基于FPGA的GPS軟件接收機(jī)跟蹤算法的優(yōu)化和研究

王悅（西安文理學(xué)院 信息中心，陜西 西安　710068）

基于FPGA的GPS軟件接收機(jī)跟蹤算法的優(yōu)化和研究

王悅
（西安文理學(xué)院 信息中心，陜西 西安710068）

隨著GPS技術(shù)在日常生話和科研領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛，而GPS軟件接收機(jī)作為作為GPS技術(shù)最關(guān)鍵的一部分，對其定位的準(zhǔn)確性，精度以及實時性的要求就變得越來越高。傳統(tǒng)的GPS軟件接收機(jī)以及無法滿足現(xiàn)在高精度，高時效性的要求。因此，本文在原有接收機(jī)跟蹤算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了升級和優(yōu)化。開發(fā)了一個基于FPGA的GPS軟件接收機(jī)優(yōu)化的跟蹤算法，完成了跟蹤算法中噪聲帶寬、環(huán)路增益、快捕范圍、環(huán)路濾波器等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置。本算法具有比之前傳統(tǒng)算法具有穩(wěn)定度高，定位準(zhǔn)確且高效的優(yōu)勢，經(jīng)過數(shù)據(jù)測試，達(dá)到了設(shè)計要求。

GPS；跟蹤；FPGA；算法優(yōu)化；接收機(jī)

隨著全球各種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以及GPS技術(shù)的逐漸普及和完善，衛(wèi)星導(dǎo)航定位接收機(jī)作為導(dǎo)航技術(shù)中最關(guān)鍵的一環(huán)，其各種應(yīng)用也都得到了最大程度的發(fā)展和普及。除了在大家熟知的軍事，勘探，交通的行業(yè)，如今在電力部門，土地部門以及消防，農(nóng)業(yè)等部門也都得到了廣泛的應(yīng)用。并且其應(yīng)用的形式也是多種多樣并朝著更加多元化的方式發(fā)展。GPS技術(shù)是當(dāng)今應(yīng)用最廣也是導(dǎo)航性能最好，最穩(wěn)定的定位系統(tǒng)，其高穩(wěn)定度嗎，高精度，高時效性，光應(yīng)用性等特點是其以成為一個重要產(chǎn)業(yè)的原因，也使得越來越多其他產(chǎn)業(yè)對此越來越關(guān)注。與傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)相比，GPS軟件接收機(jī)在應(yīng)用的廣度和靈活度上有著很大的優(yōu)勢。該接收機(jī)運用的是如今應(yīng)用最廣泛的軟件編程的原理，在硬件平臺上可以根據(jù)自己的使用需求下載不同的應(yīng)用程序，然后通過對程序的控制來實現(xiàn)使用者需求的功能。軟件接收機(jī)與普通接收機(jī)相比另一個明顯的優(yōu)勢就是對信號的存儲功能，中頻或者中低頻的信號的可以被其存儲下來，因此其可以滿足各種不同的甚至非常復(fù)雜的算法要求，并且在不降低響應(yīng)速度的前提下，提高接收機(jī)的精度以及提高信號的強(qiáng)度。因為在傳輸過程，因為很多原因都會導(dǎo)致信號有衰減，所以該軟件接收機(jī)會對信號進(jìn)行增強(qiáng)。文中為了滿足上述對軟件接收機(jī)全新的高要求，對軟件接收機(jī)的算法進(jìn)行了改進(jìn)。設(shè)計開發(fā)了基于FPGA的GPS軟件接收機(jī)的跟蹤算法，

運用MATLAB進(jìn)行定點建模。利用FPGA這個平臺將跟蹤算法進(jìn)行升級和優(yōu)化。并利用Verilog語言對算法中需要的各個子模塊進(jìn)行硬件性的描述，將信號獲取和信號分析統(tǒng)一在一起，最后經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試和實驗，實現(xiàn)了實時準(zhǔn)確地定位功能［1-2］。

1　GPS系統(tǒng)組成

GPS系統(tǒng)主要是由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分等3個部分組成。3個部分通過信號的傳遞，互相連通，協(xié)調(diào)合作，完成一系列操作［3］。

