GNSS信号兼容捕获算法
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中国科学: 物理学 力学 天文学 SCIENTIA SINICA Phys, Mech & Astron
2011 年
第 41 卷
第 5 期: 645 ~ 652 phys.scichina.com
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
www.scichina.com
第二届中国卫星导航学术年会专刊 · 论文
星数量的成倍数增加 , 在接收视野受到可能的遮掩 和阻挡时 , 仍然保证有足够的卫星数量实现定位 ; (ⅲ) 当某个卫星导航星座出现异常情况时, 其他系统
表1 COMPASS 导航信号参数
Signal structure of COMPASS 载波频率 (MHz) 1575.42 码速率 (Mcps) 1.023 1.023 2.046 2.046 10.23 10.23 10.23 10.23 10.23 2.5575 2.5575 调制方式 MBOC(6,1,1/11) BOC(14,2)
2.2
匹配滤波器时域捕获算法
匹配滤波器实际上就是一个系数可变的 FIR 滤
波器 , 输入为 x(n), 抽头系数为 h(n), 滤波器的输 出为
y(n) x(n k )h(k ).
k 0 N 1
2.2.3
(1)
折叠匹配滤波器
匹配滤波器通常用并行方式和倒置型实现 , 目 前比较节省资源的类型有折叠匹配滤波器 [8] 和差分 匹配滤波器等.
GNSS 信号兼容捕获算法
黄磊*, 莫钧
和芯星通科技(北京)有限公司, 北京 100085 *E-mail: lhuang@unicorecomm.com 收稿日期: 2011-03-15; 接受日期: 2011-03-29
摘要
目前卫星导航定位系统正在从单一的 GPS 时代向多星座并存的 GNSS 时代转移, 多星座兼容的卫星
Table 3
信号分量 E1-A E1-B E1-C E5a
GNSS 信号是扩频信号, 只有利用扩频码的相关 特性才能从噪声中提取出我们需要的卫星信号 . 由 于接收信号的频率分量中存在多普勒频移 , 所以信 号的搜索是二维搜索过程 , 即分别在码域和频域中 对信号进行搜索 . 国内外关于捕获算法的研究很多 , 目前比较常用的伪码捕获算法有基于快速傅里叶变 换(Fast Fourier Transform, FFT)的频域捕获算法和匹 配滤波器时域捕获算法.
x(n k )h(k ) ...
(2)
k ( m 1) L
N 1
x(n k )h(k ),
其中 N m L , m 为折叠次数. 由(2)式可知, 我们可 以提高加法速率, 将整个相关运算分为几段进行, 前 段运算结果参与到后一段的运算中 , 以快的处理速 率换取少的硬件资源. 加法器工作速率与折叠次数有 关. 若折叠次数为 m , 则加法链工作时钟为采样时钟 的 m 倍, 每出现一个采样数据进行 m 次加法运算. 为提高检测概率同时又考虑到节省硬件资源 , 一般采用 2 倍过采样. 每个码片内的 2 个采样数据将 分别与本地码进行相关运算, 匹配滤波器在每个 PN 码周期内将会有相邻 2 个相关峰输出. 可以看出, 过 采样速率越高 , 就越有可能采到模拟信号眼图的中 点, 检测概率将越高, 但要求运算速率也越高[8,11]. 总体而言 , 本算法的优点是实现了码相位的并 行快速捕获, 缺点是: (ⅰ) 只能适用于某一特定短码信号(如 GPS C/A 码), 不能实现动态配置; ( ⅱ ) 不能实现中长码信号捕获 , 滤波器阶数的 增加会几何增加硬件资源; (ⅲ) 不能实现对载波多普勒的精细并行捕获.
