CN104614743B - 一种基于fpga的兼容新旧体制卫星导航信号跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于FPGA的兼容新旧体制卫星导航信号跟踪装置，采用相同结构的通道跟踪不同调制方式的信号，兼容所有多系统互操作信号，提高接收机的使用灵活性。包含具备输出5路不同相位副载波能力的副载波生成器、输出5路不同相位的伪随机码生成器、副载波NCO和码NCO、副载波工作方式选择器、乘法器和累加器；所述的副载波NCO和码NCO分别与环路控制模块相连，所述的副载波工作方式选择器实现副载波与伪随机码独立和组合两种工作模型；所述的乘法器和累加器，支持向环路控制模块输出累加和。

Description

一种基于FPGA的兼容新旧体制卫星导航信号跟踪装置

技术领域

本发明涉及GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)的信号跟踪，更具体地，涉及一种基于FPGA的兼容新旧体制卫星导航信号跟踪装置。

背景技术

为了提高卫星导航系统的定位精度，抗干扰，抗多径，灵敏度等系统特性。各个卫星导航系统先后推出了各自的现代化方案，如目前美国正在开展“GPS现代化计划”、“导航战计划”、“GPS－III计划”。在全球卫星导航系统的现代化方案中，各卫星导航系统均提出了新的卫星信号调制播发方式以满足共享频段、提高系统性能的目的。新体制信号在带来一系列性能提升的同时，也提升了系统的复杂度，对地面接收设备捕获跟踪算法提出了更高的要求。主要包括三个方面：

1、二进制偏移载波(BOC)类调制信号的无模糊跟踪。

2、新增播发与传统的导航信号调制方式，信号频点完全相同的无电文信号——导频信号处理

3、区分处理同一频点上采用了多种复用方式的卫星导航信号。

与此同时，老体制的信号仍将保持正常播发，所以接收机需要具备兼容新旧体制信号的能力。

在整个新体制信号框架中，BOC调制信号的引入对接收机跟踪设计的影响最大，相比于传统的BPSK信号，BOC调制是在原有BPSK调制的基础上，再用一个二进制副载波对BPSK信号进行二次扩频。一般BOC调制用BOC(fs,fc)来表示，其中fs代表副载波频率，fc代表伪码速率。因为fs和fc都是1.023MHz的整数倍，所以用BOC(m,n)的表示形式，其中m表示的是副载波频率，n表示的是扩频码速率，它们分别表示1.023MHz的m倍和n倍。

GPS现代化方案提出时间较早并且进程明确，该计划分为四个阶段体现在多频信号方案、新的调制方式和新的电文格式三方面。迄今为止，GPS部分新频点新体制信号已经播发并能参与定位。除传统的L1C/A，L1P(Y)，L2P(Y)三个频点信号以外，其余信号均为GPS现代化以后的信号。GPS现代化信号包含了BOC类信号，如L1M以及L1C；导频信号和数据信号共同播发如L5C；以及采用了新的复用方式TDDM方式在同一频点上播发公开信号和授权信号，如:L2CM和L2CL。

欧盟Galileo卫星导航系统自20世纪90年代开始论证，2004年初步完成信号体制的设计，2006和2008年分别发射一颗在轨试验卫星。从设计之初到最终公布ICD，Galileo系统信号经过了多轮设计，其间提出了多种设计理念，在信号调制、电文播发等方面提出了众多创新性的设计，并能高度兼容美国GPS系统和俄罗斯GLONASS系统。Galileo系统信号调制设计部分也包含了BOC类信号，导频信号和数据信号共同播发。Galileo系统不同的卫星播发的导航信号类型也不完全相同。Galileo系统方案中还充分考虑了导航系统的应用范围和不同需求，制定了包括公开服务，关于生命安全类服务，公共管制服务等多种服务类型，并计划了收费方案。Galileo系统方案现已论证较为完备并且其先进性也较优于GPS系统。

