于雪暉，李集林，殷 杰

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

GPS接收機(jī)環(huán)路鑒別方法研究與性能分析

于雪暉，李集林，殷 杰

（北京衛(wèi)星信息工程研究所 北京 100086）

跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)是GPS接收機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)。碼環(huán)和載波環(huán)鑒別器的類型確定了跟蹤環(huán)的類型，不同的環(huán)路鑒別器具有不同的鑒別特性，應(yīng)用范圍自然不同。研究分析了碼環(huán)與載波環(huán)路鑒相、鑒頻原理，并對(duì)環(huán)路鑒別器進(jìn)行了仿真分析，給出其特性曲線及其適用范圍。通過實(shí)際算例及仿真分析，驗(yàn)證了環(huán)路鑒別器的有效性。

GPS接收機(jī)；碼環(huán)路；載波環(huán)路；環(huán)路鑒別

GPS全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)目前被廣泛應(yīng)用于測(cè)量行業(yè)。隨著軟件無線電思想的出現(xiàn)，軟件接收機(jī)技術(shù)不斷成熟。軟件接收機(jī)核心部分由載波跟蹤環(huán)（簡(jiǎn)稱載波環(huán)）和碼跟蹤環(huán)（簡(jiǎn)稱碼環(huán)）組成，分別用來跟蹤接收信號(hào)中的載波和偽碼，分別采用鎖頻環(huán)（FLL，F(xiàn)requency Lock Loop）、 鎖相環(huán) （PLL，Phase Lock Loop）和延遲鎖定環(huán)（DLL，Delay Locked Loop）3種機(jī)制來實(shí)現(xiàn)[1-3]。通過GPS接收機(jī)中載波與碼跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)與研究，討論跟蹤環(huán)路的實(shí)現(xiàn)方法和需要注意的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，經(jīng)過仿真分析比較了幾種載波鑒頻、鑒相及碼鑒相方法的性能。最后以實(shí)際算例成功實(shí)現(xiàn)了軟件接收機(jī)對(duì)GPS信號(hào)的捕獲與跟蹤。

1 環(huán)路基本模型

基帶信號(hào)處理作為導(dǎo)航接收機(jī)的核心重要組成部分，主要功能是捕獲信號(hào)與跟蹤信號(hào)。信號(hào)捕獲決定了該信號(hào)是否可用，但跟蹤部分性能直接影響到信號(hào)的持續(xù)可用性。信號(hào)跟蹤分為碼環(huán)路跟蹤與載波環(huán)路跟蹤，碼環(huán)主要是跟蹤碼相位，載波環(huán)主要是跟蹤載波頻率與相位的變化。GPS接收機(jī)完成對(duì)信號(hào)的捕獲、碼跟蹤后進(jìn)入載波跟蹤環(huán)路，如圖1所示給出了碼環(huán)與載波跟蹤環(huán)路的基本模型。

碼跟蹤環(huán)通常采用延時(shí)鎖定環(huán)（DLL）。利用延時(shí)鎖定環(huán)對(duì)碼片進(jìn)行跟蹤是一個(gè)環(huán)路控制的過程：不同的DLL鑒別器，決定了碼環(huán)路的性能。鑒別器特性的線性與否，決定了其牽引范圍的大小，對(duì)信號(hào)幅度的敏感與否，及其計(jì)算量的大小[4-7]。

載波預(yù)檢測(cè)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(yīng)力，預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間應(yīng)當(dāng)短，鑒別器應(yīng)為一個(gè)FLL，載波環(huán)濾波器的帶寬應(yīng)當(dāng)寬，但是為了使載波測(cè)量精確，預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間應(yīng)當(dāng)長，鑒別器應(yīng)為一個(gè)PLL，且載波環(huán)濾波器帶寬應(yīng)當(dāng)窄。為解決這個(gè)矛盾，通常采用鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)的方法，使環(huán)路從FLL有效過渡到PLL，既保證動(dòng)態(tài)性能，又提高載波測(cè)量精度。

圖1 碼環(huán)與載波跟蹤環(huán)路的基本模型

2 碼環(huán)鑒相器

在獲得了超前、即時(shí)和滯后支路所輸出的相干積分結(jié)果后，碼環(huán)鑒別器通常先對(duì)它們進(jìn)行非相干幾份，然后利用所得的C/A碼自相關(guān)函數(shù)幅值上的非相干積分值E、P和L這3個(gè)樣點(diǎn)估算出碼相位差異[8]，通常碼環(huán)鑒相參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 碼環(huán)鑒相器參數(shù)設(shè)置