GPS系統(tǒng)是依靠被發(fā)射入太空的24顆衛(wèi)星構(gòu)成，在這些衛(wèi)星中實際參與工作的衛(wèi)星是21顆，其余的3顆是備用衛(wèi)星。所有的衛(wèi)星均勻分布在地球周圍的六個軌道平面上，之所以說是平均分布，是因為在每個平面上都均勻分配著四顆衛(wèi)星。每個平面的夾角都是60°。

為了滿足地球上的使用者可以在任何時間地點利用到衛(wèi)星進(jìn)行實際應(yīng)用這個需求，衛(wèi)星的設(shè)計者將其布局安排與上述結(jié)構(gòu)一致，這也是最科學(xué)的分配方法。因為該方法是經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)計算以及充分考慮到衛(wèi)星之間的容錯率。如果某一個軌道平面上的衛(wèi)星因為某種原因發(fā)生故障不能工作時，與之相鄰軌道平面上的衛(wèi)星會自動接管此衛(wèi)星的工作，直至該衛(wèi)星恢復(fù)正常，不會影響到衛(wèi)星信號的覆蓋和使用。而且，備用的三顆零時衛(wèi)星也可以在多個衛(wèi)星同時出現(xiàn)故障時起到很好地代替作用，充分保證了GPS系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。地面的監(jiān)控部分主要是由主控站，注入站和監(jiān)測站構(gòu)成。其分別分布在世界的各個角落。其中主控站只有一個，而其余兩個則分別是四個和六個。地面監(jiān)控部分的主要職責(zé)就是對空中的衛(wèi)星進(jìn)行實時監(jiān)控，對其的運行軌道和運行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤分析，發(fā)出工作指令以及解決突發(fā)問題，保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。用戶設(shè)備通常可以理解為GPS接收裝置。這個設(shè)備的主要作用就是接收衛(wèi)星所發(fā)出的信息信號，將信號傳入接收機(jī)內(nèi)部，通過其內(nèi)部各個模塊的分析處理，以實現(xiàn)對用戶位置的導(dǎo)航解算，完成定位功能［4-5］。

完成上述一些列操作的媒介就是衛(wèi)星的傳輸信號，而衛(wèi)星信號的主要成分就是偽隨機(jī)碼。由于在太空中有很多影響信號穩(wěn)定的物質(zhì)，所以一般在信號發(fā)射前，需要對偽隨機(jī)碼調(diào)制解調(diào)，對信號進(jìn)行增強(qiáng)，達(dá)到可以接收到穩(wěn)定正確的傳輸信號的目的。偽隨機(jī)碼中的偽隨機(jī)序列是保證信號可以被捕獲和跟蹤的保證，因為其有著很強(qiáng)的互相關(guān)性。對偽隨機(jī)序列進(jìn)行的頻率進(jìn)行拓展，可以增強(qiáng)GPS信號的抗干擾能力，并使其隱秘性得到了加強(qiáng)，并可以提高其在定位導(dǎo)航功能上的精度。由于本文研究的接收機(jī)主要是在民用范圍，因此本文的隨機(jī)碼主要是C/A碼［6-7］。圖1為C/A發(fā)生器的結(jié)構(gòu)。

圖1　CA碼發(fā)生器結(jié)構(gòu)

2　基帶信號捕獲和跟蹤部分算法分析

GPS基帶信號處理的過程是GPS系統(tǒng)在實現(xiàn)過程過程中最關(guān)鍵的一個部分，其處理過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是保證實現(xiàn)定位等功能的關(guān)鍵。處理過程主要是捕獲和追蹤兩個方面。在對信號進(jìn)行的處理過程中，首先要將信號進(jìn)行捕獲，通過捕獲得到信號的原始頻率和C/A碼的粗略的估計值。在操作完成后，進(jìn)入到追蹤階段，追蹤的主要目的就是將上一步得到的粗略的估計值進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，經(jīng)過分析得到精確地相位和頻率信息，并對最終的信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)［8］。

