以上的处理过程。这样的处理会产生信号堆积，但可以用分时的方法来处理。具体的实现如图2所示。

3.3 时分多址的码相位搜索方案

若使用FFT直捕，在冗余度为±Ns、多普勒范围为±5 kHz、扫频精度为125 Hz时，一颗星的单次检测时间为2×N×10×8。当N＝1时，需要160 s才能完成一颗星的捕获，所需的时间太长，不适用于高动态情况下。而基于时分多址的码相位搜索方案，既能并行搜索多普勒，又能减少硬件资源消耗。

以下是基于时分多址的码相位搜索方案。

对码相位的搜索如图2所示。借鉴时分多址思想（N为处理时隙，M为跨越时隙），采用串并结合的方法，大范围内为串行搜索，小范围内为并行搜索。具体过程如下：

首先对前N个码相位进行搜索，当这些码相位全部搜索完之后，同时，也进来了M个码相位（在时钟不能太高、硬件资源有限的情况下，M必然大于N）。之后，当再次进行相位搜索时，不是在第N＋1个相位开始，而是在第N＋M＋1个相位开始。在a秒里面的码内，每次都这样操作，即对a秒内的数据进行时分处理，每段时间处理一部分，其余时间，可视为空操作。通过这样的处理，就可以避免使用外挂的SDRAM。

第一个a秒搜完之后，若是没有搜到，那么，第二个a秒的码进来的时候，从第N＋1个码开始进行搜索（认为之前的N个相位在前一次已经搜索完毕，没有捕获上，此处没有考虑码相位的多普勒频偏），之后的搜索重复以上第一个a秒的搜索过程。总共需要的搜索时间为：a×（N＋M＋1）／N，a的值与系统的捕获冗余度有关，视具体系统而定。

4 性能分析

如图3所示，在信噪比为－32 dB，4 ms的相干积分条件下，在码相位和载波多普勒对应位置所输出的相关峰明显，表明此方法可以实现所需功能。

此方法在一片Xilinx－V5－LX220的芯片上实现了捕获功能，表1是资源分配图。在124 MHz的系统时钟下，进行了4 ms的相干积分，扫频精度250 Hz，搜索多普勒范围为±16 kHz，码相位精确度为0.25个码片。

5 结语

本文分析了卫星导航P码捕获中匹配滤波器与FFT捕获方法的原理，并在此基础上，针对P码码速率高、码周期长的特点，引入时分多址思想，通过合理的分时处理，系统在不需要外挂SDRAM的情况下，在一块FPGA上实现了此方法，消耗了约660万门逻辑门。针对高动态环境，对多普勒频率的搜索采用并行搜索方式，极大提高了接收机对多普勒的敏感度。在测试中，正常情况下，系统在15 s内实现了对P码的捕获。然而，在接收信号信噪比很小的情况下，极有可能无法捕获到信号。如何在高动态、低信噪比情况下能以较大的概率捕获到信号，是下一步研究工作的重点。

［1］华涛，丁阳，石玉.基于FFT伪码快速捕获方法及其性能分析［J］.现代电子技术，2007，30（23）：42－44.

HUA Tao，DING Yang，SHI Yu.FFT－based PN Code Fast Acquisition Method and Its Performance Analysis［J］.Modern Electronics Technique，2007，30（23）：42－44.（in Chinese）

［2］任亚安，王鹏，许卫东.GPS中P（Y）码直接捕获技术的研究进展［J］.全球定位系统，2003，28（2）：2－9.

REN Ya－an，WANG Peng，XU Wei－dong.Research development of the technique of direct P（Y）－code acquisition in GPS［J］.GNSS World of China，2003，28（2）：2－9.（in Chinese）

［3］John B，Capozza F.System for direct acquisition of received signals：USA，US2004／0071200A1［P］.2004.

［4］谢钢.GPS原理与接收机设计［M］.北京：电子工业出版社，2009.

XIE Gang.GPS Principle and Receiver Design［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2009.（in Chinese）

［5］Yang C.Sequential Block Search for Direct Acquisition of Long Codes under Large Uncertainty［C］／／Proceedings of the 2001 National Technical Meeting of The Institute of Navigation.Long Beach，CA，USA：ION，2001：408－414.

［6］Yang C，Chaffee J，Abel J，et al.Extended Replica Folding for Direct Acquisition of GPS P－Code And Its Performance Analysis［C］／／Proceedings of ION GPS.Salt Lake City，U-tah，USA：ION，2000：2070－2078.

NONG Xiao－dong was born in Pingnan，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1984.He received the B.S.degree from Hunan University in 2008.He is now a graduate student at Beijing University of Aeronautics and Astronautics.His research direction is satellite navigation.

Email：xiaodong.nong＠163.com

黄智刚（1962－），男，河北邢台人，2002年获博士学位，现为北京航空航天大学教授、博士生导师，主要研究方向为通信、卫星导航；

HUANG Zhi－gang was born in Xingtai，Hebei Province，in 1962.He received the Ph.D.degree in 2002.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor of Beijing University of Aeronautics and Astronautics.His research interests include communication and satellite navigation.

耿生群（1973－），男，河南洛阳人，2005年获博士学位，现为北京航空航天大学实验室教师，主要研究方向为卫星导航；

GENG Sheng－qun was born in Luoyang，Henan Province，in 1973.He received the Ph.D.degree in 2005.He is now an instructor of Laboratory of Beijing University of Aeronautics and Astronautics.His research direction is satellite navigation.

杨再秀（1981－），男，河北石家庄人，现为北京航空航天大学博士研究生，主要研究方向为信号体制。

YANG Zai－xiu was born in Shijiazhuang，Hebei Province，in 1981.He is currently working toward the Ph.D.degree at Beijing University of Aeronautics and Astronautics.His research direction is signal system.

Realization of Satellite Navigation P Code
Direct Acquisition Based on TDMA

NONG Xiao-dong，HUANG Zhi-gang，GENG Sheng-qun，YANG Zai-xiu
（School of Electronic and Information Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）

To solve the problem of large resource consume of satellite navigation P code direct acquisition，a method based on TDMA and partial matched filter bank with Fast Fourier Transform（FFT）is presented.The method combines parallel and serial search in code domain，and complete parallel search in frequency domain. Besides，the method doesn′t need SDRAM.Theory of the method of partial matched filter bank with Fast Fourier Transform（FFT）is deduced，and the simulation is implemented.The analysis result indicates that the method can reduce the resource consume to fulfill the direct P code acquisition.

satellite navigation；TDMA；DSSS；FFT；partial matched filter；quick acquisition

TN96

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2011.02.010

农晓东（1984－），男，广西平南人，2008年于湖南大学获工学学士学位，现为北京航空航天大学硕士研究生，主要研究方向为卫星导航；

1001－893X（2011）02－0052－04

2010－09－18；

2010－11－18