高动态软件接收机信号的跟踪

高动态软件接收机信号的跟踪1 软件接收机接收机是全球导航定位系统(GPS)用户端的主要设备；军事和民间GPS设备由于与新的GPS不兼容，必须改变原来的硬件结构才能适应；将软件无线电技术应用于GPS，只需通过改动GPS接收机的软件和固件，即可增加GPS 新的频段功能，满足GPS软件接收机的升级要求；随着软件无线电技术的发展，软件接收机由于其灵活、可扩展、经济等优点成为当前的研究热点。

GPS软件接收机对射频信号下变频后得到的中频信号进行的捕获、跟踪和导航解算处理都是通过软件实现。

相比传统的硬件接收机，软件接收机可以只通过改变程序来开发和验证新的捕获、跟踪和定位算法；可以随意改变码和载波跟踪环路带宽使其性能达到最佳。

随着处理器性能的不断提高，软件接收机会得到越来越广泛的应用。

跟踪环路技术是设计GPS 接收机的关键，目前国外的一些文献资料都对跟踪环路设计进行了简单的介绍，也给出了简单的设计方法，但由于这类技术比较敏感，尤其是高动态跟踪环路设计方法，其内部的细节参数都是不公开的。

GPS接收机的实时动态性能、定位精度以及功能的丰富性与其所选用的CPU性能有很大关系。

具有较大动态范围的接收机的实时运算量大、、刷新速度高，对微处理器提出了更高的要求，即接收机应具有较高的数字信号处理能力。

DSP芯片具有适合于数字信号处理的软件和硬件资源，它运算速度快、接口方便、编程方便、稳定性好、精度高、集成方便、可用于复杂的数字信号处理算法。

利用接收机原始的伪距和伪距变化率进行GPS/INS组合算法和抗多径算法及设计新的载波跟踪环路等，提高接收机的抗干扰和动态性能及定位精度。

高动态GPS接收机关键在于信号处理模块具有快速捕获功能和较大的捕获、跟踪带宽。

动态GPS接收机关键技术研究[4]：a实时有效的GPS星的历书的推算；b时钟特性对高动态接收机的动态性能影响的研究：时钟特性(频率飘移和老化率)对高动态接收机的动态性能有较大的影响，在高动态接收机中必须予以考虑并尽量消除之，其中，频率飘移的消除大约可以使冷启动时间缩短60s。

c高加速度下的载波跟踪环路的研究：为检测高动态GPS信号，需要设计码环及载波环的捕获与跟踪数字系统。

在高动态下，在GPS信号的码跟踪和载波捕获与跟踪问题中解决在高加速度下的载波跟踪问题具有十分重要的意义，需设计出具有较大动态范围的载波跟踪相关算法。

d辅助跟踪环路的设计：信号一旦非正常失锁如何快速重新捕获，还必须结合GPS星历进行辅助跟踪环路的设计。

e冷启动算法的设计。

2 GPS信号跟踪GPS信号的捕获与跟踪是软件接收机的核心部分；捕获算法中，并行码频域搜索算法由于其无可比拟的速度优势已成为经典算法；跟踪算法在环路鉴相器以及环路参数的选择上却很灵活，参数的设计准则；环路参数的对比研究[1]，比较码环与载波环不同鉴相器的性能，然后对二阶锁相环中不同环路参数设置下的跟踪效果进行仿真分析，最后设计了合适的码环与载波环路，并用实际采集的GPS数据论证了所设计环路的有效性，为GPS软件接收机跟踪环路的设计提供了参考。

2.1 GPS跟踪基本原理2.1.1 数学原理GPS信号跟踪是利用捕获到的粗略码相位和载波多普勒频移实现本地信号与输入信号的准确同步，从而提取出导航电文。

2.1.2 跟踪环路A 码跟踪环路码跟踪环路用于保证精确对准输入信号C/A码的位置。

通常使用一种延迟锁相环DLL （delay locked loop），也称码超前-滞后跟踪环路。

在该环路中，伪码发生器产生超前（E）、即时（P）和滞后（L）3路信号，它们各相差0.5个C/A码元，分别与去载波后的输入信号进行相关，通过观测这3路相关值来判断本地C/A码的前后移动。

