第4全球定位系统2卷 第5期
GNSSWorldofChina2017年10月
:/doi10.13442.nss.1008-9268.2017.05.013jg
Vol.42,No.5
,October2017
一种基于软相关的GNSS比特同步方法
张剑,邵晨光,李满庆
()中国兵器工业导航与控制技术研究所,北京1000
等问题非常普遍。目前的比特同步算法主要是直方图法。其中,基于硬判决的直方图法应用较为广泛,主要是因为其实现方便,但在低载噪比下同步成功率太低,无法满足工程需求。因此,需要对低信噪比下的bit同步算法进行研究。本方案提出了直方图法与软相关结合的bit同步算法。首先,模拟产生在不同载噪比下的GN它有2采SS信号数据,0个比特边界。然后,用两种算法进行比特同步。重复仿真多次,每次仿真采用随机的比特边界,得到每种算法在不同载噪比下的正确比特同步概率。分析仿真结果发现,比特同步的时间越长,各算法的正确概率越大。在低载噪比下,软相关方法远高于传统的直方图法。最后基于alteraarriaV芯片完成了软相关的比特同步方案工程实现。
关键词:比特同步;软相关;低信噪比;正确概率
()中图分类号:P228.4 文献标志码:A 文章编号:1008-9268201705-0063-05
摘 要:GNSS接收机中因为比特同步错误而导致的导航电文提取失败和伪距计算错误
0 引 言
只利用相关器输出的符号信息进行统计判决,实现简单,计算量小,但其在低信噪比下的同步错误概通过统计结果来获取正确的ms信号的能量信息,
运算量相对来说较大,但在低信噪比下的bit边界,
正确同步概率得到了极大的提高。
率较大。通过软相关优化的直方图法采用了每1
要的工作。对于GPS的L1频点的C码信号上调,制的数据码而言,导航电文PN码的周期为1ms,的速率为5即1b0bsit的导航电文占用20个周p
[,]
期的pn码12。接收机通过捕获可以实现1ms周期内的p但是无法确定每一比特导航电n码同步,
在GN获取导航电文是一项重SS接收机中,
1 算法理论分析
,接收机相关积分时间为1m且信号处于稳定跟s踪状态。
1.1 直方图法
先假定不存在噪声。以1ms周期的pn码为单位来考虑,在1b相关值是不会it的导航电文内,有跳变的。对于L每21频点bit信号,0ms周期为1个bit信号。直方图法就是利用卫星信号的这种特性来进行比特同步的。在实际中,由于存在噪声,会有一定概率出现错误判决,因此还需要进行多次判决获得统计结果。GPS卫星bit同步算法过程如下:
以G设定PSL1频点卫星信号为例进行说明,
文的起始位置,或者称为比特边界。而寻找比特边
3]
。比特同步在整个卫界的工作就称为比特同步[
星导航接收机中扮演着非常重要的角色,它是卫星信号稳定跟踪之后的后续处理中最基础的一步。一方面,高灵敏度是导航接收机的一种发展趋势,它往往会采用长时间的相干积分,这时,错误的比特同步可能导致相干积分值不增反减,从而降低灵
4]
。另一方面,敏度[提取导航电文时,错误的比特
同步会使比特判决的错误概率增加。最重要的一点,比特同步直接影响帧同步,进而影响伪距的计,算,比特同步每错开1m会导致3s00km的伪距
]5
,偏差。直方图法是一种常用的比特同步算法[它
收稿日期:2017-07-31
:_联系人:张剑E-mailszhan@sina.comgpg
全 球 定 位 系 统第42卷
)选取长度为N×2 10ms的信号;
)相关器连续输出1m2s的相关值,Sini为g-)定义230个候选边界计数器Kδ,δ=
imod20;
)对于G边界计数器在任意一点满4PS信号,足码周期的时候即增加一计数,在达到选取长度后,将20个周期内出现判决符合最多次数的位置作为b即bit翻转位置,it同步点。…,其符号,i=0,1,2,N×20-1;
.2 软相关结合的直方图法对于普通硬判决下的,会出现1mbsit同步结果,在信噪比较低的情况下相关积分的符号不正确的情况,而直方图法获取一次正确的,必须要求连续bit同步结果值,这样会极大地降低正确判决的可能性20ms的相关积分符号均为正确,因此,采用软相关结果的判决能够有效避免少数数据错误带来的判决偏差。
12))选取长度为相关器连续N输×出210mms的信号;s的相关值,采用it有符号数据记录;16边界计数器0;
3)定义20个候选Kδ,δ=imod4)对于GPS信号,将其以20ms为周期进行连续相关累加,每获得0ms内,记录最大相1m关结s数据进行一次相关,