其中，A（·）表示幅值，R（·）表示自相關(guān)函數(shù)，Δ表示超前-滯后（E-L）相關(guān)器間隔，單位是chips。以方法1為例仿真曲線如圖2所示：

通過比較可知，方法1和2所需運(yùn)算量較大，自相關(guān)幅值需要經(jīng)過開根號(hào)運(yùn)算才能求得，而方法3和4則不需要進(jìn)行此運(yùn)算，運(yùn)算量小[9]。在這4種算法中，第3和4種算法是相干類型的，1和2兩種是非相干類型。

圖2 碼環(huán)鑒相曲線

3 載波鑒頻器

頻率鎖定環(huán)路（FLL）用來鑒別輸入載波與復(fù)制載波之間的頻率差異。鎖頻環(huán)追求的是兩載波間的頻率一致，不要求相位保持一致。載波鑒頻參數(shù)通常設(shè)置如表2所示。

假設(shè)相鄰相關(guān)周期內(nèi)，信息比特位存在隨機(jī)跳變。將即時(shí)支路的相關(guān)器輸出建模[10]如下：

表2 載波環(huán)鑒頻器參數(shù)設(shè)置

圖3 鑒頻曲線

以方法4為例進(jìn)行仿真可得其鑒相曲線如圖3所示。分析可知，鎖頻環(huán)鑒相算法1和2的輸出值（檢測(cè)頻差）=真實(shí)頻差 ×信號(hào)幅度2。而鑒相算法3、4和5的輸出值（檢測(cè)頻差）對(duì)信號(hào)幅度不敏感。鑒相算法3的頻率牽引范圍為±1/2TP；而鑒相算法4和5的頻率牽引范圍為±1/4TP。

4 載波鑒相器

在歷元n時(shí)，鑒相器利用相干積分結(jié)果來估算當(dāng)前的相位差異[11]。載波鑒相參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 載波環(huán)鑒相器參數(shù)設(shè)置

在分析載波相位鑒別器時(shí)，不妨假設(shè)載波頻率估計(jì)誤差為0 Hz。假設(shè)相鄰相關(guān)周期內(nèi)，信息比特位存在隨機(jī)跳變。將即時(shí)支路的相關(guān)器輸出建模如下：

圖4 鑒相曲線

以方法6為例得其載波鑒相曲線如圖4所示。該圖表明：當(dāng)輸入到鑒相器的相位差異為0°或者180°時(shí)，這些間想起的輸出均為0，這說明他們對(duì)數(shù)據(jù)比特跳變所致的180°載波相位變化不敏感。當(dāng)實(shí)際相位差異輸入大于90°時(shí)，所有鑒相器均輸出一個(gè)小于0°的鑒相結(jié)果，即可能導(dǎo)致環(huán)路對(duì)信號(hào)失鎖[12-14]。

5 仿真場(chǎng)景與結(jié)果

為驗(yàn)證上述環(huán)路跟蹤鑒相鑒頻器有效性，設(shè)置仿真場(chǎng)景，進(jìn)行驗(yàn)證。仿真場(chǎng)景設(shè)置[15]如下：

1）設(shè)置信道參數(shù)：接收信號(hào)傳播延時(shí)=5.25 chips；接收載波多普勒=30 kHz；加速度=0

2）設(shè)置關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)：載噪比=39 dB-Hz；預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間=1 ms；數(shù)據(jù)比特為隨機(jī)產(chǎn)生；

3）設(shè)置捕獲電路參數(shù)：初始載波搜索頻率=29.8kHz；載波頻率搜索步長=666 Hz；初始偽碼搜索相位=0 chips；偽碼相位搜索步長=0.5 chips；捕獲門限的標(biāo)度因子=1.889 9；門限值A(chǔ)=15，初始值B=7