黄磊等: GNSS 信号兼容捕获算法
表2
GPS 导航信号参数
Signal structure of GPS 载波频率 (MHz) 码速率 (Mcps) 1.023 1.023 1.023 10.23 5.115 10.23 10.23 1.023 (CM/CL) 10.23 5.115 调制方式 BPSK TMBOC(6,1,1/11) BPSK BOC(10,5) QPSK BPSK BPSK BOC(10,5)
信号分量 L1C/A L1CD L1CP L1P(Y) L1M L5CD L5CP L2CD L2CP L2P(Y) L2M
信号分量 L1C L3 L5
பைடு நூலகம்1575.42
1176.45
要组成部分 , 用于实现对卫星扩频信号的快速粗略 捕获, 其性能将直接影响接收机的性能指标. 因此有 必要研究适用于各种导航系统信号的兼容捕获算法.
表4
GLONASS CDMA 导航信号参数
CDMA signal structure of GLONASS 载波频率 (MHz) 1575.42 1201.4 1176.45 码速率 (Mcps) 2.046 未公开 4.092 调制方式 BOC(2,2) 未公开 BOC(4,4)
Table 2
Table 4
2.1
E6-A E6-B E6-C
基于 FFT 的频域捕获算法
的卫星信号仍然可以保证接收机能实现正常工作. 信号捕获单元是兼容接收机中频信号处理的重
基于 FFT 的频域捕获算法的典型实现结构[3]如 图 1 所示. 为满足基 2 FFT 运算, 常用的数据预处理 方法有: (ⅰ) 补零法[4]. 在输入中频信号中补零, 使数据 点数成为 2 的整幂次. 但这样实际改变了原伪码序列,
折叠匹配滤波器是针对倒置型匹配滤波器资源 消耗过大而提出的一种改进的倒置型匹配滤波器 . 倒置型匹配滤波器加法器工作时钟与输入的模拟信 号采样时钟同步 , 每出现一个采样数据进行一次加 法运算. 由(1)式可推知:
图2
Figure 2
并行匹配滤波器的结构
Parallel structure of matched filter.
[5]
2.2.1
并行匹配滤波器
并行匹配滤波器如图 2 所示. 电路由三部分组成: 移位寄存器、乘法器组和多输入加法器. 接收数据自 左至右依次输入, 最先接收到的数据应位于最右, 因 此本地序列的配置也是首位在最右 . 当接收到的信 号序列滑过本地序列时 , 每一时刻产生一个相关结 果. 当滑动到两个序列相位对齐时, 相关结果将有一 个峰值输出 . 检测到这个峰值即能获得定时同步信 息, 从而使本地扩频序列与接收信号同步, 其中多输 入加法器的实现比较复杂, 会占用大量的硬件资 源[9].
Table 1
信号分量 B1-CD B1-CP B1D B1P B2aD B2aP B2bD B2bP B3 B3-AD B3-AP
1191.795
AltBOC(15,10)
QPSK(10) BOC(15,2.5)
1268.52
引用格式: 黄磊, 莫钧. GNSS 信号兼容捕获算法. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2011, 41: 645–652 Huang L, Mo J. Acquisition algorithm for GNSS multi-constellation signals (in Chinese). Sci Sin Phys Mech Astron, 2011, 41: 645–652, doi: 10.1360/132011-335
1
引言
目前已建和在建的全球卫星导航系统 , 包括有 美国 GPS、俄罗斯 GLONASS、欧洲 Galileo 以及中 国北斗系统. GPS 和 GLONASS 正在进行系统的升级 和现代化, 以满足日益增长的应用需求. 我国最新对 外公开的 COMPASS 导航信号体制参数[1]见表 1, GPS 和 Galileo 导航信号体制参数[1]见表 2 和 3, 现代化 后 GLONASS 增加的 CDMA 导航信号体制参数[2]见 表 4. 随着卫星导航系统从单一的 GPS 时代向 GNSS 时代的转化 , 双星座或多星座的兼容接收机将会成 为将来卫星导航定位接收机的主流产品 . 目前国外 各大接收机厂商都在致力于研发自己的兼容接收机 产品. 兼容接收机的优势在于: (ⅰ) 有利于提高导航 定位的精度和可用性、连续性、完好性; (ⅱ) 由于卫
647
黄磊等: GNSS 信号兼容捕获算法
图3
Figure 3
倒置型匹配滤波器结构
Inverse structure of matched filter.
