GPS系統(tǒng)中偽碼P碼基于FPGA的擴(kuò)展

摘要：針對GPS系統(tǒng)使用直接序列擴(kuò)頻調(diào)制所使用的精測距碼P碼，P碼具有定位精度高，長周期，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等的特性，以及其廣泛的軍事應(yīng)用。通過對P碼的產(chǎn)生原理進(jìn)行深入研究，采用在Xilinx ISE中使用Verilog HDL語言，對P碼產(chǎn)生電路進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)的方法，產(chǎn)生指定PRN號衛(wèi)星的P碼，通過對生成結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證以及特性分析，以解決GPS中長周期精測距碼(P碼)不借助導(dǎo)航信息中短周期測距碼的引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)P碼的快速直接捕獲的問題。

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)是美國從上世紀(jì)70年代開始規(guī)劃研制，歷時(shí)21年，于1994年全面建成，是美國繼阿波羅登月、航天飛機(jī)之后的第三大航天工程，利用GPS衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球、全天候、實(shí)時(shí)、連續(xù)導(dǎo)航定位的，具有海、陸、空全方位實(shí)時(shí)三維(時(shí)間、速度、方位)導(dǎo)航與定位能力的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是目前全球應(yīng)用最為廣泛、最先進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

GPS系統(tǒng)采用典型的CDMA體制，這種擴(kuò)頻調(diào)制信號具有低截獲概率特性，系統(tǒng)利用直接序列擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，以碼分多址復(fù)用的形式區(qū)分各個衛(wèi)星信號。GPS衛(wèi)星信號導(dǎo)航電文為50bps的二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼，利用偽隨機(jī)噪聲碼(PRN)對導(dǎo)航電文進(jìn)行擴(kuò)頻，碼片速率遠(yuǎn)高于其本身的數(shù)據(jù)碼速率，對信號的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，再使用擴(kuò)展的碼元去調(diào)制L波段載波，可以有效地將低速率導(dǎo)航電文發(fā)送到接收端。目前現(xiàn)代化的GPS信號有3種載波方式：載波L1頻段1 575.42 MHz，L2民用信號(L2C)頻段1 227.6 MHz，和一個位于1176.45 MHz成為L5頻段的載波。

GPS系統(tǒng)測距偽碼有C/A碼和P碼(Y碼)，以及新的軍用M碼疊加在L1和L2頻段上?；诖a分多址復(fù)用(CDMA)的GPS需要其信號中偽碼具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)性能，PRN(Pseudo Random Noise Code偽隨機(jī)噪聲碼)碼序列不僅具有高斯噪聲所有的良好自相關(guān)特性，而且具有可預(yù)知性和周期性的規(guī)律，它與自身的相移序列相加，結(jié)果仍然為PRN碼序列，只是改變了其相位。P(Y)碼又稱為精確測距碼，它同時(shí)調(diào)制在L1和L2載波信號上，主要應(yīng)用于精測距、抗干擾及其保密性要求高的環(huán)境下。P碼是一種高精度定位碼，利用P碼進(jìn)行衛(wèi)星定位要比利用粗測距碼C /A碼定位精度提高10倍左右，加密后的P碼稱為Y碼，只有特許用戶才能破譯使用，多用于軍事應(yīng)用當(dāng)中。由于P碼的特點(diǎn)是長周期，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對P碼的捕獲一直是備受關(guān)注，在P碼捕獲的過程中需要本地復(fù)現(xiàn)P碼，產(chǎn)生P碼周期內(nèi)指定PRN號衛(wèi)星任意時(shí)刻的P碼數(shù)據(jù)，對提高P碼的捕獲研究有著非常重要的意義。

1 P碼的產(chǎn)生原理

GPS衛(wèi)星信號擴(kuò)頻使用的P碼，序列長度2.35x1014，速率為10.23 MHz，序列周期為266.41天。在實(shí)際應(yīng)用中，GPS衛(wèi)星使用序列中的一個星期的碼元，作為衛(wèi)星使用的擴(kuò)頻偽碼序列，所以其長度為6.287×1012，遠(yuǎn)大于C/A碼的1 023個碼元長度。

依據(jù)ICD-GPS-200C，P碼的生成主要由4個稱為X1A，X1B，X2A和X2B的12位移位寄存器產(chǎn)生PRN序列。圖1中給出了這種寄存器方案的詳細(xì)框圖。GPS基于CDMA技術(shù)的直接序列擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，在P碼的情況下，延時(shí)的整碼片數(shù)與對應(yīng)的衛(wèi)星PRN號相同。X1A和X1B寄存器的輸出由一個異或電路形成X1碼發(fā)生器，X2A和X2B寄存器輸出異或形成X2碼發(fā)生器，X2結(jié)果饋送給一個移位寄存器，延遲衛(wèi)星PRN號的碼片數(shù)，然后與X1結(jié)果異或合并產(chǎn)生P碼。

4 結(jié)論

通過對設(shè)計(jì)結(jié)果分析，可以看出P碼的長周期，以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，也正是因此才保證其應(yīng)用在精測距、抗干擾及其保密性要求高的環(huán)境下，在P碼捕獲的過程中本地產(chǎn)生復(fù)現(xiàn)P碼，產(chǎn)生P碼周期內(nèi)指定PRN號衛(wèi)星任意時(shí)刻的P碼數(shù)據(jù)，以解決在不借助短周期粗測距碼的引導(dǎo)下，對P碼實(shí)現(xiàn)直接快速捕獲。