GPS L2頻率P（Y）碼跟蹤及FPGA實(shí)現(xiàn)

連 潔，伍蔡倫

（河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北石家莊050081）

0 引言

由于電離層折射引起的偽碼群延遲與載頻的平方成反比，利用GSP衛(wèi)星在主頻率L1（1575.42MHz）和次頻率L2（1227.6MHz）2個(gè)載波頻率上發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)之間的群延遲的不同，可以精確地估算出L1信號(hào)群延遲的大小，加以消除從而提高其偽距測量精度。為了測量信號(hào)的群延遲差，必須同時(shí)跟蹤2個(gè)載頻的PRN碼。L1頻率信號(hào)由C/A碼和P（Y）碼2個(gè)PRN碼調(diào)制。L2頻率信號(hào)均有P（Y）碼調(diào)制，只有少數(shù)衛(wèi)星L2頻率信號(hào)有C/A碼調(diào)制。軍用P（Y）碼是保密的，這就是只有軍用用戶與才能消除電離層誤差的原因。因此，對(duì)GPS L2頻率P（Y）碼的載波跟蹤顯得尤為重要。本文提供了P碼復(fù)現(xiàn)，L1輔助L2進(jìn)行P碼載波跟蹤等關(guān)鍵技術(shù)的解決方案，并在FPGA中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證。

1 L2頻率P（Y）碼跟蹤基本原理

P（Y）碼是由P碼和W碼模2加而成。P碼是公開已知的，W碼未知，其速率約為500kHz。P（Y）碼信號(hào)的接收，通常有2種方法:無碼和半無碼技術(shù)。無碼技術(shù)是指在對(duì)P碼未知條件下利用平方法恢復(fù)L2載波信號(hào)。無碼技術(shù)的平方損耗較大，增加了接收機(jī)環(huán)路的均方根相位誤差，從而使L2載頻連續(xù)波信號(hào)的跳周概率上升，不適于做一般定位使用。而半無碼技術(shù)是利用一些P碼特性以恢復(fù)L2載波信號(hào)。平方損耗相較于無碼技術(shù)可降低3～20dB以上，半無碼技術(shù)是主流雙頻接收機(jī)常采用的方法。

GPS C/A碼序列長度為1023bit，碼片速率為1.023mHz，是粗精度民用碼。C/A碼的生成方式也是公開的。GPS L1頻率的C/A碼是可以跟蹤并解調(diào)出電文信息。對(duì)于同一顆衛(wèi)星中L1和L2頻率使用的P碼序列是相同的。利用L1 C/A碼已知的時(shí)間信息和載波跟蹤環(huán)調(diào)整量等信息可以有效地輔助L2頻率的P（Y）碼的捕獲跟蹤。由于電離層延遲的影響，L2頻率的P（Y）碼序列與L1的P（Y）碼序列有一定的時(shí)間延遲。由文獻(xiàn)[1]可知，電離層延遲不超過150m，即延遲不超過P碼的6個(gè)碼片。在W碼的間隔內(nèi)進(jìn)行相關(guān)積累，利用L1的P（Y）碼的積累進(jìn)行W碼的消除，延長積分時(shí)間。即可獲得L2頻率P（Y）碼的相關(guān)積累最大值。利用載波跟蹤環(huán)路進(jìn)行跟蹤，即可獲得載波跟蹤的相位信息，實(shí)現(xiàn)P（Y）碼的載波跟蹤。在此之中，復(fù)現(xiàn)任意時(shí)刻的P碼序列、消除W碼和捕獲跟蹤流程是其中的關(guān)鍵技術(shù)。

2 L2頻率P碼復(fù)現(xiàn)

2.1 P碼產(chǎn)生原理

P碼是復(fù)雜的偽隨機(jī)噪聲（PRN）碼，序列長度為2.354 695 927 65 ×1014，碼速率為10.23mHz，碼周期為266.41天，即38.058星期。在實(shí)際應(yīng)用中，每顆衛(wèi)星使用P碼的一星期長的碼元作為自己的擴(kuò)頻序列，故每個(gè)序列長度是6.187 104×1012。

P碼的生成可參考ICD-GPS-200C[2]，在此簡述一下P碼的產(chǎn)生原理。P碼生成主要由4個(gè)12級(jí)線性反饋移位寄存器（X1A，X1B，X2A，X2B）構(gòu)成，系統(tǒng)時(shí)鐘為10.23mHz。