捕獲作為基帶信號處理最關(guān)鍵的一個步驟，在對信號的處理過程中，第一步就是找到需要處理的信號，就是將其捕獲。由于GPS系統(tǒng)中有許多不同地址的系統(tǒng)，所以在對信號進(jìn)行捕獲時最常用的算法就是串行搜索捕獲算法。GPS串行搜索捕獲算法的框圖如圖2所示。算法作為捕獲過程的核心，是完成該步驟的關(guān)鍵，本文的目的也是通過對算法的優(yōu)化，實現(xiàn)高精度，高效率的信號分析和最終定位。該算法的實現(xiàn)過程相對比較簡單，基本原理就是通過將輸入信號與本地的偽碼經(jīng)行乘積運算。輸入的信號通過與本地偽碼的乘積運算后，在于載波信號相乘。其中與本地載波cos（x）相乘產(chǎn)生同相支路I路，與本地載波sin（x）相乘產(chǎn)生Q支路。I、Q兩路信號分別經(jīng)過一個完整C/A碼周期（即1 ms的積分時間）時間的積分，分別平方相加。在理想的情況下，C/A碼只調(diào)制在I支路上，信號的功率也都集中在I支路上［9］。最后需要對檢測的信號進(jìn)行驗證，若檢測到的信號與發(fā)出信號頻率相同，并與偽碼保持一致，即可認(rèn)為捕獲后的參數(shù)具有可靠性，可以繼續(xù)下一步的操作。

圖2　串行捕獲算法的原理圖

在確認(rèn)捕獲過程成功后，系統(tǒng)會自動進(jìn)行下一個步驟，也就是跟蹤環(huán)節(jié)。這個步驟的目的就是對信號進(jìn)行分析解調(diào)和應(yīng)用。跟蹤環(huán)節(jié)就是對載波的頻率，相位以及傳輸精度等信息進(jìn)行實時的分析和跟蹤，觀察其是否在預(yù)定的范圍周期內(nèi)變化，保證其運轉(zhuǎn)依照事先分析計算的路徑和規(guī)律一致。在保持此狀態(tài)的情況下，即達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)，就可以準(zhǔn)確地獲得信號中傳遞的信息，隨后就可對其解調(diào)，得到具體的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算完成定位的功能［10-11］。圖2為串行捕獲算法的原理圖。

3　GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)設(shè)計

在GPS接收機(jī)的跟蹤系統(tǒng)中，載波跟蹤環(huán)和偽碼跟蹤環(huán)是缺一不可的，兩者相互協(xié)作，緊密的聯(lián)系在一起。因為載波跟蹤環(huán)需要利用偽碼跟蹤換對信號進(jìn)行解調(diào)，而載波跟蹤環(huán)為其提供相位頻率等分析功能。

圖3為GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的原理圖。其中IE，IL，QE 和QL，分別為各個載波以及各種偽碼進(jìn)行積分運算后的輸出值，經(jīng)過鑒相器的處理，等到精度非常高的相位信息，在經(jīng)過濾波器對多余的信號進(jìn)行處理，濾除頻率較高或者不滿足條件的正弦信號，最后將結(jié)果反饋給NEO模塊進(jìn)行處理，最終完成對偽碼的整體處理。IP和QP分別為正交或同相載波與C/A碼的積分，同樣通過鑒相器的處理，得到相位方面的誤差，然后經(jīng)過濾波器濾除頻率相對較高的部分，最終將結(jié)果反饋給NEO模塊進(jìn)行處理，這一過程完成了對跟蹤環(huán)的整體優(yōu)化和調(diào)整。GPS信號到達(dá)天線后，首先會有射頻的遠(yuǎn)端進(jìn)行分析和處理，使其變?yōu)榈皖l信號。在捕獲的過程中，每一個衛(wèi)星都有其各自的C/A碼和多普勒頻率，為了最準(zhǔn)確的接收到衛(wèi)星發(fā)出來的信號，需要檢測到所有可以運用到的衛(wèi)星并可通過計算和分析得出其粗略的相位和頻率。為了使接收機(jī)可以準(zhǔn)確并且迅速的捕捉到GPS發(fā)出的信號，接收機(jī)需要對載波和C/A碼進(jìn)行并行的處理。如果經(jīng)過并行處理后發(fā)現(xiàn)信號與信號之間的誤差超過了可以接收的范圍，那么環(huán)路就會自動失鎖，而捕獲就是為了使得碼相位和載波頻率這兩個參數(shù)跟真實的信號吻合［12-13］。

