北斗/GPS偽衛星定位系統中信號跟蹤算法研究

曹華杰，劉 源

(西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 611756)

北斗/GPS偽衛星定位系統中信號跟蹤算法研究

曹華杰，劉 源

(西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 611756)

北斗/GPS偽衛星定位系統主要應用在衛星信號遮擋嚴重的區域，能獨立或輔助增強北斗/GPS衛星定位。偽衛星信號的捕獲跟蹤是進行定位解算的前提，針對偽衛星信號存在跟蹤不穩定的情況，在詳細分析了偽衛星信號生成和捕獲跟蹤算法原理的基礎上，基于模塊復用思想，提出了一種捕獲跟蹤一體化方案。該方案中的捕獲算法采用傳統的滑動捕獲算法，碼跟蹤算法采用Early-Late算法，在信號解調的過程中采用Costas PLL載波跟蹤環路。通過采集的GPS衛星信號仿真可發現跟蹤穩定后即時碼的能量最大，即時碼保持穩定表明進入穩定跟蹤狀態。在FPGA硬件平臺驗證了該方案，并對比分析了存在多普勒頻偏和無頻偏情況下的性能。仿真結果表明，該方案在多普勒頻率偏移下依然能夠有效、穩定地跟蹤解調出導航信號。

GPS/北斗；偽衛星；跟蹤算法；Early-Late；動態跟蹤

0 引 言

導航定位技術在人類歷史的發展進程中一直起著相當重要的作用。目前，人們對于導航和定位的需求日益增大。相對于其他的定位系統而言，衛星定位系統的使用范圍最廣泛。與其他類型的導航系統相比，衛星導航系統具有全天候、高效率、高覆蓋率、高精度等優點[1]。然而隨著導航定位系統的應用越來越廣泛，在某些特殊的場景下依然不能很好地為用戶提供高精度的定位服務。例如，在山谷中的礦區、隧道，城市中高樓密集的“城市峽谷”、地下停車場以及地鐵等場景，由于衛星導航系統的衛星信號受到阻擋，無法接收信號和提供精確的定位服務，不能滿足人們對高精度、實時定位的需求。為了解決上述問題，有必要引入偽衛星增強系統。這是一種新型的定位技術，可以很好地解決上述問題。因此，對于偽衛星系統的研究是衛星導航系統發展的潛在需要和必然趨勢，具有非常大的實際意義。

偽衛星又稱“地面衛星”，是從地面某特定地點發射類似于GPS/BDS的導航信號，采用的電文格式與GPS/BDS基本一致。由于偽衛星發射的是類似于GPS/BDS的信號，并工作在GPS/BDS的頻率上，所以用戶的GPS/BDS接收機可以用來同時接收GPS/BDS信號和偽衛星信號，而不必增設另一套偽衛星接收設備。地面建立的偽衛星站不僅可以增強區域性GPS/BDS衛星導航定位系統，而且可以提高衛星定位系統的可靠性和抗干擾能力[2-4]。

目前國內很多參考文獻對偽衛星定位系統的研究集中在增強北斗/GPS性能分析及組網布局、定位算法的研究方面。國外很多文獻對偽衛星定位系統的研究側重定位精度相關算法的分析與應用，如文獻[5-7]。在偽衛星定位系統中捕獲和跟蹤是最重要的一個步驟，捕獲是得到粗略的參數，跟蹤則是將這些參數細化。捕獲及跟蹤的環路設計影響導航信號穩定的解調，所以研究跟蹤算法對于偽衛星定位系統也很重要。因此，將重點研究捕獲跟蹤算法，并對其進行仿真。

1 偽衛星定位基礎

北斗二代有3個頻段，分別是B1(1 561.098 MHz)、B2(1 207.14 MHz)、B3(1 268.52 MHz)。北斗衛星發射的信號格式由載波、偽碼、數據碼組成。而GPS衛星有兩個頻段，分別是L1頻段的1 575.42 MHz和L2頻段的1 227.6 MHz。

在偽衛星中，可以根據應用場景，選擇GPS衛星或者北斗衛星作為參考設計。在北斗/GPS偽衛星系統中，信號采用C/A碼，信號的生成方式基本一致。下面主要介紹北斗偽衛星的信號生成,并說明北斗偽衛星和GPS偽衛星的差別。