y(n) x(n k )h(k )
k 0 L 1
N 1
x ( n k ) h( k )
k 0
2 L 1 k L
2.2.2
倒置型匹配滤波器
倒置型匹配滤波器结构如图 3 所示. 图 3 中输入 信号同时到达滤波器的每个抽头 , 每个抽头上系数 与采样信号分别相乘 , 加法链上的每一个加法器将 抽头乘法器乘积与上级运算结果相加得到新的结果 , 此结果一级一级往后传送并逐一相加 , 最终得到一 个输出结果. 与普通 FIR 滤波器所不同, 由于本地伪 码仅为±1, 可以用加减法代替真正意义上的乘法, 简 化电路设计. 相对于图 2 所示的并行匹配滤波器结构, 倒置型匹配滤波器不需要一个多输入加法器 , 可以 节省硬件资源[10].
1227.6
2
常用算法分析
表3
Galileo 导航信号参数
Signal structure of Galileo 载波频率 (MHz) 1575.42 码速率 (Mcps) 2.5575 1.023 1.023 10.23 1191.795 E5b 10.23 10.23 10.23 5.115 1278.75 5.115 5.115 BOCc(10,5) BPSK(5) BPSK(5) AltBOC(15,10) 调制方式 BOCc(15,2.5) MBOC(6,1,1/11)
导航接收机将会成为未来接收机产品的主流. 常用的伪码频域和时域捕获算法, 虽可以实现特定系统的伪码 信号的快速捕获, 但对于处理多个系统、多种调制方式、不同码长的卫星信号而言, 尚存在一定的局限性. 本 文将提出一种应用于 GNSS 兼容接收机的通用信号快速捕获方法. 经实际测试表明, 该算法实现了兼容捕获 GPS, GLONASS, Galileo 和 COMPASS 等 GNSS 信号, 可以对不同类型的卫星导航信号进行快速捕获, 具备较 高的实用价值. 关键词 PACS: 兼容接收机, 快速捕获, 匹配滤波器 91.10.Fc, 84.40.Ua, 07.57.Kp, 84.30.Qi
图1
Figure 1
基于 FFT 的捕获算法典型实现结构
Typical structure of acquisition algorithm based on FFT.
646
中国科学: 物理学 力学 天文学
2011 年
第 41 卷
第5期
对输出相关峰值有损失, 对伪码捕获性能有影响. ( ⅱ ) 线性内插法 . 利用线性内插方法 ( 如拉格 朗日内插算法)将输入数据内插成 2 的整幂次点. 另 外, 还有一种不需要数据预处理的 chirp-z 方法[6], 但 其实现更为复杂, 计算量更大, 硬件实现较为困难. (ⅲ) Sinc 内插方法[3]. 首先采用 Sinc 滤波器对输 入数据进行内插 , 恢复原始连续信号 , 然后以新的采 样频率 (2 的整幂次)进行重采样 . 优点是伪码波形失 真较小, 但工作在较低的信噪比下, 缺点是实现复杂, 计算量较大. ( ⅳ ) 平均分组法 [7]. 将输入数据平均分成若干 组(每组 1024 点). 优点是操作简单, 硬件易于实现, 但付出的代价是降低了相关输出能量 , 对噪声的适 应能力降低 , 不过效果比补零法要好 . 总体而言 , 算 法的优点是实现了码相位的并行快速捕获 , 缺点是 : (ⅰ) 只能适用于某一特定短码信号(如 GPS C/A 码), 不能实现动态配置; (ⅱ) 对于中长码信号, FFT 点数 的增加会几何增加硬件资源 ; ( ⅲ ) 不能改变搜索的 码相位数量 , 即不能实现对指定的部分码相位搜索 ; (ⅳ) 不能实现对载波多普勒的精细并行捕获.
域和时域捕获算法都有自身的优缺点 , 单独应用均 无法全部满足兼容接收机的需求. 为了解决上述捕获算法的局限性问题 , 本文将 综合基于 FFT 的频域捕获算法和基于匹配滤波器的 时域捕获算法的优点 , 并结合时分复用的控制机制 , 提出一种通用的信号快捕算法 -GNSS 信号兼容捕获 算法, 用于实现多个系统、多种调制方式、不同码长 的伪码信号捕获.