圖3　GPS接收機(jī)跟蹤原理圖

4　跟蹤環(huán)路的整體測試

GPS跟蹤系統(tǒng)是由多個不同的模塊組成的，為了使各個模塊在分工不同的情況下保持正常運轉(zhuǎn)并且互相協(xié)作完成工作，就需要有一個主控制模塊來統(tǒng)籌和協(xié)調(diào)各個模塊的工作。所以控制模塊的主要功能就是實時跟蹤系統(tǒng)中各個信號的傳輸，以及對鑒相器和濾波器等信號加工儀器進(jìn)行控制。控制模塊的算法與代碼都與其他模塊不同，因為其需要對整個體系的模塊進(jìn)行不間斷的監(jiān)控和調(diào)試，保證其安全穩(wěn)定的運行。

文中的GPS軟件接收機(jī)的優(yōu)化算法中，GPS基帶信號處理模塊是在FPGA的平臺上來實現(xiàn)的，優(yōu)勢就是對數(shù)據(jù)以及信號有著實時可靠的分析，而并不是將射頻前端采集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行存儲后在對其進(jìn)行處理。如圖4所示，clk為系統(tǒng)的工作時鐘，clk_1023為 C/A碼最后一個碼片時產(chǎn)生的高電平，count為計數(shù)器的輸出端口，在clk_1023為高電平時計數(shù)。Clr為積分清零信號，高電平有效；ena為偽碼鑒相器求平方和開根號使能信號，高電平有效；pdf_en為載波環(huán)和偽碼環(huán)鑒相器使能信號，高電平有效；clk1_en為環(huán)路濾波信號，clk2_en為載波和偽碼 NCO模塊頻率控制字更新信號，當(dāng)clk2_en為高電平時，進(jìn)行本地NCO頻率控制字的更新。

5　結(jié)　論

文中在研究了傳統(tǒng)GPS軟件接收機(jī)算法的基礎(chǔ)上，對跟蹤算法進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計了基于FPGA的GPS跟蹤算法。本文首先對GPS系統(tǒng)以及信號做出了接收和分析，并進(jìn)一步對其跟蹤算法做出了詳細(xì)的研究，并在FPGA的平臺上對其進(jìn)行了跟蹤環(huán)路的整體測試。完成了跟蹤算法中噪聲帶寬、環(huán)路增益、快捕范圍、環(huán)路濾波器等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置。本算法具有比之前傳統(tǒng)算法具有穩(wěn)定度高，定位準(zhǔn)確且高效的優(yōu)勢，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖4　控制模塊波形仿真圖

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GPS software receiver based on FPGA optimization and the research of the algorithm

WANG Yue
（Xi’an University Information Center，Xi’an 710068，China）

As the GPS technology application in the field of daily life words and research more and more widely，and the GPS software receiver as the most key part of the GPS technology，the accuracy of its positioning and becomes more and more high accuracy and real-time requirements.Traditional GPS software receiver and now cannot meet the high precision，high efficiency requirements.Therefore，in this paper，on the basis of the original receiver tracking algorithm，the upgrade and optimization.Developed a tracking algorithm based on FPGA GPS software receiver optimization，completed the tracking algorithm in the noise bandwidth fast acquisition range，loop filter，loop gain，such as key parameters Settings.Before this algorithm is better than traditional algorithm has high stability，accurate and efficient advantages，through the test data，has reached the design requirements.

GPS；tracking；FPGA；optimizing algorithm；receiver

TN99

A

1674－6236（2016）11-0058-03

2015-11-16稿件編號：201511154

王 悅（1972—），男，陜西西安人，碩士研究生，工程師。研究方向：計算機(jī)應(yīng)用。