为了降低跟踪环路对本地载波相位对准程度的要求，码环通常设计成I、Q两路正交形式。

DLL环路需要鉴相器产生反馈来判断本地码发生器是否需要调整，常用的码环鉴相器及其性能如下：1）相干鉴相器(IE-IL)是最简单的码鉴相器，无需Q支路，但对载波环路要求很高。

2）非相干鉴相器①超前减去滞后能量，中等计算量，在±(1/2)个码元内与相干鉴相器性能相同；②超前减去滞后能量的归一化，计算量大，当码片误差超过1/2个码元时性能良好，可用于DLL对含较大噪声信号的跟踪；③IP(IE-IL)+QP(QEQL)：点积，计算量小，用了所有支路。

B 载波跟踪环路载波环使用一种对180°相位跳变不敏感的Costas环来保证对输入信号载波相位的精确跟踪。

2.1.3 二阶锁相环DLL环和Costas环都可以用一个线性的相位锁定环路模型来分析其性能。

该模型即二阶锁相环。

由上述分析可知：设定环路的BL、ζ和增益k0kd这3个参数即可得到环路的传递函数，进而得到整个环路信息。

2.2 GPS跟踪基本算法2.2.1 环路参数对跟踪效果的影响为分析环路参数对跟踪效果的影响，必须用特定的GPS信号跟踪仿真。

为简化程序，在Matlab环境下对单颗GPS卫星中频信号进行仿真。

设置中频信号频率f=4.309MHz，采样率fs=12MHz，仿真信号的C/A码相位、载波多普勒偏移、信噪比都为可设参数。

由于环路增益k0kd对跟踪效果的影响并不复杂，这里只讨论阻尼因子ζ和噪声带宽BL对跟踪效果的影响。

A 阻尼因子ζ对跟踪效果影响阻尼因子ζ决定锁相环到达最终稳态值的速度，ζ值越小，锁相环到达稳态值的速度越快，但同时锁定过程中的超调量也越大。

设定初始输入相位误差为60°，在不同的ζ值下，仿真二阶锁相环鉴相器输出。

由仿真结果可知，ζ值取0.7时，环路很快到达稳态值时间，同时超调量又不大，为环路设计的合适值。

B 环路噪声带宽BL对跟踪效果影响噪声带宽BL决定锁相环内所能容纳的噪声量，同时也能影响环路的动态性能。

载波环开始工作时，初始频率为捕获阶段给出的频率值，这与实际信号的频率有一定的偏差，锁相环会逐渐地锁定真实频率。

设定GPS仿真信号的频率为4312272Hz,捕获到的频率为4312300Hz,存在-28Hz的偏差，在不同的BL下进行仿真。

由仿真结果可知，当BL值较小为10Hz时，锁相环经多次抖动才锁定频率值；当为20Hz 时，锁相环较快锁定频率，锁定值的噪声也较小；当为30Hz时，锁相环很快锁定频率，但噪声值较大。

所以合理选择噪声带宽值对跟踪效果影响很大。

2.2.2 实际信号的跟踪由上述分析可知，锁相环的阻尼因子和环路噪声带宽对跟踪都有影响。

在对实际GPS 信号进行跟踪的过程中需要不断调节码环与载波环的参数值，以确定合适的环路参数。

这里设计合适的载波环与码环，用实际采集的GPS信号对所设计的环路跟踪效果进行验证。

跟踪后I、Q两路在某段时间输出。

环路设计中，DLL和Costas环鉴相器分别选择非相关归一化和反正切形式。

文献[1]首先比较载波环与码环不同鉴相器的计算量以及性能，然后在不同的阻尼因子ζ和噪声带宽BL参数值下对锁相环的跟踪效果进行仿真比较，最后选择了一组鉴相器并设计合适的环路参数对实际的GPS信号进行跟踪，跟踪结果验证了所设计环路的有效性。

