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GPS系统中伪码P码基于FPGA的扩展

  调制所使用的精测距码P码,P码具有定位精度高,长周期,结构复杂等的特性,以及其广泛的军事应用。通过对P码的产生原理进行深入研究,采用在Xilinx ISE中使用Verilog HDL语言,对P码产生电路进行硬件实现的方法,产生指定PRN号卫星的P码,通过对生成结果进行验证以及特性分析,以解决GPS中长周期精测距码(P码)不借助导航信息中短周期测距码的引导,实现P码的快速直接捕获的问题。

  全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是美国从上世纪70年代开始规划研制,历时21年,于1994年全面建成,是美国继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大航天工程,利用GPS卫星实现全球、全天候、实时、连续导航定位的,具有海、陆、空全方位实时三维(时间、速度、方位)导航与定位能力的第二代卫星导航系统,是目前全球应用最为广泛、最先进的卫星导航定位系统。

  GPS系统采用典型的CDMA体制,这种扩频调制信号具有低截获概率特性,系统利用直接序列扩频调制技术,以码分多址复用的形式区分各个卫星信号。GPS卫星信号导航电文为50bps的二进制数据码,利用伪随机噪声码(PRN)对导航电文进行扩频,码片速率远高于其本身的数据码速率,对信号的频谱进行扩展,再使用扩展的码元去调制L波段载波,可以有效地将低速率导航电文发送到接收端。目前现代化的GPS信号有3种载波方式:载波L1频段1 575.42 MHz,L2民用信号(L2C)频段1 227.6 MHz,和一个位于1176.45 MHz成为L5频段的载波。

  GPS系统测距伪码有C/A码和P码(Y码),以及新的军用M码叠加在L1和L2频段上。基于码分多址复用(CDMA)的GPS需要其信号中伪码具有良好的自相关和互相关性能,PRN(Pseudo Random Noise Code伪随机噪声码)码序列不仅具有高斯噪声所有的良好自相关特性,而且具有可预知性和周期性的规律,它与自身的相移序列相加,结果仍然为PRN码序列,只是改变了其相位。P(Y)码又称为精确测距码,它同时调制在L1和L2载波信号上,主要应用于精测距、抗干扰及其保密性要求高的环境下。P码是一种高精度定位码,利用P码进行卫星定位要比利用粗测距码C /A码定位精度提高10倍左右,加密后的P码称为Y码,只有特许用户才能破译使用,多用于军事应用当中。由于P码的特点是长周期,结构复杂,因此对P码的捕获一直是备受关注,在P码捕获的过程中需要本地复现P码,产生P码周期内指定PRN号卫星任意时刻的P码数据,对提高P码的捕获研究有着非常重要的意义。

  GPS卫星信号扩频使用的P码,序列长度2.35x1014,速率为10.23 MHz,序列周期为266.41天。在实际应用中,GPS卫星使用序列中的一个星期的码元,作为卫星使用的扩频伪码序列,所以其长度为6.287×1012,远大于C/A码的1 023个码元长度。

  依据ICD-GPS-200C,P码的生成主要由4个称为X1A,X1B,X2A和X2B的12位移位寄存器产生PRN序列。图1中给出了这种寄存器方案的详细框图。GPS基于CDMA技术的直接序列扩频调制技术,在P码的情况下,延时的整码片数与对应的卫星PRN号相同。X1A和X1B寄存器的输出由一个异或电路形成X1码发生器,X2A和X2B寄存器输出异或形成X2码发生器,X2结果馈送给一个移位寄存器,延迟卫星PRN号的码片数,然后与X1结果异或合并产生P码。

  通过对设计结果分析,可以看出P码的长周期,以及结构复杂的特点,也正是因此才保证其应用在精测距、抗干扰及其保密性要求高的环境下,在P码捕获的过程中本地产生复现P码,产生P码周期内指定PRN号卫星任意时刻的P码数据,以解决在不借助短周期粗测距码的引导下,对P码实现直接快速捕获。