GPS接收機載波跟蹤環(huán)路設計

摘要：載波跟蹤環(huán)路設計是GPS接收機中的關(guān)鍵技術(shù)，載波環(huán)鑒別器的類(lèi)型確定了跟蹤環(huán)的類(lèi)型，為了有效地防止因為數據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(guò)Matlab仿真載波環(huán)路比較了兩種鑒頻和鑒相算法的性能。結果表明，該方法鑒別范圍大，精度高，切實(shí)可行。
關(guān)鍵詞：全球定位系統；載波跟蹤；鎖相環(huán)；鎖頻環(huán)

0 引言
隨著(zhù)GPS衛星應用產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的逐步發(fā)展，對導航接收機關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)必將縮短衛星導航終端產(chǎn)品的研發(fā)周期，推進(jìn)衛星導航應用產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。在GPS接收機中利用何種技術(shù)來(lái)快速跟蹤衛星多普勒頻偏的變化是面臨的主要挑戰。載波跟蹤環(huán)路設計是GPS接收機中非常重要的環(huán)節，其性能的好壞直接影響到接收機的靈敏度。
本文通過(guò)GPS接收機中載波跟蹤環(huán)路的設計與研究，討論載波跟蹤環(huán)路的實(shí)現方法和需要注意的細節，最后經(jīng)過(guò)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，且適應高動(dòng)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。載波預檢測積分時(shí)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(dòng)態(tài)應力，預檢測積分時(shí)間應當短，鑒別器應為一個(gè)FLL，載波環(huán)濾波器的帶寬應當寬，但是為了使載波測量精確，預檢測積分時(shí)間應當長(cháng)，鑒別器應為一個(gè)PLL，且載波環(huán)濾波器帶寬應當窄。為了解決這個(gè)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(guò)渡到PLL，既保證了接收機的動(dòng)態(tài)性能，又提高了載波測量的精度。

2 頻率鑒別器
FLL通過(guò)復現衛星近似的頻率來(lái)完成載波剝離過(guò)程，信號I和Q的采樣時(shí)間不應跨越數據比特的跳變，在初始信號捕獲期間，接收機并不知道數據跳變的邊界在哪里。在完成比特同步的同時(shí)，與相位鎖定相比，一般說(shuō)來(lái)更易與衛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，其表達式為：

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

3 相位鑒別器
PLL通過(guò)復現衛星的準確相位和頻率(已變換到中頻)來(lái)完成載波剝離功能。因為Costas鎖相環(huán)對數據調制不敏感，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°區間上保持線(xiàn)性，所以本文采用二象限反正切鑒別器。