一種基于GPS C/A碼引導的P碼捕獲方法

劉憲陽，崔鶴，郝云霞

（1.航天恒星科技有限公司，北京　102209；2.航天恒星科技有限公司，天津　300450）

一種基于GPS C/A碼引導的P碼捕獲方法

劉憲陽1，崔鶴2，郝云霞2

（1.航天恒星科技有限公司，北京102209；2.航天恒星科技有限公司，天津300450）

針對GPS系統P碼（Precision Code）信號多普勒頻移大、碼周期長和速率高的特點帶來的捕獲慢且資源消耗較多的問題，提出了一種新的基于GPS C/A（Coarse/Acquisition Code）碼引導P碼捕獲的方法。系統首先完成C/A碼捕獲，然后向新型P碼發生器置入引導信號zv-set，在接下來的第1個1.5s碼周跳變沿對V1和V2置入計數初值；在碼同步信號的驅動下，V1和V2進行循環計數，等到V2=0時，P碼碼值正確，返回引導完成標志。通過仿真分析，該方法資源占用率減少了50%。結果表明該方法可有效避免繁瑣的運算，適用于星載GPS雙頻導航接收機設計。

導航；精密測距碼；粗測距碼；捕獲；引導

隨著人類活動探索范圍的擴大和科技水平的提高，衛星導航系統已成為信息體系的重要基礎設施，成為直接關系到國計民生的關鍵性技術支撐系統。目前世界上應用最廣泛的是GPS接收機，GPS衛星同時發射L1、L2兩路擴頻信號，載波的中心頻率分別為1575.42MHz、1227.60MHz。L1載波上調制導航電文、C/A碼和P碼，L2載波上調制導航電文、P碼和C碼。其中民用GPS接收機通常只能利用L1載波上的C/A碼，軍用GPS接收機C/A碼和P碼的應用都比較廣泛。

GPS P碼實際周期為38星期，衛星信號中調制的是截短碼，碼周期為7天，碼速率為10.23Mcps。與C/A碼相比，P碼具有相對較短的碼寬和較長的周期，因而GPS接收機通常能更精確地測量P碼相位，P碼的定位精度更高。但由于P碼周期很長，如果GPS接收機通過相關運算來逐個依次地搜索接收信號中P碼的碼相位，則搜索、捕獲P碼信號將會需要很長時間。傳統復現P碼的方式為L1C/A碼捕獲完成時，利用已知C/A碼的碼相位，通過一系列復雜運算計算出P碼的碼相位。大量的運算操作造成了大量邏輯資源的消耗，同時使得器件的運行頻率受到限制，具有一定的局限性［2］。

C/A碼是碼長為1023的偽隨機碼。與P碼相比，C/A碼的碼長短、速率低、易于捕獲。同時，在衛星的偽碼生成電路控制下，每個GPS星歷的開始時刻，它的第一個P碼碼片的產生與它的第一個C/A碼碼片的產生在時間上正好重合。利用C/A碼和P碼固有的相位關系，本文提出一種新的基于碼周末尾時刻C/A碼引導的P碼捕獲方法。經仿真驗證和工程實現，此方法能較快地捕獲P碼，占用資源較少，對于星載導航接收機的設計以及研究我國的衛星定位系統具有重要的指導意義。

1　GPS導航系統測距碼

1.1碼

基于碼分多址的GPS信號上存在著C/A碼和P碼兩種測距碼，且兩種碼都具有良好的自相關和互相關性能。接收機捕獲偽碼的方式是通過對所接收到的衛星信號與接收機內部所復制的偽碼進行相關運算，檢測自相關函數的峰值，從而判斷對偽碼的正確捕獲。

C/A碼周期為1ms，碼長為1023個碼片，碼速率為1.023Mcps。P碼周期為7天，碼率為10.23Mcps，同C/A相比P碼具有更長的碼周期，且碼的長度也更長。采用捕獲C/A碼的策略對P碼進行捕獲顯然會花費很長的時間，不利于接收機對導航信號的接收［1］。

