GPS接收机载波跟踪环路设计
摘 要：载波跟踪环路设计是GPS接收机中的关键技术，载波环鉴别器的类型确定了跟踪环的类型，为了有效地防止因为数据跳变引起的鉴别误差，并且使其频率鉴别范围大，精度高，采用一种二阶锁频环(FLL)辅助三阶锁相环(PLL)的方法。通过Matlab仿真载波环路比较了两种鉴频和鉴相算法的性能。结果表明，该方法鉴别范围大，精度高，切实可行。
关键词：全球定位系统； 载波跟踪； 锁相环； 锁频环
中图分类号：TN927-34文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)01-0029-03
Design on Carrier Tracking Loop of GPS Receiver
LI Jin, ZHANG Jie, LIU Liang
(College of Electronic Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072，China)
Abstract： The design of carrier tracking loop is the key technology in GPS receiver, the types of carrier loop discriminators determine the types of tracking loop. In order to prevent the discrimination error caused by data transition, enlarge the frequency discrimination range, and improve the precision, a method of combining second order frequency locked loop (FLL) with three order phase locked loop (PLL) is introduced. The performance of the two kinds of frequency discrimination and phase discrimination algorithms are compared through the simulation of Matlab carrier loop, and the results show that the method has large discrimination range and high precision.
Keywords： GPS; carrier tracking;phase locked loop; frequency locked loop
0 引 言
随着GPS卫星应用产业化进程的逐步发展，对导航接收机关键技术的攻关必将缩短卫星导航终端产品的研发周期，推进卫星导航应用产业化的进程。在GPS接收机中利用何种技术来快速跟踪卫星多普勒频偏的变化是面临的主要挑战\1 载波跟踪环路基本模型
GPS接收机完成对信号的捕获、码跟踪后进入载波跟踪环路，图1给出了载波跟踪环路的基本模型
图1 GPS接收机载波跟踪环方框图
2 频率鉴别器
FLL通过复现卫星近似的频率来完成载波剥离过程，信号I和Q的采样时间不应跨越数据比特的跳变，在初始信号捕获期间，接收机并不知道数据跳变的边界在哪里。在完成比特同步的同时，与相位锁定相比，一般说来更易与卫星信号保持频率锁定。常用的频率鉴别器为四象限反正切鉴别器，其表达式为：
err1=atan2(dot,cross)t2-t1
(1)
式中：cross=Ips1×Qps2－Ips2×Qps1；dot=Ips1×Ips2+Qps1×Qps2 ；
Ips1和Qps1是在时刻t1下的相关值；Ips2和Qps2是在时刻t2下的相关值；t2－t1为预检测积分时间\atan(cross/dot)t2-t1
(2)
3 相位鉴别器
PLL通过复现卫星的准确相位和频率(已变换到中频)来完成载波剥离功能。因为Costas锁相环对数据调制不敏感，所以本文采用Costas锁相环，常用的鉴别器如表1所示\表1 常用Costas环鉴别器
鉴别器算法输出相位误差特性
sign(Ips)•Qpssin θ在高信噪比时接近最佳,斜率正比于信号幅度，对运算量要求最低
Ips×Qpssin 2θ
在高信噪比时接近最佳，斜率正比于信号幅度平方，对运算量要求适中
