韓美林 喬成芳

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 商洛 726000）

1 引言

GPS作為投入使用最早和當(dāng)前成熟性最好的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，已經(jīng)被應(yīng)用在眾多領(lǐng)域當(dāng)中。其中基帶信號(hào)處理部分即包括捕獲和跟蹤模塊一直是研究的重點(diǎn)。在跟蹤模塊中，鑒相器的設(shè)計(jì)和環(huán)路參數(shù)的設(shè)置都是研究的重點(diǎn)，它們決定著接收機(jī)定位的精度和速度［4］。捕獲和跟蹤兩者之間是共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的，然而由于跟蹤過(guò)程是對(duì)捕獲結(jié)果的精細(xì)化，跟蹤算法的精度影響著整個(gè)系統(tǒng)的精度，算法的好壞直接決定著接收機(jī)的性能，所以跟蹤算法是接收機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)［5］。

2 載波跟蹤環(huán)

在完成信號(hào)的捕獲后，可以得到一個(gè)與輸入信號(hào)有一定頻率偏差的本地載波信號(hào)。鎖相環(huán)擁有較小的鎖相誤差和較高的跟蹤精度，為了實(shí)現(xiàn)載波的精確同步，GPS接收機(jī)的載波跟蹤環(huán)路一般采用鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)［6］。由于導(dǎo)航數(shù)據(jù)每經(jīng)歷一個(gè)周期（20ms）此時(shí)相位就會(huì)翻轉(zhuǎn)，而一般的鎖相環(huán)對(duì)180°的相位翻轉(zhuǎn)敏感，所以本文采用的載波跟蹤環(huán)是Costas環(huán)，其對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的跳變不敏感［7］。Costas環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Costas環(huán)基本原理圖

3 碼跟蹤環(huán)

碼相位捕獲的目的是通過(guò)調(diào)整本地碼相位使輸入信號(hào)的碼相位和本地碼相位相差在一個(gè)碼片范圍之內(nèi)［8］。捕獲后的本地碼的頻率和相位與輸入信號(hào)中的碼相位和頻率有較大的誤差，此時(shí)必須使用碼跟蹤環(huán)來(lái)對(duì)其誤差進(jìn)行改進(jìn)，碼相位跟蹤是通過(guò)對(duì)輸入碼相位變化的精確跟蹤，最終使其碼相位誤差縮小到系統(tǒng)所允許的范圍之內(nèi)，其輸出是對(duì)GPS信號(hào)中的碼的精確復(fù)制［9］。

本文設(shè)計(jì)的六路延遲鎖定環(huán)如圖2所示，若輸入信號(hào)本地復(fù)現(xiàn)載波的相位差值等于零時(shí)，信號(hào)的能量將全部集中在同相支路I；若輸入信號(hào)本地復(fù)現(xiàn)載波的相位差值不等于零即存在差異時(shí)，則在信號(hào)能量同時(shí)分布在同相支路I與正交支路Q中［10］。

如何利用C∕A碼的相關(guān)信息來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)鑒相器用來(lái)提高環(huán)路的跟蹤性能，這是延遲鎖定環(huán)的核心所在。對(duì)相關(guān)值的檢測(cè)通常有兩種方式，分別是相干和非相干方式。由于相干延遲鎖定環(huán)路在信號(hào)動(dòng)態(tài)變化的情況下十分容易失鎖，所以實(shí)際應(yīng)用中的延遲鎖定環(huán)鑒別器［11］。一般都使用的是經(jīng)過(guò)歸一化的超前-滯后功率算法，它的優(yōu)點(diǎn)是利用了同相和正交兩個(gè)支路，性能獨(dú)立于鎖相環(huán)其鑒相輸出線性度比較好，并且不受信號(hào)幅度的影響。但是它的計(jì)算量較大，在設(shè)計(jì)中資源開(kāi)銷(xiāo)比較大。而非相干點(diǎn)積算法雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但受到信號(hào)幅度變化的影響比較大，鑒相結(jié)果不太理想［12］。所以綜上所述，本文對(duì)非相干點(diǎn)積算法采用歸一化處理，此時(shí)鑒別器的輸出結(jié)果完全不受信號(hào)幅值的影響，只和碼相位偏差有關(guān)系。