1.2P碼產生原理

如圖1所示，PRN編號為i的衛星上所產生的P 碼P1是碼率同為10.23Mcps的序列X1與序列X2i的模2和（二進制異或加法）。其中序列X1的周期為1.5s，長15345000（即1.5s x 10.23Mcps）碼片，而序列X2i是長為15345037的序列X2的平移等價碼。序列X1包括碼元地址計數器X1A、X1B，序列X2包括碼元地址計數器X2A、X2B。其中X1A和X2A的計數范圍為0～4091，X1B和X2B的計數范圍為0～4092。

圖1　GPS P碼設定器和碼發生器方框圖

在每個GPS星期的開始時刻，P碼發生器中的各個寄存器值均被重新初始化，并產生序列X1和P碼第一個碼片的起始沿。我們將序列X1的每一個周期的起始沿稱為一個X1歷元，可見兩個相鄰X1歷元之間相隔1.5s。之所以強調P碼發生器中的X1歷元，是由于X1歷元對于GPS衛星上各個偽碼發生器的同步運行起著極為重要的作用。實際上，C/ A碼發生器的運行以X1歷元作為同步信號，稍具體地說，C/A碼發生器中的各個寄存器在X1歷元被初始化。這使得在同一顆衛星上P碼第一個碼片的起始沿與C/A碼第一個碼片的起始沿在時間上正好重合。

2　P碼捕獲算法的研究

圖2　P碼碼址計算機制

2.1引導原理

工程實現時，傳統的基于C/A碼引導的P碼捕獲方法中耗用資源量最大的是“查找表地址產生器”，即從zv計數計算4個查找表地址的工作，如圖2所示。圖中用L1C/A碼的cycle和chip計算V1（X1序列碼片計數），V1=（cycle×1023+chip）×10。用V1分別去除4092、4093，得到商和余數，求得X1A、X1B地址；用V2（X2序列碼片計數）分別去除4092、4093，得到商和余數，求得X2A、X2B地址。大量的運算操作造成了大量邏輯資源的消耗，且除法器采用多個clk實現，使得芯片的運行頻率受到限制［4］。

本文中改進后的P碼生成原理及內部結構如圖3所示，實現步驟如下：

（1）當L1C/A碼完成捕獲時，對P碼發生器模塊置入此時L1C/A碼中得到的1.5s碼周Z-in計數（計數范圍0～403199）。等待最近的1.5s碼周跳變沿，對V1和V2進行置數。由于此時在1.5s邊沿上，所以V1=0，而V2則用計算產生：V2=15345037-Z-in ×37；

（2）在“碼同步信號”的驅動下V1進行0～15344999計數，V2進行0～15345036計數。計數器計滿后分別輸出復位信號給X1A、X1B、X2A、X2B碼表地址計數器進行復位；

（3）碼表地址計數器X1A、X2A進行0～4091計數，X1B、X2B進行0～4092計數，計數狀態值即為碼表地址。查表得X1A、X1B、X2A、X2B的值，并對X1A、X1B和X2A、X2B分別進行模2和操作，得到X1序列值和X2序列值；

（4）根據置入的不同衛星號，對X2序列值進行延遲并在“半碼片同步信號”驅動下與X1序列值異或相加，得到超前支路P碼碼值，對超前支路P碼序列進行延遲，分別得到“即時、滯后”兩路P碼碼片，相關間距為1/2P碼碼片長度。

圖3　P碼生成原理示意圖

2.2引導時序

本文闡述的基于碼周末尾時刻GPS C/A碼引導的P碼捕獲方法的引導時序如圖4所示。當L1C/ A碼捕獲完成后向P碼發生器置入引導信號zv-set，等待接下來的第1個1.5s碼周跳變沿，對V1和V2進行初始化。在碼同步信號的驅動下，V1和V2進行循環計數，等到V2=0時，P碼碼值正確，返回引導完成標志，開展碼搜索操作。

圖4　GPS C/A碼引導的P碼捕獲方法時序圖

2.3捕獲算法仿真驗證

圖5所示為C/A碼引導P碼產生的modelsim仿真圖。完成對C/A的捕獲跟蹤后，給FPGA的zv-set-i置高電平同時引導信號有效標志zv-set-flag變為高電平。當遇到第一個Z計數跳變沿時，zv-set-flag變為低電平，開始對P碼進行引導，直至v2-cnt為0時，P碼輸出正確。