P碼的4個(gè)移位寄存器其自然周期為4095，均做截?cái)嗖凑找欢ǖ囊?guī)律周期運(yùn)行。X1A和X1B被截短為4092個(gè)碼片（chip）一個(gè)周期（cycle），X2A和X2B被截短為4093個(gè)碼片一個(gè)周期。X1序列按如下規(guī)律運(yùn)行。X1A按其4092個(gè)碼片為1cycle，運(yùn)行整3750個(gè)cycle。X1B按4093個(gè)碼片為1cycle，運(yùn)行完成其自身的3749個(gè)cycle，然后停止推送待X1A運(yùn)行完結(jié)后一同復(fù)位重新開始。X1B在完成其3749個(gè)cycle后，需停止推送343個(gè)碼鐘（3750×4092－3749×4093=343），便載入初相重新運(yùn)轉(zhuǎn)。

同樣，X2序列中X2A和X2B的時(shí)序關(guān)系與X1序列中X1A和X1B的規(guī)律一樣，只是X2A到一個(gè)3750cyle結(jié)束時(shí)，X2A和X2B同時(shí)停止推送，待37個(gè)碼片時(shí)鐘后重新開始啟動(dòng)。即X2A需停止推送37個(gè)碼鐘，X2B需停止343+37個(gè)碼鐘，再重新載入各自的初相重新運(yùn)轉(zhuǎn)。X2由X2A和X2B異或而得，X1由X1A和X1B異或而得。X1和X2序列異或得出P碼序列。每顆衛(wèi)星只用該序列的一個(gè)星期。在X2序列的輸出位置使用移位寄存器來對(duì)X2序列進(jìn)行i個(gè)碼片（i的范圍從1～37）的延遲，就形成了37種不同的P碼序列。

2.2 P碼發(fā)生器的FPGA實(shí)現(xiàn)

要想復(fù)現(xiàn)任意時(shí)刻的P碼，必須知道該時(shí)刻4個(gè)寄存器的初相。然而任意時(shí)刻初相的推算較為復(fù)雜。為了滿足接收機(jī)的需要并且簡化設(shè)計(jì)，利用復(fù)位時(shí)的初相和序列的相對(duì)關(guān)系，把P碼產(chǎn)生器簡化為給定一周（7天）內(nèi)任意第N個(gè)1.5s（第N個(gè)Zcnt），生成該時(shí)刻的P碼。

由P碼的生成原理可知，X1和X2序列中，只有X1A序列以固定周期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，沒有被停止推送。X1B、X2A和X2B以X1A為基準(zhǔn)，均有相應(yīng)的停止推送、等待復(fù)位的時(shí)序。

將X1A的3750個(gè)cycle的計(jì)數(shù)為1個(gè)Z計(jì)數(shù)（Zcnt），以X1A作為時(shí)序的標(biāo)尺，有如下關(guān)系:

即X1A正常運(yùn)行，得出Zcnt同步標(biāo)志和整周復(fù)位標(biāo)志;X1B在每一個(gè)Zcnt的起始與X1A同步一次（X1為主序列，一直維持自同步）;X2序列在一個(gè)整周的起始與X1A同步一次（X2被X1序列同步）;X2B在每個(gè)X2 Zcnt（1個(gè)Zcnt+37chips）與X2A同步一次（X2序列自同步）。

FPGA實(shí)現(xiàn)任意時(shí)刻P碼的生成時(shí)，為避免復(fù)雜的運(yùn)算，均以4個(gè)序列的相對(duì)時(shí)序來推送碼生成。設(shè)計(jì)主要分為4個(gè)模塊，即引導(dǎo)時(shí)刻換算模塊、X1序列時(shí)序產(chǎn)生模塊、X2序列時(shí)序產(chǎn)生模塊和P碼多項(xiàng)式偽碼產(chǎn)生器。

引導(dǎo)時(shí)刻換算模塊，將Zcnt計(jì)數(shù)換算為X1序列和X2序列的啟動(dòng)順序脈沖。X2序列比X1序列延時(shí)（Zcnt－1）*37個(gè)碼鐘。令2個(gè)序列均從初相開始運(yùn)行。X1序列時(shí)序產(chǎn)生模塊，從啟動(dòng)開始，X1A按規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)，X1B按照X1A的對(duì)應(yīng)時(shí)序運(yùn)轉(zhuǎn)。輸出兩序列的置入初相和X1B的停止等待信號(hào)。X2序列時(shí)序產(chǎn)生模塊中，X2A和X2B也同時(shí)從啟動(dòng)脈沖開始計(jì)數(shù)運(yùn)轉(zhuǎn)，生成相應(yīng)的重置初相和停止等待信號(hào)。全部信號(hào)時(shí)序具備，輸入P碼產(chǎn)生器中，按生成多項(xiàng)式移位運(yùn)算，重置信號(hào)到來時(shí)，置入對(duì)應(yīng)序列的初相;停止等待信號(hào)到來時(shí)，對(duì)應(yīng)的移位寄存器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。該P(yáng)碼產(chǎn)生器，已在FPGA中實(shí)現(xiàn)并經(jīng)過驗(yàn)證，圖1為GPS1號(hào)衛(wèi)星，在Zcnt=40313時(shí)刻，生成的P碼。X1_pn為X1序列偽碼，X2_pn為X2序列偽碼。