北斗卫星导航系统，是我国独立研发的卫星导航系统，具有自主知识产权，包括北斗一号(Beidou)和北斗二号(Compass)两代系统。北斗一号是我国独立研制开发的卫星导航定位通信系统，又称为双星定位导航系统，是一个已投入使用的区域性卫星导航系统，由三颗北斗定位卫星(一颗备用卫星)、地面控制中心为主的地面部分与北斗用户终端三部分组成。北斗二号将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供开放服务和授权服务。二代北斗系统信号的结构方案还没有最终敲定，根据中国卫星导航定位应用管理中心的负责人在维也纳工作组会议上公布的未来“北斗二号”所使用的频段及其调制方式，我国北斗系统信号的结构也将大体遵循卫星导航信号现代化的三个方向。

目前，针对BOC类信号跟踪的研究主要集中在解决BOC类信号自相关函数的多峰性造成的跟踪模糊问题，包括单边带跟踪或者两个边带组合跟踪、码相关参考波形技术CCRW(Code Correlation Reference Waveform)、伪相关函数方法(PCF)、Gating Function算法、跳峰法(Bump-Jump)，新增一个环路跟踪副载波将副载波和PRN码进行分别独立跟踪，误差独立估计方法、边带自消除技术(ASPeCT)和通用化副峰抑制技术(GRASS)方法。对于双通道信号传输，目前主要方法包括，导频通道可以和数据通道分别进行相参累加运算组合；可以利用导频通道的数据为已知数据的特性，数据通道和导频可以采用不同的码鉴别器和锁相环鉴别器以适应不同环境的要求的方法等。

但是，目前的现有技术中还未有一种较完善的，各方面性能最优的，兼容新旧体制信号的跟踪装置。

发明内容

本发明提供一种基于FPGA的兼容新旧体制卫星导航信号跟踪装置，采用相同结构的通道跟踪不同调制方式的信号，兼容所有多系统互操作信号，提高接收机的使用灵活性。

一种基于FPGA的兼容新旧体制卫星导航信号跟踪装置，包含具备输出5路不同相位副载波能力的副载波生成器、输出5路不同相位的伪随机码生成器、副载波NCO和码NCO、副载波工作方式选择器、乘法器和累加器；所述的副载波NCO和码NCO分别与环路控制模块相连，所述的副载波工作方式选择器实现副载波与伪随机码独立和组合两种工作模型；所述的乘法器和累加器，支持向环路控制模块输出累加和；

该装置的工作模式包括：

1)传统跟踪模式：当跟踪传统环路时，关闭跳峰检测模块，并屏蔽副载波发生器将其输出置位全1，码发生器输出超前，当前，滞后三路信号，向环路控制模块输入6组累加和。在环路控制时，关闭联合累加和模块，联合鉴别器模块。同时，也关闭跳峰检测模块以及SLL鉴别器模块；此时，环路便退化至传统跟踪模式；

2)跳峰法跟踪模式：当跟踪低速率副载波BOC信号时，选择使用跳峰法。相关通道部分采用PRN码NCO控制副载波生成器，副载波生成器和PRN码生成器同时生成甚超前，超前，当前，滞后，甚滞后5路信号，向环路控制部分输出10路累加和；

3)DET跟踪模式：当跟踪高速率副载波BOC信号时，选择使用DET法；当选择使用DET算法的时候，则关闭环路控制中的跳峰检测模块，启动副载波控制环路生成副载波环路控制字控制副载波NCO，并利用副载波NCO控制副载波的生成；副载波生成器生成1路超前，3路当前，1路滞后副载波信号，PRN码发生器，生成1路超前，3路当前，1路滞后码信号，向环路控制部分输出10路累加和；

4)MBOC信号跟踪模式：MBOC信号跟踪算法模式采用两路跟踪模块，主信号功率跟踪模块以及副功率跟踪模块。两个跟踪模块的控制信号需完全相同，保持两通道的完全一致性，即码频率控制字，载波频率控制字需完全相同，副载波频率控制字需与调制信号副载波速率成比例；当采用跳峰法时，主功率信号跟踪模块负责跳峰检测而副功率跟踪模块负责联合主功率跟踪模块生成控制信息；

5)数据导频联合模式：数据导频信号跟踪算法模式需要采用两路跟踪模块，数据信号跟踪模块以及导频信号跟踪模块。两个跟踪模块的控制信号需完全相同，保持两通道的完全一致性，即码频率控制字，载波频率控制字，副载波频率控制字均完全相同；采用数据信号跟踪模块负责联合导频信号跟踪模块生成控制信息。

