基于FPGA的GPS软件接收机跟踪算法的优化和研究

王悦（西安文理学院 信息中心，陕西 西安　710068）

基于FPGA的GPS软件接收机跟踪算法的优化和研究

王悦
（西安文理学院 信息中心，陕西 西安710068）

随着GPS技术在日常生话和科研领域应用的越来越广泛，而GPS软件接收机作为作为GPS技术最关键的一部分，对其定位的准确性，精度以及实时性的要求就变得越来越高。传统的GPS软件接收机以及无法满足现在高精度，高时效性的要求。因此，本文在原有接收机跟踪算法的基础上，进行了升级和优化。开发了一个基于FPGA的GPS软件接收机优化的跟踪算法，完成了跟踪算法中噪声带宽、环路增益、快捕范围、环路滤波器等关键参数的设置。本算法具有比之前传统算法具有稳定度高，定位准确且高效的优势，经过数据测试，达到了设计要求。

GPS；跟踪；FPGA；算法优化；接收机

随着全球各种卫星导航系统以及GPS技术的逐渐普及和完善，卫星导航定位接收机作为导航技术中最关键的一环，其各种应用也都得到了最大程度的发展和普及。除了在大家熟知的军事，勘探，交通的行业，如今在电力部门，土地部门以及消防，农业等部门也都得到了广泛的应用。并且其应用的形式也是多种多样并朝着更加多元化的方式发展。GPS技术是当今应用最广也是导航性能最好，最稳定的定位系统，其高稳定度吗，高精度，高时效性，光应用性等特点是其以成为一个重要产业的原因，也使得越来越多其他产业对此越来越关注。与传统的GPS接收机相比，GPS软件接收机在应用的广度和灵活度上有着很大的优势。该接收机运用的是如今应用最广泛的软件编程的原理，在硬件平台上可以根据自己的使用需求下载不同的应用程序，然后通过对程序的控制来实现使用者需求的功能。软件接收机与普通接收机相比另一个明显的优势就是对信号的存储功能，中频或者中低频的信号的可以被其存储下来，因此其可以满足各种不同的甚至非常复杂的算法要求，并且在不降低响应速度的前提下，提高接收机的精度以及提高信号的强度。因为在传输过程，因为很多原因都会导致信号有衰减，所以该软件接收机会对信号进行增强。文中为了满足上述对软件接收机全新的高要求，对软件接收机的算法进行了改进。设计开发了基于FPGA的GPS软件接收机的跟踪算法，

运用MATLAB进行定点建模。利用FPGA这个平台将跟踪算法进行升级和优化。并利用Verilog语言对算法中需要的各个子模块进行硬件性的描述，将信号获取和信号分析统一在一起，最后经过系统调试和实验，实现了实时准确地定位功能［1-2］。

1　GPS系统组成

GPS系统主要是由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分等3个部分组成。3个部分通过信号的传递，互相连通，协调合作，完成一系列操作［3］。

GPS系统是依靠被发射入太空的24颗卫星构成，在这些卫星中实际参与工作的卫星是21颗，其余的3颗是备用卫星。所有的卫星均匀分布在地球周围的六个轨道平面上，之所以说是平均分布，是因为在每个平面上都均匀分配着四颗卫星。每个平面的夹角都是60°。

为了满足地球上的使用者可以在任何时间地点利用到卫星进行实际应用这个需求，卫星的设计者将其布局安排与上述结构一致，这也是最科学的分配方法。因为该方法是经过严格的数学计算以及充分考虑到卫星之间的容错率。如果某一个轨道平面上的卫星因为某种原因发生故障不能工作时，与之相邻轨道平面上的卫星会自动接管此卫星的工作，直至该卫星恢复正常，不会影响到卫星信号的覆盖和使用。而且，备用的三颗零时卫星也可以在多个卫星同时出现故障时起到很好地代替作用，充分保证了GPS系统的正常运转。地面的监控部分主要是由主控站，注入站和监测站构成。其分别分布在世界的各个角落。其中主控站只有一个，而其余两个则分别是四个和六个。地面监控部分的主要职责就是对空中的卫星进行实时监控，对其的运行轨道和运行状态进行跟踪分析，发出工作指令以及解决突发问题，保证系统的正常运转。用户设备通常可以理解为GPS接收装置。这个设备的主要作用就是接收卫星所发出的信息信号，将信号传入接收机内部，通过其内部各个模块的分析处理，以实现对用户位置的导航解算，完成定位功能［4-5］。

