GPS L2频率P（Y）码跟踪及FPGA实现

连 洁，伍蔡伦

（河北省卫星导航技术与装备工程技术研究中心，河北石家庄050081）

0 引言

由于电离层折射引起的伪码群延迟与载频的平方成反比，利用GSP卫星在主频率L1（1575.42MHz）和次频率L2（1227.6MHz）2个载波频率上发射导航信号之间的群延迟的不同，可以精确地估算出L1信号群延迟的大小，加以消除从而提高其伪距测量精度。为了测量信号的群延迟差，必须同时跟踪2个载频的PRN码。L1频率信号由C/A码和P（Y）码2个PRN码调制。L2频率信号均有P（Y）码调制，只有少数卫星L2频率信号有C/A码调制。军用P（Y）码是保密的，这就是只有军用用户与才能消除电离层误差的原因。因此，对GPS L2频率P（Y）码的载波跟踪显得尤为重要。本文提供了P码复现，L1辅助L2进行P码载波跟踪等关键技术的解决方案，并在FPGA中进行了实现和验证。

1 L2频率P（Y）码跟踪基本原理

P（Y）码是由P码和W码模2加而成。P码是公开已知的，W码未知，其速率约为500kHz。P（Y）码信号的接收，通常有2种方法:无码和半无码技术。无码技术是指在对P码未知条件下利用平方法恢复L2载波信号。无码技术的平方损耗较大，增加了接收机环路的均方根相位误差，从而使L2载频连续波信号的跳周概率上升，不适于做一般定位使用。而半无码技术是利用一些P码特性以恢复L2载波信号。平方损耗相较于无码技术可降低3～20dB以上，半无码技术是主流双频接收机常采用的方法。

GPS C/A码序列长度为1023bit，码片速率为1.023mHz，是粗精度民用码。C/A码的生成方式也是公开的。GPS L1频率的C/A码是可以跟踪并解调出电文信息。对于同一颗卫星中L1和L2频率使用的P码序列是相同的。利用L1 C/A码已知的时间信息和载波跟踪环调整量等信息可以有效地辅助L2频率的P（Y）码的捕获跟踪。由于电离层延迟的影响，L2频率的P（Y）码序列与L1的P（Y）码序列有一定的时间延迟。由文献[1]可知，电离层延迟不超过150m，即延迟不超过P码的6个码片。在W码的间隔内进行相关积累，利用L1的P（Y）码的积累进行W码的消除，延长积分时间。即可获得L2频率P（Y）码的相关积累最大值。利用载波跟踪环路进行跟踪，即可获得载波跟踪的相位信息，实现P（Y）码的载波跟踪。在此之中，复现任意时刻的P码序列、消除W码和捕获跟踪流程是其中的关键技术。

2 L2频率P码复现

2.1 P码产生原理

P码是复杂的伪随机噪声（PRN）码，序列长度为2.354 695 927 65 ×1014，码速率为10.23mHz，码周期为266.41天，即38.058星期。在实际应用中，每颗卫星使用P码的一星期长的码元作为自己的扩频序列，故每个序列长度是6.187 104×1012。

P码的生成可参考ICD-GPS-200C[2]，在此简述一下P码的产生原理。P码生成主要由4个12级线性反馈移位寄存器（X1A，X1B，X2A，X2B）构成，系统时钟为10.23mHz。

P码的4个移位寄存器其自然周期为4095，均做截断并按照一定的规律周期运行。X1A和X1B被截短为4092个码片（chip）一个周期（cycle），X2A和X2B被截短为4093个码片一个周期。X1序列按如下规律运行。X1A按其4092个码片为1cycle，运行整3750个cycle。X1B按4093个码片为1cycle，运行完成其自身的3749个cycle，然后停止推送待X1A运行完结后一同复位重新开始。X1B在完成其3749个cycle后，需停止推送343个码钟（3750×4092－3749×4093=343），便载入初相重新运转。

同样，X2序列中X2A和X2B的时序关系与X1序列中X1A和X1B的规律一样，只是X2A到一个3750cyle结束时，X2A和X2B同时停止推送，待37个码片时钟后重新开始启动。即X2A需停止推送37个码钟，X2B需停止343+37个码钟，再重新载入各自的初相重新运转。X2由X2A和X2B异或而得，X1由X1A和X1B异或而得。X1和X2序列异或得出P码序列。每颗卫星只用该序列的一个星期。在X2序列的输出位置使用移位寄存器来对X2序列进行i个码片（i的范围从1～37）的延迟，就形成了37种不同的P码序列。

2.2 P码发生器的FPGA实现

要想复现任意时刻的P码，必须知道该时刻4个寄存器的初相。然而任意时刻初相的推算较为复杂。为了满足接收机的需要并且简化设计，利用复位时的初相和序列的相对关系，把P码产生器简化为给定一周（7天）内任意第N个1.5s（第N个Zcnt），生成该时刻的P码。

由P码的生成原理可知，X1和X2序列中，只有X1A序列以固定周期连续运转，没有被停止推送。X1B、X2A和X2B以X1A为基准，均有相应的停止推送、等待复位的时序。

将X1A的3750个cycle的计数为1个Z计数（Zcnt），以X1A作为时序的标尺，有如下关系:

即X1A正常运行，得出Zcnt同步标志和整周复位标志;X1B在每一个Zcnt的起始与X1A同步一次（X1为主序列，一直维持自同步）;X2序列在一个整周的起始与X1A同步一次（X2被X1序列同步）;X2B在每个X2 Zcnt（1个Zcnt+37chips）与X2A同步一次（X2序列自同步）。