本发明的有益效果：该装置可以根据需要跟踪的信号灵活地配置跟踪模式，跟踪方法，实现所有新旧体制信号的兼容处理。另外，这对每一种特定的信号，都配有特定的性能优良的跟踪方法，即通过该装置，能够实现高性能的新体制信号处理，达到未来卫星导航接收机，多系统，多体制高性能的信号接收功能。

附图说明

图1是BOC(m,n)调制方法示意图；

图2是兼容新旧体制信号跟踪算法示意图；

图3是退化为DET算法示意图；

图4是多通道结构扩展框图；

图5兼容相关通道顶层结构示意图；

图6兼容环路控制状态转换图；

图7兼容锁相控制方法示意图；

图8兼容码环控制模块。

具体实施方式

跟踪模块设计主要分为两部分，分别为相关通道模块，环路控制模块，对于相关通道部分，主要需要并行运算，通道间几乎无耦合，则选取在FPGA中实现。而环路控制部分，控制判断结构多，可使用串行运算，则选取在DSP中实现。接下来分为两部分，分别为兼容新旧体制相关通道FPGA实现和兼容新旧体制环路控制DSP实现。

1.兼容新旧体制相关通道FPGA实现

相关通道主要包括载波剥离模块，码生成部分，相关累加器组三个部分。首先，兼容型卫星导航接收机需要同时对大量的卫星进行跟踪，因此需要大量相关通道进行环路跟踪。相关通道完全并行操作，环路控制是串行操作并且多个相关通道需要复用同一个环路控制模块。为了减少相关通道和环路控制数据读写消耗的时间，则采用DMA用于从FPGA向DSP传输各个通道的累加和信息以及观测量信息。FPGA内包含的时钟模块向所有相关通道同时输出观测量中断，以保证观测量提取时刻的一致性。在FPGA和DSP之间开辟一块RAM空间，用于数据交互。各相关通道将自身运算出的观测量，更新标志以及累加和信息存入同一块连续地址的RAM空间；RAM空间也向各个通道配置环路控制结果。FPGA通过时间计算模块每0.5ms产生一次中断，DSP相应中断进入中断程序后，立刻启用DMA将所有相关通道的观测量信息，更新标志位以及累加和信息全部从FPGA的RAM空间中读取。在各通道环路控制过程中随时通过PCI向FPGA的RAM空间写入控制信息。

对于新体制信号载波生成部分与传统BPSK跟踪环路完全相同。相关累加器部分，需将中频信号，载波，副载波以及PRN码相关后再进行累加，并添加4路相关累加积分清零模块用以支持跳峰算法和DET算法。单个兼容相关通道中控制信号包括，观测量中断信号和当前通道配置信号。当前通道配置信号，包括信号所属系统，频点，卫星号以及当选择使用跳峰算法时控制跳峰信号。当需要跟踪数据和导频信号时，跟踪一颗卫星信号需采用两路兼容通道，并且此两路控制信号从RAM同一地址中读取以保证量路信号的完全同步。在安排通道顺序时，需将导频通道和数据通道安排为物理相邻通道，并且将导频通道放置到数据通道之前。跟踪MBOC信号安排通道方式与导频数据组合信号通道相同，需将把功率大的基础BOC信号通道放置在物理位置较小通道上。

对于某频点信号既含有导频信号和数据信号又含有MBOC信号，则以导频数据性质为主要排序，即通道物理结构为导频主功率BOC信号，导频副功率BOC信号，数据主功率BOC信号，数据副功率BOC信号。当然，如果硬件资源有限时，两路兼容通道可以合用同一载波剥离模块，码生成模块中的码NCO，观测量提取模块，中断产生模块成为数据导频复合通道。复合通道产生20路1ms累加和信息，4路0.5ms累加和信息，1个通道更新标志位，1组观测量信息。但是，如果采用复合通道则通道的灵活性就会遭到破坏，复合通道用于传统信号跟踪时，不再能用于跟踪两路不相关信号。

