一种北斗三号短报文终端的快速捕获算法

蔡文炳，陈美杉，张银辉，徐 峰，潘 鑫

（1.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094；2.北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

0 引言

北斗三号全球组网导航卫星系统是我国独立自主建成的，核心部件国产化率达100%。该系统于2020 年7 月31日建成并向全球提供服务，具有定位、授时、星基增强、短报文通信、应急搜救等业务[1]。3 颗静止轨道卫星搭载了区域短报文通信载荷，报文长度可达1 000 汉字；14 颗中轨道MEO（Medium Earth Orbit）卫星搭载了全球短报文通信载荷，报文长度可达40 汉字[2]。

利用北斗卫星系统全球性、全天候的特点，全球短报文通信系统可以满足长远距离、高动态的使用需求。由于MEO 卫星非静止轨道的特性，相对于地面移动终端存在较大的多普勒频移，本文提出一种快速的捕获跟踪算法，可以实现12 km/s 使用条件下的捕获和跟踪。

1 捕获跟踪算法

1.1 捕获算法

捕获算法使用FPGA 编程实现，并留有相应接口由DSP 配置系统选择、捕获卫星号、多普勒参数、捕获码相位范围、非相干累加次数等参数。

频率捕获算法采用并行相关+FFT 的传统架构，通过大量的仿真数据，验证不同的并行路数和FFT 点数下的捕获性能。最终确定了1 000 路64 点FFT 的设计方案。原理框图如图1 所示。

图1 并行相关+FFT 捕获方法原理框图

捕获模块的软件设计基于并行相关+FFT 方法，设计成为多系统、多频点的兼容捕获结构，可通过配置捕获分时捕获任意系统中的卫星信号。

设计中默认采用1 000路并行相关，50 μs短时相干积分，20个短时相干积分结果做64点FFT，并进行40次非相干累加，以提高捕获灵敏度，工作在248 MHz时钟频率下，单次捕获一颗星时间为20 ms左右（不算数据缓存时间）。

设计中的短时相干积分时间、点数以及非相干次数均在捕获初始化的时候由DSP 通过数据总线写寄存器的方式进行参数配置，不同的频点根据其相应的伪码速率、符号速率或是否由导频通道等不同的体制，配置不同的捕获参数，以满足各个接收信号的捕获及捕获指标（如灵敏度）的要求。

针对授权的长码捕获，首先采用公开码进行引导捕获，当一段时间捕获不到时，采用在授时基础上进行授期长码的捕获策略，捕获方法同上。

1.2 跟踪算法

跟踪算法包括载波跟踪和码跟踪两部分。载波跟踪环主要由载波数控振荡器（Numerically Controlled Oscillator，NCO）、下变频器、相关器即时支路、鉴频或鉴相器和环路滤波组成；码跟踪环主要由码NCO、多支路相关器、鉴相器和环路滤波组成。

数字中频信号由载波NCO 产生率或者相位误差，再经过环路滤波后产生对载波NCO 调整的频率控制字，整个环路达到闭环。这里，相关器中的积分清除时间需要在动态和噪声性能上做权衡，积分清除时间越短，噪声性能越差，但动态性能会更好，一般选择一个码周期作为积分清除时间。常用的鉴频鉴相器有锁频环和Costas 环，锁频环搜索带宽宽，动态性能好[3]，适用于快速捕获，但跟踪噪声较高，输出载波相位不够精确；而Costas 环环路较窄，能比较紧密地跟踪信号，输出精确，但动态性能较差。一般在高动态情况下，采用锁频环和Costas 环相结合的方法，锁频环主要用来粗捕，当频率锁定后Costas 环进行精密跟踪。环路滤波的主要作用是滤除相关结果的高频成分和噪声，有一个噪声带宽选择的问题，同样是在动态和噪声性能上做权衡，噪声带宽，信号能跟踪高动态信号，但跟踪精度较差，噪声较大。