每果作为码同步相关结果,连续判决到选取信号长度后将最大结果次数最多的位置作为码同步结果。
软相关结合的直方图法能够有效地解决低信噪比下的1bit同步无法同步的问题,在出现较大程度号错误的时候也能够正确的获取
it翻转的正确位置ms积分符。
仿真分析
仿真中出,采用低信噪比下的正常跟踪信号进行决的bit同步仿真,将硬判决的bit同步结果进行对比。b首先选取了长度为it同步结果与软判00m将信号相关值选取为符号和1
its的信号数据,
6b数据两种方式,以硬判决中,每次符合相关结果的数据起20ms为周期进行硬判决和软判决,点作为一次周期内的最大值位置作为bit同步结果;软相关中,将一个20msms内进行统计,
生成直方图bit同步结果。在。1000
.1 硬判决直方图
图1中,硬判决成功次数为5次,分别在5和图1 -144dBm下的硬同步结果
图2 -147dBm下的硬同步结果
图3 -149dBm下的硬同步结果
4的位置,图的位置,而图32中硬判决成功和图4均判决成功小于3此,也在2次5和。通过14
仿真结果可以看出,载噪比低于下,硬判决很难通过直方图的方式-14得4到dB正m的情况确的同步结果,这是因为在低信噪比下,1ms相干积分bit
的误码率极高,很难找到连续20ms的无误码的信12b2b20121第5期 张剑,等:一种基于软相关的GNSS比特同步方法65
图4 -151dBm下的硬同步结果
号结果,如果采用硬判决的直方图法,那么最多能够达到的.2 软相关结合的直方图法
bit同步下限不超过-144dBm.
采用硬判决的方式在低信噪比下有很大的性能缺陷,而采用软相关判决能够利用软信息提高同步成功率,改善同步结果。
如图可以看出,在-144d5B~图m的时候8所示,软相关的结果,软相关结果最大值作为判决条件能够相当明显的给出正确的且能够在统计结果中显示出比硬判决更大的峰值bit同步位置,而,而采用软相关的结果能够实现不低于条件下的bit同步,并获取正确的bit同步结果-151d。
Bm综合分析,加入软相关的提高了bit同步算法的复杂度b,i但是在增加一定程t同步一定程度上
度的加减法运算的程度下,能够提升。
7dB以上的性能图5 -144dBm下的软相关同步结果
图6 -146dBm下的软相关同步结果
图7 -149dBm下的软相关同步结果
图8 -151dBm下的软相关同步结果
硬件实现
基于软相关的,采bi用t同步能够有效提升接收机同步性能alteraarriaVSOC芯G片NS进
S
2366全 球 定 位 系 统第42卷
行硬件实现,采用芯片中FPGA部分进行基带相干积分,将相干积分结果送入ARM端进行同步位置判决,这种方式能够充分发挥FPGA端并行处理优势。图9示出了本方案硬件实现的接收机样机。
4 结束语
本文从理论上分析了传统直方图法和加入软判决的直方图法的算法流程与实现方案,在选取了多个低信噪比的实际信号进行仿真分析,表明软判同时,采用S7dB;OC芯片实现了软相关的bit同
决直方图对硬判决直方图方案的性能提升不小于
图9 GNSS接收机样机
软相关主要在下:
ARM端进行处理,
处理流程如1)接收FPGA端传输的1ms积分值,
并将传输的首个积分值设为计数起点;
2)以20个计数值为周期,即计算累加绝对值;20ms为周期,
进行累加积分,,并记录最大值位置3)统计20个计数周期内累加绝对值的最大值(最大值位置为个值)
1~20中某;4)统计50个周期的最大值位置出现次数,如某位置值出现次数大于设定阈值,则将其选为比特同步正确位置。
以上便是值得注意的是,G在PS软相关下的实际信号中,b每it同步实现方案,
个,因此在GPS电文一bi段t边界并不一定会出现翻转时间无翻转时,无论传统直方图法还是软相关直方图法都无法获得bit同步正确位置,需要等待出现翻转电文后才能得到正确结果。
步,并给出了程,该方案已应用于多款接收机平台ARM分布实现软相关的软件处理流。参考文献
[1] KizaOtiKonmKONetEhoNdoMf,aGSPIPESrTIeLceA.iverAn[eCwB]//itPrsoy
cnecehdoinrogns-IEEEPositioning,Location,andNavigationSympo-.7si2u5m1-4(P),LAApNriSl)2,0P0a2l.mSUSpArin:g