副载波生成部分，主要由副载波NCO，码NCO映射器，选择器和副载波生成器构成。副载波NCO和码NCO工作原理相同，以副载波频率控制字控制。当跟踪算法采用DET算法时打开，除此以外关闭。

码NCO映射器的作用是当跟踪算法使用跳峰法时，需要采用PRN码NCO控制子载波生成器，则需要将PRN码NCO的值经过映射器得到副载波NCO的值。映射方法为，根据BOC(m,n)，采用PRN码NCO乘以m除以n。

选择器的作用是根据环路控制采用的算法为跳峰法，DET算法，或者是传统无副载波的普通跟踪方法，生成副载波生成器所需的码表地址。

副载波生成器，主要为一个副载波码表，通过副载波NCO最高两位进行查表。考虑通道的兼容性副载波码表有4位，首位用于表示接收信号是否含有副载波，若不含有则，输出恒为1。第二位表示接收信号副载波为sin型(为1)还是cos型(为0)，则副载波码表如表1所示。

表1副载波生成表

将生成的码和副载波，根据所选跟踪算法通过移位寄存器，生成5路码和副载波。在使用跳峰算法跟踪时，除了生成超前、当前、滞后PRN码及同步副载波支路用于鉴别码偏移控制码频率控制字，还需要生成甚超前和甚滞后两路PRN码以及副载波，此两支路需要同当前支路相隔自相关函数两峰之间的间距，用于判断主峰位置。

在使用DET算法时，使用当前副载波配合超前、当前、滞后PRN码用于鉴别码偏移控制码频率控制字，控制码环；使用当前PRN码配合超前、当前、滞后副载波用于鉴别副载波偏移控制副载波控制字，控制副载波环路。

2.兼容新旧体制环路控制DSP实现

对于各个相关通道复用同一环路控制模块则采用时分方式。依次查询环路更新标志位判定是否更新，对于已经更新的环路，进行一次环路计算。跟踪环路控制部分从状态上分可以分为5个环路状态，串搜，锁频环，锁相过渡态1，稳定跟踪状态，空闲状态。

当将捕获结果安排至空闲状态的环路时，空闲状态环路从变为串搜状态。当串搜状态环路经过环路控制判定串搜成功后，串搜状态变换为锁频过渡状态；若环路控制判定串搜失败，则串搜状态变换为空闲状态。锁频过渡状态环路通过计时器判定环路收敛，收敛后锁频过渡状态转换为锁相过渡状态。锁相过渡状态环路通过计时器判定锁相环收敛，收敛后锁相过渡状态转换为稳定跟踪状态。稳定跟踪状态的环路根据该支路载噪比判断环路是否失锁，若环路失锁则环路转为空闲状态。

串搜的原因是直接捕获的码相位会由于用户动态等因素造成很小的偏差，安排串行搜索为了将这个码误差控制在一个码片以内。锁频过渡状态的原因是捕获输出的载波频率分格较大，而锁频环的频率牵引范围较大，可以迅速将多普勒分格减小到十几Hz以内。锁相环过渡状态是采用大带宽的锁相环，进一步缩小复现载波的多普勒误差。稳定跟踪状态需采用较小的锁相环以达到更高跟踪精度。空闲状态不仅告知环路控制模块不必控制该相关通道，也告知捕获控制流程现有通道空闲，可以安排捕获新的卫星。

环路控制的流程控制为先从公用RAM中读取当前响应通道的累加和信息，计算出该通道的信号功率，然后根据不同的环路状态调用不同的控制函数进行环路控制。其中，主要包含兼容载波环控制，兼容码环控制。

在兼容载波环控制中，根据环路状态的不同，确定相应的锁相控制函数，对于处于过渡状态的锁频控制，环路滤波器的环路带宽需要设置成为一个较大值，便于频率的快速牵引至相位较为精确的位置。对于处于锁相过渡状态下的锁相控制，与锁频控制函数的流程完全相同，只是鉴别函数更换为鉴相函数，环路滤波器更改为三阶滤波器。对于处于稳定跟踪状态的锁相控制，则需要判断信号是否为含有数据导频信号和MBOC信号。对于MBOC调制信号需要先将信号的累加和进行处理。在处理锁相控制前，均需要判断此通道是否为跟踪MBOC调制信号。对于普通通道，导频通道，数据通道锁相控制流程并不相同，兼容锁相流程控制中导频数据通道联合跟踪体现在按比例加和鉴别器结果。并且在兼容锁相控制中对于数据通道只存储基本信息不做控制，数据通道向导频通道申请其鉴别结果。而MBOC信号则通过叠加累加和实现信号功率的集合。