4 GPS接收機(jī)完整的跟蹤環(huán)

在GPS信號(hào)跟蹤中，碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)是緊密結(jié)合在一起的，兩者缺一不可。兩個(gè)環(huán)路在時(shí)間上是并行工作的，同時(shí)又是協(xié)調(diào)工作，任何一個(gè)環(huán)路發(fā)生失鎖，都會(huì)影響環(huán)路的正常工作狀態(tài)［13］。GPS接收機(jī)完整的跟蹤環(huán)路原理如圖3所示，從圖3中可以看出載波跟蹤環(huán)路中的I和Q支路均來(lái)自碼跟蹤環(huán)中，這樣可以減少乘法器的使用，最終使工作量減小。

5 Matlab仿真

利用Matlab進(jìn)行仿真，其跟蹤算法流程圖如圖4所示。

在跟蹤過(guò)程中，以捕獲結(jié)果中保存的衛(wèi)星參數(shù)對(duì)跟蹤環(huán)路進(jìn)行初始化設(shè)置，然后依次從中頻數(shù)據(jù)文件中讀取1ms的數(shù)據(jù)，分別同載波信號(hào)和本地碼相乘進(jìn)行去載波和碼相關(guān)運(yùn)算。為了保證接收機(jī)能夠成功地進(jìn)行定位，本設(shè)計(jì)中設(shè)置有8個(gè)通道，總共跟蹤到了8顆衛(wèi)星。以通道4跟蹤到的8號(hào)衛(wèi)星為例對(duì)跟蹤結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證算法的可行性。在跟蹤過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)中采用的載波跟蹤環(huán)鑒相器的算法為反正切算法，該算法在正交支路的相關(guān)值為零而同相支路的相關(guān)值最大的情況下，得到的相位誤差最小。

圖3 GPS接收機(jī)跟蹤原理圖

圖4 跟蹤算法流程圖

載波環(huán)鑒相器和碼環(huán)鑒相器的輸出如圖5、圖6所示。從仿真結(jié)果中雖然在跟蹤的初始階段，載波環(huán)鑒別器和碼環(huán)鑒別器的誤差不穩(wěn)定，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，載波鑒相誤差和碼環(huán)鑒相誤差集中在0值附近，鑒相值基本保持穩(wěn)定，此時(shí)載波環(huán)和碼環(huán)濾波器的輸出也趨于一條直線。此時(shí)利用濾波器的輸出對(duì)本地C∕A碼和載波頻率進(jìn)行調(diào)整，使其和衛(wèi)星信號(hào)保持一致。

圖5 載波環(huán)鑒相器的輸出

為了使衛(wèi)星信號(hào)中碼序列和本地C∕A碼相位對(duì)齊，則需要調(diào)整超前、即時(shí)和滯后碼相位值，三個(gè)支路的輸出包絡(luò)圖如圖7所示，從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)短暫的時(shí)間后環(huán)路趨于穩(wěn)定跟蹤，超前和滯后支路的輸出信號(hào)強(qiáng)度比較小，并且其信號(hào)強(qiáng)度基本相等。而即時(shí)支路的包絡(luò)輸出信號(hào)比較強(qiáng)。在跟蹤環(huán)路中三個(gè)支路的碼間距被設(shè)置為0.5個(gè)碼片，所以從圖中可以看出，超前和滯后碼的輸出信號(hào)值大概等于即時(shí)支路輸出信號(hào)大小的一半，驗(yàn)證了仿真結(jié)果和論文中對(duì)偽碼跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)相符。

圖6 碼環(huán)鑒相器的輸出

圖7 超前、即時(shí)和滯后碼的相關(guān)值

接收機(jī)從捕獲步入到跟蹤狀態(tài)，進(jìn)入跟蹤的初始階段，鎖相環(huán)還未鎖定，輸出類(lèi)似于噪聲的數(shù)據(jù)信息。經(jīng)過(guò)短暫的時(shí)間處理后，跟蹤環(huán)路穩(wěn)定的跟蹤到信號(hào)時(shí)即中頻信號(hào)中的載波和本地載波相同，偽碼和本地C∕A碼相位對(duì)齊，說(shuō)明跟蹤環(huán)路則鎖定了信號(hào)，可以解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

圖8 導(dǎo)航數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)GPS接收機(jī)的跟蹤模塊進(jìn)行了深入研究，分別對(duì)載波跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用了碼環(huán)與載波環(huán)相互耦合的結(jié)構(gòu)，在碼環(huán)和載波環(huán)中分別采用了非相干的延遲鎖定環(huán)路和相位跳轉(zhuǎn)不敏感的Costas環(huán)路；鑒別器對(duì)點(diǎn)積算法進(jìn)行了歸一化處理。仿真結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的跟蹤算法能穩(wěn)定地跟蹤到各個(gè)通道的可見(jiàn)衛(wèi)星且能夠成功地解調(diào)出導(dǎo)航電文。