GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现

收稿日期: 1997211226第一作者 女 29岁 博士生 100083 北京1)国家重点科技攻关(9621302205202)资助项目GPS 信号捕获与跟踪策略确定及实现1)孙 礼 王银锋 何 川 张其善(北京航空航天大学电子工程系)摘 要 为了检测GPS(Global Positioning System)信号,设计了码环及载波环捕获与跟踪数字系统.序贯搜索与窄间隔超前2滞后型数字延迟锁相环的采用,保证了码相位的可靠捕获与精确跟踪,四相鉴频器、叉积自动频率跟踪算法及科思塔环载波相位跟踪算法的结合,既保证了载波频率(多普勒频移)的捕获速度,又使环路能有效地跟踪频率/相位变化,获得较好的动态性能与噪声性能.控制算法及参数确定的软化实现使系统具有较好的灵活性.基于扩频相关器与数字信号处理器的数字系统验证了上述方案的正确性及有效性.关键词 接收机;捕获;跟踪;全球定位系统分类号 TN 12;TN 915GPS 信号捕获与跟踪控制策略的确定与实现是GPS 接收机研制的核心.由于GPS 导航数据经过了直接序列扩频调制及载波调制,信号发射功率小,故必须首先对信号进行码相关解扩.由于接收机载体的动态性,多普勒频移不定,因此码捕获须在整个码相位及频域上以固定间隔进行二维搜索.信号解扩发生后,即采用/虚拟暂态0窄间隔超前2滞后型数字延迟锁相环对码相位进行精确跟踪.载波频率(多普勒频移)的粗略估计包含在GPS 码同步过程中,四相鉴频器进一步将多普勒频移牵引到载波跟踪的线性范围.载波跟踪主要采用科斯塔环相位跟踪与叉积自动频率相结合的跟踪算法,二者随载体动态以软件方式进行切换,以保证载波跟踪环的噪声性能与动态性能.最后利用科斯塔环软件算法解调出导航电文.1 GPS 信号捕获与跟踪数字系统接收机中信号捕获与跟踪数字系统软硬件接口如图1所示.硬件主要包括解扩相关器,完成本地载波和C/A 码的产生与混频、信号处理等功能;软件由码环算法、载波环算法及数据解调算法等组成,完成捕获与跟踪闭合控制及数据解调等功能.基于TM C/图1GPS 接收机中信号捕获与跟踪数字系统软硬件接口载波辅助S 320C31的软件算法解调数据载波环算法码环算法GPS 扩频相关器正交同相输入信号A 码发生器积分清除器积分清除器码数控振荡器载波数控振荡器积分清除器积分清除器1999年4月第25卷第2期北京航空航天大学学报Jour nal of Beijing University of Aeronaut ics and Astronaut ics April 1999Vol.25 No 122码捕获与跟踪环路C/A码捕获与跟踪环路的目的是使本地产生的复制C/A码与调制在卫星上的C/A码同步,以实现相关解扩与码相位精确跟踪.接收机产生的码相位和载波频率必须与接收到的卫星信号的码相位和载波频率相匹配,使得相关结果值(解扩)高于信号检测域值,完成码捕获,进而才能进行跟踪与解调.2.1码捕获环路闭合控制策略若接收机产生的码相位和载频与接收到的卫星信号的码相位和载波频率能匹配在误差允许的范围内且相关器内部采样速度足够快,可假定在第k次相关间隔上S(码相位延迟)、f d(多普勒频移)为常量(尽管未知),则I(同相)、Q(正交)通道积分2清除器在相关间隔末输出为[1,2]I(k)U0.5AD(k)R[E(k)]#sin c{[$f d(k)]#P T}cos<k+^n I(k)(1) Q(k)U0.5AD(k)R[E(k)]#sin c{[$f d(k)]#P T}sin<k+^n Q(k)(2)其中A为信号幅度;D(k)为调制数据;sin c (z)=sin z/z;$f d(k)为多普勒频移估计残差;E (k)为码相位估计偏差;R(#)为伪随机码(PRN 码)理想的二电平自相关函数,均为时间的函数; T为预检积分时间;<k=$f d(k)#t+<0为载波相位(时间函数);^n I(k),^n Q(k)为噪声项;I(k),Q (k)接近于相互独立的高斯随机变量.为简单起见,以k表示采样时刻.计算S2(k)=I2(k)+Q2 (k)可获得数字信号能量,利用它可检测并监视码环的捕获或跟踪状态.由(1)式和(2)式可知,I (k)、Q(k)的均值随相位误差和(或)多普勒频移估计误差的降低而增大.根据PRN码自相关函数特性,在PRN码的一个完整周期内,仅当E(k)<T c(一码片)时, R[E(k)]>0,有且只有一次相关峰值发生在E(k)=0即信号完全对准的情况下.假定信号检测域值为V t,搜索算法对V t,S(k)进行比较,则可确定信号是否被捕获.系统中采用时域/频域二维序贯搜索,控制逻辑以1ms为周期调整本地信号发生器的码相位与多普勒频移估计,使产生的信号对准某一搜索单元,若该信号与输入卫星信号对准在容许的范围内,S2(k)增大,超过检测阈值,并通过校验则信号捕获成功,搜索停止码跟踪启动;否则搜索单元步进重复上述过程,直到信号捕获为止.2.2码跟踪环路闭合控制策略码跟踪由可编程预检积分器、码环鉴相器与环路滤波器组成的超前2滞后型非相干数字延迟锁相环(DDLL)完成.