劉榮斌

（中電科衛(wèi)星導(dǎo)航運(yùn)營(yíng)服務(wù)有限公司，河北石家莊，050000）

1 擴(kuò)頻通信的基本原理

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中采用序列擴(kuò)頻工作實(shí)現(xiàn)快速、大幅度的信號(hào)頻譜擴(kuò)展，數(shù)據(jù)信息經(jīng)過信道編碼時(shí)發(fā)射端用偽碼序列對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)頻處理，接收端再用復(fù)制生成的本地偽碼進(jìn)行解擴(kuò)處理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。相比窄帶通信，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用擴(kuò)頻通信技術(shù)可以加寬數(shù)據(jù)信息頻譜的帶寬，提高頻譜利用率，測(cè)距與定時(shí)精確性高，且具有較高的隱蔽性及抗干擾能力。擴(kuò)頻通信的基本原理如下：在衛(wèi)星發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)時(shí)，會(huì)把數(shù)據(jù)碼與測(cè)距碼組成新的組合碼，再將組合碼調(diào)制在高頻載波上發(fā)射實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信。目前CDMA 技術(shù)不斷滲透于民用應(yīng)用移動(dòng)通信，擴(kuò)頻技術(shù)在衛(wèi)星通信、衛(wèi)星導(dǎo)航定位等系統(tǒng)中的作用越來越突出，其中數(shù)字基帶技術(shù)就是核心關(guān)鍵技術(shù)。

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是將基帶信號(hào)的頻譜擴(kuò)展到很寬的頻帶上進(jìn)行傳輸，雖然不符合常規(guī)通信系統(tǒng)壓縮頻帶減小帶寬的高計(jì)原則，但是這種寬帶通信系統(tǒng)經(jīng)過香儂信息論解釋是可行的，且這種設(shè)計(jì)方法提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力及保密性能。常用的通信系統(tǒng)擴(kuò)頻通信方式主要包括序列擴(kuò)頻方式、頻率跳變方式及時(shí)間跳變方式三種，其中序列擴(kuò)頻方式中先對(duì)數(shù)據(jù)信息的信道編碼，數(shù)據(jù)信息與偽噪聲序列相加得到新的組合碼后發(fā)送，衛(wèi)星接收機(jī)天線接收信號(hào)，復(fù)制接收信號(hào)的碼相位后生成本地解擴(kuò)信號(hào)，繼續(xù)運(yùn)算獲取數(shù)據(jù)信息，接收直擴(kuò)通信系統(tǒng)信號(hào)。頻率跳變方式是用帶有數(shù)據(jù)信息的基帶信號(hào)調(diào)制載波并控制載波頻率在規(guī)定的頻帶范圍內(nèi)不規(guī)則跳變，通過一個(gè)靈敏的頻率合成器快速改變載波頻率，頻率合成器產(chǎn)生的頻率間最小值、頻率間隔數(shù)量會(huì)直接影響到擴(kuò)展后頻譜的帶寬。時(shí)間跳變方式就是脈沖調(diào)制發(fā)射機(jī)發(fā)射間隔射頻信號(hào)，由攜帶有數(shù)據(jù)信息的偽噪聲序列控制射頻信號(hào)的發(fā)射。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)基帶信號(hào)處理關(guān)鍵技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行過程中，導(dǎo)航信號(hào)接近地面時(shí)信號(hào)功率會(huì)低于噪聲功率，要通過解擴(kuò)偽碼提高載噪比，以順利跟蹤導(dǎo)航信號(hào)，而捕獲就是解擴(kuò)處理前的關(guān)鍵步驟。因?yàn)閷?dǎo)航系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)時(shí)刻的可見衛(wèi)星是未知的，需要通過搜索GPS衛(wèi)星偽碼和GLONASS 衛(wèi)星頻道號(hào)來確定可見衛(wèi)星；衛(wèi)星與接收機(jī)之間進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需要通過步進(jìn)搜索估計(jì)導(dǎo)航信號(hào)中載波和偽碼存在的多普勒頻率；此外，未知導(dǎo)航衛(wèi)星與接收機(jī)之間距離較遠(yuǎn)，接收機(jī)需要通過滑動(dòng)本地偽碼估計(jì)碼相位差，以確定當(dāng)前時(shí)刻到達(dá)的擴(kuò)頻碼相位。由此可見，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)捕獲的目的就是為了找到可視衛(wèi)星，確定多普勒頻移，確定偽碼相差等。捕獲的方法包括時(shí)域搜索法、循環(huán)相關(guān)捕獲算法、匹配濾波器組結(jié)合循環(huán)捕獲算法等，實(shí)際應(yīng)用過程中要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，捕獲算法的性能分析及實(shí)現(xiàn)手段等確定捕獲方案。

