卫星导航接收机基带信号处理技术研究

刘荣斌

（中电科卫星导航运营服务有限公司，河北石家庄，050000）

1 扩频通信的基本原理

在卫星导航系统中采用序列扩频工作实现快速、大幅度的信号频谱扩展，数据信息经过信道编码时发射端用伪码序列对其进行扩频处理，接收端再用复制生成的本地伪码进行解扩处理实现数据信息的传输。相比窄带通信，在卫星导航系统中应用扩频通信技术可以加宽数据信息频谱的带宽，提高频谱利用率，测距与定时精确性高，且具有较高的隐蔽性及抗干扰能力。扩频通信的基本原理如下：在卫星发射导航信号时，会把数据码与测距码组成新的组合码，再将组合码调制在高频载波上发射实现扩频通信。目前CDMA 技术不断渗透于民用应用移动通信，扩频技术在卫星通信、卫星导航定位等系统中的作用越来越突出，其中数字基带技术就是核心关键技术。

扩频通信系统是将基带信号的频谱扩展到很宽的频带上进行传输，虽然不符合常规通信系统压缩频带减小带宽的高计原则，但是这种宽带通信系统经过香侬信息论解释是可行的，且这种设计方法提高了通信系统的抗干扰能力及保密性能。常用的通信系统扩频通信方式主要包括序列扩频方式、频率跳变方式及时间跳变方式三种，其中序列扩频方式中先对数据信息的信道编码，数据信息与伪噪声序列相加得到新的组合码后发送，卫星接收机天线接收信号，复制接收信号的码相位后生成本地解扩信号，继续运算获取数据信息，接收直扩通信系统信号。频率跳变方式是用带有数据信息的基带信号调制载波并控制载波频率在规定的频带范围内不规则跳变，通过一个灵敏的频率合成器快速改变载波频率，频率合成器产生的频率间最小值、频率间隔数量会直接影响到扩展后频谱的带宽。时间跳变方式就是脉冲调制发射机发射间隔射频信号，由携带有数据信息的伪噪声序列控制射频信号的发射。

2 卫星导航接收机基带信号处理关键技术

卫星导航系统运行过程中，导航信号接近地面时信号功率会低于噪声功率，要通过解扩伪码提高载噪比，以顺利跟踪导航信号，而捕获就是解扩处理前的关键步骤。因为导航系统在当时时刻的可见卫星是未知的，需要通过搜索GPS卫星伪码和GLONASS 卫星频道号来确定可见卫星；卫星与接收机之间进行相对运动，需要通过步进搜索估计导航信号中载波和伪码存在的多普勒频率；此外，未知导航卫星与接收机之间距离较远，接收机需要通过滑动本地伪码估计码相位差，以确定当前时刻到达的扩频码相位。由此可见，卫星导航系统接收机捕获的目的就是为了找到可视卫星，确定多普勒频移，确定伪码相差等。捕获的方法包括时域搜索法、循环相关捕获算法、匹配滤波器组结合循环捕获算法等，实际应用过程中要根据系统的实际需求，捕获算法的性能分析及实现手段等确定捕获方案。

图1 捕获跟踪通道结构图

■2.1 时域搜索捕获算法

在每颗可能存在的导航卫星下，在每个多普勒频率搜索区间，时域搜索捕获算法主要通过搜索所有不确定的伪码相位延时及多普勒频移确定多普勒频率范围及伪码相位差。在GPS 系统中配置本地伪码产生模块，即可生成待捕获的伪码类型；配置本地载波产生模块，即可生成中频标称频率的本地载波。在GLONASS 系统中通过配置本地载波产生模块及本地载波，伪码产生模块持续产生本地伪码。进行1 毫秒相关积分，结束后转入捕获判决，判决有效搜索后通道状态转入跟踪；判决无效搜索则要继续下1 毫秋冬相关积分继续捕获判决，直至相关积分次数超过预定上限，如未捕获成功则滑动本地伪码相位，继续执行上述环节；如一个本地伪码周期调整完毕后仍未捕获，则将多普勒搜索区间滑动一步继续上述环节；如所有多普勒搜索区间搜索均未成功，则执行换星操作并更新GPS 伪码、GLONASS 频道，继续执行上述操作。