圖1 硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)連接框圖

3 跟蹤處理流程

跟蹤處理流程如圖2所示。

圖2L2 P（Y）跟蹤處理流程圖

用本地復(fù)現(xiàn)的載波進(jìn)行下變頻后，形成同相I和正交相Q兩條支路。I和Q信號(hào)分別與并行的超前、即時(shí)、滯后的復(fù)現(xiàn)碼進(jìn)行相關(guān)。由于L2頻率P碼延遲不超過6個(gè)碼片。L2頻率P碼的并行支路需覆蓋整個(gè)延遲范圍。產(chǎn)生超前L1頻率的P碼2個(gè)碼片的L2頻率P碼。以半碼片作為相關(guān)間隔，向后搜索8個(gè)碼片的范圍。在文獻(xiàn)[3]中，給出了W碼的周期。W碼頻度為0.511MHz和0.465MHz交替發(fā)生，20個(gè)P碼為一個(gè)W碼，持續(xù)11個(gè)W碼，后面為22個(gè)P碼為一個(gè)W碼，持續(xù)21個(gè)此周期的W碼。兩個(gè)周期的W碼合并為一個(gè)H周期，15個(gè)H周期為1ms。由此可知，P碼的相關(guān)積累可在一個(gè)W碼內(nèi)進(jìn)行。L1信號(hào)的處理與L2信號(hào)的處理相同，均做W碼內(nèi)的P碼相關(guān)積累。取L1的W碼的符號(hào)位，與L2的相關(guān)積累值相乘，消除W碼，擴(kuò)大P碼的相關(guān)積累范圍，有效延長了預(yù)檢測積分的時(shí)間。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了時(shí)長1ms的相關(guān)積累。搜索到相關(guān)峰值，判斷門限。將相關(guān)積累值，送入跟蹤環(huán)路。捕獲跟蹤環(huán)路的處理可以復(fù)用L1信號(hào)的處理流程。碼發(fā)生器由碼環(huán)NCO，由接收機(jī)的碼跟蹤環(huán)控制。使用載波跟蹤環(huán)路控制。當(dāng)相位鎖定時(shí)，I信號(hào)最大，而Q支路只含有噪聲。由于L2 P（Y）本身比L1 P（Y）信號(hào)弱3dB，再加上平方損失，L2 P（Y）環(huán)路的跟蹤比較脆弱，所以加入了失鎖重捕機(jī)制。若載噪比低于一定門限，認(rèn)為L2 P（Y）碼跟蹤失鎖。由L1的C/A碼重新進(jìn)行時(shí)間引導(dǎo)，并將當(dāng)前Doppler頻偏信息，置入L2 P（Y）跟蹤支路。

4 試驗(yàn)方法及結(jié)果

將P碼生成模塊嵌入GPS L1和L2雙頻接收機(jī)中，用思博倫信號(hào)模擬器模擬GPS衛(wèi)星的發(fā)射信號(hào)。將雙頻信號(hào)接入雙頻接收機(jī)中。從L1的C/A碼電文中可以解出當(dāng)前P碼的時(shí)刻。將時(shí)間置入P碼生成模塊，已知固定延時(shí)關(guān)系，P碼生成模塊可以生成出與L1頻率C/A碼碼片級(jí)對(duì)齊的P碼。在環(huán)路跟蹤程序段中，存取I和Q支路的相關(guān)積累值做圖，如圖3所示。環(huán)路穩(wěn)定后，上一條曲線為I支路積累值，下面為Q支路積累值。I支路為信號(hào)能量，Q支路為噪聲能量，表明FPGA實(shí)現(xiàn)的L2 P（Y）碼可以跟蹤鎖定。此時(shí)，L2 P（Y）載噪比為34.27dBHz，L1載噪比為43.12dBHz。兩者相差8.85dBHz。

圖3 I和Q支路各自的相關(guān)積累值

5 結(jié)束語

基于半無碼技術(shù)跟蹤L2 P（Y）碼的方法，研究并解決了P碼復(fù)現(xiàn)和消除W碼延長積分時(shí)間等關(guān)鍵技術(shù)。以跟蹤L1頻率中C/A碼和P（Y）碼得出的相關(guān)量輔助L2 P（Y）碼的捕獲跟蹤。為了增加環(huán)路的工作穩(wěn)定性，加入了失鎖重捕機(jī)制。階段性成果均在FPGA中實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在工程中實(shí)現(xiàn)了跟蹤L2頻率P（Y）碼。

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