atan(Qps/Ips)θ
二象限反正切，又称最大似然估计器,在高和低信噪比时最佳，斜率与信号幅度无关，对运算量要求最高
因为二象限反正切鉴别器的输入误差范围在±90°区间上保持线性，所以本文采用二象限反正切鉴别器。
4 载波环滤波器
环路滤波器的作用是降低噪声，以便对原始信号进行精确估计
表2 环路滤波器特性
环路阶数23
噪声带宽
Bnω0(1+a22)/4a2ω0(a3b23+a23-b3)/4(a3b3－1)
滤波器的典型值a2ω0=1.414ω0
Bn=0.53ω0a3ω20 = 1.1ω20
b3ω0=2.4ω0
Bn=0.784 5ω0
稳态误差(dR2/dt2)/ω20(dR3/dt3)/ω30
特性对加速度敏感。用于经辅助和未经辅助的载波环中。对于所有噪声带宽均是无条件稳定对加加速度应力敏感。用于未经辅助的载波环中。在Bn≤18 Hz是保持稳定的
由图2，环路滤波器的表达式为：
S0=S0+(eθ•c0+ef•d1)•T
S1=S1+(S0+eθ•c1+ef•d2)•T
fc=S1+eθ•c2
(3)
根据接收机的使用环境，确定环路滤波器的噪声带宽
图2 二阶FLL辅助三阶PLL滤波器
5 仿真结果及分析
5.1 FLL鉴别器特性
采用预检测积分时间T=1 ms，在有数据调制的情况下 (±1跳变/ms)，输入频率误差范围为±400 Hz，对四象限反正切(atan2)和二象限反正切(atan)鉴别器进行仿真，结果见图3。由图3可以看出，atan2鉴别算法已不能鉴别出真正的频率误差，而atan可以鉴别的范围达到±250 Hz。
5.2 PLL鉴别器特性
采用预检测积分时间T=1 ms，输入相位误差范围为±180°，对表1的三种相位鉴别器进行仿真，结果见图4。通过图4可看出，只有二象限反正切(atan)鉴别器在±90°的范围内保持线性，且斜率与信号幅度无关。
图3 有数据调制下的FLL鉴频特性
图4 PLL鉴相特性
5.3 载波跟踪环仿真及分析
根据5.1和5.2节的仿真结果，FLL选择二象限反正切鉴别器，PLL也选择二象限反正切鉴别器。将鉴别器结果送入图2所示的环路滤波器，滤波结果送给数控振荡器，形成图1所示的闭环模式。接收机捕获时采用时域和频域二维搜索算法，根据FLL鉴别器的频率鉴别范围，设定频率搜索步长为500 Hz。接收机速度为500 m/s，加速度为10g时的仿真结果如图5所示。由图5可以看出，载波跟踪环路可以快速、准确地跟踪频率的变化，在3～4 s即可达到锁定状态。
6 结 语
采用了二阶锁频环辅助三阶锁相环的载波跟踪环路。通过仿真可以看出，选用的鉴别器鉴别范围大，精度高，且对数据跳变不敏感。由鉴别器、环路滤波器和数控振荡器形成闭环回路，在高动态环境下，环路锁定时间短，载波测量精度高，具有一定的实用价值。
图5 跟踪到的频率变化曲线
参 考 文 献
［1］鲁郁.GPS全球定位接收机［M］.北京：电子工业出版社，2009.
［2］ 张守信.GPS卫星测定定位理论与应用［M］.长沙：国防科技大学出版社，1996.
［3］BEST Roland E.Phase-locked loops design, simulation and applications［M］.北京：清华大学出版社，2003.
［4］GARDNER Floyd M.锁相环技术［M］.姚剑清,译.北京：人民邮电出版社，2007.
［5］张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1994.
［6］KAPLAN Elliott D.GPS原理与应用［M］.寇艳红,译.北京：电子工业出版社，2007.
［7］樊昌信，曹丽娜.通信原理［M］.北京：国防工业出版社，2007.
［8］高瑜，冯永新，刘春德.高动态GPS接收机同步环路的设计［J］.沈阳理工大学学报，2007,28(4):26-30,50.
［9］程乃平，任宇飞，吕金飞.高动态扩频信号的载波跟踪技术研究［J］.电子学报，2004,31(B12):2147-2150.
［10］郝学坤,马文峰,方华,等.三阶锁相环跟踪卫星多普勒频偏的仿真研究［J］.系统仿真学报,2004,16(4):625-627.
作者简介： 李 津 男，1985年出生，甘肃人，工学硕士研究生。主要从事通信信号处理的研究。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