圖5　C/A碼引導P碼產生標志

通過圖6和圖7仿真可知，基于GPS C/A碼引導產生的P碼具有良好的自相關特性。圖7中副峰幅度僅為主峰的1/5，不會影響對P碼捕獲的判決。

圖6　碼片數50的P碼自相關運算仿真圖

圖7　整周P碼自相關運算仿真圖

2.4與傳統P碼捕獲方法結果對比

工程應用中使用FPGA對改進后的P碼捕獲方法及傳統的引導方案分別進行實現。FPGA芯片面積資源占用對比結果如下表所示。

表1　單個P碼發生器資源比對

本文驗證過程中使用的綜合器為XST-v12.3，目標器件為XC4VSX55。

（1）從綜合出的結果可見，新P碼發生器的LUT、FF使用量均降低了一半。

（2）由于完全去掉了多個時鐘才能完成一次數據處理的÷4092、÷4093除法器，本方案的FPGA時鐘運行頻率不再受約束，也無需采用多時鐘域信號處理方式DCM提高內部時鐘頻率，有利于后續低頻、低功耗星載型號應用。

（3）本方案的偽碼引導與地址生成方式，天然的支持采用4組線性反饋移位寄存器來產生L1P、L2P偽碼。在星載FPGA轉ASIC時，面對ASIC面積資源尤其是RAM資源嚴重受限的情況，將每個P碼發生器的4個4096×1的RAM方便的替換成反饋移位寄存器，將極大節約ASIC芯片面積。

3　結論

本文從GPS C/A碼和P碼在碼周結束時刻的相位關系的角度出發，提出了一種基于GPS C/A碼引導P碼的捕獲方法。該方法提出一種在特殊位置的引導時序，避免對P碼各個相位的遍歷搜索，可以有效地提高P碼的捕獲效率。本文改進后的基于碼周末尾時刻的GPS C/A碼引導的P碼捕獲方法已在星載導航接收機型號中得到應用，對發展我國自己的衛星定位系統提供了技術支持。

［1］ 代燕，李洪祚，王孟芝.GPS接收信號捕獲方法的研究［J］.長春理工大學學報，2003，3.

［2］ Kaplan D E，Hegarty C J.Understanding GPS：principles and applications［M］.2nd Ed.［S.1.］：Artech House，2006.

［3］Gordon J.R.Povey.Spread Spectrum PN Code AcquisitionUsingHybridCorrelatorArchitectures. WirelessPersonalCommunications.August，1998：151-164.

［4］ 張健，楊士中.短碼引導長碼同步的快速捕獲方法［J］.無線電工程，1997，27（6）.

［5］Riccardo De Gaudenzi.Signal Synchronization for Direct-SequenceCode-DivisionMultipleAccess Radio Modems［J］.Telecommunication Systems，1998，9（1）：73-89.

［6］Jing P，Frank V G，Janusz S，et al.Fast direct GPS P-Codeacquisition［J］.GPSSolutions，2003（7）：168-175.

［7］ 孫禮，王銀峰，何川，等.GPS信號捕獲與跟蹤策略確定及實現［J］.北京航空航天大學學報，1999，25（2）：134-137.

A method of P code acquisition base on GPS C/A code

LIU Xianyang1，CUI He2，HAO Yunxia2
（1.Space Star Technology Co.，Ltd，Beijing，102209；2.Space Star Technology Co.，Ltd，Tianjin，300450）

Because of the GPS P code’s own features：longer Doppler shift，longer duration and higher speed，there is more resource and time consumption in the traditional GPS P code acquisition.A new P code acquisition method base on C/A code guide is proposed to resolve the problem.The system first finish the acquisition of C/A code，then enable the zv-set guide signal in the new type P code generator，set the initial value of V1 and V2 counter until the first 1.5s code cycle’s edge arrived.The V1 and V2 start cycle count under the code synchronization signal drive，the P code is generated and the guide end flag is enabled when the V2 reached to zero.Simulation result shows that the method reduced 50%resource consumption，suitable for satellite dual-frequency GPS navigation receivers.

navigation；P code；C/A code；acquisition

TN911.7

A

1672-9870（2015）05-0097-04

2015-07-10

劉憲陽（1984-），男，碩士，工程師，E-mail：40013335@qq.com