码跟踪算法一般采用延迟锁定环（Delay-Locked Loop，DLL）实现，将有用信号与伪码剥离。码NCO 驱动码发生器产生一定相关间隔的伪码，分别与下变频后的信号进行相关后鉴相输出，鉴相结果经过环路滤波后产生对码NCO 调整的频率控制字，整个环路达到闭环。码环同样需要关注积分清除时间、鉴相算法和噪声带宽的设计。由于码多普勒一般较小，由载波环的多普勒辅助可以基本消除高动态对码环的影响。

接收机的跟踪模块要设计能够满足在高动态环境下使用的需求。FPGA 实现对输入的数字中频信号进行载波剥离和伪码剥离，进行积分清除，并将积分清除结果送给DSP 进行鉴频、鉴相处理，通过环路滤波器输出载波和伪码控制字；跟踪环路锁定之后，开始进行帧同步处理，解调出原始信息数据，并提取多普勒观测量，输出给后续的信息处理模块。跟踪模块的具体任务描述如下：

1）接收输入的数字中频信号；

2）对载波NCO 频率字进行预置，产生再生的同相载波和正交相载波，对数字中频信号进行数字下变频；

3）产生本地即时-超前-滞后伪码，用再生伪码对数字基带信号进行数字解扩，用积分-清除器进行相干积分累加；

4）完成信道的频率捕获和跟踪，完成码同步和解扩；

5）完成数据解调，得到信号的环路锁定状态、载波多普勒频率等信息；

6）计算接收信号的载噪比和信噪比；

7）完成导航电文的组帧和传送。

跟踪通道的结构示意图如图2 所示。

图2 跟踪通道结构示意图

2 仿真分析

全球短报文终端上行信号多普勒误差要求在±100 Hz以内。下行接收单元对卫星信号进行稳定跟踪后，得到多普勒值fdop，跟踪误差在50 Hz 以内，该多普勒值包含了卫星与接收机之间的相对动态、钟漂等因素引起的频率偏移。因此，根据下行跟踪的多普勒值，发射开启时，在理想中频载波频率基础上，减去fdop后作为载波频率，调制信号发射出去，即实现了多普勒补偿。同时，根据载波和伪码的比例关系，对伪码频率也做补偿，补偿值为，其中，fcode为伪码速率，fRF为射频中心频率，补偿后的频率偏移精度与下行跟踪精度一致，小于50 Hz。

技术指标要求捕获灵敏度为-138 dBm，因此在此条件下进行仿真分析，并考虑高动态的影响。

设置卫星信号载噪比为-138 dBm，捕获采用1 ms相干积分，64 点FFT，非相干累加20 次，捕获结果如图3所示，可见能够捕获到峰值，但峰值并不是十分明显。

图3 捕获仿真结果1

将非相干累加次数提高到40 次，捕获结果如图4 所示，峰值很明显。

图4 捕获仿真结果2

多普勒到达单次捕获多普勒最大范围，捕获结果如图5 所示，能够看到捕获峰值高于噪底，捕获成功。

图5 捕获仿真结果3

当存在2 kHz/s 多普勒变化率时，在40 ms 的非相干累加时间内，码多普勒最大，约为2.343 码片，这会造成非相干累加性能损失，在40 次累加数据中，两端的结果与中间相差约半码片。

针对带有多普勒变化率场景进行仿真，信号功率仍为-138 dBm，非相干累加40 次，捕获结果如图6 所示，能够捕获到明显峰值。

图6 捕获仿真结果4

经蒙特卡罗进行1 000 次以上仿真分析，捕获模块在最差情况下，捕获成功概率达到了90%以上。

综上仿真分析，捕获模块能够在高动态条件下，满足捕获-138 dBm 信号的指标要求。

3 结语

通过上述分析，本方案可以实现报文成功概率90%，接收灵敏度满足-138 dBm，冷启动捕获时间约为560 ms 的指标要求。