码环鉴相器输入为载波同相、正交支路的码相位超前、滞后的相关信号,相关间隔为d码片(相位超前与滞后支路的相位间隔),假定d=2D,环路控制量B(k)可由(3)式获得:B(k)=S2e c(k)-S2l c(k)=I2e(k)+Q2e(k)-I2l(k)-Q2l(k)=0.25A2#sin c2{[$f d(k)]T#P}#{R2[E(k)-D]-R2[E(k)+D]}+^n1(k)(3)若不考虑噪声项^n1(k),当B(k)=0时,S2e(k) =S2l(k),则根据伪随机码相关特性,可推断E (k)=0,码相位达到精确同步;当B(k)X0时,码相位估计误差E(k)X0,/暂态0点相位偏移,控制算法应调整本地信号发生器使相位偏移减小.常规DDLL中环路通常包含超前、暂态、滞后3个支路,相关器以二倍码率运行,相关间隔为1码片.而本系统环路设计中采用了/虚拟暂态0(由软件实现),硬件开销节省了一个支路,而相关间隔由常规的1码片降低为0.5码片,有效地提高了C/ A码的跟踪精度.由于PRN码是调制在载波上的,并具有相同的基频,因此当载波同步发生时,多普勒频移可精确地估计获得,利用它进行一定的比例运算,可反馈辅助码环跟踪以削弱多普勒频移对码率的影响,使得环路参数的选择能尽量满足噪声性能的要求.3载波捕获与跟踪环路由于接收机载体的动态性,载波跟踪环设计必须考虑多普勒频移对载波频率的影响.对于一般接收机而言,载波捕获与跟踪常采用科斯塔环重构载波相位相干解调BPSK(二相相移键控)数据实现[3].相干系统对高斯噪声具有较好的性能,但对通信链路干扰的容忍能力较差,特别是受载体动态引入的多普勒频移影响较大.对于强机动环境的GPS接收机,为适应平台的动态性,科斯塔环必须具有相对宽的带宽,这意味着信噪比阈值性能即跟踪能力降低,此时相干解调不再适合.可取的方案是采用非相干解调,即环路自动跟踪频率而不是相位.对于相同动态,二阶频率锁定135第2期孙礼等:GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现跟踪环(FLL)比三阶相位锁定环(PLL)具有几dB信噪比域值的动态性能优势[4],但其跟踪精度低,二者存在一定的矛盾.本系统的载波环设计中采用了适用载体动态的载波跟踪策略,即采用四相鉴频牵引进一步捕获多普勒频率、初始跟踪采用动态能力强的FLL消除动态、稳态跟踪采用热噪声误差小的PLL提高载波相位的基本方案,使得跟踪环能够同时满足动态性能与跟踪精度的要求,而环路参数的可编程设置以及动态变化时2种跟踪策略的软切换方式保证了跟踪的灵活性与稳健性.3.1科斯塔环载波相位跟踪科斯塔环是PLL的一种,由于它对载波调制数据不敏感而在GPS接收机中得到了普遍应用.常用的科斯塔环鉴相器算法为H k=Q(k)I(k)=0.125A2R2[E(k)]#sin c2{$f d(k)#P T}sin2<k+^n2(k)(4)若忽略噪声项^n2(k),输出信号与sin2<k成正比.由(4)式可知鉴相器输出信号与码延时误差及多普勒频移估计误差有关.由于接收机采用独立的码跟踪环与载波跟踪环,载波环闭合在码环相关发生之后,因此码相位已对准在容许的范围内,对载波跟踪影响不大.多普勒频移估计误差处在多普勒搜索单元范围内,有可能较大,此时科斯塔环的鉴相函数幅度衰减,鉴相特性受到影响,直接捕获或跟踪相位是比较困难的,应考虑将频率估计误差牵引到可接受的范围内.科斯塔环与一般的PLL一样对动态性敏感,但能产生最精确的伪距变化率观测量.对于给定的信号功率,科斯塔环也提供比FLL误比特率低的数据解调.因此,科斯塔环预期应用于GPS接收机载波跟踪环的稳态跟踪模式.3.2叉积自动频率跟踪频率跟踪实质上是载波相位差分跟踪.大多数情况下,频率跟踪鉴相器测量载波相位在固定时间间隔内的变化量.FLL通过载波DCO产生适当的频率以解调信号载波,因此对同相、正交信号相位的180b反转不敏感.在信号初始捕获时,实现频率锁定比实现相位锁定容易.常用的FLL 鉴频器算法有(考虑单位时间间隔)叉积自动频率跟踪算法(CDAFC)[5]:$f k=I(k-1)Q(k)-I(k)Q(k-1)=A2D(k)D(k-1)R2[E(k)]#sin c2($f d#P T)#sin(<k-<k-1)+^n3(k)(5)假定连续采样输出数据的数据位不变,即有D(k)D(k-1)=1$f d=$f d(k)-$f d(k-1)连续采样相位变化为<k-<k-1=[$f d(k)-$f d(k-1)]T=$f d T当|$f d#P T|n P/2时,sin c2($f d#P T)y1sin(<k-<k-1)U<k-<k-1输出与单位时间间隔内相位变化成正比,可以用此输出量控制载波DCO调整频率产生,达到频率跟踪的目的.该算法要求在同一数据位内计算,在信噪比较低的条件下仍能取得较好的性能.由式(5)可知,叉积鉴频器CD AFC信号输出幅度与R2[E(k)]及sin c2[$f d(k)P T]成正比,由于载波捕获与跟踪是在码相关发生后,码相位误差已校准在可容许的范围内,可忽略不计.而信号捕获过程多普勒频率搜索单元宽度为500Hz,这时残留的估计频率偏差仍然很大,将对鉴相器的输出信号产生衰减;另一方面,当频率估计残留偏差过大时,鉴频器可能超出其线性工作范围,使得鉴频器无法正常工作.