文献[6]为了解决高动态环境下GPS 信号跟踪问题, 讨论了跟踪环路类型和参数的选择策略, 给出了一组适合高动态应用的环路参数, 分析了基于开环频率估计和 2 阶FLL ( Frequency Lock Loop) 辅助3 阶PLL ( Phase Lock Loop)的高动态环境下快速的捕获转跟踪方法, 给出了在由FPGA 和DSP 组成的硬件平台上的具体实现, 利用GPS 信号模拟器对所设计的跟踪环路的动态性能进行了验证。

测试结果表明所设计的高动态跟踪环路能够承受60g 视距动态应力。

文献[5]为了解决加速度大于等于45g、加加速度大于等于10 g / s 的高动态环境下GPS 信号的载波跟踪、码跟踪及其精度问题，提出了一种综合考虑动态和精度性能的载波环和码环优化设计方案，探讨了高动态情况下载波环和码环的结构设计及捕获转跟踪技术, 分析了FLL/ PLL/DLL环路的动态应力、暂态响应和鉴别器特性, 总结了实用的控制策略和环路带宽。

2.3 GPS跟踪存在问题高动态条件下接收机所接收卫星信号的载波多普勒频移及其变化率较大；载波环采用PLL，环路带宽必须足够大，这意味着载波跟踪精度的降低，而且在高动态下输入信号与本地信号的频差有可能超出PLL同步带，造成环路失锁(无法跟踪，环路不能收敛)；载波环采用FLL直接跟踪载波频率，则其捕捉带和同步带更宽，对于动态具有更好的适应性，但跟踪精度却不如PLL。

2.4解决方法如图提高GPS载波跟踪环的性能主要有两种途径：一种是设计性能优良的环路鉴别算法和环路滤波器，提高载波跟踪环本身的性能；另一种途径是采用外部辅助[7]。

载波跟踪环路结构图2.4.1提高载波跟踪环本身的性能(1) 硬件：使用DSP、FPGA等高速的MCU芯片；GPS 射频信号经过射频前端转换为46.42MHz模拟中频信号；ADC将模拟中频信号转化为2bit数字中频信号送入FPGA进行相关运算；DSP进行后续的信号处理和信息处理；观测数据和定位解算结果通过串口发送给上位机软件进行分析评估。

(2) 软件：跟踪环路设计是高动态接收机设计的核心环节，关系到接收机的动态性能。

利用载波跟踪环路的辅助可以消除大部分码跟踪环路的动态应力误差，因此对于高动态信号跟踪算法的研究主要集中于载波跟踪环[4]。

高速的捕获跟踪算法研究。

如捕获转跟踪技术：在捕获与跟踪之间采用捕获转跟踪技术，在从捕获状态结束到跟踪状态开始时间内求鉴频器的平均频差并进行开环控制即可进行频率精捕。

2.4.2提高载波跟踪环本身的性能文献[7]使用高动态环境INS辅助GPS载波跟踪算法，在保证GPS载波跟踪环路滤波器带宽足够窄的情况下，可以有效地增加环路带宽，从而加大了环路捕获带宽，提高了环路的捕获性能。

参考文献[1] 胡小平，于海亮，唐康华.基于软件GPS接收机的高动态跟踪环路设计.[2] 探讨如何设计GPS软件接收机跟踪环路.[3] 杨晓娟，蔡伯根.GPS软件接收机信号仿真与算法验证.[4] 张伯川，常青，张其善，寇艳红. 基于DSP的高动态GPS接收机关键技术讨论[J].[5] 吴琼，寇艳红，郑兴平. 高动态GPS 接收机环路跟踪技术研究[J].测控遥感与导航定位[6] 郑兴平，寇艳红.高动态GPS 接收机跟踪环路设计与实现.测控遥感与导航定位[7] 韩连洋. 高动态环境INS辅助GPS载波跟踪算法研究.。