北斗偽衛星的基準頻率為2.046 MHz，經過2分頻后得到1.023 MHz的C/A碼，C/A碼經過50倍分頻后得到50 Hz的數據碼。C/A碼和數據碼經過模2加后得到寬度為1.023 MHz的頻譜。經過數字載波調制，得到偽衛星的信號。

文獻[8]簡化后，偽衛星信號結構如式(1)所示：

(1)

其中，AG為載波振幅；C(t)為C/A碼；D(t)為數據碼；w1為載波角頻率；φ1為載波初始相位。

在GPS偽衛星中，采用10.023 MHz的基準頻率，分頻系數也不相同，可以通過計算得到。在北斗/GPS偽衛星接收機中，為了完成定位，首先將接收的模擬信號進行采樣，得到數字信號。然后經過捕獲得到信號必要的參數，主要是載波的頻率和C/A碼初始點，再進行跟蹤，跟蹤后進行導航電文的提取，接著進行偽距的計算，最后經過處理得到定位信息[8-9]。偽衛星的定位流程如圖1所示。

圖1 偽衛星定位流程

2 偽衛星跟蹤算法研究

當捕獲到某顆導航衛星信號后，會得到該衛星的C/A碼初始相位和載波的多普勒頻移。由于多普勒效應會使載波頻率發生動態偏移，還有C/A碼的相位也會隨著衛星與接收機間距離的變化而變化，所以北斗/GPS偽衛星信號會一直處于動態變化中[10-13]。因此在后續的信號處理中，必須克服這些因素的影響，才能在捕獲后能夠持續、準確地獲取導航電文，最終完成定位解算。

文獻[14]中的捕獲算法采用了并行結構在FPGA上進行設計，文中采用滑動相關捕獲法進行信號的捕獲。偽衛星信號的捕獲流程如圖2所示。

圖2 滑動相關捕獲原理

如圖2所示，接收到的信息與本地偽隨機碼相乘再積分，求出它們的自相關值，然后與門限值進行比較，當達到門限值時就說明捕獲到了有用信息。這里利用了偽隨機碼的自相關特性，當兩個相同的碼序列相位上一致時，其相關值最大。

當捕獲到有用信號時，為了繼續保持同步，需要分別進行載波跟蹤環路和碼跟蹤環路設計。一般碼跟蹤環路分為相干和非相干兩類。相干跟蹤是在確定發送信號的載波頻率和相位的情況下進行的。非相干跟蹤是在不確定發送信號的載波頻率和相位的情況下進行的。在大部分通信系統中都是非相干情況，因此文中主要研究非相干跟蹤情況。常用的跟蹤環路有兩種，分別是延遲鎖相環(DLL)和抖動鎖相環(TDL)。在衛星通信系統中采用DLL環路進行碼跟蹤。

如果能夠將捕獲和碼跟蹤過程用一個環路來實現，將大大減少所需的硬件資源。由于捕獲和跟蹤在時間域上沒有重疊，所以通過部分組件復用(如積分清零器)可以實現捕獲和跟蹤一體化設計方案。載波跟蹤環路可以采用經典的Costas PLL環路來實現載波跟蹤信號，偽衛星信號捕獲跟蹤總原理如圖3所示。其中碼跟蹤環路采用捕獲跟蹤一體化方案進行設計。

通過采集一段時間內的GPS衛星信號對跟蹤算法進行研究。將采集的GPS衛星信號經過處理后，得到中頻數字信號，表達式為：

圖3 捕獲跟蹤總體方案原理圖

s(n)=ACCi(n)Di(n)sin(ωIFn+φ0)+e(n)

(2)

其中，AC為C/A碼的振幅；Ci(n)為C/A碼；Di(n)為數據碼；ωIF為中頻載波的角頻率；φ0為輸入信號的初相位；e(n)為噪音信號。

當本地的C/A碼、本地載波和輸入信號的C/A碼以及中頻的載波同步時，能量集中在I路。此時的信號經過本地載波解調，去除了載波的調制，得到的信號如式(3)所示。

s(n)sin(ωIFn+φ0)=(ACCi(n)Di(n)sin(ωIFn+φ0))sin(ωIFn+φ0)= 1/2ACCi(n)Di(n)-1/2cos(2(ωIFn+φ0))+e(n)sin(ωIFn+φ0)

(3)