5）設(shè)置仿真結(jié)束時(shí)間=3.5 s

圖5 偽碼相位同步誤差與DLL鑒相器輸出

圖6 載波跟蹤性能曲線

圖7 即時(shí)支路（同相、正交）相關(guān)器輸出及載噪比估計(jì)器輸出

如圖5所示，DLL環(huán)路穩(wěn)定收斂，且偽碼相位同步誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與理論分析值基本吻合。如圖6所示，由圖（a）可知，F(xiàn)LL環(huán)路穩(wěn)定收斂，但是載波頻率同步誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與理論分析值有些差距。由圖（b）可知，PLL環(huán)路穩(wěn)定收斂，且載波相位同步誤差的標(biāo)準(zhǔn)差與理論分析值基本吻合。如圖7所示，數(shù)據(jù)位估計(jì)準(zhǔn)確，且載噪比估計(jì)器估計(jì)值與真實(shí)值完全吻合。

6 結(jié) 論

文中分析比對(duì)了碼環(huán)與載波環(huán)路鑒相鑒頻器原理與特性，利用matlab給出了其特性曲線，為后續(xù)鑒別器的選擇與應(yīng)用提供了理論依據(jù)。在實(shí)際算例的基礎(chǔ)上通過恰當(dāng)選擇鑒別器，成功實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的捕獲與跟蹤，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

[1]Gheorghe Gavriloaia1，Simona Halunga.Coarse/ Acquisition GPS Codes Correlation Properties and Vulnerability to Noise[C].IEEE.2007.

[2]Feiqin Xie， Jennifer S.Haase.Profiling the Atmosphere Using the Airborne GPS Radio Occultation Technique:A Sensitivity Study[C]. IEEE.2008.

[3]鄭興平，寇艷紅.高動(dòng)態(tài)GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測(cè)控遙感與導(dǎo)航定位，2010，40（1）:26-28.

[4]帥濤，劉會(huì)杰，梁旭文.通訊擴(kuò)頻序列混合并行捕獲預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間和判決門限最優(yōu)設(shè)計(jì)[J].中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2007，24（3）:331-335.

[5]黃榮府．星間精密測(cè)距技術(shù)[D]．南京理工大學(xué)，2005．

[6]Kim J，Key K W，Tapley B．Simulation of high accuracy inter-satellite ranging measurements[J]．Advances in the Astronautical Sciences，2001，108（1）：641-654．

[7]周建明，趙征，費(fèi)元春．雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)中高精度相位測(cè)試方法的研究[J]．電訊技術(shù)，2003，（1）：26-29．

[8]Bauer F H，Hartman K，Lightsey E G Spaceborne GPS current status and future visions[C]//In Proceedings of the ION GPS-98 Conference．Nashville，1998：195-208．

[9]楊春寶，張海云，邱宗德，等．航天GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)[J]．全球定位系統(tǒng)，2004（3）：19-24．

[10]余世剛，王鍇，周毅，等．高精度星間微波測(cè)距技術(shù)[J]．宇航學(xué)報(bào)，2006，27（3）：85，89．

[11]鐘興旺，熊之凡，陳豪．重力測(cè)量衛(wèi)星的星星跟蹤測(cè)量技術(shù)[C]//2005年衛(wèi)星有效載荷技術(shù)研討會(huì)，2005：276，285．

[12]Kim J，Tapley B．Simulation ofdualone-way ranging measurements[J]．Journal of Spacecraft and Rockets，2003，40（3）：419-425．

[13]余世剛.高精度K頻段星間微波測(cè)距技術(shù)研究[D].蘭州:蘭州大學(xué)，2008.

[14]趙大鵬.基于C/A碼快速捕獲技術(shù)的GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)[J].南京理工大學(xué)，2009.

[15]謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2009.

Research and performance analysis on GPS receiver loop discrimination method

YU Xue-hui，LI Ji-lin，YIN Jie
（Beijing Institute of Satellite Information Engineering，Beijing 100086，China）

The design of tracking loop is the key technology in GPS receiver，the types of code and carrier loop discriminators determine the types of tracking loop.Different loop discriminators have different characteristics and apply to different range.By analyzing the phase and frequency detector principles of code and carrier loop，makes simulations of loop discriminators and their characteristic curves.By real example and simulation，prove the loop discriminators'effectiveness.

GPS receiver；code loop；carrier loop；loop discriminator

TN925

：A

：1674－6236（2017）06-0118-05

2016-03-25稿件編號(hào)：201603342

于雪暉（1988—），男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生。研究方向：航天器通信。