FPGA实现任意时刻P码的生成时，为避免复杂的运算，均以4个序列的相对时序来推送码生成。设计主要分为4个模块，即引导时刻换算模块、X1序列时序产生模块、X2序列时序产生模块和P码多项式伪码产生器。

引导时刻换算模块，将Zcnt计数换算为X1序列和X2序列的启动顺序脉冲。X2序列比X1序列延时（Zcnt－1）*37个码钟。令2个序列均从初相开始运行。X1序列时序产生模块，从启动开始，X1A按规律运转，X1B按照X1A的对应时序运转。输出两序列的置入初相和X1B的停止等待信号。X2序列时序产生模块中，X2A和X2B也同时从启动脉冲开始计数运转，生成相应的重置初相和停止等待信号。全部信号时序具备，输入P码产生器中，按生成多项式移位运算，重置信号到来时，置入对应序列的初相;停止等待信号到来时，对应的移位寄存器停止运转。该P码产生器，已在FPGA中实现并经过验证，图1为GPS1号卫星，在Zcnt=40313时刻，生成的P码。X1_pn为X1序列伪码，X2_pn为X2序列伪码。

图1 硬件设计及系统连接框图

3 跟踪处理流程

跟踪处理流程如图2所示。

图2L2 P（Y）跟踪处理流程图

用本地复现的载波进行下变频后，形成同相I和正交相Q两条支路。I和Q信号分别与并行的超前、即时、滞后的复现码进行相关。由于L2频率P码延迟不超过6个码片。L2频率P码的并行支路需覆盖整个延迟范围。产生超前L1频率的P码2个码片的L2频率P码。以半码片作为相关间隔，向后搜索8个码片的范围。在文献[3]中，给出了W码的周期。W码频度为0.511MHz和0.465MHz交替发生，20个P码为一个W码，持续11个W码，后面为22个P码为一个W码，持续21个此周期的W码。两个周期的W码合并为一个H周期，15个H周期为1ms。由此可知，P码的相关积累可在一个W码内进行。L1信号的处理与L2信号的处理相同，均做W码内的P码相关积累。取L1的W码的符号位，与L2的相关积累值相乘，消除W码，扩大P码的相关积累范围，有效延长了预检测积分的时间。在此基础上进行了时长1ms的相关积累。搜索到相关峰值，判断门限。将相关积累值，送入跟踪环路。捕获跟踪环路的处理可以复用L1信号的处理流程。码发生器由码环NCO，由接收机的码跟踪环控制。使用载波跟踪环路控制。当相位锁定时，I信号最大，而Q支路只含有噪声。由于L2 P（Y）本身比L1 P（Y）信号弱3dB，再加上平方损失，L2 P（Y）环路的跟踪比较脆弱，所以加入了失锁重捕机制。若载噪比低于一定门限，认为L2 P（Y）码跟踪失锁。由L1的C/A码重新进行时间引导，并将当前Doppler频偏信息，置入L2 P（Y）跟踪支路。

4 试验方法及结果

将P码生成模块嵌入GPS L1和L2双频接收机中，用思博伦信号模拟器模拟GPS卫星的发射信号。将双频信号接入双频接收机中。从L1的C/A码电文中可以解出当前P码的时刻。将时间置入P码生成模块，已知固定延时关系，P码生成模块可以生成出与L1频率C/A码码片级对齐的P码。在环路跟踪程序段中，存取I和Q支路的相关积累值做图，如图3所示。环路稳定后，上一条曲线为I支路积累值，下面为Q支路积累值。I支路为信号能量，Q支路为噪声能量，表明FPGA实现的L2 P（Y）码可以跟踪锁定。此时，L2 P（Y）载噪比为34.27dBHz，L1载噪比为43.12dBHz。两者相差8.85dBHz。

图3 I和Q支路各自的相关积累值

5 结束语

基于半无码技术跟踪L2 P（Y）码的方法，研究并解决了P码复现和消除W码延长积分时间等关键技术。以跟踪L1频率中C/A码和P（Y）码得出的相关量辅助L2 P（Y）码的捕获跟踪。为了增加环路的工作稳定性，加入了失锁重捕机制。阶段性成果均在FPGA中实现并进行了试验验证。结果表明，在工程中实现了跟踪L2频率P（Y）码。

[1]刘基余，李征航，王跃虎，等.全球定位系统原理及其应用[M].北京:测绘出版社，1993.

[2]IS-GPS-200 Revision D IRN－200D－001 7March 2006.Navstar GPS Space Seg-ment/Navigation User Interface[S].

[3]GARY L.Method and Apparatus for Improved L2 Performance in Dual Frequency Semi-codeless GPS Receivers[P].CA（US）:US 2007/0230545 A1，2005.9.27.

[4]秦明峰，王兴刚，张国强.基于MATLAB集成环境的GPS接收机设计[J].无线电工程，2009，39（02）:61－64.

[5]潘申富，张丽娜.一种低信噪比解调的实现方案及性能仿真[J].无线电通信技术，2011，37（02）:55－58.

[6]刘伟，钟子发.OFDM信号码片时宽与符号长度估计[J].无线电通信技术，2011，37（02）:23－25.

[7]罗显志.基于定向天线的导航信号参数估计方法研究[J].无线电工程.2011，41（03）:30－33.

[8]董立桥，周雪娟.基于PXI架构的导航信号模拟器设计[J].无线电工程.2011，41（03）:34－37.

[9]姚勇.低轨卫星自跟踪技术分析[J].无线电工程，2011，41（10）:17－20.

[10]刘会红，林春霞.基于带通采样QPSK高速解调器的技术分析[J].无线电通信技术，2011，37（01）:59－61.