2011 年
第 41 卷
第 5 期: 645 ~ 652 phys.scichina.com
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
www.scichina.com
第二届中国卫星导航学术年会专刊 · 论文
星数量的成倍数增加 , 在接收视野受到可能的遮掩 和阻挡时 , 仍然保证有足够的卫星数量实现定位 ; (ⅲ) 当某个卫星导航星座出现异常情况时, 其他系统
表1 COMPASS 导航信号参数
Signal structure of COMPASS 载波频率 (MHz) 1575.42 码速率 (Mcps) 1.023 1.023 2.046 2.046 10.23 10.23 10.23 10.23 10.23 2.5575 2.5575 调制方式 MBOC(6,1,1/11) BOC(14,2)
2.2
匹配滤波器时域捕获算法
匹配滤波器实际上就是一个系数可变的 FIR 滤
波器 , 输入为 x(n), 抽头系数为 h(n), 滤波器的输 出为
y(n) x(n k )h(k ).
k 0 N 1
2.2.3
(1)
折叠匹配滤波器
匹配滤波器通常用并行方式和倒置型实现 , 目 前比较节省资源的类型有折叠匹配滤波器 [8] 和差分 匹配滤波器等.
GNSS 信号兼容捕获算法
黄磊*, 莫钧
和芯星通科技(北京)有限公司, 北京 100085 *E-mail: lhuang@unicorecomm.com 收稿日期: 2011-03-15; 接受日期: 2011-03-29
摘要
目前卫星导航定位系统正在从单一的 GPS 时代向多星座并存的 GNSS 时代转移, 多星座兼容的卫星
Table 3
信号分量 E1-A E1-B E1-C E5a
GNSS 信号是扩频信号, 只有利用扩频码的相关 特性才能从噪声中提取出我们需要的卫星信号 . 由 于接收信号的频率分量中存在多普勒频移 , 所以信 号的搜索是二维搜索过程 , 即分别在码域和频域中 对信号进行搜索 . 国内外关于捕获算法的研究很多 , 目前比较常用的伪码捕获算法有基于快速傅里叶变 换(Fast Fourier Transform, FFT)的频域捕获算法和匹 配滤波器时域捕获算法.
x(n k )h(k ) ...
(2)
k ( m 1) L
N 1
x(n k )h(k ),
其中 N m L , m 为折叠次数. 由(2)式可知, 我们可 以提高加法速率, 将整个相关运算分为几段进行, 前 段运算结果参与到后一段的运算中 , 以快的处理速 率换取少的硬件资源. 加法器工作速率与折叠次数有 关. 若折叠次数为 m , 则加法链工作时钟为采样时钟 的 m 倍, 每出现一个采样数据进行 m 次加法运算. 为提高检测概率同时又考虑到节省硬件资源 , 一般采用 2 倍过采样. 每个码片内的 2 个采样数据将 分别与本地码进行相关运算, 匹配滤波器在每个 PN 码周期内将会有相邻 2 个相关峰输出. 可以看出, 过 采样速率越高 , 就越有可能采到模拟信号眼图的中 点, 检测概率将越高, 但要求运算速率也越高[8,11]. 总体而言 , 本算法的优点是实现了码相位的并 行快速捕获, 缺点是: (ⅰ) 只能适用于某一特定短码信号(如 GPS C/A 码), 不能实现动态配置; ( ⅱ ) 不能实现中长码信号捕获 , 滤波器阶数的 增加会几何增加硬件资源; (ⅲ) 不能实现对载波多普勒的精细并行捕获.
黄磊等: GNSS 信号兼容捕获算法
表2
GPS 导航信号参数
Signal structure of GPS 载波频率 (MHz) 码速率 (Mcps) 1.023 1.023 1.023 10.23 5.115 10.23 10.23 1.023 (CM/CL) 10.23 5.115 调制方式 BPSK TMBOC(6,1,1/11) BPSK BOC(10,5) QPSK BPSK BPSK BOC(10,5)
信号分量 L1C/A L1CD L1CP L1P(Y) L1M L5CD L5CP L2CD L2CP L2P(Y) L2M
信号分量 L1C L3 L5
பைடு நூலகம்1575.42
1176.45
要组成部分 , 用于实现对卫星扩频信号的快速粗略 捕获, 其性能将直接影响接收机的性能指标. 因此有 必要研究适用于各种导航系统信号的兼容捕获算法.
