基于PC的GPS軟件接收機關鍵技術研究與實現＊

唐琳琳 曾慶喜 王 慶 陳小惠

（1.南京航空航天大學車輛電子實驗室 南京 210016）（2.東南大學儀器科學與工程學院 南京 210096）（3.南京郵電大學自動化學院 南京 210046）

1 引言

由于GPS軟件接收機能解決目前傳統接收機在多信號融合、高靈敏度、高精度、抗干擾和多路徑抑制等方面存在的問題，具有配置靈活，精度高，易于升級等優點［1］，是未來衛星定位接收機的發展方向。嵌入式軟件接收機的實現大部分是基于DSP＋FPGA 方法而實現的，這種方法雖然替代了傳統的專用導航芯片，但是其靈活性仍然受到很大限制，而且對FPGA的開發調試也是一個比較復雜的過程。然而基于PC的GPS軟件接收機的設計平臺更穩定、代碼開發和測試環境更友好。在軟件接收機進入嵌入式調試之前，開發基于PC的GPS軟件接收機能夠使得開發人員將更多的精力集中在算法的設計上，從而加快嵌入式軟件接收機開發的進程。因此，本文提出一種基于PC的GPS軟件接收機設計方法，其中重點介紹了中頻信號采樣器的設計、捕獲和跟蹤的算法，并對信號處理軟件進行了設計，最后對本文所設計的軟件接收機的定位性能進行了測試。

圖1 基于PC的GPS軟件接收機結構

2 系統總體設計

本文所設計的基于PC的軟件接收機系統的總體結構見圖1所示，由三個部分組成：天線、中頻信號采樣器和基于PC的軟件。天線采集射頻信號發送給中頻信號采樣器。然后，中頻信號采樣器對信號進行放大、濾波、下變頻、A／D采樣和緩沖等處理。接著，由USB2.0 接口將處理好的數據發送給PC 機，在PC 機上進行基帶信號處理以及位置解算。最后，將解算出的定位結果發送到PC 機界面。

3 中頻信號采樣器設計

為了將天線接收到的衛星信號輸入PC 機，必須設計好射頻前端與PC 機的數據接口，以保證中頻采樣數據在實時傳輸的過程中不丟失或出現錯誤。而GPS中頻信號采樣器是實現GPS天線和PC機之間的信號轉換和傳輸的必備儀器。本文設計了一種基于GP2015射頻前端芯片和CYC68013［2］USB2.0芯片的GPS中頻信號采樣器。中頻信號采樣器的總體結構，如圖2所示。

圖2 中頻信號采樣器結構

在上圖中，采用ZARLINK 公司的GP2015 射頻前端芯片及相關外圍元件接收衛星信號，實現信號的放大、濾波、下變頻和模數轉換。射頻前端輸出的數字信號被輸入到EP2C20FPGA 芯片，FPGA 將信號由串行轉為16位寬度的并行數據并被送入緩沖，接著FPGA 檢測USB接口芯片CY7C68013的端口FIFO 狀態，根據狀態將緩沖中的數據送入USB芯片，由CY7C68013將數據送上與PC機連接的USB串行總線。PC機的上位機程序完成GPS數據的接收和存儲，同時檢測用戶的命令輸入。

4 信號的捕獲和跟蹤

4.1 信號的捕獲

信號捕獲的目的是確定接收機當前所在位置的可見衛星信號，進而計算出可見衛星的載波頻率和偽隨機碼相位信息。GPS信號捕獲實際上是一個兩維的搜索過程，碼相位的模糊區域與本地的復制碼相聯系，而多普勒范圍與本地的復制載波相聯系［3］。

本文采用碼相位并行捕獲方法來捕獲信號［3～4］。這種算法的原理如圖3所示。

圖3 碼相位并行捕獲算法

在基于FFT的計算中，對一個指定的載波頻率一次計算出所有的碼相位的互相關結果。這種方法的基本原理是時域的相關與卷積在頻域上相似［5］。長度為N的信號x（n）通過DFT 在頻域表示為

