GPS系統中偽碼P碼基于FPGA的擴展

摘要：針對GPS系統使用直接序列擴頻調制所使用的精測距碼P碼，P碼具有定位精度高，長(cháng)周期，結構復雜等的特性，以及其廣泛的軍事應用。通過(guò)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(yǔ)言，對P碼產(chǎn)生電路進(jìn)行硬件實(shí)現的方法，產(chǎn)生指定PRN號衛星的P碼，通過(guò)對生成結果進(jìn)行驗證以及特性分析，以解決GPS中長(cháng)周期精測距碼(P碼)不借助導航信息中短周期測距碼的引導，實(shí)現P碼的快速直接捕獲的問(wèn)題。

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

GPS系統采用典型的CDMA體制，這種擴頻調制信號具有低截獲概率特性，系統利用直接序列擴頻調制技術(shù)，以碼分多址復用的形式區分各個(gè)衛星信號。GPS衛星信號導航電文為50bps的二進(jìn)制數據碼，利用偽隨機噪聲碼(PRN)對導航電文進(jìn)行擴頻，碼片速率遠高于其本身的數據碼速率，對信號的頻譜進(jìn)行擴展，再使用擴展的碼元去調制L波段載波，可以有效地將低速率導航電文發(fā)送到接收端。目前現代化的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(gè)位于1176.45 MHz成為L(cháng)5頻段的載波。

GPS系統測距偽碼有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，而且具有可預知性和周期性的規律，它與自身的相移序列相加，結果仍然為PRN碼序列，只是改變了其相位。P(Y)碼又稱(chēng)為精確測距碼，它同時(shí)調制在L1和L2載波信號上，主要應用于精測距、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(chēng)為Y碼，只有特許用戶(hù)才能破譯使用，多用于軍事應用當中。由于P碼的特點(diǎn)是長(cháng)周期，結構復雜，因此對P碼的捕獲一直是備受關(guān)注，在P碼捕獲的過(guò)程中需要本地復現P碼，產(chǎn)生P碼周期內指定PRN號衛星任意時(shí)刻的P碼數據，對提高P碼的捕獲研究有著(zhù)非常重要的意義。

1 P碼的產(chǎn)生原理

GPS衛星信號擴頻使用的P碼，序列長(cháng)度2.35x1014，速率為10.23 MHz，序列周期為266.41天。在實(shí)際應用中，GPS衛星使用序列中的一個(gè)星期的碼元，作為衛星使用的擴頻偽碼序列，所以其長(cháng)度為6.287×1012，遠大于C/A碼的1 023個(gè)碼元長(cháng)度。

依據ICD-GPS-200C，P碼的生成主要由4個(gè)稱(chēng)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框圖。GPS基于CDMA技術(shù)的直接序列擴頻調制技術(shù)，在P碼的情況下，延時(shí)的整碼片數與對應的衛星PRN號相同。X1A和X1B寄存器的輸出由一個(gè)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結果饋送給一個(gè)移位寄存器，延遲衛星PRN號的碼片數，然后與X1結果異或合并產(chǎn)生P碼。

4 結論

通過(guò)對設計結果分析，可以看出P碼的長(cháng)周期，以及結構復雜的特點(diǎn)，也正是因此才保證其應用在精測距、抗干擾及其保密性要求高的環(huán)境下，在P碼捕獲的過(guò)程中本地產(chǎn)生復現P碼，產(chǎn)生P碼周期內指定PRN號衛星任意時(shí)刻的P碼數據，以解決在不借助短周期粗測距碼的引導下，對P碼實(shí)現直接快速捕獲。