表4
GLONASS CDMA 导航信号参数
CDMA signal structure of GLONASS 载波频率 (MHz) 1575.42 1201.4 1176.45 码速率 (Mcps) 2.046 未公开 4.092 调制方式 BOC(2,2) 未公开 BOC(4,4)
Table 2
Table 4
2.1
E6-A E6-B E6-C
基于 FFT 的频域捕获算法
的卫星信号仍然可以保证接收机能实现正常工作. 信号捕获单元是兼容接收机中频信号处理的重
基于 FFT 的频域捕获算法的典型实现结构[3]如 图 1 所示. 为满足基 2 FFT 运算, 常用的数据预处理 方法有: (ⅰ) 补零法[4]. 在输入中频信号中补零, 使数据 点数成为 2 的整幂次. 但这样实际改变了原伪码序列,
折叠匹配滤波器是针对倒置型匹配滤波器资源 消耗过大而提出的一种改进的倒置型匹配滤波器 . 倒置型匹配滤波器加法器工作时钟与输入的模拟信 号采样时钟同步 , 每出现一个采样数据进行一次加 法运算. 由(1)式可推知:
图2
Figure 2
并行匹配滤波器的结构
Parallel structure of matched filter.
[5]
2.2.1
并行匹配滤波器
并行匹配滤波器如图 2 所示. 电路由三部分组成: 移位寄存器、乘法器组和多输入加法器. 接收数据自 左至右依次输入, 最先接收到的数据应位于最右, 因 此本地序列的配置也是首位在最右 . 当接收到的信 号序列滑过本地序列时 , 每一时刻产生一个相关结 果. 当滑动到两个序列相位对齐时, 相关结果将有一 个峰值输出 . 检测到这个峰值即能获得定时同步信 息, 从而使本地扩频序列与接收信号同步, 其中多输 入加法器的实现比较复杂, 会占用大量的硬件资 源[9].
Table 1
信号分量 B1-CD B1-CP B1D B1P B2aD B2aP B2bD B2bP B3 B3-AD B3-AP
1191.795
AltBOC(15,10)
QPSK(10) BOC(15,2.5)
1268.52
引用格式: 黄磊, 莫钧. GNSS 信号兼容捕获算法. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2011, 41: 645–652 Huang L, Mo J. Acquisition algorithm for GNSS multi-constellation signals (in Chinese). Sci Sin Phys Mech Astron, 2011, 41: 645–652, doi: 10.1360/132011-335
1
引言
目前已建和在建的全球卫星导航系统 , 包括有 美国 GPS、俄罗斯 GLONASS、欧洲 Galileo 以及中 国北斗系统. GPS 和 GLONASS 正在进行系统的升级 和现代化, 以满足日益增长的应用需求. 我国最新对 外公开的 COMPASS 导航信号体制参数[1]见表 1, GPS 和 Galileo 导航信号体制参数[1]见表 2 和 3, 现代化 后 GLONASS 增加的 CDMA 导航信号体制参数[2]见 表 4. 随着卫星导航系统从单一的 GPS 时代向 GNSS 时代的转化 , 双星座或多星座的兼容接收机将会成 为将来卫星导航定位接收机的主流产品 . 目前国外 各大接收机厂商都在致力于研发自己的兼容接收机 产品. 兼容接收机的优势在于: (ⅰ) 有利于提高导航 定位的精度和可用性、连续性、完好性; (ⅱ) 由于卫
647
黄磊等: GNSS 信号兼容捕获算法
图3
Figure 3
倒置型匹配滤波器结构
Inverse structure of matched filter.