完成上述一些列操作的媒介就是卫星的传输信号，而卫星信号的主要成分就是伪随机码。由于在太空中有很多影响信号稳定的物质，所以一般在信号发射前，需要对伪随机码调制解调，对信号进行增强，达到可以接收到稳定正确的传输信号的目的。伪随机码中的伪随机序列是保证信号可以被捕获和跟踪的保证，因为其有着很强的互相关性。对伪随机序列进行的频率进行拓展，可以增强GPS信号的抗干扰能力，并使其隐秘性得到了加强，并可以提高其在定位导航功能上的精度。由于本文研究的接收机主要是在民用范围，因此本文的随机码主要是C/A码［6-7］。图1为C/A发生器的结构。

图1　CA码发生器结构

2　基带信号捕获和跟踪部分算法分析

GPS基带信号处理的过程是GPS系统在实现过程过程中最关键的一个部分，其处理过程的稳定性和准确性是保证实现定位等功能的关键。处理过程主要是捕获和追踪两个方面。在对信号进行的处理过程中，首先要将信号进行捕获，通过捕获得到信号的原始频率和C/A码的粗略的估计值。在操作完成后，进入到追踪阶段，追踪的主要目的就是将上一步得到的粗略的估计值进行准确的分析，经过分析得到精确地相位和频率信息，并对最终的信号进行调制解调［8］。

捕获作为基带信号处理最关键的一个步骤，在对信号的处理过程中，第一步就是找到需要处理的信号，就是将其捕获。由于GPS系统中有许多不同地址的系统，所以在对信号进行捕获时最常用的算法就是串行搜索捕获算法。GPS串行搜索捕获算法的框图如图2所示。算法作为捕获过程的核心，是完成该步骤的关键，本文的目的也是通过对算法的优化，实现高精度，高效率的信号分析和最终定位。该算法的实现过程相对比较简单，基本原理就是通过将输入信号与本地的伪码经行乘积运算。输入的信号通过与本地伪码的乘积运算后，在于载波信号相乘。其中与本地载波cos（x）相乘产生同相支路I路，与本地载波sin（x）相乘产生Q支路。I、Q两路信号分别经过一个完整C/A码周期（即1 ms的积分时间）时间的积分，分别平方相加。在理想的情况下，C/A码只调制在I支路上，信号的功率也都集中在I支路上［9］。最后需要对检测的信号进行验证，若检测到的信号与发出信号频率相同，并与伪码保持一致，即可认为捕获后的参数具有可靠性，可以继续下一步的操作。

图2　串行捕获算法的原理图

在确认捕获过程成功后，系统会自动进行下一个步骤，也就是跟踪环节。这个步骤的目的就是对信号进行分析解调和应用。跟踪环节就是对载波的频率，相位以及传输精度等信息进行实时的分析和跟踪，观察其是否在预定的范围周期内变化，保证其运转依照事先分析计算的路径和规律一致。在保持此状态的情况下，即达到了稳定的状态，就可以准确地获得信号中传递的信息，随后就可对其解调，得到具体的数据，经过计算完成定位的功能［10-11］。图2为串行捕获算法的原理图。

3　GPS接收机跟踪环设计

在GPS接收机的跟踪系统中，载波跟踪环和伪码跟踪环是缺一不可的，两者相互协作，紧密的联系在一起。因为载波跟踪环需要利用伪码跟踪换对信号进行解调，而载波跟踪环为其提供相位频率等分析功能。