圖1 捕獲跟蹤通道結(jié)構(gòu)圖

■2.1 時(shí)域搜索捕獲算法

在每顆可能存在的導(dǎo)航衛(wèi)星下，在每個(gè)多普勒頻率搜索區(qū)間，時(shí)域搜索捕獲算法主要通過搜索所有不確定的偽碼相位延時(shí)及多普勒頻移確定多普勒頻率范圍及偽碼相位差。在GPS 系統(tǒng)中配置本地偽碼產(chǎn)生模塊，即可生成待捕獲的偽碼類型；配置本地載波產(chǎn)生模塊，即可生成中頻標(biāo)稱頻率的本地載波。在GLONASS 系統(tǒng)中通過配置本地載波產(chǎn)生模塊及本地載波，偽碼產(chǎn)生模塊持續(xù)產(chǎn)生本地偽碼。進(jìn)行1 毫秒相關(guān)積分，結(jié)束后轉(zhuǎn)入捕獲判決，判決有效搜索后通道狀態(tài)轉(zhuǎn)入跟蹤；判決無效搜索則要繼續(xù)下1 毫秋冬相關(guān)積分繼續(xù)捕獲判決，直至相關(guān)積分次數(shù)超過預(yù)定上限，如未捕獲成功則滑動(dòng)本地偽碼相位，繼續(xù)執(zhí)行上述環(huán)節(jié)；如一個(gè)本地偽碼周期調(diào)整完畢后仍未捕獲，則將多普勒搜索區(qū)間滑動(dòng)一步繼續(xù)上述環(huán)節(jié)；如所有多普勒搜索區(qū)間搜索均未成功，則執(zhí)行換星操作并更新GPS 偽碼、GLONASS 頻道，繼續(xù)執(zhí)行上述操作。

圖2 循環(huán)相關(guān)原理圖

當(dāng)然，可以通過并行搜索以提高捕獲效率，并行搜索的方法有多種，一是增加通道數(shù)目，每個(gè)通道中積分器的數(shù)量也會(huì)隨之增加，如果增加3 個(gè)積分器即可提高3 倍的捕獲速度。不過增加通道數(shù)目會(huì)導(dǎo)致FPGA 邏輯資源成本增加，但是捕獲速度提高幅度卻十分有限。還有一種方法就是用FFT 變換搜索多普勒頻率，減少搜索單元，滑動(dòng)本地偽碼與輸入數(shù)據(jù)相乘，剝離輸入信號(hào)中的偽碼，本地偽碼與輸入信號(hào)偽碼相同時(shí)用FFT對(duì)連續(xù)的載波多普勒信號(hào)做頻譜分析，如出現(xiàn)大于預(yù)定功率門限的峰值判決為捕獲成功。相比增加通道數(shù)目，這種用FFT 變換搜索多普勒頻率的方法不僅提高了捕獲效率，且減少了捕獲時(shí)間。不過在FPGA 邏輯中應(yīng)用該方法時(shí)，F(xiàn)FT 模塊會(huì)占用較多的邏輯資源與存儲(chǔ)器資源，受這一因素的制約無法在每個(gè)跟蹤通道配置FFT 模塊，因此為了保證邏輯資源及存儲(chǔ)器資源不被大量占用，通常每個(gè)系統(tǒng)會(huì)配置不超過三個(gè)FFT 模塊，所有通道時(shí)分復(fù)用，但這樣又會(huì)降低捕獲效率，延長(zhǎng)捕獲時(shí)間，無法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)快速捕獲的需求；此外，由于用FFT 變換搜索多普勒頻率的方法是以偽碼滑動(dòng)相關(guān)操作為基礎(chǔ)，而在GPS、GLONASS 系統(tǒng)中偽碼的搜城鄉(xiāng)之間區(qū)間個(gè)料遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于載波多普勒搜索區(qū)間，因此這種方法的捕獲速度并未得到大幅改善，故應(yīng)用普及性也相對(duì)較小。