經過濾波后，得到前面的1/2ACCi(n)Di(n)。然后經過解擴頻碼，得到1/2ACCi(n)Di(n)*ACCi(n)。化簡后，可以將1/2ACCi(n)*ACCi(n)看成常數K，即解擴頻碼后得到的結果為K*Di(n)，也就是得到了數據碼。在C/A碼的跟蹤環路中，關于載波的跟蹤環路的噪聲帶寬設置可以參考式(4):

ωn=2Bn/[damp+1/4*damp]

(4)

在碼跟蹤和載波跟蹤后，得到數據碼，需要在跟蹤環路中的I支路將它轉化為二進制，得到導航電文的數據位。在數據碼中的頻率為50 Hz，其碼速率為50 bps，然而在跟蹤環路輸出的速率為1 000 bps。相當于跟蹤環路中連續輸出20個才能并成一個數據位，這叫做位同步。

通過對偽碼的能量分布進行仿真(見圖4)，可以看出在0.1 s之前，超前碼、即時碼和滯后碼的能量混亂，經過跟蹤穩定后，即時碼的能量最大，且處于穩定狀態。

圖4 偽碼能量分布圖

將圖3所示算法在FPGA上進行實現，編譯通過后編寫Testbench產生仿真時鐘、復位信號并從外部文件中讀取采集到的基帶數字信號(Matlab產生)。仿真結果中，I支路輸出結果趨近于方波，而Q支路的結果趨近于0，符合理論結果(跟蹤穩定后能量集中在I支路，Q支路能量接近0)，說明進入穩定跟蹤狀態。可以看出導航數據能夠正常、穩定地解調出來。同時，改變仿真時的NCO載波頻率，經過一段時間的跟蹤調整后，該方案也能穩定地跟蹤信號并能解調出導航電文，進一步說明該方案能穩定地捕獲跟蹤信號。

3 結束語

針對偽衛星定位系統中的信號跟蹤技術，在研究碼跟蹤環路和載波跟蹤環路、北斗/GPS偽衛星信號生成以及GPS信號跟蹤原理的基礎上，基于模塊復用思路提出了一種捕獲跟蹤一體化方案。通過對采集到的GPS衛星數據進行Matlab仿真，在FPGA硬件平臺上實現了該方案。由偽碼的能量圖可以發現，跟蹤結果持續、穩定；通過硬件平臺的仿真可發現，捕獲跟蹤后的能量集中在I支路，Q支路能量接近于0，符合理論分析，同時數據碼能夠穩定地解調出來，這為下一步定位打下了良好的基礎。

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Research on Signal Tracking Algorithm in Beidou/GPS PseudoSatellite Positioning System

CAO Hua-jie，LIU Yuan

(School of Information Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 611756,China)

Beidou/GPS pseudo satellite positioning system is mainly used in the area of satellite signal shielding seriously and it can be independent or assistant enhancement of the Beidou/GPS satellite positioning.Pseudo satellite signal acquisition and tracking is the precondition of positioning solution.Aiming at the situation of tracking instability for pseudo satellite signal,after the pseudo satellite signal generation as well as acquisition has been analyzed in detail,an integrated scheme of acquisition and tracking based on model reuse is proposed.The capture algorithm is adoption of traditional sliding capture algorithm and the tracking algorithm is the Early-Late in this scheme,and Costas PLL carrier tracking loop has been employed in the process of signal demodulation.Through simulation of the GPS satellite signal,it is found that the energy of the real time code is the largest after the instant code remains stable.Experiments for verification on this scheme on the FPGA hardware platform have been conducted as well as the contrast analysis on its performances on the conditions of Doppler frequency offset and non-frequency offset.The simulation results show that the proposed scheme in the presence of Doppler frequency offset has operated stably and effectively in signal tracking and demodulation.

GPS/BDS;pseudo satellite;tracking algorithm;Early-Late;dynamic tracking

2016-06-14

：2016-09-22 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-07-05

全國大學生創新基金重點項目(201310292023Z);江蘇省“挑戰杯-卓越杯”基金項目(201310292039Y)

曹華杰(1989-)，男，碩士研究生，CCF會員(200050041G)，研究方向為嵌入式技術、無線定位技術等。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170705.1649.016.html

TP301.6

:A

:1673-629X(2017)09-0179-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.09.039