GPS接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路設(shè)計

摘要：載波跟蹤環(huán)路設(shè)計是GPS接收機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)，載波環(huán)鑒別器的類型確定了跟蹤環(huán)的類型，為了有效地防止因為數(shù)據(jù)跳變引起的鑒別誤差，并且使其頻率鑒別范圍大，精度高，采用一種二階鎖頻環(huán)(FLL)輔助三階鎖相環(huán)(PLL)的方法。通過Matlab仿真載波環(huán)路比較了兩種鑒頻和鑒相算法的性能。結(jié)果表明，該方法鑒別范圍大，精度高，切實可行。
關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)；載波跟蹤；鎖相環(huán)；鎖頻環(huán)

0 引言
隨著GPS衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的逐步發(fā)展，對導(dǎo)航接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)必將縮短衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品的研發(fā)周期，推進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。在GPS接收機(jī)中利用何種技術(shù)來快速跟蹤衛(wèi)星多普勒頻偏的變化是面臨的主要挑戰(zhàn)。載波跟蹤環(huán)路設(shè)計是GPS接收機(jī)中非常重要的環(huán)節(jié)，其性能的好壞直接影響到接收機(jī)的靈敏度。
本文通過GPS接收機(jī)中載波跟蹤環(huán)路的設(shè)計與研究，討論載波跟蹤環(huán)路的實現(xiàn)方法和需要注意的細(xì)節(jié)，最后經(jīng)過Matlab仿真比較了幾種鑒頻和鑒相算法的性能，證明本文采用的算法正確合理，且適應(yīng)高動態(tài)環(huán)境下對GPS信號的跟蹤。

1 載波跟蹤環(huán)路基本模型
GPS接收機(jī)完成對信號的捕獲、碼跟蹤后進(jìn)入載波跟蹤環(huán)路，圖1給出了載波跟蹤環(huán)路的基本模型。載波預(yù)檢測積分時間、載波環(huán)鑒別器和載波環(huán)濾波器決定了載波跟蹤環(huán)的特性。為了容忍動態(tài)應(yīng)力，預(yù)檢測積分時間應(yīng)當(dāng)短，鑒別器應(yīng)為一個FLL，載波環(huán)濾波器的帶寬應(yīng)當(dāng)寬，但是為了使載波測量精確，預(yù)檢測積分時間應(yīng)當(dāng)長，鑒別器應(yīng)為一個PLL，且載波環(huán)濾波器帶寬應(yīng)當(dāng)窄。為了解決這個矛盾，本文采用了一種二階FLL輔助三階鎖相PLL的方法，使環(huán)路從FLL有效過渡到PLL，既保證了接收機(jī)的動態(tài)性能，又提高了載波測量的精度。

2 頻率鑒別器
FLL通過復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星近似的頻率來完成載波剝離過程，信號I和Q的采樣時間不應(yīng)跨越數(shù)據(jù)比特的跳變，在初始信號捕獲期間，接收機(jī)并不知道數(shù)據(jù)跳變的邊界在哪里。在完成比特同步的同時，與相位鎖定相比，一般說來更易與衛(wèi)星信號保持頻率鎖定。常用的頻率鑒別器為四象限反正切鑒別器，其表達(dá)式為：

式中：cross=Ips1×Qps2-Ips2×Qps1；dot=Ips1×Ips2+Qps1×Qps2；Ips1和Qps1是在時刻t1下的相關(guān)值；Ips2和Qps2是在時刻t2下的相關(guān)值；t2-t1為預(yù)檢測積分時間。
采用這種鑒別器，t1和t2時刻的相關(guān)值采樣應(yīng)該在同一數(shù)據(jù)比特時間區(qū)間內(nèi)，但是初始捕獲階段接收機(jī)不知道數(shù)據(jù)跳變的邊界，所以本文采用二象限反正切鑒別器，有效防止了因數(shù)據(jù)跳變引起的頻率鑒別誤差，其表達(dá)式為：

3 相位鑒別器
PLL通過復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星的準(zhǔn)確相位和頻率(已變換到中頻)來完成載波剝離功能。因為Costas鎖相環(huán)對數(shù)據(jù)調(diào)制不敏感，所以本文采用Costas鎖相環(huán)，常用的鑒別器如表1所示。

因為二象限反正切鑒別器的輸入誤差范圍在±90°區(qū)間上保持線性，所以本文采用二象限反正切鑒別器。