兼容码环控制模块根据当前通道类型以及所跟踪信号的调制类型选择合适的跟踪控制方式。并且跳峰控制模块也在码环兼容控制部分调用。在码环控制中采用跟踪同一信号的最后一个通道进行鉴别结果的联合计算，通过滤波得到频率控制字。对于MBOC信号由于主功率信号和副功率信号的副载波速率并不一定相同。在跳峰法进行跟踪时，两者之间的自相关函数的峰间距离不一定相同，采用功率较大的信号进行跳峰判断，并同时作用于两个通道的码NCO实现跳峰控制。码环兼容控制的联合方法无论是不同通道类型间还是MBOC不同调制方式间均采用根据信号功率分配进行鉴别结果的按系数相加。并且采用数据通道进行控制字计算和副功率通道进行计算。另外，对于选择DET算法的通道需要将副载波进行副载波控制。

以上详细说明了本发明的工作过程，但这只是为了便于理解而举的一个具体实例，不应视为是对本发明的限制。任何所属技术领域的普通专用人员均可根据本发明的技术方案及其实例的描述，做出各种可能的同等改变或替换，但所有这些改变或替换都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的兼容新旧体制卫星导航信号跟踪装置，包含具备输出5路不同相位副载波能力的副载波生成器、输出5路不同相位的伪随机码生成器、副载波NCO和码NCO、副载波工作方式选择器、乘法器和累加器；所述的副载波NCO和码NCO分别与环路控制模块相连，所述的副载波工作方式选择器实现副载波与伪随机码独立和组合两种工作模型；所述的乘法器和累加器，支持向环路控制模块输出累加和；

该装置的工作模式包括：

1)传统跟踪模式：当跟踪传统环路时，关闭跳峰检测模块，并屏蔽副载波发生器将其输出置位全1，码发生器输出超前，当前，滞后三路信号，向环路控制模块输入6组累加和；在环路控制时，关闭联合累加和模块，联合鉴别器模块；同时，也关闭跳峰检测模块以及SLL鉴别器模块；此时，环路便退化至传统跟踪模式；

2)跳峰法跟踪模式：当跟踪低速率副载波BOC信号时，选择使用跳峰法；相关通道部分采用PRN码NCO控制副载波生成器，副载波生成器和PRN码生成器同时生成甚超前，超前，当前，滞后，甚滞后5路信号，向环路控制部分输出10路累加和；

3)DET跟踪模式：当跟踪高速率副载波BOC信号时，选择使用DET法；当选择使用DET算法的时候，则关闭环路控制中的跳峰检测模块，启动副载波控制环路生成副载波环路控制字控制副载波NCO，并利用副载波NCO控制副载波的生成；副载波生成器生成1路超前，3路当前，1路滞后副载波信号，PRN码发生器，生成1路超前，3路当前，1路滞后码信号，向环路控制部分输出10路累加和；

4)MBOC信号跟踪模式：MBOC信号跟踪算法模式采用两路跟踪模块，主信号功率跟踪模块以及副功率跟踪模块；两个跟踪模块的控制信号需完全相同，保持两通道的完全一致性，即码频率控制字，载波频率控制字需完全相同，副载波频率控制字需与调制信号副载波速率成比例；当采用跳峰法时，主功率信号跟踪模块负责跳峰检测而副功率跟踪模块负责联合主功率跟踪模块生成控制信息；

5)数据导频联合模式：数据导频信号跟踪算法模式需要采用两路跟踪模块，数据信号跟踪模块以及导频信号跟踪模块；两个跟踪模块的控制信号需完全相同，保持两通道的完全一致性，即码频率控制字，载波频率控制字，副载波频率控制字均完全相同；采用数据信号跟踪模块负责联合导频信号跟踪模块生成控制信息。