信號x（n）和另一個長度也為N的信號y（n）相關的時域表示為

信號x（n）和信號y（n）相關的頻域表示為

兩個信號x（n）和y（n）卷積的時域表示為

兩個信號x（n）和y（n）相關的頻域表示為

從式（3）和式（5）可以看出，兩個信號的相關運算和卷積運算在頻域上是基本一致的，只是其中一個信號互為共軛而已。所以能夠用FFT 和IFFT的方法來代替時域的信號相關。通過FFT 和IFFT的方法，所有碼相位上的相關值能在一個FFT 操作中計算出來，能大大減少計算量。

圖3具體實現方法是：首先，對輸入的中頻信號進行FFT 和共軛處理。然后，對本地C／A 碼發生器產生的C／A碼被本地載波調制之后的信號也做FFT。接著，將上述兩個FFT 所得到的結果進行復數相乘，并對得到同相（I）和正交（Q）兩路信號進行傅立葉反變換（IFFT）。觀察所得到的結果，將其中模最大的那個和預先設定的門限值比較，如果大于門限，則表明信號已經被捕獲到，這時接收機可以進一步轉換到跟蹤環路。如果小于門限，則表明沒有捕獲到信號，這時更換多普勒頻率重復上述過程，一直到能夠獲得信號為止。

4.2 信號跟蹤

信號跟蹤的目的是提高所捕獲到的C／A 碼的相位和載波頻率的精度，并在信號隨著時間變化的時候保持接收機本地復制信號與輸入信號的準確同步，進而去除信號中的載波和偽隨機碼得到導航數據信息。所以，GPS信號的跟蹤通常包括兩個環路：偽碼跟蹤環和載波跟蹤環。

設中頻信號被采樣之后的表示為

其中Ck（n）是第k號衛星的C／A 碼序列，Dk（n）是導航數據序列，ωIF是射頻前端接收到的衛星信號載波經過下變頻之后得到的中頻，e（n）是信號中的噪聲。

yk（n）與本地的載波信號相乘之后為

上式中第一項是導航數據與偽碼相乘的結果，第二項是頻率為兩倍的中頻的載波，信號z（n）k經過低通濾波器之后的信號表示為

下一步是從信號中去除偽碼Ck（n），通過與本地產生的C／A 碼序列相乘，如果兩個碼的相位完全對準之后，相乘的結果為

其中NDk（n）是導航數據乘以信號的點數N。從上面的推導可以看出，為了解調出數據碼Dk（n），必須產生本地信號cos（ωIFn）和Ck（n），為了精確地產生這兩個本地信號，通常采用延遲鎖環DLL（Delay Lock Loop）和COSTAS 環對C／A碼和載波進行跟蹤，結構如圖4和圖5所示。

圖4 六相關器DLL結構

圖5 COSTAS環結構

圖4中相乘累加的結果被送入碼環鑒相器進行計算，計算結果作為控制信號反饋到本地碼發生器控制本地C／A碼的產生，從而實現碼跟蹤環路。

圖5中的COSTAS環的目的是盡量將信號的能量壓縮到同相支路中。假定上圖中的復制PRN 碼是完全對準的情況，同相支路的相乘結果可以表示為

其中φ是輸入信號和本地復制信號之間的相位誤差。正交支路的乘積可以表示如下

如果這兩個信號在乘積之后被低通濾波，高頻成分將被濾除，剩下的部分可以表示為

輸入信號和本地復制信號之間的相位誤差表示如下：

從上式不難看出，當正交支路的相關值Qk為0，而同相支路的相關值最大的時候，相位誤差是最小的。

實際上基于PC機的軟件接收機設計的大部分運算量集中在信號處理部分，而信號的捕獲和跟蹤中占絕大部分運算量的是軟件相關器模塊［6］。因此，要提高軟件接收機的處理速度，關鍵在于提高信號處理部分的軟件相關器的運行速度。下面簡單介紹一下軟件相關器。

GPS的軟件相關器是信號跟蹤處理中必不可少的部分，它需要完成三個任務［7］：1）用估計的載波多普勒頻移和載波相位把信號混頻到基帶，即解調過程；2）用估計的碼相位和碼率將基帶信號與本地復制的C／A 碼進行混頻，即解擴過程；3）它將解調和解擴之后的信號進行累加。軟件相關器的運算量主要集中在本地載波的生成、C／A 碼的生成、相關累加的乘加運算這三個模塊。因為采用基于PC的程序實時生成本地信號的運算量太大，不利于軟件接收機實時性的提高，所以，為了降低運算量事先將本地信號生成并存入存儲器。然后，在運算的過程中通過查表的辦法來代替信號的實時產生。而對于跟蹤過程的相關累加運算則轉化為位運算和查表來實現。