■2.2 循環(huán)相關(guān)捕獲算法

時(shí)域搜索捕獲算法采用串行搜索碼相位延時(shí)，偽碼的長(zhǎng)度決定了碼相位延時(shí)的長(zhǎng)度，偽碼長(zhǎng)度越長(zhǎng)串行搜索碼相位延時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)，載波多普勒頻移搜索范圍就越小，搜索步進(jìn)數(shù)也會(huì)隨之減少。因此為了減少捕獲時(shí)間，可以考慮采用并行搜索碼相位。

以FFT 為基礎(chǔ)的循環(huán)相關(guān)捕獲法將偽碼周期性的特點(diǎn)充分利用起來，通過循環(huán)卷積的原理實(shí)現(xiàn)偽碼相位的并行搜索，大大提高了捕獲效率，且該算法通過比較IFFT 的輸出結(jié)果與門限制來進(jìn)行比較判決，大大減少了計(jì)算過程中的運(yùn)算量，實(shí)現(xiàn)快速捕獲的功能需求。FPGA 為減少數(shù)據(jù)量，減少資源消耗，采用抽取濾波降低采樣率的方法，每個(gè)系統(tǒng)使用一個(gè)FFT 模塊時(shí)分復(fù)用，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)通過時(shí)分復(fù)用完成算法流程中的FFT 計(jì)算，減少邏輯資源與存儲(chǔ)器資源占用比，算法實(shí)現(xiàn)更加容易。

■2.3 匹配濾波器組結(jié)合FFT 捕獲算法

除上述兩種方法外，匹配濾波器組結(jié)合口FFT 捕獲算法也是一種快速捕獲方法，該方法中一個(gè)周期的本地偽碼保持不變，將一個(gè)偽碼周期采樣點(diǎn)與本地偽碼分成N 段，輸入一個(gè)數(shù)字信號(hào)采樣點(diǎn)會(huì)進(jìn)行一次部分匹配濾波，再將部分匹配濾波器組的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行N 點(diǎn)的FFT 變換，輸入信號(hào)的偽碼與本地偽碼相位不超過半個(gè)碼片時(shí)，輸入信號(hào)的載波區(qū)趨于連續(xù)，對(duì)此時(shí)進(jìn)行FFT 變換即會(huì)出現(xiàn)明顯的峰值，即上文中提到的載波多普勒殘余頻率估計(jì)值，最終確定偽碼相位及載波多普率頻率。利用匹配濾波器組結(jié)合FFT 捕獲算法，完成一顆衛(wèi)星的偽碼相位及載波多普勒搜索只需2 個(gè)偽碼周期，大大提高了捕獲速度，可以在1 秒內(nèi)搜索整個(gè)GPS、GLONASS 系統(tǒng)的衛(wèi)星，甚至在幾百毫秒內(nèi)即可完成捕獲。

3 結(jié)語

總之，隨著人類文明的不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?cè)谛l(wèi)星導(dǎo)航方面的研究越來越廣泛，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)全面滲透于人們的日常生活，因此加強(qiáng)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?；鶐盘?hào)處理是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，會(huì)決定衛(wèi)星導(dǎo)航的功能實(shí)現(xiàn)，因此本研究就從接收機(jī)捕獲算法的角度出發(fā)，分析衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)基帶信號(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)，以期與廣大同行共同交流。