针对GPS接收机中载波跟踪环路的设计与研究

随着GPS 卫星应用产业化进程的逐步发展，对导航接收机关键威廉希尔官方网站 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 接收机中利用何种威廉希尔官方网站 来快速跟踪卫星多普勒频偏的变化是面临的主要挑战。载波跟踪环路设计是GPS 接收机中非常重要的环节，其性能的好坏直接影响到接收机的灵敏度。

本文通过GPS 接收机中载波跟踪环路的设计与研究，讨论载波跟踪环路的实现方法和需要注意的细节，最后经过Matlab 仿真比较了几种鉴频和鉴相算法的性能，证明本文采用的算法正确合理，且适应高动态环境下对GPS 信号的跟踪。

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。载波预检测积分时间、载波环鉴别器和载波环滤波器决定了载波跟踪环的特性。为了容忍动态应力，预检测积分时间应当短，鉴别器应为一个FLL，载波环滤波器的带宽应当宽，但是为了使载波测量精确，预检测积分时间应当长，鉴别器应为一个PLL，且载波环滤波器带宽应当窄。为了解决这个矛盾，本文采用了一种二阶FLL 辅助三阶锁相PLL 的方法，使环路从FLL有效过渡到PLL，既保证了接收机的动态性能，又提高了载波测量的精度。

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：

式中： cr ss = I ps1×Qps2 - I ps2 Qps1 ；dot = I ps1×I ps2 + Qps1×Qps2 ；I ps1 和Qps1 是在时刻t 1 下的相关值;I ps2 和Qps2 是在时刻t2 下的相关值；t2- t1 为预检测积分时间。

采用这种鉴别器，t1 和t2 时刻的相关值采样应该在同一数据比特时间区间内，但是初始捕获阶段接收机不知道数据跳变的边界，所以本文采用二象限反正切鉴别器，有效防止了因数据跳变引起的频率鉴别误差，其表达式为：

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

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，其阶数和带宽决定了它对信号的动态响应。为了使接收机适应高动态环境，本文采用二阶FLL 辅助三阶PLL 的环路滤波器，其原理框图见图2。

环路滤波器的特性见表2。

接收机完成捕获、码跟踪后进入载波跟踪模块，由于此时多普勒频移较大，所以FLL 与PLL 同时工作，给环路滤波器输入频差和相差，当频率误差减小到PLL 可以容忍的范围时，将环路滤波器的输入频差设为零，即环路转变为纯PLL 跟踪模式。

表2 环路滤波器特性

由图2，环路滤波器的表达式为：

根据接收机的使用环境，确定环路滤波器的噪声带宽 Bnf 和B np ，就可以由表2 确定滤波器系数。注意，FLL 向滤波器的系数插入点与PLL 相比要提前一个积分器，这是因为FLL 误差的单位是Hz，而PLL 误差的单位是相位单位。

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 H z。

图3 有数据调制下的FLL 鉴频特性

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。

图5 跟踪到的频率变化曲线

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。