图3为GPS接收机跟踪环路的原理图。其中IE，IL，QE 和QL，分别为各个载波以及各种伪码进行积分运算后的输出值，经过鉴相器的处理，等到精度非常高的相位信息，在经过滤波器对多余的信号进行处理，滤除频率较高或者不满足条件的正弦信号，最后将结果反馈给NEO模块进行处理，最终完成对伪码的整体处理。IP和QP分别为正交或同相载波与C/A码的积分，同样通过鉴相器的处理，得到相位方面的误差，然后经过滤波器滤除频率相对较高的部分，最终将结果反馈给NEO模块进行处理，这一过程完成了对跟踪环的整体优化和调整。GPS信号到达天线后，首先会有射频的远端进行分析和处理，使其变为低频信号。在捕获的过程中，每一个卫星都有其各自的C/A码和多普勒频率，为了最准确的接收到卫星发出来的信号，需要检测到所有可以运用到的卫星并可通过计算和分析得出其粗略的相位和频率。为了使接收机可以准确并且迅速的捕捉到GPS发出的信号，接收机需要对载波和C/A码进行并行的处理。如果经过并行处理后发现信号与信号之间的误差超过了可以接收的范围，那么环路就会自动失锁，而捕获就是为了使得码相位和载波频率这两个参数跟真实的信号吻合［12-13］。

图3　GPS接收机跟踪原理图

4　跟踪环路的整体测试

GPS跟踪系统是由多个不同的模块组成的，为了使各个模块在分工不同的情况下保持正常运转并且互相协作完成工作，就需要有一个主控制模块来统筹和协调各个模块的工作。所以控制模块的主要功能就是实时跟踪系统中各个信号的传输，以及对鉴相器和滤波器等信号加工仪器进行控制。控制模块的算法与代码都与其他模块不同，因为其需要对整个体系的模块进行不间断的监控和调试，保证其安全稳定的运行。

文中的GPS软件接收机的优化算法中，GPS基带信号处理模块是在FPGA的平台上来实现的，优势就是对数据以及信号有着实时可靠的分析，而并不是将射频前端采集的数据先进行存储后在对其进行处理。如图4所示，clk为系统的工作时钟，clk_1023为 C/A码最后一个码片时产生的高电平，count为计数器的输出端口，在clk_1023为高电平时计数。Clr为积分清零信号，高电平有效；ena为伪码鉴相器求平方和开根号使能信号，高电平有效；pdf_en为载波环和伪码环鉴相器使能信号，高电平有效；clk1_en为环路滤波信号，clk2_en为载波和伪码 NCO模块频率控制字更新信号，当clk2_en为高电平时，进行本地NCO频率控制字的更新。

5　结　论

文中在研究了传统GPS软件接收机算法的基础上，对跟踪算法进行了优化，设计了基于FPGA的GPS跟踪算法。本文首先对GPS系统以及信号做出了接收和分析，并进一步对其跟踪算法做出了详细的研究，并在FPGA的平台上对其进行了跟踪环路的整体测试。完成了跟踪算法中噪声带宽、环路增益、快捕范围、环路滤波器等关键参数的设置。本算法具有比之前传统算法具有稳定度高，定位准确且高效的优势，达到了设计要求。

图4　控制模块波形仿真图

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GPS software receiver based on FPGA optimization and the research of the algorithm

WANG Yue
（Xi’an University Information Center，Xi’an 710068，China）

As the GPS technology application in the field of daily life words and research more and more widely，and the GPS software receiver as the most key part of the GPS technology，the accuracy of its positioning and becomes more and more high accuracy and real-time requirements.Traditional GPS software receiver and now cannot meet the high precision，high efficiency requirements.Therefore，in this paper，on the basis of the original receiver tracking algorithm，the upgrade and optimization.Developed a tracking algorithm based on FPGA GPS software receiver optimization，completed the tracking algorithm in the noise bandwidth fast acquisition range，loop filter，loop gain，such as key parameters Settings.Before this algorithm is better than traditional algorithm has high stability，accurate and efficient advantages，through the test data，has reached the design requirements.

GPS；tracking；FPGA；optimizing algorithm；receiver

TN99

A

1674－6236（2016）11-0058-03

2015-11-16稿件编号：201511154

王 悦（1972—），男，陕西西安人，硕士研究生，工程师。研究方向：计算机应用。