IsE,ECEA,2,00U2S.A,(0-7803-[2] 谢钢版社,.2G0P1S原理与接收机设计[2.
M].北京:电子工业出[3] 许峰一种基于相位差分的江大学学报(工学版),GPS比特同步方法[J].浙[4] ARISsNCRpaceseseeagrcmhCentnorp
2ao0vria0g
t7aito,4in1onu.I(C12Ds-)eriG:2P0nS3-1te2-r02f00aC35cesN.
GPav[sSta]r1993.
.[5] GKAPLANDED,HEGARTYCJ.Und京P:S电子工业出版社principlesanda寇艳er红st,a译ndi,p2p0l0ic7a.
tions[M]..n北g
作者简介
张剑卫星导航技术研究 (1969-),男,硕士,研究员,主要从事。
邵晨光事卫星导航技术研究 (1985-),男,硕士,工程师,主要从。李满庆事卫星导航技术研究 (1987-)
,男,硕士,工程师,主要从。
第5期 张剑,等:一种基于软相关的GNSS比特同步方法67
ASoft-relatedGNSSBitSnchronizationMethody
(NaviationandControlTechnolonstituteohinaNorthggyIfCIndustriesGrouororation,Beiin000,China)pCpjg1
,,ZHNAGJianSHAOChenuanLIManinggqg
:,AbstractIntheGNSSreceiveritisverommontoextractthenaviationmessaeycgg
,causedbitsnchronizationerrorssuchasthefailureofthenaviationmessaeandtheybygg,m,usedainlecauseofitsconvenientimlementationbutitslownoiseratioistoolow,ybp
,cannotmeettheneedsoftheproect.Thereforeitisnecessartostudthebitsnchroniza-jyyy,,atdifferentcarriertonoiseratioandithas20bitboundaries.Thentwoalorithmsareg
,usedtocarrutbitsnchronization.Reeatedsimulationtimeseachtimethesimulationyoyp,usinandombitboundaretthecorrectbitsnchronizationprobabilitfeachalorithmgrygyyogerrorofthepseudorane.Thecurrentbitsnchronizationalorithmismainlasedonthegygyb
historammethod.Amonhem,thehistorammethodbasedonharddecisioniswidelggtgy
tionalorithmunderlowSNR,thisschemeadotsthebitsnchronizationalorithmwithgpyg
,thecombinationofhistorammethodandsoftware.FirsttheGNSSsinaldataisgeneratedgg
indifferentcarriertonoiseratio.Thesimulationresultsshowthatthelonerthebitsn-gy
,chronizationtimeisthegreatertheprobabilitfthealorithmis.Inthelowcarriertoyogod.ThenthesoftcorrelationmethodwasimlementinalteraarriaV.p:;;;KewordsBitsnchronizationsoftcorrelationlowsinaltonoiseratiocorrectprob-ygy,noiseratiothesoftcorrelationmethodismuchhiherthanthetraditionalhistorammeth-gg
ability