图2 循环相关原理图

当然，可以通过并行搜索以提高捕获效率，并行搜索的方法有多种，一是增加通道数目，每个通道中积分器的数量也会随之增加，如果增加3 个积分器即可提高3 倍的捕获速度。不过增加通道数目会导致FPGA 逻辑资源成本增加，但是捕获速度提高幅度却十分有限。还有一种方法就是用FFT 变换搜索多普勒频率，减少搜索单元，滑动本地伪码与输入数据相乘，剥离输入信号中的伪码，本地伪码与输入信号伪码相同时用FFT对连续的载波多普勒信号做频谱分析，如出现大于预定功率门限的峰值判决为捕获成功。相比增加通道数目，这种用FFT 变换搜索多普勒频率的方法不仅提高了捕获效率，且减少了捕获时间。不过在FPGA 逻辑中应用该方法时，FFT 模块会占用较多的逻辑资源与存储器资源，受这一因素的制约无法在每个跟踪通道配置FFT 模块，因此为了保证逻辑资源及存储器资源不被大量占用，通常每个系统会配置不超过三个FFT 模块，所有通道时分复用，但这样又会降低捕获效率，延长捕获时间，无法满足系统设计时快速捕获的需求；此外，由于用FFT 变换搜索多普勒频率的方法是以伪码滑动相关操作为基础，而在GPS、GLONASS 系统中伪码的搜城乡之间区间个料远远多于载波多普勒搜索区间，因此这种方法的捕获速度并未得到大幅改善，故应用普及性也相对较小。

■2.2 循环相关捕获算法

时域搜索捕获算法采用串行搜索码相位延时，伪码的长度决定了码相位延时的长度，伪码长度越长串行搜索码相位延时所耗费的时间就越长，载波多普勒频移搜索范围就越小，搜索步进数也会随之减少。因此为了减少捕获时间，可以考虑采用并行搜索码相位。

以FFT 为基础的循环相关捕获法将伪码周期性的特点充分利用起来，通过循环卷积的原理实现伪码相位的并行搜索，大大提高了捕获效率，且该算法通过比较IFFT 的输出结果与门限制来进行比较判决，大大减少了计算过程中的运算量，实现快速捕获的功能需求。FPGA 为减少数据量，减少资源消耗，采用抽取滤波降低采样率的方法，每个系统使用一个FFT 模块时分复用，系统实现时通过时分复用完成算法流程中的FFT 计算，减少逻辑资源与存储器资源占用比，算法实现更加容易。

■2.3 匹配滤波器组结合FFT 捕获算法

除上述两种方法外，匹配滤波器组结合口FFT 捕获算法也是一种快速捕获方法，该方法中一个周期的本地伪码保持不变，将一个伪码周期采样点与本地伪码分成N 段，输入一个数字信号采样点会进行一次部分匹配滤波，再将部分匹配滤波器组的输出数据进行N 点的FFT 变换，输入信号的伪码与本地伪码相位不超过半个码片时，输入信号的载波区趋于连续，对此时进行FFT 变换即会出现明显的峰值，即上文中提到的载波多普勒残余频率估计值，最终确定伪码相位及载波多普率频率。利用匹配滤波器组结合FFT 捕获算法，完成一颗卫星的伪码相位及载波多普勒搜索只需2 个伪码周期，大大提高了捕获速度，可以在1 秒内搜索整个GPS、GLONASS 系统的卫星，甚至在几百毫秒内即可完成捕获。

3 结语

总之，随着人类文明的不断进步，科学技术的不断发展，人们在卫星导航方面的研究越来越广泛，卫星导航技术已经全面渗透于人们的日常生活，因此加强对卫星导航技术的研究具有重要的现实意义。基带信号处理是卫星导航系统中的关键环节，会决定卫星导航的功能实现，因此本研究就从接收机捕获算法的角度出发，分析卫星导航接收机基带信号处理的关键技术，以期与广大同行共同交流。