因此,载波FLL必须采用2个过程,即首先采用四相鉴频器将频率从几百Hz牵引到几十或几H z,然后再利用CDAFC 作进一步的频率捕获与跟踪.3.3四相鉴频器四相鉴频器的主要目的是将频率进一步牵引到CDAFC的跟踪频带的线性范围内,其较正量通过比较2个连续时序同相、正交信号分量获得,计算同一时刻同相、正交分量绝对值之差为|I(k)|-|Q(k)|=A#R[E(k)]#|sin c($f d(k)P T)|#{|cos<k|-|sin<k|}(6)由于载波跟踪时码相估计误差对准在1个码片范围内,R[E(k)]>0,|I(k)|-|Q(k)|的符号与G=|cos<k|-|sin<k|的符号相同,可将载波相位(频率)误差分割为4个区间,设校正量为B,则有B=sgn[I(k)]#$Q|I(k)|\|Q(k)|(7)B=-sgn[Q(k)]#$I|I(k)|<|Q(k)|(8)其中$I=I(k)-I(k-1)136北京航空航天大学学报1999年$Q =Q (k)-Q (k -1)3.4 载波环监控与数据解调载波跟踪环路锁定监控利用连续的相关器输出采样值点积进行判决,即E (k)=I (k)I (k -1)+Q(k)Q(k -1)(9)当相关未发生、环路未锁定时,该项噪声趋于零,一旦环路锁定,则E (k)突然增加,叉积Q(k)I (k -1)-I (k)Q(k -1)y 0此时点积可用来估算信号功率.为避免数据位边沿跳变,通常采用多次采样数据平滑,以使边沿单次跳变对锁定监控的信号功率估算不产生影响.对于PLL 相干解调,科斯塔环可直接解调卫星数据信息,而对于非相干FLL 解调,数据解调则由软件实现的载波相位误差校正获得,即对载波相位误差H k 旋转得I c =I (k)#cos H k +Q (k)#sin H k Q c =Q (k)#cos H k -I (k)#sin H k(10)I c 即给出当前数据位表达.4 结束语本文对GPS 接收机中信号捕获与跟踪策略进行了分析,设计了信号捕获与跟踪码环及载波环.基于GPS 射频前端、扩频相关器与TMS320C31处理器的GPS 接收机数字系统验证了上述方案的正确性.控制量的提取及算法的实现由软硬件共同完成,具有较好的灵活性与抗干扰能力.参 考 文 献1 朱近康.扩展频谱通信及其应用.合肥:中国科学技术大学出版社,1993.182~2042 Zhuang W.Modeling and analysi s for the GPS pseudo 2range ob 2servable.IEEE Tran on AES,1995,31(2):739~7513 Zhuang W,Tranquilla J.Performance analysis of GPS carrier phase observable.IEEE Tran on AES,1996,32(2):754~7674 Jaffe C R.Software i mplem entation of a PN spread spectrum re 2ceiver to accommodate dynamics.IEEE Tran on Com,1977,25(8):832~8395 Francis D N.AFC tracking algorithms.IEEE Tran on Com,1984,32(8):935~947Control Strate gy a nd Implementation for Acquiringand Tracking GPS SignalSun Li Wang Yinfeng H e Chuan Zhang Qishan(Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Dept.of Electronic Engineering)A bstract A control strategy of acquisition and tracking for code loop and carrier loop is designed to detect GPS signal.Sequential searching scheme and narrow space non 2coherent digital delay locked loop as 2sure reliable acquisition and precise tracking for code phase.Integrated algorithms of 42quadrant frequency,cross 2product automatic frequency control and Costa phase locked loop are adopted to speed up frequency ac 2quisition and effectively track carrier frequency/phase changing,and therefore obtain better dynamic and noise performance.The control algorithms and loop parameters determination are implemented by software with inflexibility.Digital system based on spread spectrum correlator and digital signal processor proved above scheme be correct and efficient.Key words receivers;acquisition;tracking;global positioning system137第2期 孙 礼等:GPS 信号捕获与跟踪策略确定及实现。