5 軟件設計與定位性能分析

5.1 中頻信號采樣器的設計

本文研制的基于PC的軟件接收機總體實物如圖6所示。圖中主要包括天線、中頻信號采樣器和PC機。

為了說明本文所設計的中頻信號采樣器采集數據的正確性，將其與東南大學伽利略中心的高精度測量型接收機S6532A 作比較。將本文設計的中頻信號采樣器與S6532A 接收機一起同時接收GPS衛星信號。對采集到的數據計算之后，兩種設備捕獲的衛星號對比如表1所示。

圖6 軟件接收機總體實物圖

表1 兩種設備捕獲到的衛星信號參數

利用表1中捕獲得到的多普勒頻移、C／A 碼相位延遲等相關參數對跟蹤環進行初始化，可以正確地轉入跟蹤信號跟蹤程序，說明捕獲得到的載波多普勒頻移和碼初始相位的精度基本能滿足跟蹤環初始化的需求。實驗結果說明，中頻信號采樣器工作正常，從而保證了中頻采樣數據的正確性，將可靠的信號送入PC機中。

5.2 信號處理軟件設計

PC上的軟件在VC＋＋平臺上編寫。軟件主要包括：碼相位并行捕獲、信號跟蹤、位置計算三個模塊。圖7是基于PC的GPS軟件接收機總體流程圖。

圖7 基于PC的GPS軟件接收機總體流程

捕獲部分利用基于FFT的并行碼相位搜索算法，跟蹤部分利用捕獲得到的信號參數初始化跟蹤通道，接著跟蹤不斷地從緩存讀入數據進行處理。本地產生同相和正交的本地信號，與輸入信號進行相關。接著進行環路鑒相和濾波并更新本地的碼和載波頻率。對所有存在衛星信號的通道進行相同的處理。圖8是位置計算流程圖。首先，找到數據比特邊緣和preamble字的位置，獲得數據比特值，然后解碼出星歷，接著進行偽距和位置計算，最后保存定位的結果。

圖8 位置計算流程

5.3 軟件接收機的定位性能分析

圖9 水平位置定位結果

圖10 東西方向定位誤差

圖11 南北方向定位誤差

圖12 高程定位誤差

為了測試本文所設計GPS軟件接收機的定位精度，以文中提到的S6532A 接收機定位的結果為參考點，參考點的經度為118.787366335°，緯度為32.058789722°，高程為8.423m。水平位置定位誤差如圖9所示，圖中圓圈位置是參考點，＋位置為軟件接收機定位點；圖10～圖12是軟件接收機的定位誤差與定位時間的關系圖，因為每500ms計算一次位置，所以，圖中橫軸的單位是500ms。從圖9中可以看出，軟件接收機計算的位置偏離參考位置較遠。圖10可看出，東西方向的位置偏移在±200m 左右。圖11可看出，南北方向的位置偏移在±50m 左右。圖12可看出，高程的偏離范圍在800m 左右。

定位部分的算法設計沒有考慮到星歷預報誤差、電離層時延誤差、對流層時延誤差、多路徑誤差和其他的一些相關誤差。這些因素導致本軟件接收機定位的位置與參考點偏差較遠，從上面幾個圖也可看出。但是，定位的平均位置是接近參考點的，這說明軟件接收機定位基本正常。

6 結語

本文提出了一種基于PC的GPS 軟件接收機設計方法。首先介紹了基于GP2015芯片和USB 2.0接口的中頻信號采樣器設計方法。然后，介紹了基帶信號的捕獲和跟蹤算法，并對軟件相關器進行了簡單介紹。隨后對本文所提出的軟件接收機進行了測試和分析。實驗的結果表明，中頻信號采樣器能實時采集并通過USB將數據傳輸到PC機上，可以滿足軟件接收機的要求。基于PC的軟件部分能正確地得到定位。同時軟件接收機的信號處理軟件能實現四通道實時跟蹤。

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