y(n) x(n k )h(k )
k 0 L 1
N 1
x ( n k ) h( k )
k 0
2 L 1 k L
2.2.2
倒置型匹配滤波器
倒置型匹配滤波器结构如图 3 所示. 图 3 中输入 信号同时到达滤波器的每个抽头 , 每个抽头上系数 与采样信号分别相乘 , 加法链上的每一个加法器将 抽头乘法器乘积与上级运算结果相加得到新的结果 , 此结果一级一级往后传送并逐一相加 , 最终得到一 个输出结果. 与普通 FIR 滤波器所不同, 由于本地伪 码仅为±1, 可以用加减法代替真正意义上的乘法, 简 化电路设计. 相对于图 2 所示的并行匹配滤波器结构, 倒置型匹配滤波器不需要一个多输入加法器 , 可以 节省硬件资源[10].
1227.6
2
常用算法分析
表3
Galileo 导航信号参数
Signal structure of Galileo 载波频率 (MHz) 1575.42 码速率 (Mcps) 2.5575 1.023 1.023 10.23 1191.795 E5b 10.23 10.23 10.23 5.115 1278.75 5.115 5.115 BOCc(10,5) BPSK(5) BPSK(5) AltBOC(15,10) 调制方式 BOCc(15,2.5) MBOC(6,1,1/11)
导航接收机将会成为未来接收机产品的主流. 常用的伪码频域和时域捕获算法, 虽可以实现特定系统的伪码 信号的快速捕获, 但对于处理多个系统、多种调制方式、不同码长的卫星信号而言, 尚存在一定的局限性. 本 文将提出一种应用于 GNSS 兼容接收机的通用信号快速捕获方法. 经实际测试表明, 该算法实现了兼容捕获 GPS, GLONASS, Galileo 和 COMPASS 等 GNSS 信号, 可以对不同类型的卫星导航信号进行快速捕获, 具备较 高的实用价值. 关键词 PACS: 兼容接收机, 快速捕获, 匹配滤波器 91.10.Fc, 84.40.Ua, 07.57.Kp, 84.30.Qi
图1
Figure 1
基于 FFT 的捕获算法典型实现结构
Typical structure of acquisition algorithm based on FFT.
646
中国科学: 物理学 力学 天文学
2011 年
第 41 卷
第5期
对输出相关峰值有损失, 对伪码捕获性能有影响. ( ⅱ ) 线性内插法 . 利用线性内插方法 ( 如拉格 朗日内插算法)将输入数据内插成 2 的整幂次点. 另 外, 还有一种不需要数据预处理的 chirp-z 方法[6], 但 其实现更为复杂, 计算量更大, 硬件实现较为困难. (ⅲ) Sinc 内插方法[3]. 首先采用 Sinc 滤波器对输 入数据进行内插 , 恢复原始连续信号 , 然后以新的采 样频率 (2 的整幂次)进行重采样 . 优点是伪码波形失 真较小, 但工作在较低的信噪比下, 缺点是实现复杂, 计算量较大. ( ⅳ ) 平均分组法 [7]. 将输入数据平均分成若干 组(每组 1024 点). 优点是操作简单, 硬件易于实现, 但付出的代价是降低了相关输出能量 , 对噪声的适 应能力降低 , 不过效果比补零法要好 . 总体而言 , 算 法的优点是实现了码相位的并行快速捕获 , 缺点是 : (ⅰ) 只能适用于某一特定短码信号(如 GPS C/A 码), 不能实现动态配置; (ⅱ) 对于中长码信号, FFT 点数 的增加会几何增加硬件资源 ; ( ⅲ ) 不能改变搜索的 码相位数量 , 即不能实现对指定的部分码相位搜索 ; (ⅳ) 不能实现对载波多普勒的精细并行捕获.
域和时域捕获算法都有自身的优缺点 , 单独应用均 无法全部满足兼容接收机的需求. 为了解决上述捕获算法的局限性问题 , 本文将 综合基于 FFT 的频域捕获算法和基于匹配滤波器的 时域捕获算法的优点 , 并结合时分复用的控制机制 , 提出一种通用的信号快捕算法 -GNSS 信号兼容捕获 算法, 用于实现多个系统、多种调制方式、不同码长 的伪码信号捕获.